童立坤，項(xiàng)延訓(xùn)，鄧明晰，邱勛林

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鐵電駐極體空氣耦合聲換能器的研制

童立坤1，項(xiàng)延訓(xùn)1，鄧明晰2，邱勛林3

(1. 華東理工大學(xué)，上海 200237；2. 重慶后勤工程學(xué)院，重慶 401331；3. 波茨坦大學(xué)物理和天文系，波茨坦 14476)

基于多孔聚丙烯鐵電駐極體薄膜系統(tǒng)研制了平面型和球型聚焦空氣耦合超聲波換能器。平面型換能器孔徑為20 mm，兩個(gè)球型聚焦換能器的孔徑和焦距分別為20 mm和35 mm、30 mm和40 mm。使用激光干涉儀測(cè)得了三個(gè)換能器作為發(fā)射器工作時(shí)的帶寬和諧振頻率，并且將在脈沖回波模式下測(cè)得的換能器作為接收機(jī)工作時(shí)的響應(yīng)與激光干涉儀測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。最后選擇孔徑為20 mm的球型聚焦換能器，在脈沖回波模式下對(duì)不同直徑孔的聚乙烯階梯楔進(jìn)行掃描成像。

空氣耦合超聲；多孔聚丙烯鐵電駐極體；換能器

0 引言

近年來，空氣耦合超聲(Air-Coupled Ultrasonic, ACU)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)材料研究開發(fā)以及非破壞性測(cè)試中[1-5]?？諝庾鳛槲ㄒ坏鸟詈辖橘|(zhì)，不需要對(duì)材料和環(huán)境條件進(jìn)行任何額外處理，并且配合適當(dāng)?shù)膴A具和平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試。然而，空氣和換能器、空氣和被測(cè)材料之間的非常高的阻抗失配會(huì)導(dǎo)致超聲信號(hào)能量的極大衰減[1]。目前，這個(gè)問題一般通過在換能器前端添加匹配層構(gòu)成復(fù)合換能器來解決。但匹配層的材料需要根據(jù)被檢對(duì)象的特性來進(jìn)行計(jì)算選擇，而且制作工藝較為復(fù)雜[3]，這使得匹配層的推廣和使用受到了限制。

為了克服以上的問題，人們提出了一些新的壓電材料用來制造空耦換能器。其中最有希望的是鐵電駐極體薄膜(Electrical Mechanical Film, EMFi)[6]，其特征在于材料本身具有很強(qiáng)的壓電響應(yīng)、柔性和極低的聲阻抗。目前國際上研究較多的是一種名為多孔聚丙烯(cellular Polypropylene,cPP)的EMFi，性能參數(shù)見表1[7]。

表1 壓電材料參數(shù)對(duì)比

注：聲阻抗單位：1 MRayl=1 kg·(m2·s)-1

EMFi材料的聲速小、密度低，導(dǎo)致聲阻抗非常低，相比于鋯鈦酸鉛、聚偏二氟乙烯，可以更好地與空氣(聲阻抗≈0.0004 MRayl)實(shí)現(xiàn)匹配。目前，EMFi已被用于構(gòu)建聲學(xué)、振動(dòng)換能器[2-6]，例如揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)、生理傳感器[8]、鍵盤[9]、位置力傳感器[9]等。此外，EMFi材料的寬帶頻率響應(yīng)使其非常適合作為超聲波傳感器用于范圍測(cè)量[10]、局部定位系統(tǒng)、蝙蝠研究[11]、超聲成像等應(yīng)用。已有的研究[12-13]發(fā)現(xiàn)，壓電駐極體在工作時(shí)表現(xiàn)出的類似理想活塞的聲源的特征也使其非常適合用于開發(fā)自定義尺寸和形狀的超聲換能器。

本文基于EMFi(cPP)系統(tǒng)開發(fā)、制作和表征了平面型、球型聚焦空氣耦合超聲換能器。該EMFi(cPP)系統(tǒng)包含了雙面Al電極，成本極低。然后，我們?cè)诓煌瑢?shí)驗(yàn)條件下對(duì)不同性能設(shè)計(jì)參數(shù)的換能器的性能從以下4個(gè)方面做了研究：

(1) 駐極體薄膜在背襯上的固定方式；

(2) 以薄膜為振動(dòng)元件的換能器頻率響應(yīng)特性；

(3) 球型聚焦換能器的焦距；

(4) 換能器的成像性能。

1 換能器制作

如圖1所示是基于EMFi(cPP)制作的三只空氣耦合超聲換能器，從右往左為平面型換能器P2，球型聚焦換能器F1、F2。每個(gè)換能器包括7個(gè)可更換的組件：BNC接頭、絕緣體、黃銅背襯、導(dǎo)電膠、氟聚合物駐極體薄膜、鋁外殼和頂蓋。換能器幾何參數(shù)和薄膜壓電系數(shù)見表2。

圖1 空氣耦合超聲換能器

表2 換能器設(shè)計(jì)參數(shù)

雖然球型聚焦換能器比平面型換能器的制作難度要大很多，但在許多情況下，球形聚焦換能器相對(duì)于平面型換能器可以提高分辨率[13]。在理想情況下，超聲成像系統(tǒng)的分辨率是受超聲衍射限制的[12]，而空氣中相對(duì)低的聲速(約 343 m·s-1)導(dǎo)致波長(zhǎng)比在常見的液體和固體中更短，因此聚焦超聲在空氣中可以在較低頻率下提供較好的空間分辨率。例如，頻率為300 kHz的超聲波信號(hào)在空氣中的波長(zhǎng)約為1.14 mm，在水中為4.98 mm。球型換能器的聚焦區(qū)域的寬度通常為波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)[12]。

平面型換能器的薄膜和背襯之間不添加任何粘合劑，僅僅是膜的邊緣被機(jī)械夾持在背襯上，且不對(duì)膜施加張力，但盡量保證平整度。

對(duì)于球型聚焦換能器，為了實(shí)現(xiàn)自聚焦，我們使用了一個(gè)球型、剛性黃銅背板作為背襯，并使用導(dǎo)電膠帶作為膜和背板之間的粘合劑。相比于環(huán)氧樹脂導(dǎo)電膠，使用雙面導(dǎo)電膠帶可以提供更均勻的支撐表面，使薄膜更容易獲得均勻的厚度方向振動(dòng)模式。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 頻率響應(yīng)測(cè)試

圖2為使用邁克爾遜激光干涉儀獲得的三種換能器作為激發(fā)器、在100 Vpp電壓激發(fā)下?lián)Q能器薄膜中心單點(diǎn)的頻率響應(yīng)曲線，具體性能參數(shù)見表3。

圖2 激光干涉儀測(cè)量的換能器頻率響應(yīng)曲線

表3 換能器性能參數(shù)

以幅值下降一半作為標(biāo)定帶寬的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比圖2頻響曲線可以發(fā)現(xiàn)，P2的帶寬和中心頻率高于F1、F2，這是因?yàn)樵贔1、F2中EMFi與背襯間用導(dǎo)電膠帶粘合較為緊密，從而導(dǎo)致了帶寬和中心頻率的降低。這同樣也可以解釋在100 V激發(fā)電壓下，P2的振動(dòng)幅值要明顯低于F1(兩者孔徑相同)和F2。相較于P2只是將薄膜的周邊機(jī)械夾持在夾具上，F(xiàn)1、F2由于導(dǎo)電膠的存在使薄膜可以更加均勻、直接地受到電壓刺激，激發(fā)的振動(dòng)幅值較大。

2.2 激發(fā)電壓與振動(dòng)幅值

以P2為例，圖3是使用邁克爾激光干涉儀獲得的在50～400 V電壓激發(fā)下?lián)Q能器中心單點(diǎn)振動(dòng)幅值。

圖3 激光干涉儀測(cè)量的激發(fā)電壓對(duì)信號(hào)幅值的影響

可以發(fā)現(xiàn)，在50～400 V范圍內(nèi)，單點(diǎn)振幅與激發(fā)電壓有著良好的線性關(guān)系，F(xiàn)1、F2與之類似，這與已有文獻(xiàn)的報(bào)道相同[10]。

2.3 換能器焦距測(cè)試

在脈沖回波模式下，分別在F1、F2各自對(duì)應(yīng)的中心頻率下，激發(fā)5個(gè)周期的、附加漢寧窗的正弦脈沖信號(hào)。以表面拋光的光滑鋁塊作為反射塊，測(cè)試回波信號(hào)強(qiáng)度隨換能器薄膜中心至反射鋁塊距離的增加而發(fā)生的變化，從而確定換能器的焦距。實(shí)驗(yàn)過程中注意保持鋁塊與換能器激發(fā)面平行和對(duì)齊，而且作為反射塊的鋁塊表面必須保證光滑，否則回波信號(hào)強(qiáng)度會(huì)受到很大影響。

圖4為F1在脈沖回波模式下測(cè)得的經(jīng)過濾波的信號(hào)。由圖4可以看出信噪比極高，但遺憾的是實(shí)際回波信號(hào)的幅值卻很小(10 mV以下)。

圖5、6分別是在脈沖回波模式下F1(孔徑20 mm)、F2(孔徑30 mm)回波信號(hào)的幅值隨激發(fā)-接收距離變化測(cè)試的結(jié)果，F(xiàn)1、F2焦距分別為距薄膜中心35～38 mm、38～43 mm。這說明EMFi聚焦換能器焦距與換能器的孔徑大小有關(guān)。

2.4 成像測(cè)試

圖7為使用F1聚焦換能器在脈沖回波模式下對(duì)一系列不同直徑孔的聚乙烯階梯楔塊在、方向上掃描成像的原始結(jié)果，掃描的空間分辨率為1 mm×1 mm。

根據(jù)掃描圖像的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，該換能器有一定的靈敏度，對(duì)于直徑在2 mm以上的孔基本可以識(shí)別，孔邊緣不是很明顯，這除了換能器本身分辨率的原因外，也和掃描時(shí)的空間分辨率較大有關(guān)。

圖4 F1換能器的脈沖回波響應(yīng)

圖5 F1換能器的聚焦區(qū)域

圖6 F2換能器的聚焦區(qū)域

圖7 使用F1換能器對(duì)不同直徑孔的聚乙烯階梯楔的掃描成像結(jié)果

3 結(jié)論

基于氟聚合物鐵電駐極體開發(fā)的EMFi(cPP)換能器目前只是原型。盡管換能器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有添加匹配層和匹配電路，但空氣耦合超聲實(shí)驗(yàn)中證明了該換能器的寬帶特性以及較好的成像分辨率，這表明EMFi鐵電駐極體是一種在非接觸式超聲波成像和測(cè)試方面有著應(yīng)用前景的材料。

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Development of EMFi-based air-coupled ultrasonic transducer

TONG Li-kun1, XIANG Yan-xun1, DENG Ming-xi2, QIU Xun-lin3

(1.East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China; 2. Logistics Engineering University, Chongqin 401331, China; 3. Department of Physics and Astronomy, University of Potsdam,Potsdam 14476, Germany)

The planar and spherically focused air-coupled ultrasonic transducers are developed based on electrical mechanical film (EMFi) system, which contains two-sided Al electrodes and cellular polypropylene (cPP) ferroelectret films. Three transducers are fabricated and tested. The planar one has a diameter of 20 mm. One of the spherically focused transducers has an aperture of 20 mm and a focal length of 35 mm; another has an aperture of 30 mm and a focal length of 40 mm. The bandwidth and resonance frequency of the transducer as a transmitter are obtained by using laser interferometer. As a receiver, the pulse-echo response of the transducer is compared with the results of laser interferometer test. Finally, the spherically focused transducer of 20 mm aperture is selected to scan the polyethylene (PE) ladder wedge with different diameter holes in pulse-echo mode.

air-coupled ultrasonic; cellular polypropylene ferroelectret; transducers

TB552

A

1000-3630(2018)-05-0507-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.05.017

2018-01-26;

2018-03-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11474093)

童立坤(1991－), 男, 安徽宣城人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)槌暀z測(cè)。

項(xiàng)延訓(xùn), E-mail: yxxiang@ecust.edu.cn