劉 暢高廣健陳 瀚鄧明晰

(陸軍勤務(wù)學(xué)院基礎(chǔ)部，重慶 401331)

超聲蘭姆波是一種在板類結(jié)構(gòu)中傳播的超聲導(dǎo)波，它具有傳播速度快，傳播距離遠(yuǎn)及幅值衰減小等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。由于蘭姆波與整個(gè)板材上缺陷產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用，可以攜帶大量檢測(cè)所需信息，能夠較好檢測(cè)出板材的材料缺陷，故其廣泛用于板類結(jié)構(gòu)缺陷的快速檢測(cè)中[3]。

蘭姆波傳播的多模態(tài)性導(dǎo)致不同模態(tài)信號(hào)疊加，使其在激發(fā)、傳播、接收以及信號(hào)處理方面變得非常復(fù)雜[4]，限制了蘭姆波在結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用。為解決這一問題，超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)中經(jīng)常使用斜入射式壓電換能器[5-6]和梳狀壓電換能器[7-8]，來實(shí)現(xiàn)特定模態(tài)超聲蘭姆波的激發(fā)和接收。斜入射式壓電換能器通過選擇不同角度楔形塊和激發(fā)頻率，根據(jù)Snell 定律獲得不同模態(tài)的導(dǎo)波。梳狀壓電換能器通過調(diào)整探頭的間距、壓電片的寬度和對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相位控制，實(shí)現(xiàn)板或管道中激發(fā)出特定的導(dǎo)波模態(tài)。

設(shè)計(jì)并制作了一種由YZ 鈮酸鋰晶體和叉指電極裝配使用的叉指型超聲蘭姆波壓電換能器，可實(shí)現(xiàn)特定頻率下單一模態(tài)超聲蘭姆波的激發(fā)與接收，并在鋁板中進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

1 超聲蘭姆波頻散特性分析

對(duì)于給定厚度的板材，在任意頻率下都存在2 種或2 種以上的蘭姆波模式[9]，因此首先需對(duì)蘭姆波的頻散特性進(jìn)行分析。以鋁板為例進(jìn)行理論和數(shù)值研究，鋁板參數(shù)如表1 所示。對(duì)單層鋁板中傳播的超聲蘭姆波進(jìn)行數(shù)值研究，所得頻散曲線如圖1 所示。

圖1 頻散曲線

表1 待測(cè)鋁板材料參數(shù)

在圖1(a)中，橫坐標(biāo)表示頻率，縱坐標(biāo)表示相速度，斜直線則代表波長。由圖1 可知，可以通過波長和頻率來確定超聲蘭姆波模式，如圖1 中點(diǎn)P所示。需要注意的是相同的波長條件下，所對(duì)應(yīng)的超聲蘭姆波模式并不是唯一的，因此還要通過激發(fā)頻率加以控制。

結(jié)合圖1 所示頻散曲線，僅選用S0蘭姆波模式開展相應(yīng)的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究。擬激發(fā)點(diǎn)P對(duì)應(yīng)的S0模式，其對(duì)應(yīng)的頻率f＝1.71 MHz，波長λ＝1.90 mm，群速度cg＝2.15 km/s。

2 叉指超聲蘭姆波換能器

擬設(shè)計(jì)一種裝配式的叉指蘭姆波換能器，用于激發(fā)和接收單一模態(tài)的超聲蘭姆波，如圖2 所示。它包括銅質(zhì)叉指電極、導(dǎo)線、絕緣薄膜和YZ 鈮酸鋰晶體。在使用該超聲蘭姆波換能器時(shí)，只需根據(jù)目標(biāo)超聲蘭姆波模式的信息來更換銅質(zhì)叉指電極、導(dǎo)線和絕緣薄膜，而不需更換鈮酸鋰晶體。

圖2 叉指換能器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 叉指電極設(shè)計(jì)

換能器中主要使用的叉指電極材料包括金、鉑、銅等。銅的密度與金相比較低，延展性適中，足以滿足中低頻的超聲器件要求，且具有價(jià)格低、與集成電路工藝兼容等優(yōu)勢(shì)。本次選擇銅作為叉指電極材料，所有指條狀銅電極各自由同一連接條連接并蝕刻于基材2 側(cè)構(gòu)成導(dǎo)電層。叉指電極決定了換能器激發(fā)和接收的超聲蘭姆波模式，并影響換能器激發(fā)和接收蘭姆波信號(hào)的強(qiáng)度[10]，因此需要對(duì)其進(jìn)行精心的設(shè)計(jì)。叉指電極的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其相關(guān)參數(shù)主要包含指條寬度a，周期性排列指條間距L，指條長度h，連接條寬度w和單側(cè)指條數(shù)目n。

圖3 叉指電極結(jié)構(gòu)示意圖

采用矢量和法[11-12]對(duì)叉指換能器進(jìn)行分析與討論，以確定叉指電極的相關(guān)參數(shù)。假設(shè)超聲蘭姆波在傳播時(shí)無衰減，且叉指換能器(如圖3 所示)每個(gè)指條所激發(fā)/接收到的簡(jiǎn)諧超聲蘭姆波的幅值均為A0、相速度和頻率分別記為cP和f。由于叉指換能器指條呈周期性排列，相鄰指條間距為L。根據(jù)波的傳播原理，相鄰指條所接收到的蘭姆波的相位差應(yīng)為θ＝ωτ＝，則整個(gè)叉指換能器激發(fā)/接收到蘭姆波后的總信號(hào)為各指條輸出信號(hào)的和，即:

當(dāng)Δθ＝kπ(k＝1，3，5…)時(shí)，總輸出達(dá)到最大值:

此時(shí)可得到:

即，當(dāng)叉指換能器的指條間距L為目標(biāo)超聲蘭姆波半波長的奇數(shù)倍時(shí)，叉指換能器的總輸出將達(dá)到最大值，可利用該條件設(shè)計(jì)叉指換能器的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)圖1 中P點(diǎn)多對(duì)應(yīng)的超聲蘭姆波模式和頻率，分別選取L＝λ/2 ＝0.95 mm，a＝λ/4 ＝0.475 mm，n＝30，h＝49 mm，w＝5 mm。

2.2 壓電材料

常用于超聲換能器的壓電材料有壓電陶瓷、壓電晶體以及PVDF 薄膜等[13-14]。一般來說壓電晶體因具有損耗小、可靠性高、重復(fù)性好等特點(diǎn)得到廣泛使用。鈮酸鋰晶體，具有獨(dú)特的聲光效應(yīng)、壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)，并具有重量輕、柔軟不脆、耐沖擊、不易受水和化學(xué)藥品污染、易制成任意形狀的片或管狀等優(yōu)勢(shì)，因此廣泛應(yīng)用于力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電子等技術(shù)領(lǐng)域[15]。設(shè)計(jì)的叉指超聲蘭姆波換能器擬選用YZ 鈮酸鋰晶體作為壓電基底材料，其長×寬×高分別為60 mm×45 mm×6 mm。

2.3 叉指換能器的安裝

按照前文所述的設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)YZ 鈮酸鋰晶體和叉指電極進(jìn)行了加工，加工精度控制在±100 μm?？紤]到換能器測(cè)試及后期實(shí)際檢測(cè)的需要，對(duì)叉指電極、導(dǎo)線和絕緣薄膜進(jìn)行了一體化樣件加工和組裝，即:將厚度為100 μm 的銅質(zhì)叉指電極直接刻蝕在厚度為200 μm 的絕緣薄膜上，導(dǎo)線通過焊接的方式連接在叉指電極上。在叉指換能器的使用過程中，將一體化加工的叉指電極通過耦合劑粘貼到擦洗干凈的待測(cè)材料表面，再將YZ 鈮酸鋰晶體放置在叉指電極的上側(cè)，二者通過耦合劑進(jìn)行連接。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的叉指蘭姆波換能器在特定的頻率下能夠有效地激發(fā)和接收特定模態(tài)的超聲蘭姆波模式，以1.76 mm 厚的普通鋁板作為實(shí)驗(yàn)試樣，借助于Ritec 5000 SNAP 聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，建立了如圖4 所示的超聲蘭姆波實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用自發(fā)自收式進(jìn)行超聲蘭姆波信號(hào)的激發(fā)與接收，即:Ritec 5000 SNAP 聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)輸出一束經(jīng)Hanning 窗加權(quán)的頻率為1.71 MHz、周波數(shù)為15 的正弦脈沖信號(hào)，經(jīng)過衰減器、雙工器后傳遞到叉指換能器，通過逆壓電效應(yīng)激發(fā)超聲蘭姆波信號(hào)，攜帶有大量檢測(cè)信息的回波信號(hào)由同一叉指換能器接收，經(jīng)過放大器后由示波器顯示并存儲(chǔ)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

采用圖4 所示的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)蘭姆波時(shí)域信號(hào)在鋁板中傳播的物理過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，通過叉指換能器接收到的超聲時(shí)域信號(hào)如圖5 所示。

圖5 叉指換能器所接收到的蘭姆波時(shí)域信號(hào)

由圖5 可知，除射頻脈沖電壓的直通部分(直通信號(hào))外，時(shí)域信號(hào)中存在一個(gè)較單純的端面回波信號(hào)。根據(jù)波速法，計(jì)算得到該回波信號(hào)的群速度約為2.17 km/s，與圖1(b)中P點(diǎn)所示的蘭姆波S0模式的理論群速度值(2.15 km/s)非常接近(相對(duì)誤差為0.93%)。據(jù)此認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中所接收到的信號(hào)為圖1 中P點(diǎn)對(duì)應(yīng)的S0模式蘭姆波。因此在特定頻率下，利用所設(shè)計(jì)的叉指蘭姆波換能器可激發(fā)并接收單一的S0模態(tài)，從而說明這種叉指蘭姆波換能器可實(shí)現(xiàn)單模態(tài)蘭姆波的激發(fā)與接收。

4 結(jié)論

為減小固體板中蘭姆波多模式特性對(duì)其傳播特性的影響，實(shí)現(xiàn)特定頻率下單一模態(tài)超聲蘭姆波的激發(fā)與接收，設(shè)計(jì)了一種裝配式的叉指蘭姆波換能器，并將其應(yīng)用于鋁板的超聲蘭姆波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用所設(shè)計(jì)的叉指蘭姆波換能器可實(shí)現(xiàn)單一模態(tài)超聲蘭姆波的激發(fā)與接收。此次研究工作為進(jìn)一步利用超聲蘭姆波對(duì)鋁板無損檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)，也為其他板類和管狀結(jié)構(gòu)檢測(cè)中換能器的設(shè)計(jì)研究提供一種有益的參考借鑒。