涂馨予,樓成淦,3,金杭超,鐘 愷,陳昌杰,樓將波

(1.杭州瑞利超聲科技有限公司, 浙江 杭州 310023;2. 杭州應(yīng)用聲學(xué)研究所,浙江 杭州 310023;3 哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

超聲波具有頻率高,波長短,能量大及穿透力強(qiáng)的特點,因而在醫(yī)療、工業(yè)及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域得到重要應(yīng)用[1-2]。根據(jù)應(yīng)用機(jī)理可將超聲波主要分為功率超聲和檢測超聲兩大類。其中功率超聲是通過超聲波作用在物體上,從而引起物體的狀態(tài)及性質(zhì)發(fā)生變化的一種技術(shù)手段[1]。檢測超聲主要利用超聲波作用在物體表面會發(fā)生反射或透射機(jī)理,從而進(jìn)行測距或成像作用的一類技術(shù)[2]。目前檢測超聲技術(shù)正處于蓬勃發(fā)展的階段,在缺陷檢測[3]、無損檢測[4]及流量計量[5-6]等方面得到廣泛應(yīng)用。在這些領(lǐng)域中,以氣體為媒介的檢測超聲技術(shù)存在較大難度,尤其是燃?xì)饬髁坑嫷刃枰曰旌蠚怏w作為聲波傳播媒介的檢測技術(shù),在檢測結(jié)果準(zhǔn)確性及精度控制上有較大難度。

超聲換能器作為重要的電聲轉(zhuǎn)換器件,當(dāng)聲波傳播的媒介為空氣或天然氣時,存在換能器聲阻抗與空氣聲阻抗嚴(yán)重失配等問題,導(dǎo)致聲波在固-氣界面上接近全反射,換能器產(chǎn)生的振動在換能器內(nèi)部以熱能、機(jī)械損耗或壓電材料的介電損耗形式消散。因此,換能器需要聲匹配層結(jié)構(gòu)來提升聲波的透射率。已有學(xué)者采用低密度泡沫材料研制聲匹配層,可有效地提高聲波透射率,但在實際使用中存在泡沫材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低,伴隨聲損耗過大的問題[7]。也有學(xué)者采用多層匹配層結(jié)構(gòu)研制換能器,提高了換能器的收發(fā)性能,同時也存在匹配層粘接層數(shù)過多,其成品率及可靠性下降的問題[8]。在環(huán)氧樹脂基體中加入空心玻璃微球可降低聲匹配層的聲阻抗率,并且固化后復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大,有利于加工[9],同時也存在空心玻璃微球與環(huán)氧樹脂基體融合度不佳的情況,造成不同批次的聲匹配層間聲學(xué)性能差異大的問題[10]。

本文通過采用空心酚醛樹脂微球研制聲匹配層,對聲匹配層的聲學(xué)性能進(jìn)行了研究與測試。在此基礎(chǔ)上研制了一對以空氣為介質(zhì)的超聲換能器,并與采用空心玻璃微球匹配層的超聲換能器進(jìn)行了性能對比。測試結(jié)果顯示,酚醛樹脂微球與環(huán)氧樹脂基體融合較好,未出現(xiàn)分層現(xiàn)象。時域信號具有拖尾小、拖尾短的優(yōu)勢,頻域上換能器具有更寬的帶寬。

1 換能器設(shè)計與仿真分析

超聲換能器通常由匹配層、壓電晶片、背襯層與保護(hù)外殼等部分組成,其中聲匹配層是協(xié)調(diào)介質(zhì)阻抗與換能器阻抗的關(guān)鍵部件,有提升換能器能量轉(zhuǎn)換效率的作用。壓電晶片決定了換能器的諧振頻率及阻抗等特性,而背襯吸收壓電體反方向傳播的聲波,從而消除信號拖尾現(xiàn)象。

1.1 壓電陶瓷仿真分析

已有研究中常采用厚度振動模態(tài)的壓電陶瓷,這是因為厚度振動的換能器能更好地集中一定空間范圍內(nèi)的聲能,聲波在氣體中的衰減程度與頻率的平方呈正相關(guān)。換能器頻率越高,聲波在空氣中傳播的距離越小,但高頻聲波的波長更短,有利于檢測精度的提升。為保證傳播距離與測試精度,最終確定換能器的工作頻率約為500 kHz。對壓電陶瓷進(jìn)行設(shè)計,先后嘗試了圓片型壓電陶瓷、方片型壓電陶瓷及切縫壓電陶瓷,陶瓷阻抗特性仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 壓電陶瓷設(shè)計及仿真

由圖1可看出,圓片型壓電陶瓷的徑向振動干擾較明顯,模態(tài)不純凈。方塊形切縫陶瓷可將橫向振動與厚度振動的諧振頻率分開,其中正方形切縫壓電陶瓷的厚度振動最純凈。因此,本文采用正方形切縫壓電陶瓷方案。

1.2 匹配層聲學(xué)特性研究

本文采用空心酚醛樹脂微球研制聲匹配層,空心酚醛樹脂微球的表面化學(xué)組成與環(huán)氧樹脂基體具有相似性,通過化學(xué)鍵容易結(jié)合。將酚醛樹脂空心微球放入環(huán)氧樹脂基體中,充分混合并進(jìn)行抽真空處理,最后將材料取出放入烘箱中進(jìn)行固化成型?？招姆尤渲⑶蚺c環(huán)氧樹脂基體的相容性較好,固化后不易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。對固化后的聲匹配層進(jìn)行切片處理,采用掃描電子顯微鏡(SEM)對材料截面進(jìn)行拍照(見圖2)。由圖可看出截面的狀態(tài),切割后,部分空心微球發(fā)生破損,產(chǎn)生了部分碎片,其余大部分微球形態(tài)完好,排列緊密,與樹脂基體結(jié)合情況較好。

圖2 聲匹配層截面電子顯微鏡SEM圖(放大1 000倍)

采用脈沖回波系統(tǒng)對匹配層的聲學(xué)特性進(jìn)行測試,并與采用空心玻璃微球作為填充物的聲匹配層進(jìn)行性能對比,兩種材料的參數(shù)如表1所示。

表1 匹配層聲學(xué)參數(shù)

材料的聲學(xué)性能與微球粒徑相關(guān),為排除微球粒徑對匹配層聲學(xué)性能的影響,本文所用空心酚醛樹脂微球與空心玻璃微球的平均粒徑均為?60 μm。此外,采用相同的環(huán)氧樹脂基體,微球的摻雜量均按照最佳比例進(jìn)行。由表1可看出,采用空心酚醛樹脂微球作為填料時,匹配層聲速較低,而插入損耗較大。

1.3 換能器靜態(tài)分析

為進(jìn)一步分析匹配層的作用,采用有限元軟件對換能器進(jìn)行建模,有限元模型如圖3所示。仿真所采用各部件尺寸及材料如表2所示。通過仿真計算換能器的導(dǎo)納特性,其導(dǎo)納曲線如圖4所示。由圖可看出,由于聲匹配層的作用,換能器頻率為300～600 kHz時,換能器存在兩個諧振峰,分別位于410 kHz和580 kHz處。分析這兩處頻率的振型,其中410 kHz處諧振頻率主要由換能器的厚度振動引起,580 kHz處諧振頻率主要為聲匹配層的厚度振動。

表2 換能器各部件結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及材料

圖3 超聲換能器有限元建模

圖4 超聲換能器阻抗特性曲線

2 換能器空氣中響應(yīng)KLM理論分析

換能器的模型復(fù)雜,利用有限元法對換能器進(jìn)行計算,計算量龐大且計算不準(zhǔn)確,故用KLM模型理論對換能器進(jìn)行建模計算[12-13]。Martha Castillo等[13]將 KLM電路模型進(jìn)行分解,形成了由系列二端口網(wǎng)絡(luò)組成的級聯(lián)結(jié)構(gòu),按照級聯(lián)結(jié)構(gòu)的理論分析可以進(jìn)行換能器傳遞函數(shù)的計算,從而計算換能器的脈沖回波響應(yīng)。以Martha Castillo理論為依據(jù),對換能器進(jìn)行分析。換能器主要包括壓電材料、金屬、匹配層和背襯,建立模型時將金屬帽結(jié)構(gòu)等效為第一層匹配層,換能器等效為雙匹配層結(jié)構(gòu),如圖5所示。超聲換能器等效為二端口網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)結(jié)構(gòu),如圖6所示。

圖5 超聲換能器等效結(jié)構(gòu)

圖6 KLM模型的二端口網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)結(jié)構(gòu)

圖6中,N1為電端的電匹配矩陣,N2為換能器等效電容矩陣,N3為換能器電學(xué)端與聲學(xué)端的電聲轉(zhuǎn)換變壓器的轉(zhuǎn)換系數(shù)矩陣,N4為換能器背襯與壓電陶瓷之間的阻抗匹配矩陣,N5為位于聲學(xué)后端的壓電體的二端口轉(zhuǎn)移矩陣,N6為位于聲學(xué)前端的壓電體的二端口轉(zhuǎn)移矩陣,N7、N8分別為換能器的金屬帽及聲匹配層的二端口轉(zhuǎn)移矩陣。

從電源端到負(fù)載端的總轉(zhuǎn)移矩陣為

Nt=N8N7N6N4N3N2

(1)

式中Nt為2×2的矩陣,且:

(2)

通過轉(zhuǎn)移矩陣可得到電源端的阻抗特性為

Zi=(Nt22Zt-Nt12)/(Nt11-Nt21Zt)

(3)

換能器的雙向傳遞函數(shù)為

Hr(p)=4ZiZt/(ZiZtNt21-ZiNt11+

Nt12-ZtNt22)2

(4)

式中:Zi為背襯聲阻抗;Zt為負(fù)載聲阻抗;打磨p為拉普拉斯算子。

按照上述KLM理論可計算換能器的阻抗特性及脈沖回波信號,阻抗特性計算結(jié)果如圖7所示。由圖可看出,在300～700 kHz內(nèi),換能器共有2個諧振頻率,分別位于400 kHz及620 kHz處。其中400 kHz處由換能器的厚度振動引起,620 kHz處由換能器的匹配層振動引起。這與第1.3節(jié)中采用有限元法得到的阻抗特性一致,說明了KLM方法在高頻換能器分析方面的有效性。

圖7 換能器阻抗特性曲線

圖8為KLM仿真得到的換能器脈沖發(fā)射回波信號,發(fā)射脈沖采用矩形脈沖。由圖可看出,經(jīng)過換能器調(diào)制后的接收信號形態(tài)類似于正弦信號,換能器回波信號經(jīng)過振蕩后逐漸衰減,在直達(dá)波后形成一小串拖尾信號。

圖8 換能器回波脈沖信號

3 換能器研制及測試

在上述研究基礎(chǔ)上研制超聲換能器,挑選元件并進(jìn)行清洗后,進(jìn)行換能器的組裝及灌封。換能器各部件如圖9所示。組裝完成后對外殼部分進(jìn)行灌封,灌封后換能器外型如圖10所示。

圖9 換能器各部件

圖10 封裝后換能器實物

換能器的阻抗特性如圖11所示。由圖可看出,在300～700 kHz間換能器存在兩個諧振峰,分別位于475 kHz與570 kHz處,這與KLM理論計算所得換能器諧振頻率及電導(dǎo)幅值存在偏差。其原因是理論計算時,通常是將換能器模型進(jìn)行等效與簡化,未考慮實際中較精細(xì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu),理論計算中不包括換能器的機(jī)械損耗及介電損耗等能量損耗。

本文采用1對超聲換能器互發(fā)互收的方式對超聲換能器進(jìn)行性能測試,如圖12所示,將1對換能器固定在流道上,其聲中心保持在同一個水平線上,采用脈沖收發(fā)儀進(jìn)行聲脈沖的發(fā)射,發(fā)射脈沖形式為單個脈沖。

圖12 換能器測試系統(tǒng)

為了對比空心酚醛樹脂微球匹配層的作用,研制了空心玻璃微球匹配層,并將其應(yīng)用于換能器上,進(jìn)行換能器的性能對比,兩種聲匹配層均采用最佳厚度。圖13(a)為采用空心酚醛樹脂微球作為匹配層填料而研制的換能器測試結(jié)果。圖13(b)為采用空心玻璃微球研制的換能器接收脈沖波形。由圖可看出,換能器的接收信號均為類似正弦信號的一串脈沖信號,兩種換能器信號幅度相當(dāng),包絡(luò)清晰,空心玻璃微球匹配層換能器的信號拖尾較長,拖尾幅度較大。

圖13 換能器接收回波信號測試結(jié)果

圖14為換能器頻譜分析。由圖可看出酚醛樹脂匹配層換能器的帶寬更寬,兩個主要的諧振頻率分量分別位于475 kHz處和570 kHz處。此外,酚醛樹脂微球匹配層換能器的帶內(nèi)起伏小,信噪比高,約比空心玻璃微球匹配層換能器大3 dB。兩種換能器的相關(guān)性能參數(shù)如表3所示。

表3 換能器測試數(shù)據(jù)表

圖14 換能器頻譜分析

將空心酚醛樹脂微球研制的聲匹配層用于空氣耦合超聲換能器,可以提升換能器的帶寬及信噪比,起到減輕換能器拖尾信號的作用。

4 結(jié)束語

本文采用酚醛樹脂空心微球與環(huán)氧樹脂基體混合研制了聲匹配層,并通過搭建回波測試系統(tǒng)對匹配層的聲學(xué)特性進(jìn)行測試與分析,并對聲匹配層內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了電子顯微鏡分析。結(jié)果顯示,與空心微球匹配層相比,酚醛樹脂匹配層具有聲速低,插入損耗大的特點。在此基礎(chǔ)上研制了一款用于空氣中收發(fā)聲波的換能器。首先利用KLM理論計算了換能器的電導(dǎo)特性及換能器的矩形發(fā)送脈沖回波信號等換能器性能。其次通過對1對換能器進(jìn)行測試,分析了接收信號的時域及頻域特征,并與空心玻璃微球匹配層的換能器進(jìn)行性能對比后發(fā)現(xiàn),換能器具有帶寬較寬,帶內(nèi)起伏較小,信噪比較高,信號拖尾較短等優(yōu)勢。