CN102706967B - 一种用于各向异性材料表面波波速测量的线聚焦超声探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于各向异性材料表面波波速测量的线聚焦超声探头，属于声学换能器技术领域，其作用是把激励源产生的脉冲电信号转换为压电薄膜的振动从而产生超声信号，同时接收被测试样的反射回波，并将超声信号转换为电信号。本发明采用压电高分子聚合物作为激励接收元件，配合接头、金属弹簧、金属外壳、绝缘套筒、背衬、绝缘胶、蒸镀电极等即可产生中心频率为35MHz的高频超声信号。其在极化过程中不需要进行拉伸操作，大大降低了极化难度。本发明具有中心频率高、频带宽、信噪比高等优点，完全可以满足实验分析的需要。

Description

一种用于各向异性材料表面波波速测量的线聚焦超声探头

技术领域

本发明涉及一种应用于各向异性材料漏表面波波速检测的线聚焦高频超声探头，属于声学探头技术领域，其作用是把激励源产生的脉冲电信号转换为压电薄膜的振动从而产生超声信号，同时接收被测试样的反射回波，并将超声信号转换为电信号。通过对各向异性材料不同方向表面波信号的采集、分析来了解被测材料的波动特性，从而用不同方向表面波的波速来表征材料的各向异性特征。

背景技术

晶体材料、复合材料和结构材料大多具有各向异性的特征，其弹性常数矩阵中独立参数的个数往往大于两个。在众多各向异性材料机械性质检测方法中，超声无损检测一直是国内外学者研究的热点。

表面波在自然界中以多种形式存在着，例如水面的波浪、在地壳表面传播的地震波以及在液/固、气/固、固/固界面传播的超声波。表面波并不会像体波一样在材料内部进行传播，取而代之的是其能量大部分被局限在距离界面一个波长的范围内，声波的能量在深度方向呈指数级衰减，且其质点的振动具有二维的特性。与受万有引力控制的水面波浪不同，弹性固体表面声波（即表面波）依靠的是构成固体的原子或分子之间的结合力。在体型固体材料内部，纵波与横波的传播是相互独立的，但在材料表面，由于边界条件的存在，两者相互耦合，从而形成了表面波。因此，其波动行为包含了大量材料性质的信息。

应用于超声显微系统的V(z)曲线法通过测量直接反射单频脉冲与漏表面波干涉的幅值V和散焦测量距离z，并分析V(z)曲线的振荡周期□z即可得到特定方向上各向异性材料的漏表面波波速，通过改变探头与被测各向异性材料的夹角，即可获得各个角度下各向异性材料的漏表面波波速，从而对各向异性材料的机械特性进行表征。但该方法受限于单一操作频率的限制，且直接反射单频脉冲与漏表面波的干涉行为较难测量。

V(z)曲线法中单频操作的局限性主要来源于探头，应用于传统超声显微系统的探头多采用ZnO、PZT或LiNbO₃等压电材料作为激励接收元件，而这几种压电材料很难加工成圆柱形凹曲面，因此，需要在平面式的压电材料前附加一个聚焦的镜头，而该镜头多采用蓝宝石或石英进行加工，在聚焦半径1-5mm，张角60-90°的情况下，加工出达到镜面等级的柱面，显然具有很高的工艺难度，而且由上述三种压电材料之一、蓝宝石或石英与水构成的超声传播路径的声阻抗并不互相匹配，导致了能量传输效率的降低，使传统超声显微镜的应用受到了限制。

因此，开发一种工作在宽频模式下、能量转换效率高、加工工艺简单的线聚焦式高频宽带探头，对各向异性表面波波速的测量显得尤为必要。

步入21世纪后，研究学者发现PVDF的共聚物，如P(VDF-TrFE)高分子聚合物，具有良好的压电特性，其在非拉伸状态下的极化能力远远优于纯PVDF，因此在医用超声波探头领域有着广泛的应用，本发明将其引入材料机械性质测量领域，使其能够适用于各向异性材料的表面波波速测量，进而可以对各向异性材料的力学性能进行表征。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于漏表面波波速检测的线聚焦式高频超声探头，可将激励/接收统一在一个探头中。

为了实现上述目的，本发明包含了如下部件：接头1、金属弹簧2、金属外壳3、绝缘套筒4、背衬5、绝缘胶6、压电薄膜7、蒸镀电极8及位于金属外壳3顶端的凸台9，换能器的整体装配外观如图1所示，剖面如图2与图3所示。背衬5位于空心圆柱型绝缘套筒4的内部且同轴，圆柱形背衬5的上表面有一个半径为R，张角为θ的凹柱面，凹柱面的中心轴线与圆柱体背衬的轴线在同一平面内，凹柱面上覆盖一层厚度为h的压电薄膜7，压电薄膜7边缘的上表面与绝缘套筒4的上端面齐平，且压电薄膜7边缘的上表面与绝缘套筒4的上端面覆盖有绝缘胶6，中心凹柱面上压电薄膜7的上表面与绝缘胶6的上表面覆盖有蒸镀电极8，绝缘套筒4位于空心圆柱形金属外壳3的内部且同轴，接头1的上部有一个凸起的公头，公头部分套有金属弹簧2，弹簧的两端分别与背衬5与接头1接触，接头1固定在金属外壳3内，压紧的弹簧使蒸镀电极8边缘的上表面与凸台9的内表面接触。

如图4所示，上述过程中制作的压电薄膜，厚度为h＝3-9μm；上述过程中背衬凹柱面的张角可为θ＝60-120°，半径为R＝2-9mm。

本探头为激励/接收一体探头，采用通用的脉冲激励接收装置进行激励接收，使用时需进行水浸耦合，系统如图3所示，包括：四轴移动平台9、运动控制卡10、嵌入式控制器11、示波器12、脉冲激励接收仪13以及制成的探头14与试样15。本发明实现对各向异性块体材料表面波波速的测量，具有中心频率高、频带宽、信噪比高等优点，完全可以满足实验分析的需要。

附图说明

图1是本发明整体装配示意图；

图2是本发明整体装配剖面示意图；

图3是本发明压电局部剖面示意图；

图4是本发明背衬、套筒、压电薄膜与电极示意图；

图5测试系统示意图；

图6换能器测试结果图。

具体实施方式

以张角为θ＝90°，聚焦半径为R＝5mm的换能器为实例对具体的实施方式进行详述。

如图1所示，该换能器包括：接头1、金属弹簧2、金属外壳3、绝缘套筒4、背衬5、绝缘胶6、P(VDF-TrFE压电薄膜7、蒸镀电极8等。背衬作为P(VDF-TrFE)压电薄膜7的支撑结构与负极，需要对其进行精加工，所制作的凹柱面位于圆柱体的上表面，凹柱面的中心轴线与圆柱体背衬的轴线在同一平面内，凹柱面的弧度与张角决定了P(VDF-TrFE)压电薄膜的弧度与张角，通过对凹柱面进行精细研磨，使其表面达到镜面等级，粗糙度Ra≤0.2μm。在制作完成的凹柱面上制备厚度为7-9μm的高分子压电薄膜，待薄膜完全固化之后将背衬插入绝缘套筒中，使具有压电薄膜的一端与套筒的一端齐平，然后使用绝缘胶将两者粘接在一起，起到固定的作用，同时起到隔离背衬（正极）与铜外壳（负极）的目的。待绝缘胶凝固之后，在P(VDF-TrFE)压电薄膜的表面蒸镀一层金属电极，该金属层通过与铜外壳的机械式接触形成电气连接作为负极，同时起到屏蔽的功能。将UHF接头搭配金属弹簧旋入换能器，完成换能器的装配，然后通过高压极化装置对P(VDF-TrFE)压电薄膜进行极化，使其具有压电效应，背衬凹柱面的低粗糙度将降低极化过程中的尖端放电效应，提高极化成功率。

使用长方体型碳化钨作为反射体（试样），其尺寸为40mm×40mm×10mm，研制的换能器在聚焦面的脉冲时域信号与频域信号如图6所示，换能器的中心频率可达35MHz，-6dB带宽约为30MHz，信噪比很高。该换能器针对漏表面波波速测量而设计，结构简单，制作方便，由测试结果可以看出其能够胜任测量的需要。

Claims (1)

1.一种用于各向异性材料表面波波速检测的线聚焦式超声换能器，该换能器包含了如下部件：背衬、压电薄膜、蒸镀电极， 

其特征在于：该换能器还包含了如下部件：接头(1)、金属弹簧(2)、金属外壳(3)、绝缘套筒(4)、绝缘胶(6)及位于金属外壳(3)顶端的凸台(9)； 

背衬(5)位于空心圆柱型绝缘套筒(4)的内部且同轴，圆柱形背衬(5)的上表面有一个半径为R，张角为θ的凹柱面，凹柱面的中心轴线与圆柱体背衬的轴线在同一平面内，凹柱面上覆盖一层厚度为h的压电薄膜(7)，压电薄膜(7)边缘的上表面与绝缘套筒(4)的上端面齐平，且压电薄膜(7)边缘的上表面与绝缘套筒(4)的上端面覆盖有绝缘胶(6)，中心凹柱面上压电薄膜(7)的上表面与绝缘胶(6)的上表面覆盖有蒸镀电极(8)，绝缘套筒(4)位于空心圆柱形金属外壳(3)的内部且同轴，接头(1)的上部有一个凸起的公头，公头部分套有金属弹簧(2)，弹簧的两端分别与背衬(5)与接头(1)接触，接头(1)固定在金属外壳(3)内，压紧的弹簧使蒸镀电极(8)边缘的上表面与凸台(9)的内表面接触，上述压电薄膜，厚度为h=3-9μm；上述凹柱面的张角为θ=60-120°，半径为R=2-9mm。 

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