CN105107705A - 一种超高功率激励低频超声换能器及其制作方法 - Google Patents

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本发明公开了一种超高功率激励低频超声换能器及其制作方法，该超声换能器包括壳体、晶片、电感、声学匹配层、背衬吸声材料以及连接器，晶片、电感、声学匹配层、背衬吸声材料位于壳体内，晶片与电感并联连接后通过穿过壳体的连接器与外部超声波探伤仪连接，声学匹配层粘附在晶片的正面，背衬吸声材料设置在晶片的背面。该超声换能器能长期工作在至少1000V激励电压下，通过发射电路对晶片实施“饱和激励”，将激励效果提升至极限，其主要用于一些特殊工艺成型的纤维增强复合材料、晶粒粗大或晶界各向异性的金属材料如铸钢件和钨铜合金等。

Description

一种超高功率激励低频超声换能器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种频率为0.2—0.5MHz的超声换能器及其制作方法，尤其涉及一种发射超高功率(瞬时功率超过500W)超声波的低频超声换能器及其制作方法，该超声换能器应用于纤维增强复合材料的内部质量检测中。
背景技术
随着航天航空事业的高速发展及其相关制造技术的进步，许多新型高衰减复合材料不断涌现，对于无损检测技术的发展提出了新的要求。在进行国家重点项目研究过程中，航天材料及工艺研究所遇到高衰减复合材料检测的技术困难。
在高衰减复合材料内部存在许多或大或小的声学界面，进入其中的超声波被散射、绕射或反射而迅速衰减，穿透波非常微弱难于分辨，并且在反射回波中出现密集的杂散信号，致使缺陷判别的难度大大增加，急需能够适应这一类型材料内部缺陷检测的超声波换能器(超声波探头)。
现有的超声波换能器(超声波探头)发射的超声波能量不足，通过高衰减复合材料时，穿透波非常微弱，导致不能实现其内部缺陷检测。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种超高功率激励低频超声换能器及其制作方法，该超声换能器能够实现对高衰减复合材料的检测需求。
本发明的技术方案是：一种超高功率激励低频超声换能器，包括壳体、晶片、电感、声学匹配层、背衬吸声材料以及连接器；所述晶片、电感、声学匹配层、背衬吸声材料位于壳体内，晶片与电感并联连接后通过穿过壳体的连接器与外部超声波探伤仪连接，声学匹配层粘附在晶片的正面，用于将晶片发射的超声波传递给待测工件，并提高所述超声波的透射效率；背衬吸声材料设置在晶片的背面，用于减少所述晶片背面的回波周期；
所述晶片的厚度范围为0.8-3mm，电感中心设置有磁芯。
所述晶片的材料为复合材料1-3。
所述电感中心的磁芯磁导率为1000-1200μe，电感的电感值为400-700微亨。
所述声学匹配层由硬质环氧树脂与4微米的钨粉混合制成，硬质环氧树脂与4微米的钨粉的混合比例为1：(2-3)。
所述背衬吸声材料由软质环氧树脂、4微米的钨粉以及2微米的钨粉混合制成，软质环氧树脂、4微米的钨粉以及2微米的钨粉的混合比例为：1：2：(3-6)。
超高功率激励低频超声换能器制作方法，包括如下步骤：
(1)晶片焊接
晶片为圆形尺寸，在圆边缘1mm处粘涂银环氧，烘烤2小时后用单芯低电容电缆线在银环氧点焊接；
(2)背衬吸声材料灌注
在晶片背面灌注软质环氧树脂、4微米的钨粉以及2微米的钨粉配制的背衬吸声材料至要求的高度，然后在烤箱中烘烤；
(3)声学匹配层灌注
按照超声换能器设计波长的1/4设计声学匹配层厚度，在晶片正面灌注内部无气泡的硬质环氧树脂与4微米的钨粉配制的声学匹配层至设计的厚度，然后在烤箱中烘烤；
(4)电感连接
根据晶片频率与激励或储能要求并接相应的磁芯储能电感；
(5)将晶片、背衬吸声材料、声学匹配层、电感以及壳体和连接器进行组装灌封，并将并联连接后的晶片和电感与连接器连接。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的超声换能器由于加入了带有磁芯的电感，在不需要很高的外部激励电压的情况下即可使加在晶片上的激励脉冲电压很高，本发明中外部激励电压为450V时，加在晶片上的激励脉冲电压高达3000V，从而使晶片能够发出高功率(在发射方波脉冲为450V的条件下，对超声换能器的激励效率比同幅度尖脉冲约高40倍)的超声波，一方面降低了对外部超声波探伤仪的要求，另一方面实现了对高衰减复合材料内部缺陷的检测。
(2)带有磁芯的电感能够产生“动态阻尼”作用，使晶片仅仅产生3～4个周期的振动，从而提高了超声换能器对缺陷的分辨力。
(3)本发明选用厚度范围约为0.8-3mm的晶片，使该超声换能器发出的超声波处于0.2—0.5MHz的范围，从而提高超声波在高衰减材料中的穿透效果，提高检测能力。
附图说明
图1为本发明超声换能器结构图。
具体实施方式
高衰减材料的检测是航天航空和核电系统的无损检测难题。高衰减材料主要为特殊工艺成型的纤维增强复合材料，晶粒粗大或晶界各向异性的金属材料如铸钢件和钨铜合金等；这些材料由于其优异的结构性能，目前正被各行业广泛使用，而随着航天航空技术的高速发展，更对它们提出了越来越高的检测要求；在无损检测的各种方法之中，使用超声方法检测上述材料的效果更好。
传统超声换能器一般通过提高外部超声波探伤仪的激励电压来提高超声换能器的发射功率，但这种方案对外部超声波探伤仪的要求比较苛刻，现有的超声波探伤仪的激励电压一般最高为1200V，该电压下的传统超声换能器不能满足高衰减复合材料缺陷检测的需求。
如图1所示，本发明的超声换能器包括壳体1、晶片2、电感3、声学匹配层4、背衬吸声材料5以及连接器6。晶片2、电感3、声学匹配层4、背衬吸声材料5位于壳体1内，晶片2与电感3并联连接后通过穿过壳体1的连接器6与外部超声波探伤仪连接，声学匹配层4粘附在晶片2的正面，用于将晶片2发射的超声波传递给待测工件，并提高所述超声波的透射效率；背衬吸声材料5设置在晶片2的背面，用于减少晶片2背面的回波周期。
具体来说，本发明中晶片材料为复合材料1-3，通过激励电压产生超声波；声学匹配层4，设置在所述复合材料晶片与检测工件之间，用于提高探头检测工件时的检测灵敏度；声学匹配层4由硬质环氧树脂与4微米的钨粉混合制成，硬质环氧树脂与4微米的钨粉的混合比例为1：(2-3)。背衬吸声材料5为晶片背面灌注的环氧与钨粉配制的低阻尼隔声层，减少所述复合材料晶片背面的回波周期，并起到支撑所述复合材料晶片的作用。背衬吸声材料5由软质环氧树脂、4微米的钨粉以及2微米的钨粉混合制成，软质环氧树脂、4微米的钨粉以及2微米的钨粉的混合比例为：1：2：(3-6)。该超声换能器能够在较小的激励电压下，产生高功率超声波。
本发明的超声换能器内部具备一个同晶片并接的电感，电感值为400-700微亨，且电感中心是磁导率为1000-1200μe的磁芯。这种结构设计，实现超声换能器“储能”功效，配合超声波探伤仪，能够激励出相同条件下幅度高于普通超声换能器数十倍的超声波，用以满足高衰减复合材料的检测需求。
本发明超声换能器设计要点如下：
(1)引入磁芯电感，发挥“储能”功效，配合发射电路(超声波探伤仪)对晶片实施“饱和激励”(低频探头可通过调节方波脉冲宽度实现)，将激励效果提升至极限。
加入磁芯电感的超声换能器自身具有“储能”功效，能非常方便的实现晶片的饱和激励。“储能”功效主要靠并联电感发挥作用，小电感的储能效果较差，线圈储能后突变所产生的发射脉冲幅度很难超过1000V，故要求电感较大，本发明电感值为400-700微亨。晶片是储能线圈的负载，其电容越大则负载越重，线圈储能后突变所产生的发射脉冲幅度就越低，难于达到饱和激励点，故要求晶片电容越小越好，本发明晶片电容约在1000-1800皮法。
(2)晶片要求具有最高的机电转换效率(即Kt值)，受“饱和激励”时能产生最大幅度的振动。
本发明中的背衬吸声材料非常轻，其声阻尼几乎可忽略；而发射电路中的阻尼电阻非常大，电阻尼亦可忽略，故可视为无阻尼振动。
谐振能使晶片的振动幅度达到最大值而且失真最小；当晶片电容过大时，匹配的电感值就相对降低，所以，需要选择机电转换效率高而电容小的晶片。
无阻尼振动与谐振的目的是使晶片获得最大的振动幅度，因此选用复合材料1-3的晶片，使其机电转换效率高。
(3)晶片本身具有“窄脉冲”特性，即在声/电阻尼都极低的条件下，能够接受储能电感的“动态阻尼”作用而仅仅产生3～4个周期的振动。
本发明超声换能器的制作工艺如下：
(1)晶片2焊接
晶片2为圆形尺寸，在圆边缘1mm处粘涂银环氧，烘烤2小时后用单芯低电容电缆线在银环氧点焊接。
(2)背衬吸声材料5灌注
在晶片2背面灌注软质环氧树脂、4微米的钨粉以及2微米的钨粉配制的低阻尼隔声层，至要求的高度，然后烤箱烘烤。
(3)声学匹配层4灌注
按照超声换能器设计波长的1/4设计声学匹配层厚度，灌注内部无气泡的硬质环氧树脂与4微米的钨粉等配制的胶水，烤箱烘烤。
(4)电感3连接
根据晶片频率与激励或储能要求并接相应的磁芯储能电感。
(5)将上述晶片2、背衬吸声材料5、声学匹配层4、电感3以及壳体1和连接器6进行组装灌封，并将并联连接后的晶片2和电感3与连接器6连接。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种超高功率激励低频超声换能器，其特征在于：包括壳体(1)、晶片(2)、电感(3)、声学匹配层(4)、背衬吸声材料(5)以及连接器(6)；所述晶片(2)、电感(3)、声学匹配层(4)、背衬吸声材料(5)位于壳体(1)内，晶片(2)与电感(3)并联连接后通过穿过壳体(1)的连接器(6)与外部超声波探伤仪连接，声学匹配层(4)粘附在晶片(2)的正面，用于将晶片(2)发射的超声波传递给待测工件，并提高所述超声波的透射效率；背衬吸声材料(5)设置在晶片(2)的背面，用于减少所述晶片(2)背面的回波周期；
所述晶片(2)的厚度范围为0.8-3mm，电感中心设置有磁芯。
2.根据权利要求1所述的一种超高功率激励低频超声换能器，其特征在于：所述晶片(2)的材料为复合材料1-3。
3.根据权利要求1或2所述的一种超高功率激励低频超声换能器，其特征在于：所述电感(3)中心的磁芯磁导率为1000-1200μe，电感(3)的电感值为400-700微亨。
4.根据权利要求1所述的一种超高功率激励低频超声换能器，其特征在于：所述声学匹配层(4)由硬质环氧树脂与4微米的钨粉混合制成，硬质环氧树脂与4微米的钨粉的混合比例为1：(2-3)。
5.根据权利要求1所述的一种超高功率激励低频超声换能器，其特征在于：所述背衬吸声材料(5)由软质环氧树脂、4微米的钨粉以及2微米的钨粉混合制成，软质环氧树脂、4微米的钨粉以及2微米的钨粉的混合比例为：1：2：(3-6)。
6.超高功率激励低频超声换能器制作方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)晶片焊接
晶片(2)为圆形尺寸，在圆边缘1mm处粘涂银环氧，烘烤2小时后用单芯低电容电缆线在银环氧点焊接；
(2)背衬吸声材料(5)灌注
在晶片(2)背面灌注软质环氧树脂、4微米的钨粉以及2微米的钨粉配制的背衬吸声材料(5)至要求的高度，然后在烤箱中烘烤；
(3)声学匹配层(4)灌注
按照超声换能器设计波长的1/4设计声学匹配层厚度，在晶片(2)正面灌注内部无气泡的硬质环氧树脂与4微米的钨粉配制的声学匹配层(4)至设计的厚度，然后在烤箱中烘烤；
(4)电感连接
根据晶片频率与激励或储能要求并接相应的磁芯储能电感；
(5)将晶片(2)、背衬吸声材料(5)、声学匹配层(4)、电感(3)以及壳体和连接器进行组装灌封，并将并联连接后的晶片(2)和电感(3)与连接器(6)连接。
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