CN105548369A - 一种改进超声换能器延时声柱品质的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料结构无损检测技术，涉及一种改进用于检测复合材料的超声换能器延时声柱品质的方法。在超声换能器的液体透声柱的软膜内腔的内壁添加吸声梯度涂层，使来换能器自压电单元形成的扩散声波被吸声梯度涂层吸声后，不再形成多余的干扰反射声波，吸声梯度涂层采用3种不同的梯度分布，吸声涂层的厚度范围为0.3mm～1.0mm，吸声梯度涂层可以与水或者油液构成的液体透声柱1B配合使用。本发明显著改进了液体透声柱的品质，保证了超声探头在扫查过程中与被检测复合材料表面形成稳定的声波耦合，同时又不会造成液体软膜内腔反射干扰，进而保证形成稳定的超声检测信号，提高检测效果和缺陷检测能力，避免了漏检和误判。

Description

一种改进超声换能器延时声柱品质的方法
技术领域
本发明属于复合材料结构无损检测技术，涉及一种改进用于检测复合材料的超声换能器延时声柱品质的方法。
背景技术
随着复合材料等在航空、航天、民航、交通、建筑、电力等工业领域的广泛应用，基于复合材料等结构设计和结构制造的许多关键工程结构、复杂结构不断在工程上得到装机应用，由于结构设计或承载考虑，通常要求对复合材料结构进行100％扫查检测。超声是目前用于复合材料结构无损检测的一种主要检测方法，实现超声检测，首先需要通过超声换能器反射/接收声波。目前用于复合材料手工扫查检测的超声换能器主要有两种：1)是采用固体延透声柱，如图1所示，在换能器的压电单元与被检测复合材料表面之间，通过固体透声柱实现声波的传播，其显著不足是：a)由于复合材料结构表面通常总是显现一定的曲面特征，且表面多呈现“凹凸”不平，因此，这种透声柱的实际耦合效果非常差，容易影响换能器正常发射/接收声波和声波信号的额外损失，很难保证透声柱表面与复合材料表面形成良好稳定的声学耦合，从而造成漏检；b)透声柱与被检测复合材料表面硬接触，容易造成手动扫查时，换能器的接触不稳定，影响检测信号的接收，容易造成漏检；c)固体透透声柱容易磨损和变形，造成换能器接触耦合不良，容易造成漏检。2)针对上述不足，其改进方法之一是采用软膜1E耦合，利用软膜内腔1C中的液体作为透声柱1B，实现换能器与被检测复合材料表面之间软接触耦合，通过调节接触外套1D达到最佳耦合效果，如图2所示，其不足是，当采用非聚焦换能器工作方式时，由于从压电单元1A形成的发射声束沿径向的扩散特性，靠近压电单元1A圆心外侧四周的声波会在软膜内腔1C内壁形成扩散声波2，扩散声波2入射到软膜内腔的内壁后，形成反射声波3，从而产生干扰声波信号，严重影响检测效果，容易导致漏检和误判。
发明内容
本发明的目的是：提出一种改进用于检测复合材料的超声换能器透声柱品质的方法，以便保证超声探头在扫查过程中与被检测复合材料表面形成稳定的声波耦合，同时又不会造成压电单元1A发射形成的声束扩散在软膜内腔1C内壁的反射干扰，进而保证形成稳定的超声检测信号，提高检测效果，避免漏检和误判。
本发明的技术方案是：在超声换能器的软膜内腔的内壁添加吸声梯度涂层，使来自压电单元形成的扩散声波，经过耦合声柱后，入射到软膜内腔的内壁吸声梯度涂层的表面，经吸声梯度涂层吸声后，不再形成反射声波，吸声梯度涂层是钨粉与树脂混合而成，分为三种不同的比例，其中，第一吸声梯度涂层钨粉与树脂的重量比的比例为2.0:1，第二吸声梯度涂层钨粉与树脂的重量比的比例为1.0:1，第三吸声梯度涂层钨粉与树脂的重量比的比例为0.5:1，将混合好的三种不同比例的吸声梯度涂层用涂胶刷依次刷涂在超声换能器的软膜内腔的内壁上，然后进行固化定型，固化温度和时间由所采用的环氧树脂的固化参数确定，吸声梯度涂层的厚度选择范围为0.3mm～1.0mm。
所述固化温度选择范围为：20℃—80℃，固化时间及后处理时间：24-48小时。
所述的吸声梯度涂层的刷涂顺序依照耦合声柱的构成而定，
1)当耦合声柱的构成为水时，吸声梯度涂层在耦合声柱上的刷涂顺序为第一层为第一吸声梯度涂层，第二层为第二吸声梯度涂层，最外一层为第三吸声梯度涂层，
2)当耦合声柱为其他液体时，吸声梯度涂层均为第一吸声梯度涂层。
所述的耦合声柱为水或者油液。
本发明的优点是：本发明在耦合声柱的外壁上刷涂吸声涂层，并使吸声涂层形成梯度，从而即能有效地保证超声探头在扫查过程中与被检测复合材料表面形成稳定的声波耦合，又不会在软膜内腔的内壁形成多次反射和干扰信号。进而保证形成稳定的超声检测信号，提高了检测效果，避免了漏检和误判。
附图说明
图1是目前一种用于检测复合材料的固体延时透声柱超声探头的结构示意图。
图2是目前另一种用于检测复合材料的液体延时透声柱超声探头的结构示意图。
图3是采用本发明的超声换能器的结构示意图。
图4是本发明的吸声梯度涂层组合方式示意图。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。参见图3，一种改进超声换能器延时声柱品质的方法：
在超声换能器1的软膜内腔1C的内壁添加一定厚度的吸声梯度涂层4，使来自压电单元1A形成的扩散声波，经过液体透声柱后，入射到软膜内腔1C的内壁吸声梯度涂层4的表面，经吸声梯度涂层4吸声后，不再形成反射声波。
所述的吸声梯度涂层4，
1)采用吸声材料钨粉与树脂均匀混合而成，按照三种混合比例构成不同的吸声梯度涂层4A、吸声梯度涂层4B、吸声梯度涂层4C，且
吸声梯度涂层4A：钨粉：树脂比例为2.0:1，
吸声梯度涂层4B：钨粉：树脂比例为1.0:1，
吸声梯度涂层4C：钨粉：树脂比例为0.5:1，
2)将混合好的吸声梯度涂层4A、4B、4C用涂胶刷依次喷涂在超声换能器1的软膜内腔1C的内壁上，然后进行固化定型，固化温度和时间由所采用的环氧树脂的固化参数确定，通常固化温度选择范围为：20℃—80℃，固化时间及后处理时间：24-48小时。
吸声梯度涂层4采用吸声材料粉末与树脂混合而成，吸声梯度涂层4的声阻抗组合方式分3种，以实现不同的吸声效果，参见图4所示：
1)图4(a)适应耦合声柱为水的情况较好，
2)图4(b)适应耦合声柱为其他液体的情况较好，
这里，Z3——吸声梯度涂层4A的声阻抗，
Z2——吸声梯度涂层4B的声阻抗，
Z1——吸声梯度涂层4C的声阻抗，
Z0——耦合声柱(1B)的声阻抗。
吸声梯度涂层4的厚度由吸声梯度涂层4A、4B、4C的厚度确定，吸声梯度涂层4的厚度选择范围为0.3mm～1.0mm。
吸声梯度涂层4可以与水或者油液构成的液体透声柱1B配合使用，而不会造成吸声梯度涂层4脱落。
本发明的工作原理是：压电单元1A产生超声波，由于声束扩散，在压电单元1A径向外侧产生超声波2与压电单元1A和软膜内嵌1C的中心轴线呈现一定的角度，按照超声反射定律，这部分超声波2经过超声换能器延时透声柱1B传播后，会入射到软膜内腔1C的内壁表面，形成干扰反射超声波3，然后再传播到被检测复合材料表面，形成干扰声波信号，参见图2所示，采用本发明的吸声梯度涂层4后，由于吸声梯度涂层4的吸声作用，入射到软膜内腔1C的内壁表面的超声波2会被吸声梯度涂层4全部吸收，从而不会在被检测复合材料表面，形成干扰反射超声波3。
既保证了液体延时透声柱超声换能器在检测复合材料时始终保持柔性贴合，实现超声探头在扫查过程中与被检测复合材料表面形成稳定的声波耦合，又防止了来自压电单元的扩散声波在软膜内腔的内壁产生的干扰反射声波，进而保证形成稳定的超声检测信号，提高了检测效果，避免了漏检和误判。
实施例：
选用中航复合材料有限责任公司生产的FJ-1和FJ-2液体延时透声柱超声换能器，吸声梯度涂层分别选用吸声梯度涂层4A的厚度为0.3mm、吸声梯度涂层4B的厚度为0.6mm，吸声梯度涂层4C的厚度为1.0mm，1)当耦合声柱选择水时，其刷涂顺序为吸声梯度涂层4A、4B、4C，2)当耦合声柱选择硅油时，其刷涂的均为吸声梯度涂层4A。经实际应用，对长1000mm～5000mm、宽500mm～3000mm不等的多个批次和规格的实际复合材料结构进行系列的实际工程应用，没有出现入射声波在液体延时透声柱外壁的干扰信号，检测信号的质量得到显著提高，取得了很好的实际检测效果。

Claims (4)

1.一种改进超声换能器延时声柱品质的方法，其特征在于：在超声换能器(1)的软膜内腔(1C)的内壁添加吸声梯度涂层(4)，使来自压电单元(1A)形成的扩散声波，经过耦合声柱(1B)后，入射到软膜内腔(1C)的内壁吸声梯度涂层(4)的表面，经吸声梯度涂层(4)吸声后，不再形成反射声波，吸声梯度涂层(4)是钨粉与树脂混合而成，分为三种不同的比例，其中，第一吸声梯度涂层(4A)钨粉与树脂的重量比的比例为2.0:1，第二吸声梯度涂层(4B)钨粉与树脂的重量比的比例为1.0:1，第三吸声梯度涂层(4C)钨粉与树脂的重量比的比例为0.5:1，将混合好的三种不同比例的吸声梯度涂层(4A、4B、4C)用涂胶刷依次刷涂在超声换能器(1)的软膜内腔(1C)的内壁上，然后进行固化定型，固化温度和时间由所采用的环氧树脂的固化参数确定，吸声梯度涂层(4)的厚度选择范围为0.3mm～1.0mm。
2.根据权利要求1所述的一种改进超声换能器延时声柱品质的方法，其特征在于：所述固化温度选择范围为：20℃—80℃，固化时间及后处理时间：24-48小时。
3.根据权利要求1所述的一种改进超声换能器延时声柱品质的方法，其特征在于：所述的吸声梯度涂层(4)的刷涂顺序依照耦合声柱(1B)的构成而定，
1)当耦合声柱(1B)的构成为水时，吸声梯度涂层(4)在耦合声柱(1B)上的刷涂顺序为第一层为第一吸声梯度涂层(4A)，第二层为第二吸声梯度涂层(4B)，最外一层为第三吸声梯度涂层(4C)，
2)当耦合声柱(1B)为其他液体时，吸声梯度涂层(4)均为第一吸声梯度涂层(4A)。
4.根据权利要求1所述的一种改进超声换能器延时声柱品质的方法，其特征在于：所述的耦合声柱(1B)为水或者油液。
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