CN112414601B - 宽频超声换能器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种宽频超声换能器，包括：壳体；封装于壳体内，位于壳体底部，按某规律排列有多个中心工作频率不同的超声换能单元；处于相邻频带的换能器，具有工作频带相交的频点。所述某规律排列包括：对应频带的频率由低到高，按照中心工作频率由低到高排列该多个中心工作频率不同的超声换能单元。通过多个中心工作频率不同的的压电换能器，使得处于相邻频带换能器在工作时，于频带相交的频点进行激励和接收的转换，从而形成一个在频带上连续、不中断的宽带频率检测的特性。由于宽频的特性，本申请可应用于残余应力梯度检测。

Description

宽频超声换能器

技术领域

本申请涉及超声换能器技术领域，尤其涉及一种宽频超声换能器。

背景技术

机械构件的内部都存在残余应力，残余应力分布不均匀会导致构件的变形和开裂。残余应力的分布状态是机械构件安全性的重要表征，主要反映和决定了机械构件的质量和可靠性状态，因此测量机械构件内部残余应力的分布对于预防机械构件变形开裂而产生安全隐患具有实际的工程意义。

在残余应力的诸多检测方法中，超声残余应力检测方法相较于小孔法、X射线法等检测方法，具有无损伤、检测速度快等优势，方便应用于工程实践现场，因此广泛应用于工程实践领域。以切向残余应力检测为例，超声残余应力检测探头通常由一发一收两对换能器和用来固定探头的楔块共同构成。基于声时差法，改变探头的频率能够实现对不同深度的被测构件残余应力的测量，即被测构件的残余应力梯度测量。

通过更换不同频率的探头实现的对被测构件的残余应力梯度的测量，一方面在工程应用中会耗费一定时间，如果检测位置间隔距离远且数量较多的情况下，不利于进行测量。另一方面，如果将不同频率的探头集成在一起，能够保证在进行残余应力梯度检测时，对应的检测区域是完全相同的，且耦合条件等均完全一致。因此需要制作具有多个频率的宽带超声换能器，从而更好地对残余应力梯度进行测量。

专利文献CN211131145U，名称为一种多频超声换能器，设计了一种压电晶体片组合，提供了一种通过叠加优化多个压电陶瓷晶体片在扫描平面生成的图像，进而获得扫描深度大，近场分辨率高的超声图像的方法。专利文献CN210166349U，名称为一种可发射多频信号的超声探头，提供了一种超声探伤领域针对特定被检测构件盆式绝缘子的内部缺陷检测，而设计的能够同时发射多种信号的超声波专用传感器。

综上所述，目前已有专利方法设计的多频超声换能器主要应用于超声图像的生成以及超声探伤等领域，并非针对测量残余应力。由于使用途径不同，目前缺少应用于残余应力检测领域的换能器，因此需要设计一种检测机械构件残余应力梯度的宽频超声换能器。

发明内容

鉴于现有技术的以上问题，本申请提供一种集成式宽频超声换能器。

为达到上述目的，本申请提供了一种宽频超声换能器，包括：

壳体；

封装于壳体内，位于壳体底部，按某规律排列有多个中心工作频率不同的超声换能单元；

处于相邻频带的换能器，具有工作频带相交的频点。

由上，通过多个中心工作频率不同的的压电换能器，使得处于相邻频带换能器在工作时，于频带相交的频点进行激励和接收的转换，从而形成一个在频带上连续、不中断的宽带频率检测的特性。由于宽频的特性，本申请可应用于残余应力梯度检测。

可选的，所述某规律排列包括：对应频带的频率由低到高，按照中心工作频率由低到高排列该多个中心工作频率不同的超声换能单元。

由上，中心工作频率依次变化时，便于形成频带交叉的宽频分布。

可选的，每个超声换能单元包括由下至上依次设置的：声阻抗匹配层、激励单元、吸声材料层。

可选的，所述激励单元包括压电晶体或压电陶瓷。

可选的，各个所述压电晶体或压电陶瓷的厚度不同，声阻抗匹配层厚度不同、吸声材料层厚度不同或者吸声材料层的材料不同。

由上，通过激励单元厚度不同且依次递增或递减，进而实现中心工作频率不同且依次变化，便于形成频带交叉的宽频分布。并且，每个激励单元的中心工作频率不同而导致前端声阻抗匹配层厚度不同、吸声材料层厚度也不同，或者吸声材料层的材料不同，以达到超声的最佳激励和接收效果。

可选的，相邻位置的所述超声换能单元之间设置有隔声材料。

由上，可以降低各个激励单元在激励和接收超声信号过程中，对相邻的激励单元产生串扰。

可选的，所述壳体外侧具有多个接线端子，分别与多个超声换能单元的正负极通过引线对应连接。

由上，通过该结构，可以各个超能换能单元独立外接，从而可以实现将每个中心工作频率的压电换能器独立激励和接收，从而尽可能减少超能换能单元之间的相互影响。

可选的，还包括多路超声通道，与所述多个接线端子连接；或，单路超声通道、与该单路超声通道耦合的多路转换开关，该多路转换开关与所述多个接线端子连接。

由上，便于实现各激励单元独立的激励和接收。

可选的，构成所述壳体底部为耐磨层。

由上，该耐磨层可以用来延长探头的使用寿命。

可选的，所述激励单元包括纵波激励单元或横波激励单元。

由上，可以根据需要构成宽带的纵波或横波超声换能器。

本申请的这些和其它方面在以下(多个)实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

以下参照附图来进一步说明本申请的各个特征和各个特征之间的联系。附图均为示例性的，一些特征并不以实际比例示出，并且一些附图中可能省略了本申请所涉及领域的惯常的且对于本申请非必要的特征，或是额外示出了对于本申请非必要的特征，附图所示的各个特征的组合并不用以限制本申请。另外，在本说明书全文中，相同的附图标记所指代的内容也是相同的。具体的附图说明如下：

图1为本申请宽频超声换能器结构示意图；

图2为图1示出的宽频超声换能器三维结构示意图；

图3为图1示出的宽频超声换能器的宽频的分布示意图。

符号说明：

1、接线端子；2、吸声材料层：3、壳体；4、第一压电晶体；5、第二压电晶体；6、第三压电晶体；7、声阻抗匹配层；8、耐磨层；9、隔声材料。

具体实施方式

说明书和权利要求书中的词语“第一、第二、第三等”或模块A、模块B、模块C等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

在以下的描述中，所涉及的表示步骤的标号，如S110、S120……等，并不表示一定会按此步骤执行，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。

说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置A和B的设备”不应局限为仅由部件A和B组成的设备。

本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、结构或特性，如从本公开对本领域的普通技术人员显而易见的那样。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如有不一致，以本说明书中所说明的含义或者根据本说明书中记载的内容得出的含义为准。另外，本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。

为了准确地对本申请中的技术内容进行叙述，以及为了准确地理解本申请，在对具体实施方式进行说明之前先对本说明书中所使用的术语给出如下的解释说明或定义。

超声换能单元：其功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去。

激励单元：超声换能器中的换能元件，用于电功率与超声波的转换，激励单元可以是压电晶片或压电陶瓷。

残余应力：消除外力或不均匀的温度场等作用后仍留在物体内的自相平衡的内应力。机械加工和强化工艺都能引起残余应力。

本申请提供的一种宽频超声换能器，由封装在一个壳体内的多个超声换能单元构成，并通过多个引线接头引出或多芯接头引出，所述多个超声换能器的中心工作频率不同，且多个带宽相交搭接形成。本申请可以更多宽频的观测到接收的超声波波形，实现对宽频的残余应力的检测。下面，参照如图1和图2所示的宽频超声换能器一实施例的结构图，对本申请进行详细说明：

如图1和图2所示，本申请宽频超声换能器包括壳体3。在壳体3内，位于底部，且按某规律排列有多个中心工作频率不同的超声换能单元。本实施例中，排列有三个超声换能单元，且呈直线排列。在其他一些实施例中，可以为更多数量的超声换能单元，数量与每个超声单元的频带带宽、所要达到的总的频带带宽有关，并且排列方式除了直线排列，还可以曲线、环状、阵列等排列方式。为了尽可能减少相互影响，每个中心工作频率的压电换能器都是独立激励和接收的，并且处于相邻频带换能器在工作时，于频带相交的频点进行激励和接收的转换，从而形成一个在频带上连续、不中断的宽带特性。

其中，壳体3底部的底板由耐磨层8构成，该耐磨层8用来延长超声换能器探头的使用寿命。每个超声换能单元由下至上包括依次紧贴设置的：声阻抗匹配层7、激励单元、吸声材料层2，其中，该激励单元可以是压电晶体或压电陶瓷构成，激励单元的前端与该声阻抗匹配层7接触设置。其中，每个激励单元，如压电晶片，的厚度不同，而使得中心工作频率和带宽不同。例如图1和图2中示出的三个激励单元，为第一压电晶体4、第二压电晶体5和第三压电晶体6，其厚度不同且依次递增或递减，进而中心工作频率不同且依次变化，形成如图3所示频带交叉的宽频分布。

另外，组合在一起的多个激励单元可以是纵波激励单元、也可以是横波激励单元，从而构成宽带的纵波或横波超声换能器。在一些实施例中，每个激励单元的中心工作频率不同而导致前端声阻抗匹配层7厚度不同、吸声材料层2厚度也不同，或者吸声材料层2的材料不同，以达到超声的最佳激励和接收效果。

壳体3外侧，例如壳体3顶部，具有多个接线端子1，与多个超声换能单元的引出的正负极引线对应连接，通过接线端子1将换能器连接超声信号线进行超声信号的传递，实现各个超声换能单元的独立激励和独立接收超声信号。在其他一些实施例中，所述接线端子1也可以安装在壳体3的侧部等位置。

其中，通过多个引线接头或多芯接头对多个不同中心工作频率的激励单元进行独立的激励和接收，以及通过辅助增加多路超声通道或单路超声通道与多路转换开关，与多个不同中心工作频率的激励单元进行联接，来实现各激励单元独立的激励和接收。

其中，相邻的超声换能单元之间还设置有隔声材料9，以降低或避免一个激励单元在激励和接收超声信号过程中，对相邻的激励单元产生串扰。

在残余应力检测过程中，使用本申请设计的并列排布式激励单元结构设计，能够更好的观测到接收的宽带的超声波波形，实现残余应力的检测。

另外，上述壳体3底部为平面为例进行介绍，在实际制造过程中，可以根据要检测的部件，将壳体3底部制作为适配被检测部件表面形状。另外，不难理解，为了对应被检测部件的表面的相应位置，本申请的宽频超声换能器也可以将壳体3底部朝向侧面、或朝向上面使用。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请的保护范畴。

Claims (8)

1.一种宽频超声换能器，其特征在于，包括：

壳体；

封装于壳体内，位于壳体底部，排列有对应频带的频率由低到高，按照中心工作频率由低到高排列的多个中心工作频率不同的超声换能单元；

处于相邻频带的超声换能单元，具有工作频带相交的频点，

每个超声换能单元包括由下至上依次设置的：声阻抗匹配层、激励单元、吸声材料层，

各个所述激励单元的厚度不同，以使中心工作频率和带宽不同。

2.根据权利要求1所述的宽频超声换能器，其特征在于，所述激励单元包括压电晶体或压电陶瓷。

3.根据权利要求2所述的宽频超声换能器，其特征在于，各个所述压电晶体或压电陶瓷的厚度不同，声阻抗匹配层厚度不同、吸声材料层厚度不同或者吸声材料层的材料不同。

4.根据权利要求1所述的宽频超声换能器，其特征在于，相邻位置的所述超声换能单元之间设置有隔声材料。

5.根据权利要求1所述的宽频超声换能器，其特征在于，所述壳体外侧具有多个接线端子，分别与多个超声换能单元的正负极通过引线对应连接。

6.根据权利要求5所述的宽频超声换能器，其特征在于，

还包括多路超声通道，与所述多个接线端子连接；或

单路超声通道、与该单路超声通道耦合的多路转换开关，该多路转换开关与所述多个接线端子连接。

7.根据权利要求1所述的宽频超声换能器，其特征在于，构成所述壳体底部为耐磨层。

8.根据权利要求1所述的宽频超声换能器，其特征在于，所述激励单元包括纵波激励单元或横波激励单元。

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