CN114354766B - 一种超声探头阻尼背衬的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声探头阻尼背衬的制造方法，包括：步骤1)确定探头的中心频率fc和带宽Δf；步骤2)根据探头中心频率确定间距a，根据带宽确定金属丝直径d；步骤3)将金属丝以间隔a在二维XOY方向上排列，其轴向沿Z方向，灌注环氧树脂成型；步骤4)根据探头尺寸、形状，切割此树脂块，即可作为背衬安装于压电晶片背面。其中，压电晶片所在平面应沿XOZ或YOZ平面。本发明所述法制作方便，制作获得的超声探头阻尼背衬吸波频率和带宽调节方便。
Description
技术领域
本发明涉及超声检测领域，具体涉及一种超声探头阻尼背衬的制造方法。
背景技术
超声探头组成结构中，压电晶片背衬材料的主要作用之一是吸收压电晶片背向辐射的声波，否则此声波经过反射后重新被压电晶片接收，甚至可能穿透至工件中，从而影响检测结果。目前背衬材料多用环氧树脂制作而成，制作方法为根据经验在环氧树脂中添加钨粉等物质，增加背衬对声波的衰减。然而，该方法存在如下问题：1、钨粉颗粒度、分散度等均对实际吸声效果有很大影响，钨粉容易聚集成团或沉淀在底部，严重降低衰减效果，其工艺难以控制，对制作人员操作和经验要求高；2、钨粉粒度、浓度等配方完全靠经验，也不存在与目标衰减频段对应的经验化公式，与探头设计中心频率、带宽等参数之间不存在明确的定量关系，从而吸声参数的可控性低；3、由于超声频率越低，在材料中的衰减越小，因而对于此方法对较低频率的超声探头，吸声即阻尼效果欠佳，或者为获取衰减效果，使得声波需要较长的距离而增大背衬厚度，从而增加了探头尺寸和重量。综上，现有背衬材料制作方法，存在工艺稳定性差、吸声参数可控性低、低频效果难以保证等问题。
发明内容
为克服现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种超声探头阻尼背衬的制造方法，具体如下：
步骤1)获取所述超声探头预先设计的中心频率fc和带宽Δf；
步骤2)根据探头中心频率fc和带宽Δf确定间距a，根据带宽Δf确定金属丝直径d；
其中，fc单位为MHz，a、d单位为mm；β，γ，K是与材料声学性能有关的参数，取值范围大于0，β单位为mm·Hz；γ和K为无量纲参数，取值范围大于0且γ<K；
步骤3)金属丝轴向沿Z方向，将多根金属丝以中心间距为a的形式，按照正方形在二维XOY方向上排列，灌注环氧树脂成型，形成树脂块；
步骤4)根据所述超声探头预先设计的尺寸、形状，切割步骤3)形成的所述树脂块，作为背衬安装于压电晶片背面；所述压电晶片所在平面应平行于所述树脂块的XOZ或YOZ平面，所述树脂块切割形成的背衬高度，即垂直于所述压电晶片所在平面方向的高度大于等于5a。
进一步的，所述步骤3)将金属丝以中心间距为a的形式，按照正六边形在二维XOY方向上排列，其轴向沿Z方向，灌注环氧树脂成型。
进一步的，步骤2)所述金属丝为钨丝或钢丝，对于钨丝，β＝0.6，γ＝0.8，K＝2.5；对于钢丝，β＝0.86，γ＝0.3，K＝1.38。
进一步的，步骤2)中，对钨丝，d/a的取值在0.4～0.8之间；对钢丝，d/a的取值在0.5～0.9之间。
进一步的，步骤4)中，所述树脂块切割形成的背衬高度大于等于3a。
声子晶体是近年来研究较多的一种新型声学超材料，其本质是通过材料或结构的周期性排列，使在其中传播的弹性波或声波受到这种空间周期性的调制，表现在频域上就是存在弹性波的禁带。当有声波或弹性波在声子晶体中传播时，落在禁带范围内的波会产生强烈的衰减，衰减程度表现为远远大于常规的均匀材料，见参考文献1-3。根据声学理论，此禁带的位置、宽度均与材料力学参数以及结构常数有关，因此，通过设计结构形式，采用常见材料也能对特定频带内的声波形成强烈衰减。本发明即利用这一原理，采用在环氧树脂中周期性排布金属丝的方式制作背衬，从而消除背衬设计和制作过程中的人为影响，并实现衰减频段的准确调控，还可减小探头尺寸和重量。
参考文献
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本发明中用于计算金属丝直径和间距的公式(1)是结合理论分析，对仿真结果进行拟合得到的，其步骤如下：
1)根据声学理论，金属丝周期性排列在环氧树脂中形成的声子晶体，其禁带宽度(Δf＝(fu-fd)/fc)和中心频率(fc＝(fu+fd)/2)由金属丝直径d和其在环氧树脂中排布的间距a之比(d/a)决定。为对其进行验证，首先仿真计算得到同一d/a值下，不同间距a下禁带宽度和中心频率，结果表明，若d/a不变，禁带上下缘频率fu和fd，与间距a的乘积保持不变。
2)在上一结论的基础上，仿真计算同一间距，不同d/a值(0～1)下禁带宽度Δf和归一化禁带上、下缘频率频率fua和fda；总结其变化规律，发现归一化禁带下缘频率fda则几乎不随fd/a变化，即
fda＝β (2)
而归一化禁带上缘频率fua与d/a值大致呈线性关系，也即带宽与d/a值大致呈线性关系，即
3)综合公式(2)和(3)，再根据带宽Δf、中心频率fc之间的关系，即可得到本发明中的公式(1)。改变金属丝材料进行计算，上述规律依然存在，但各参数取值不同，将计算结果代入即可得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明的方法根据探头实际中心频率和带宽，有针对性地设计吸声频率和带宽，并给出了用于背衬设计的计算公式，最大限度地减少人为因素对设计的影响。
(2)本发明的方法设计的金属丝直径、以及其在环氧树脂中周期性排布等参数，在制作工艺上更容易实现，大大减少了工艺不稳定性的影响；
(3)本发明方法设计出的背衬对声波的衰减更强，所需背衬厚度大大减少，有助于探头的轻量化，小型化。
附图说明
图1为钨丝阵列背衬结构及与压电晶片装配关系；
图2为钨丝阵列结构吸声仿真计算模型；
图3为接收位置等效应力响应谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明是为解决超声探头阻尼背衬吸声频率和带宽的依靠经验不可控问题以及阻尼效果欠佳的问题，提出了一种超声探头阻尼背衬的制造方法。
以常用的中心频率为5MHz，带宽为60％，32阵元的线性阵列超声探头为例，其尺寸为16mm×10mm。以钨丝为例，根据公式(1)，计算得到间距a＝0.2mm，钨丝直径d≥0.112mm，在本实施例中，直径d取0.12mm，背衬厚度取5倍间距，即1mm。制成的背衬及在压电晶片上的安装效果图如图1所示。
以下通过有限元仿真来验证本发明所述超声探头阻尼背衬的制造方法制成背衬安装后的吸声效果。
为便于计算，建立此结构二维模型，示意结构如图2所示。基体材料为环氧树脂，填充材料为钨丝，直径0.12mm，采用正方形排列方式，钨丝中心间距为0.2mm，上下两侧施加对称性边界条件，模拟Y方向上有多层排布的情况。模型左侧施加沿X正向的单位激励，在其右侧设置接收点，拾取经过衰减后的声波幅度。仿真计算频率范围为2～7MHz，其结果如图3中实线所示。为便于比较，对传统背衬材料的衰减性能也一并进行了仿真，图3中虚线即为20mm厚的传统环氧树脂背衬对声波的衰减谱，目前中心频率为5MHz超声探头其常规钨粉树脂背衬的厚度一般都大于20mm。
由仿真结果可以发现，本实施例中，与20mm厚度传统材料对声波的衰减一般在40dB以内，且一般对高频衰减更大。相比而言，采用本发明所述方法制作的1mm厚度的钨丝阵列结构，在所设计的频率范围内，透射后的声波幅度远远低于入射波，最高能达到270dB的衰减。此结果说明本发明设计的背衬结构可有效吸收声波，能达到优异的吸声效果，并可大大减小探头尺寸和重量，同时，根据公式(1)调整钨丝的排布可对吸声频率和带宽进行更为精准的控制。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种超声探头阻尼背衬的制造方法，所述方法包括：
步骤1)获取所述超声探头预先设计的中心频率fc和带宽Δf；
步骤2)根据探头中心频率fc和带宽Δf确定间距a，根据带宽Δf确定金属丝直径d，所述金属丝为钨丝或钢丝；
其中，fc单位为MHz，a、d单位为mm；β，γ，K是与材料声学学性能有关的参数，取值范围大于0，β单位为mm·Hz；γ和K为无量纲参数，取值范围大于0且γ<K；
步骤3)金属丝轴向沿Z方向，将多根金属丝以中心间距为a的形式，按照正方形在二维XOY方向上排列，灌注环氧树脂成型，形成树脂块；或将金属丝以中心间距为a的形式，按照正六边形在二维XOY方向上排列，其轴向沿Z方向，灌注环氧树脂成型，形成树脂块；
步骤4)根据所述超声探头预先设计的尺寸、形状，切割步骤3)所述树脂块，作为背衬安装于压电晶片背面，所述压电晶片所在平面应沿XOZ或YOZ平面，所述树脂块切割形成的背衬高度，即垂直于所述压电晶片所在平面方向的高度大于等于5a，
至此，采用在环氧树脂中周期性排布金属丝的方式得到所述超声探头阻尼背衬，从而消除背衬设计和制作过程中的人为影响，并实现衰减频段的准确调控。
2.根据权利要求1所述的超声探头阻尼背衬的制造方法，其特征在于，步骤2)所述钨丝或钢丝，对于钨丝，β＝0.6，γ＝0.8，K＝2.5；对于钢丝，β＝0.86，γ＝0.3，K＝1.38。
3.根据权利要求1或2所述的超声探头阻尼背衬的制造方法，其特征在于，步骤2)中，对钨丝，d/a的取值在0.4～0.8之间；对钢丝，d/a的取值在0.5～0.9之间。
4.根据权利要求3所述的超声探头阻尼背衬的制造方法，其特征在于，步骤4)中，所述树脂块切割形成的背衬高度大于等于3a。
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