CN115542303A - 用于复杂结构检测的半球形全向型超声换能器与制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于复杂结构检测的半球形全向型超声换能器与制备方法。该超声换能器包括：壳体和本体，本体上依次设置背衬层、内部电极、半球形压电元件、外部电极和环氧树脂膜。其中背衬层吸收换能器背面无用的超声能量；半球形压电元件的凹面设有内部电极，半球形压电元件的凸面设有外部电极；连接内部电极和外部电极的导线嵌入本体内部，并经由导线管连接到外部；外部电极采用环氧树脂膜包裹，起密封防水和声阻抗匹配作用；半球形压电元件具有预设的压电层厚度、球面半径和球面半张角。本发明的超声换能器能够以自发自收方式工作，并且沿不同径向具有相同的发射和接收灵敏度，无需根据被检复杂结构表面轮廓连续调整换能器位姿和扫描方向。

Description

用于复杂结构检测的半球形全向型超声换能器与制备方法

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，更具体地，涉及一种用于复杂结构检测的半球形全向型MHz频率超声换能器与制备方法。

背景技术

压力容器、管道、航空航天飞行器等主承力结构普遍具有斜面、曲面等复杂形状，这些复杂型面处通常是应力集中区域，在制造和使用期间容易产生裂纹、孔洞等缺陷，降低结构的力学性能和安全性。因此，迫切需要借助无损检测技术及时检出内部缺陷，并准确测量其尺寸、位置等信息，以便为制造工艺改进、结构设计、强度分析提供确切的缺陷量化信息。

超声检测以其高分辨率和深穿透的优点被广泛用于检测和表征缺陷。然而，超声用于复杂形状结构检测仍面临几方面难点问题，具体包括：首先，超声在经过复杂形状表面时，因反射和折射偏离直线传播，并发生波型转换，超声传播行为变得复杂，内部缺陷检测灵敏度随之降低，甚至无法检出。为了降低复杂形状对超声传播行为的不利影响，通常是要求超声换能器的中心线始终垂直于被检结构的表面，此时超声在经过复杂形状表面时不发生路径偏折。然而，若事先无法获知被检结构表面的几何模型，就无法据此准确调节超声换能器中心线与表面外法线方向一致。其次，现有超声换能器普遍为硬质刚性类型，难以紧密贴合复杂形状结构表面进行扫描检测。而且，大型复杂形状结构不同位置处的几何规格变化，表现出显著的变曲率、变角度和变厚度特征，稳定声耦合困难，超声波束需在扫描过程中随形动态调整入射方向。

目前，复杂形状结构的超声检测方法主要包括两类，分别是使用单晶片换能器的常规超声检测，以及使用阵列式换能器的相控阵超声检测。常规超声检测方法需要借助多自由度机械手实时调整超声换能器的姿态和位置，以确保换能器垂直于被检结构表面各处发射和接收超声信号。然而，这种方法需要预先获知被测结构的几何模型。因此，对于几何模型未知的结构，通常需要先利用激光轮廓仪重构被检复杂形状表面轮廓，增加了检测系统的复杂程度和耗时。相控阵超声检测方法则是使用柔性超声换能器代替广泛使用的刚性换能器，以适应结构几何形状的变化始终紧密贴合表面。然而，现有的柔性超声换能器弯曲变形能力有限，不能应用于任意大曲率的复杂形状表面。而且，为了实现弯曲变形以便更好地贴合不规则表面，柔性换能器的背衬层通常非常薄，不能提供足够的阻尼，这会导致超声频带较窄，并进一步形成较深的近表面检测盲区。

综上，造成现有技术不足的根源在于所用超声换能器声场的强指向性，即超声激励和接收灵敏度沿换能器中心线方向最强，并随着传播方向偏离中心线快速降低。因此，如果使用全向型的换能器，即向不同方向发射和接收超声的灵敏度相同，就可以极大地提高超声检测复杂形状结构的适应能力。

现有的全向型超声换能器主要是通过将压电元件弯曲成球形制成，主要有两种实现方式。第一种是将数量众多的小型平面状压电元件密集排列于球面，单个压电元件尺寸越小，分布越密集，就越接近于产生全向型的声场，但制备难度和成本也更高。第二种是直接制备完整的球形压电元件，虽可实现真正的全向型声场，但是受经度和纬度方向振动模式的影响，会干扰所需径向振动模式产生的超声。而且，由于压电陶瓷的刚性和脆性，需要非常复杂的加工工艺才可将制成球形。目前常见的几种球形全向型超声换能器都是用于低频的水下声学领域，而工业超声检测要求使用MHz级的高频超声，以满足内部小尺寸缺陷高精度检测需求。产生高频超声要求压电元件足够薄，以上两种球形换能器制备方案难以满足要求。

因此，研究一种用于复杂形状结构检测的半球形全向型MHz频率超声换能器具有十分必要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种用于复杂形状结构检测的半球形全向型MHz频率超声换能器设计与制备方法，旨在提供一种对复杂形状结构适应性强、操作简单和检测效率高的超声换能器。

根据本发明的第一方面，提供一种用于复杂结构检测的半球形全向型超声换能器。该超声换能器包括：壳体和本体，本体上依次设置背衬层、内部电极、半球形压电元件、外部电极和环氧树脂膜。其中，背衬层用于吸收换能器背面无用的超声能量；半球形压电元件的凹面设有内部电极，半球形压电元件的凸面设有外部电极；连接内部电极和外部电极的导线嵌入本体内部，并经由导线管连接到外部；外部电极采用环氧树脂膜包裹，起密封防水和声阻抗匹配作用；半球形压电元件具有预设的压电层厚度、球面半径和球面半张角。

根据本发明的第二方面，提供一种用于复杂结构检测的半球形全向型超声换能器的制备方法。该方法包括以下步骤：

沿两个正交方向切割经抛光处理的PZT陶瓷片厚度的一部分，以形成PZT柱阵列；

在切口中填充软质材料作为基体，以支撑和软连接PZT柱；

打磨PZT柱的未切割部分至预设厚度；

将PZT柱阵列置于半球形钢模上，通过软质基体弯曲变形成为半球体；

溶解去除软质基体，并替换为环氧树脂，以实现半球体PZT柱阵列定型；

根据预设的压电层厚度、球面半径和球面半张角将半球体的多余部分切除，形成预定尺寸的半球体，作为所述半球形压电元件；

将所述半球形压电元件与背衬层、内部电极、外部电极和环氧树脂膜封装为本体，进而采用壳体支撑和封装该本体，获得所述超声换能器。

与现有技术相比，本发明的优点在于，所提供的半球形全向型超声换能器能够以自发自收方式工作，并可确保沿不同径向具有相同的发射和接收灵敏度(即全向超声发射和接收)，无需根据被检复杂形状结构表面轮廓连续调整换能器位姿和扫描方向，以简单直线路径扫描即可实现全覆盖检测，克服了传统方法需要预先获知被检结构表面轮廓，并随形动态调节换能器位姿的不足。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明一个实施例的用于复杂结构检测的半球形全向型超声换能器的制备方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的半球形换能器的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的半球形1-3型压电复合材料的制备工艺流程图；

图4是根据本发明一个实施例的半球形换能器的实物性能表征示意图；

图5是根据本发明一个实施例的半球形换能器和平面换能器对凹凸连续样品的缺陷检测成像效果示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

考虑到球形全向型超声换能器具有全方位检测目标的能力，本发明主要研究一种用于工业领域中复杂形状结构检测的MHz频率的半球形全向型超声换能器，整体上包括换能器的设计和制备、换能器的性能测试表征以及换能器的应用验证。参见图1所示，所提供的用于形状结构检测的半球形全向型MHz频率超声换能器的制备方法包括以下步骤：

步骤S1，确定半球形超声换能器的设计要求。

为了实现复杂形状结构的超声检测，在一个实施例中，半球形换能器的设计策略主要满足以下要求：

1)压电元件为完整半球形，以提供均匀全向型声场；

2)MHz频率，以提供够高的分辨率；

3)工作在脉冲回波模式；

4)在所有径向方向发射和接收灵敏度相同的超声波；

5)防水。

步骤S2，根据设计要求选择半球形超声换能器的材料。

由于超声换能器用于部件上方的扫描检测，因此半球结构产生的半球形全向型声场可以满足要求，而不需要整个球面结构。为了在高频下实现半球形全向辐射的声场指向性，例如，设计了一种一体成型的半球形1-3型压电复合材料。与压电陶瓷相比，1-3型压电复合材料具有较高的电声转换效率、良好的声阻抗匹配性和弯曲几何形状的灵活性。并且，1-3型压电复合材料比压电陶瓷具有更高的纵向耦合系数和更大的压电电荷常数。因此，采用1-3型压电复合材料作为压电元件，能够改善换能器的性能。

步骤S3，设计半球形超声换能器的工作频率。

换能器的尺寸结构对其振动模式以及振幅等性能有直接的影响。对于凸面半球形超声换能器而言，主要的尺寸参数有压电层(或称压电元件)厚度，球面半径以及球面半张角等。对于凸面半球超声换能器，只有其径向的振动对发射功率有用，通过调整压电层的厚度可以提高换能器的谐振频率。因此，通过设置压电元件的厚度、球面半径以及球面半张角等，能够获得设定尺寸、设定工作频率的超声换能器。

步骤S4，设计半球形超声换能器的结构。

例如，换能器采用一种完整的半球形1-3型压电复合材料，以改善声场指向性的均匀性。图2显示了半球形全向型换能器的结构分解图，为清楚起见，将其整体上划分为壳体和本体，本体上设有导线管、背衬层、内部电极、半球形压电元件、外部电极和环氧树脂膜。在下文的描述中，壳体以铝壳为例，压电元件是1-3型压电复合材料为例进行说明。

在一个实施例中，对于图2的换能器，半球形压电元件在凸面和凹面上都覆盖有银电极。连接两个电极的电线嵌入传感器内部(或称本体内部)，并通过传感器顶部的空心管连接到外部。在外部电极上设置一层环氧树脂膜，即采用环氧树脂层覆盖外部电极，用于更好地与水匹配声阻抗，并充当防水层。换能器的内腔充满钨粉制成的背衬材料，以吸收换能器背面无用的超声能量。铝壳设计为圆柱形，用于支撑和封装本构元件，以保证传感器的稳定结构稳定性。为了满足水下检测的要求，传感器采用防水材料密封，以保护内部结构不受潮。

步骤S5，制备半球形压电元件，进而与其他部件封装为半球形超声换能器。

图3显示了半球形1-3型压电复合材料的制造过程。以1-3型复合材料采用切割与填充法制造为例，首先沿两个正交方向切割经抛光处理的PZT陶瓷片厚度的一部分，以形成PZT柱阵列；在切口中填充软质材料作为基体，以支撑和软连接PZT柱；打磨PZT柱的未切割部分至预设厚度；将PZT柱阵列置于半球形钢模上，通过软质基体弯曲变形成为半球体；溶解去除软质基体，并替换为环氧树脂，以实现半球体PZT柱阵列定型；根据预设的压电层厚度、球面半径和球面半张角将半球体的多余部分切除，形成预定尺寸的半球体，作为所述半球形压电元件；最后，将制备的1-3型压电复合材料和其他本构元件封装为超声换能器。封装方式与标准换能器大致相同，在此不再赘述。

进一步地，验证了换能器的性能测试表征，包括中心频率和声场指向性。

1)中心频率

图4是半球形换能器的实物照性能表征，其中，图4(a)是制备封装后的半球形换能器。换能器谐振频率是超声波检测中必须考虑的基本参数，它决定了可以检测到的最小缺陷尺寸。图4(b)显示了实测半球形换能器的时域波形和频谱，两条曲线分别是换能器接收到的反射体表面反射回波的时域波形和相应的频谱。半球形换能器的实测中心频率为2.91MHz。

2)声场指向性

使用-9dB的截止阈值来定义换能器的方向性模式，图4(c)和图4(d)分别是维度平面声场指向性和经度平面声场指向性。如图4(c)显示，纬度扩散角为360°。这意味着换能器可以在所有方向上进行可靠的全方位通信。如图4(d)显示，在经度平面上的-9dB扩散角为170°。表1总结了换能器的特性参数。实验结果证明，该换能器灵敏度高，质量好，在纬度和经度平面上具有较高的响应频率和良好的全向型声场指向性，因此能够满足复杂形状结构的超声检测要求。

表1换能器的性能测试结果

此外，进行了换能器的应用验证。具体地，分别使用传统平面超声换能器和半球形超声换能器，针对凹凸连续结构有机玻璃样品进行内部缺陷检测实验，在试验样品中从左至右分别用A、B、C标记三个横通孔。首先，两种换能器被用于采集待测件的回波信号。然后，提取表面反射回波进行待测件表面轮廓重建。最后，基于重建的表面轮廓，通过SAFT算法对回波信号执行延迟和叠加后处理，实现内部缺陷聚焦成像。

图5显示了凹凸连续样品内三个横通孔的聚焦成像结果比较，其中图5(a)是平面换能器的成像效果，图5(b)是本发明的半球形换能器的成像效果，白色圆圈表示横通孔的实际位置，明亮的颜色表示算法成像的横通孔位置。所有图像均以最大幅值为基准进行了归一化，并以0-1的幅值动态范围显示。如图5(a)所示，当使用平面超声换能器基于实际表面轮廓进行SAFT成像时，A、B、C三个横通孔的顶部可见，并显示为直线段，但通过图像无法判别出缺陷的类型，更不能确定缺陷的尺寸大小。如图5(b)所示，在使用实际表面轮廓的半球形超声换能器的SAFT图像中，不仅可以检测到所有横通孔，而且成像位置与实际位置吻合较好，还可以根据明亮颜色条的曲率估计出横通孔的尺寸大小。在图5(b)中，几乎可以清楚地看到A、C横通孔顶部明亮颜色条为圆形轮廓的三分之一。随着深度的增加，超声能量的衰减越严重，B横通孔的成像幅值和可见圆形轮廓均减小。

实验结果证实，本发明所设计的换能器不仅具有良好的半球形全向波束图，而且能够在MHz频率下工作，因此能够满足复杂形状结构的超声波检测要求。

需要说明的是，在不违背本发明精神和范围的前提下，本领域技术人员可对上述实施例进行适当的改变或变型。例如，内部电极、外部电极、壳体和背衬层也可采用其他的材料制备。压电元件可采用其他的复合材料，只要其设计为半球形结构，具有全向型声场，即可实现本发明的效果。

相对于现有技术，本发明具有以下技术效果：

1)在对复杂形状结构进行扫描时，半球形换能器的全向型声场特性确保了始终存在垂直于被检结构表面传播的超声波，无需像常规检测方法那样需要根据表面轮廓调整换能器的姿态和位置；

2)超声检测可以通过使用简单的线性扫描路径(无需CAD模型)来实现，而不是传统方法中沿表面轮廓连续变化的复杂路径(需要预先获得的CAD模型)；

3)具有MHz级别的中心频率，可以为超声检测缺陷提供够高的分辨率；

4)压电元件为一体成型的完整半球形结构，具有均匀分布的发射和接收灵敏度的全向型声场。

综上所述，本发明公开了一种用于工业领域中复杂形状结构检测的MHz频率的半球形全向型超声换能器，能够以相同的灵敏度全向发射和接收超声波，无需调整换能器姿态，而且一次线性扫描即可完成复杂形状结构全覆盖的、有效的扫描检测，获取完整的超声回波信号。首先，换能器发射的声场是全向型的，即能够在各个方向以相同的灵敏度发射和接收超声波。这种全向特征确保始终存在垂直于表面传播的超声波，而无需调整换能器的姿态和位置。此外，在预先没有CAD模型的情况下，超声波检测可以通过使用简单的线性扫描路径来实现，而不是传统方法中沿表面轮廓连续变化的复杂路径。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种用于复杂结构检测的半球形全向型超声换能器，包括：壳体和本体，本体上依次设置背衬层、内部电极、半球形压电元件、外部电极和环氧树脂膜，其中，背衬层用于吸收换能器背面无用的超声能量；半球形压电元件的凹面设有内部电极，半球形压电元件的凸面设有外部电极；连接内部电极和外部电极的导线嵌入本体内部，并经由导线管连接到外部；外部电极采用环氧树脂膜包裹，用于密封防水和声阻抗匹配；半球形压电元件具有预设的压电层厚度、球面半径和球面半张角。

2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述半球形压电元件是一体成型的半球形1-3型压电复合材料。

3.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述背衬层采用钨粉制成。

4.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述内部电极和所述外部电极通过导电环氧树脂电连接到导线上，该导线经由所述本体一端的空心导线管连接到外部。

5.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述壳体是圆柱形铝壳。

6.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述内部电极和所述外部电极是银电极。

7.一种根据权利要求1至6任一项所述的超声换能器的制备方法，包括以下步骤：

沿两个正交方向切割经抛光处理的PZT陶瓷片厚度的一部分，以形成PZT柱阵列；

在切口中填充软质材料作为基体，以支撑和软连接PZT柱；

打磨PZT柱的未切割部分至预设厚度；

将PZT柱阵列置于半球形钢模上，通过软质基体弯曲变形成为半球体；

溶解去除软质基体，并替换为环氧树脂，以实现半球体PZT柱阵列定型；

根据预设的压电层厚度、球面半径和球面半张角将半球体的多余部分切除，形成预定尺寸的半球体，作为所述半球形压电元件；

将所述半球形压电元件与背衬层、内部电极、外部电极和环氧树脂膜封装为本体，进而采用壳体支撑和封装该本体，获得所述超声换能器。

8.根据权利要求7所述的超声换能器的制备方法，其特征在于，所述半球形压电元件是半球形1-3型压电复合材料。

9.根据权利要求7所述的超声换能器的制备方法，其特征在于，所述半球形压电元件采用切割与填充法制备。

10.根据权利要求7所述的超声换能器的制备方法，其特征在于，所述半球形压电元件具备全向型超声发射和接收能力，沿不同径向方向具有相同的超声波发射和接收灵敏度，并且超声频率为MHz级，并在脉冲回波模式下工作。

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