CN117019608A - 一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及结构部件或设备的测试领域，公开一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器及其制备方法。高性能空气耦合超声点聚焦换能器包括外壳、连接器、衬套、压电复合晶片、声透镜和匹配层组件；压电复合晶片设置于衬套内，并与连接器连接；声透镜设置于衬套内，并与压电复合晶片粘接；匹配层组件设置于衬套内，匹配层组件包括第一球面匹配层、第二球面匹配层和粘接层，第一球面匹配层的一侧与声透镜粘接，另一侧与第二球面匹配层粘接。利用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备第一球面匹配层和粘接层，利用微孔发泡聚丙烯材料作为第二球面匹配层，灵敏度较未匹配时有明显的提升；利用声透镜实现超声波聚焦，灵敏度与分辨率得到明显提升。
Description
技术领域
本发明涉及结构部件或设备的测试领域，尤其涉及一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器及其制备方法，能用于航空航天、新能源、隔热材料等行业复合材料零部件或设备损伤的无损检测。
背景技术
空气耦合超声检测作为无损检测技术的一种，以空气为超声波传播介质，无需在待检材料表面涂抹耦合剂，因此，特别适用于禁用、慎用或不便使用耦合剂场合。如在碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等的蜂窝、多层结构航空航天复合材料构件检测中具有无法替代的优势。
但由于空气耦合超声换能元件与空气声阻抗差异巨大，导致换能器整体换能效率低、检测精度不高。目前用于空气耦合超声检测的压电薄膜以及铁电驻极体式换能元件激发、接收超声的效率较低，限制了其推广应用。而压电复合材料换能效率高，平板型压电式超声换能器制作方便、价格便宜，在目前空气耦合检测领域中应用最为广泛，其不足之处在于平面结构引起声束不集中、能量分散，使得该类换能器灵敏度不高、分辨率较差。
已有的线聚焦空气耦合超声换能器需将压电复合材料晶片切割成弧面，使得声波能量沿着主轴线区域进行聚焦，但在弧面切割过程中破损的风险较大，更为重要的是该类换能器对于小缺陷检测分辨率不高。已有的多基元聚焦式空气耦合超声点聚焦换能器能实现声波能量的点聚焦，对小缺陷检测分辨率有较大提高，但作为各基元的多个压电复合材料晶片的体积小导致换能效率低，多个基元制作时工艺复杂且很难保证一致性，限制了其实际应用效果。因此，迫切需要提出一种换能器效率高、能量集中、检测分辨高、且便于制作的高性能空气耦合超声点聚焦换能器。
发明内容
基于以上问题，本发明的目的在于提供一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器及其制备方法，制备简单，且能够有效提高空气耦合超声探测的灵敏度与分辨率。
为实现上述目的，提供以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器，包括：
外壳；
连接器，设置于所述外壳内；
衬套，设置于所述外壳内；
压电复合晶片，设置于所述衬套内，并与所述连接器连接；
声透镜，设置于所述衬套内，并与所述压电复合晶片粘接；
匹配层组件，设置于所述衬套内，所述匹配层组件包括第一球面匹配层和第二球面匹配层以及两者之间的粘接层，所述第一球面匹配层的一侧与所述声透镜粘接，另一侧与所述第二球面匹配层粘接，所述第一球面匹配层采用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备而成，所述第二球面匹配层采用微孔发泡聚丙烯材料制备而成，所述粘接层采用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备。
作为本发明提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器的可选方案，所述第一球面匹配层和所述声透镜之间设置有第一粘接层。
作为本发明提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器的可选方案，所述第一球面匹配层和所述第二球面匹配层之间设置有第二粘接层。
作为本发明提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器的可选方案，所述衬套采用塑料吸声材质制备而成。
作为本发明提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器的可选方案，还包括顶盖，所述顶盖通过螺钉与所述外壳连接。
作为本发明提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器的可选方案，还包括螺母，所述螺母位于所述顶盖朝向所述外壳的一侧，所述连接器与所述螺母螺纹连接。
第二方面，本发明还提供了一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法，用于制备上述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器，所述高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法包括以下步骤：制备接近理论声阻抗的双层匹配层试样；将粘接层视为额外的匹配层，并考虑在整体声阻抗匹配中；在封装设计时加入塑料内衬，减小超声在背部的衰减。
作为本发明提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法的可选方案，计算得出压电复合材料与空气介质之间两层匹配层的理论声阻抗，采用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备第一球面匹配层，构建制备出的匹配层的声学性能参数与制备材料之间的理论模型，依据理论模型制备实际声阻抗值接近理论值的匹配层；选用微孔发泡聚丙烯材料作为第二球面匹配层；粘接层使用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料，使粘接层的声阻抗接近第一球面匹配层，避免粘接层与被粘接物体之间的声阻抗差异导致的超声损失。
作为本发明提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法的可选方案，采用纵向振动压电复合晶片作为换能器元件。
作为本发明提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法的可选方案，采用铝合金材料制备出底面为圆平面，上表面为凹球面的声学元件。
作为本发明提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法的可选方案，第一球面匹配层的制备方法包括以下步骤：称取预设质量的环氧树脂和空心玻璃微珠，混合搅拌均匀后，置于真空箱内抽真空处理；按照环氧树脂和固化剂质量比为4：1的比例称取固化剂，将固化剂倒入空心玻璃微珠和环氧树脂的混合物中，搅拌均匀后置于真空箱内抽真空处理，抽真空处理时间为3min至5min；取出环氧树脂、空心玻璃微珠和固化剂的混合物后倒入模具中，放入真空箱内抽真空处理5min；放入60℃的恒温箱内进行固化；待其完全固化后脱模。
作为本发明提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法的可选方案，第二球面匹配层的制备方法包括以下步骤：首先将第二球面匹配层加工成半径为14mm且厚度为0.5mm的薄片；再将第二球面匹配层放置在声透镜上，利用球半径为50mm的金属球对第二球面匹配层按压成型，最后，放入真空干燥箱中升温到100℃，持续40min，得到第二球面匹配层。
本发明的有益效果为：
针对现有压电复合晶片高性能空气耦合超声点聚焦换能器换能效率低、分辨率低，以及制作工艺复杂的难题，本发明提供的一种制作工艺简单的高换能器效率、高分辨率高性能空气耦合超声点聚焦换能器及其制备方法。利用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备第一层球面匹配层，使用微孔发泡聚丙烯材料制作第二层球面匹配层，在声波往焦点聚焦传播的同时，提高传播路径上声阻抗的匹配程度，增强聚焦声波在各层界面间的透射效率，极大地提高聚焦点处声波的能量，从而明显提升换能器的灵敏度与分辨率。相较于需要把压电晶片加工成特殊形状或多个阵元的情况，采用形状简单、易于制作、成本低廉的平面压电晶片，粘接易加工成型的铝合金凹面型材，构成球面点聚焦方式实现声波能量在焦点处的物理聚焦，不仅工艺简单、便于实现批量生产，且极大地提高了成品率、降低了成本、增加产品的市场竞争力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施方式提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器的结构示意图；
图2是本发明具体实施方式提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器的剖视示意图；
图3是本发明具体实施方式提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器的第一视角爆炸示意图；
图4是本发明具体实施方式提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器的第二视角爆炸示意图。
图中：
1、外壳；2、连接器；3、衬套；4、压电复合晶片；5、声透镜；6、匹配层组件；61、第一球面匹配层；62、第二球面匹配层；7、第一粘接层；8、第二粘接层；9、顶盖 ；10、螺钉；11、螺母。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图4所示，本实施例提供一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器，该高性能空气耦合超声点聚焦换能器包括外壳1、连接器2、衬套3、压电复合晶片4、声透镜5和匹配层组件6，连接器2设置于外壳1内，压电复合晶片4可以是1-3型压电复合晶片；衬套3设置于外壳1内；压电复合晶片4设置于衬套3内，并与连接器2连接；声透镜5设置于衬套3内，并与压电复合晶片4粘接；匹配层组件6设置于衬套3内，匹配层组件6包括第一球面匹配层61和第二球面匹配层62以及两者之间的粘接层，第一球面匹配层61的一侧与声透镜5粘接，另一侧与第二球面匹配层62粘接，第一球面匹配层61采用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备而成，第二球面匹配层62采用微孔发泡聚丙烯材料制备而成，粘接层采用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备。
连接器2可以是BNC（Bayonet Neill-Concelman）连接器，BNC连接器是一种很常见的RF端子同轴电缆终结器，BNC连接器用于射频信号的传输，是经常看到的射频连接器之一，是一种小型的可以实现快速连接的卡口式连接器。BNC电缆连接器由一根中心针、一个外套和卡座组成，它包括BNC连接器基座、外套和探针三部分。压电复合晶片4前后表面分别连接BNC连接器的正负极，使连接正极的表面朝向外侧，再依次粘接第一球面匹配层61和第二球面匹配层62。将粘接完成的第二球面匹配层62、第一球面匹配层61、声透镜5和压电复合晶片4使用粘接剂粘接至衬套3内，并将其粘接至外壳1内。
针对压电复合晶片4与空气之间声阻抗的严重不匹配，以及各匹配层之间声阻抗不连续的问题，利用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备第一球面匹配层61，利用微孔发泡聚丙烯材料作为第二球面匹配层62，灵敏度较未匹配时有明显的提升；利用声透镜5实现超声波聚焦，灵敏度与分辨率得到明显提升；在外壳1中加入了衬套3，便于封装，避免导线与外壳1接触产生干扰；采用单个压电复合晶片4，解决了多基元超声换能器制备复杂的问题，设置并制备不同曲率半径的声透镜5可以调整聚焦型高性能空气耦合超声点聚焦换能器的焦点位置问题；线聚焦通过改变压电晶片的形状来使声束产生聚焦效果，由于压电晶片的易碎性，在切割时容易造成压电晶片损坏，而声透镜5式聚焦通过在压电晶片上表面粘接声透镜5，压电晶片不会受到影响。
可选地，第一球面匹配层61和声透镜5之间设置有第一粘接层7。将第一粘接层7视为匹配层，将其考虑在换能器整体声阻抗匹配中，第一粘接层7使用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料，使其声阻抗接近于第一球面匹配层61，使第一球面匹配层61上下界面处声阻抗具有更好的连续性，提高换能器整体灵敏度。
可选地，第一球面匹配层61和第二球面匹配层62之间设置有第二粘接层8。将第二粘接层8视为匹配层，将其考虑在换能器整体声阻抗匹配中，第二粘接层8使用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料，使其声阻抗接近于第一球面匹配层61，使第二球面匹配层62上下界面处声阻抗具有更好的连续性，提高换能器整体灵敏度。
可选地，衬套3采用塑料吸声材质制备而成。使用塑料吸声材质的衬套3，避免导线与金属外壳1接触，便于换能器的封装。可选地，该高性能空气耦合超声点聚焦换能器还包括顶盖9，顶盖9通过螺钉10与外壳1连接。通过顶盖9对外壳1的一端封堵，可以避免外界灰尘等杂质进入外壳1内。螺钉10可以设置有多个，保证顶盖9的受力均匀。由于连接器2上设置有外螺纹，为方便安装连接器2，可选地，该高性能空气耦合超声点聚焦换能器还包括螺母11，螺母11位于顶盖9朝向外壳1的一侧，连接器2与螺母11螺纹连接。连接器2的一端伸入外壳1内，另一端卡在顶盖9上，顶盖9夹在螺母11和连接器2的另一端之间，实现连接器2的定位安装。
1-3型PZT压电复合晶片4厚度为材料中心频率的二分之一波长，匹配层厚度为材料中心频率的四分之一波长，需注意的是，第一球面匹配层61的实际厚度应在理论厚度的基础上减去两层粘接层的厚度。1-3型PZT压电复合材料的规格为直径为27mm，厚度为3.741mm，切槽宽度为0.5mm，压电陶瓷柱的横截面长为1mm，宽为1mm。铝材质的声透镜5的规格为直径为27mm，曲率半径为50mm，中心厚度为3.94mm，边缘厚度为5.8mm。
本实施例还提供一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法，用于制备上述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器，高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法包括以下步骤：制备接近理论声阻抗的双层球面匹配层试样；将粘接层视为额外的匹配层，并考虑在整体声阻抗匹配中；在封装设计时加入塑料内衬，减小超声在背部的衰减。针对压电复合晶片4与空气之间声阻抗的严重不匹配，以及各匹配层之间声阻抗不连续的问题，利用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备第一球面匹配层61，利用微孔发泡聚丙烯材料作为第二球面匹配层62，灵敏度较未匹配时有明显的提升；利用声透镜5实现超声波聚焦，灵敏度与分辨率得到明显提升；在外壳1中加入了衬套3，便于封装，避免导线与外壳1接触产生干扰；采用单个压电复合晶片4，解决了多基元超声换能器制备复杂的问题，设置并制备不同曲率半径的声透镜5可以调整聚焦型高性能空气耦合超声点聚焦换能器的焦点位置问题；线聚焦通过改变压电晶片的形状来使声束产生聚焦效果，由于压电晶片的易碎性，在切割时容易造成压电晶片损坏，而声透镜5式聚焦通过在压电晶片上表面粘接声透镜5，压电晶片不会受到影响。
具体地，首先计算得出压电复合材料与空气介质之间两层匹配层的理论声阻抗，采用BR20型号的空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备第一球面匹配层61，并加入稀释剂降低声阻抗，构建制备出的匹配层试样的声学性能参数与制备材料之间的理论模型式，利用理论模型制备实际声阻抗值接近理论值的试样；然后选用微孔发泡聚丙烯材料作为第二球面匹配层62；最后粘接层使用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料，使粘接层的声阻抗接近第一球面匹配层61，避免粘接层与被粘接物体之间的声阻抗差异导致的超声损失，使第一球面匹配层61上下界面处声阻抗具有更好的连续性，提高换能器整体灵敏度。
利用双层匹配理论，其中为了使超声波达到聚焦效果，使用声透镜5来使超声波发生会聚作用，但使用传统声阻抗匹配理论，由于声透镜5为平凹状，故需要将自行研制的第一球面匹配层61做成双曲面（两个曲面均为球面），设计出专用金属模具来制备硅胶模具，再使用硅胶模具来制备出带有曲率半径的匹配层。可选地，第一球面匹配层61的制备方法包括以下步骤：使用电子天平称取预设质量的环氧树脂和空心玻璃微珠，混合搅拌均匀后，置于真空箱内抽真空处理；按照环氧树脂和固化剂质量比为4：1的比例使用电子天平称取固化剂，将固化剂倒入空心玻璃微珠和环氧树脂的混合物中，搅拌均匀后置于真空箱内抽真空处理，因使用的固化剂为常温类固化剂，适用期较短，抽真空处理时间为3min至5min；取出环氧树脂、空心玻璃微珠和固化剂的混合物后倒入模具中，放入真空箱内抽真空处理5min，去除气泡和水分；放入60℃的恒温箱内进行固化，固化时间设置为12小时左右；待其完全固化后脱模，厚度为四分之一波长的长度。
由于所使用原材料为平板状且厚度为1mm，而测量出该材料的性能参数后根据四分之一波长理论，计算出所需要的匹配层材料的厚度为0.5mm，半径为14mm的圆形薄片，利用泡沫材料加热会产生形变的原理。可选地，第二球面匹配层62的制备方法包括以下步骤：将第二球面匹配层62加工成半径为14mm且厚度为0.5mm的薄片；将第二球面匹配层62放置在声透镜5上，利用球半径为50mm的金属球对第二球面匹配层62按压成型，再放入真空干燥箱中升温到100℃，持续40min，取出后得到双曲面（两个曲面均为球面）的第二球面匹配层62。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，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发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.高性能空气耦合超声点聚焦换能器，其特征在于，包括：
外壳(1)；
连接器(2)，设置于所述外壳(1)内；
衬套(3)，设置于所述外壳(1)内；
压电复合晶片(4)，设置于所述衬套(3)内，并与所述连接器(2)连接；
声透镜(5)，设置于所述衬套(3)内，并与所述压电复合晶片(4)粘接；
匹配层组件(6)，设置于所述衬套(3)内，所述匹配层组件(6)包括第一球面匹配层(61)和第二球面匹配层(62)以及两者之间的粘接层，所述第一球面匹配层(61)的一侧与所述声透镜(5)粘接，另一侧与所述第二球面匹配层(62)粘接，所述第一球面匹配层(61)采用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备而成，所述第二球面匹配层(62)采用微孔发泡聚丙烯材料制备而成，所述粘接层采用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备。
2.根据权利要求1所述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器，其特征在于，所述第一球面匹配层(61)和所述声透镜(5)之间设置有第一粘接层(7)。
3.根据权利要求1所述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器，其特征在于，所述第一球面匹配层(61)和所述第二球面匹配层(62)之间设置有第二粘接层(8)。
4.根据权利要求1所述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器，其特征在于，所述衬套(3)采用塑料吸声材质制备而成。
5.根据权利要求1所述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器，其特征在于，还包括顶盖(9)，所述顶盖(9)通过螺钉(10)与所述外壳(1)连接。
6.根据权利要求5所述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器，其特征在于，还包括螺母(11)，所述螺母(11)位于所述顶盖(9)朝向所述外壳(1)的一侧，所述连接器(2)与所述螺母(11)螺纹连接。
7.高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1-6任一项所述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器，所述高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法包括以下步骤：制备接近理论声阻抗的双层匹配层试样；将粘接层视为额外的匹配层，并考虑在整体声阻抗匹配中；在封装设计时加入塑料内衬，减小超声在背部的衰减。
8.根据权利要求7所述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法，其特征在于，计算得出压电复合材料与空气介质之间两层匹配层的理论声阻抗，采用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备第一球面匹配层(61)，并加入稀释剂降低声阻抗，构建制备出的匹配层试样的声学性能参数与制备材料之间的理论模型，利用理论模型制备实际声阻抗值接近理论值的试样；选用微孔发泡聚丙烯材料作为第二球面匹配层(62)；粘接层使用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料，使粘接层的声阻抗接近第一球面匹配层(61)，避免粘接层与被粘接物体之间的声阻抗差异导致的超声损失。
9.根据权利要求7所述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法，其特征在于，第一球面匹配层(61)的制备方法包括以下步骤：称取预设质量的环氧树脂和空心玻璃微珠，混合搅拌均匀后，置于真空箱内抽真空处理；按照环氧树脂和固化剂质量比为4：1的比例称取固化剂，将固化剂倒入空心玻璃微珠和环氧树脂的混合物中，搅拌均匀后置于真空箱内抽真空处理，抽真空处理时间为3min至5min；取出环氧树脂、空心玻璃微珠和固化剂的混合物后倒入模具中，放入真空箱内抽真空处理5min；放入60℃的恒温箱内进行固化；待其完全固化后脱模。
10.根据权利要求7所述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法，其特征在于，第二球面匹配层(62)的制备方法包括以下步骤：将第二球面匹配层(62)加工成半径为14mm且厚度为0.5mm的薄片；将第二球面匹配层(62)放置在声透镜(5)上，利用球半径为50mm的金属球对第二球面匹配层(62)按压成型，再放入真空干燥箱中升温到100℃，持续40min。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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