一种有源匹配的厚度模压电空耦超声换能器的制作方法

本发明涉及超声无损检测技术领域，具体涉及一种有源匹配的厚度模压电空耦超声换能器。

背景技术：

厚度模压电空耦超声换能器是一种重要的非接触超声检测技术的核心部件，具有广泛的应用前景。其核心技术难点主要体现在压电片和空气的声阻抗严重不匹配，导致换能器声能辐射效率低，接收电压灵敏度低。传统的解决方案一般是采用微孔发泡材料、硅气凝胶等低声阻抗材料作为匹配层。目前国外已报道的常用空气耦合超声换能器匹配层材料包括微孔发泡材料、硅气凝胶等多孔材料。利用低阻抗的多孔材料，制成双层或多层匹配层，获得了较好的匹配效果(参考文献： T E G.Acoustic impedance matching of piezoelectric transducers to the air[J].IEEE transactions on ultrasonics,ferroelectrics,and frequency control,2004,51(5):624-633.)。该方法仅靠增加声波能量的透射率提高换能器灵敏度，虽然通过此方法取得了不错的效果，但进一步提升的空间已经很有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述现有的厚度模压电空耦超声换能器存在着灵敏度低的技术问题，提供一种有源匹配的厚度模压电空耦超声换能器，其通过有源匹配的方式，建立有源匹配的理论模型，引入有源器件作为匹配层材料，在保留传统的增强声波透射作用的基础上，对透射声波进行“有源”放大，进一步提高空气耦合超声换能器的灵敏度。

为实现上述目的，本发明提供的一种有源匹配的厚度模压电空耦超声换能器，包括：压电片、第一匹配层、第二匹配层、换能器外壳、第一接头和第二接头；所述的压电片、第一匹配层、第二匹配层沿超声波信号发射方向依次排列于换能器外壳内，所述压电片通过其两侧设置的电极所引出的导线连通第一接头，所述的第一接头和第二接头均固定于换能器外壳末端，且外接超声波电源；所述的第一匹配层采用微孔发泡材料制成的圆形片状结构，所述的第二匹配层采用极化的多孔PVDF薄膜制成的圆形片状结构，该第二匹配层通过导线连通第二接头，所述第一匹配层和第二匹配层的直径与压电片相同。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的压电片采用1-3型复合材料制成，所述的1-3型复合材料由均匀排列的压电柱和环氧树脂填充构成，该压电片的厚度取超声波信号中心频率对应的二分之一波长，其直径为30mm。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一匹配层和第二匹配层的厚度均取超声波信号中心频率对应的四分之一波长。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的微孔发泡材料为空心玻璃微珠粉末和环氧树脂复合材料。

本发明的一种有源匹配的厚度模压电空耦超声换能器的优点在于：

本发明提出的厚度模压电空耦超声换能器在传统的声阻抗匹配的基础上，引入“有源”匹配层材料，设计附加激励模块对透射声波进行“有源”放大，从而实现具有高灵敏度性能的压电空耦换能器，该换能器可广泛应用于对耦合剂敏感、不能直接接触、要求快速扫查等非接触超声无损检测领域中，其高灵敏度性能更能在非接触式测厚或者测量高衰减材料方面具有明显优势。

附图说明

图1为本发明的一种有源匹配的厚度模压电空耦超声换能器结构示意图。

图2为本发明中采用1-3型复合材料制成的压电片结构侧视图。

图3为本发明中采用1-3型复合材料制成的压电片结构俯视图。

附图标记

1、压电片 2、第一匹配层 3、第二匹配层

4、换能器外壳 5、第一接头 6、第二接头

7、压电柱 8、环氧树脂

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种有源匹配的厚度模压电空耦超声换能器进行详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种有源匹配的厚度模压电空耦超声换能器，包括：压电片1、第一匹配层2、第二匹配层3、换能器外壳4、第一接头5和第二接头6；所述的压电片1、第一匹配层2、第二匹配层3沿超声波信号发射方向依次排列于换能器外壳4内，所述压电片1和第二匹配层3通过其两侧设置的电极所引出的导线分别连通第一接头5和第二接头6，所述的第一接头5和第二接头6均固定于换能器外壳4末端，且外接超声波电源；所述的第一匹配层2为具有低声阻抗的微孔发泡材料制成的圆形片状结构，优选采用空心玻璃微珠粉末和环氧树脂复合材料，所述的第二匹配层3是有源匹配层，采用极化过的多孔PVDF薄膜制成的圆形片状结构，所述第一匹配层2和第二匹配层3的直径与压电片1相同，合理选择其直径d，使厚度振动模式和其他振动模式在超声波信号中心频率上区分开。

压电空耦超声换能器作为一种非接触式检测技术的核心部件，具有重要和广泛的应用前景，但其本身压电片和空气的声阻抗严重失匹，影响了检测灵敏度。仅靠低声阻抗材料进行匹配的方法在一定程度上解决了声波透射问题，在此基础上，采用“有源”匹配的方式，用具有压电性的低声阻材料做匹配层，设计附加激励模块对透射声波进行“有源”放大，从而实现具有高灵敏度性能的压电空耦换能器。

有源匹配的核心思想是：使用具有压电性的特殊材料制作匹配层，其声阻抗既满足阻抗匹配的要求，能够实现传统的“增透”声波的作用，同时利用其压电性，在接入电压源进行激励后，能够提供一部分可叠加的声能，实现对声波能量进行补偿放大的作用，从而大大提高厚度模压电空耦超声换能器的灵敏度。

使用机电类比的方法进行有源匹配的操作过程为：

首先建立压电片1、第一匹配层2、第二匹配层3的等效电路模型，其中压电片1和第二匹配层3使用梅森等效电路模型建模，第一匹配层2使用声学传输线模型建模。当压电片1两端加信号源Vs，第二匹配层3两端不加激励源Vex时，第二匹配层3起到的作用类似传统匹配层的功能，此时计算得到换能器表面的输出声压P₁＝H₁(Vs)；当压电片1两端不加信号源Vs，第二匹配层3两端加激励源Vex时，压电片1和第一匹配层2起到的作用类似背衬，此时计算得到换能器表面的输出声压P₂＝H₂(Vex)，换能器表面的实际输出声压P可以看作P₁和P₂的叠加。通过任意信号发生器，合理设计激励源Vex的形状、频率和相位，使激励源Vex输出的电信号经转换生成的声压P₂可以和声压P₁同相叠加，从而起到提高灵敏度的作用。

采用机电类比的分析方法，分别建立常规匹配层和有源激励匹配层换能器的梅森等效电路，通过优化设计附加电路的电学输入端元件，对附加激励源延迟、相位、频率等参数进行控制，保证附加激励源在压电性匹配层(第二匹配层3)上产生的声波信号与换能器本身晶片(压电片1)产生的声波信号的正相叠加，使总输出端与力学端输入成正比，从而达到在完成常规声阻抗匹配的同时，对总的输出声波进行叠加“放大”的目的，实现换能器辐射声波能量的大幅提升。

下面给出一个中心频率为700kHz的有源匹配空气耦合超声压电换能器的例子：

所述空气耦合超声压电换能器的压电片为1-3型复合材料制成，其厚度为2mm，直径为30mm。压电片厚度取超声波信号中心频率对应的二分之一波长，按照公式h_p＝C/2f_r计算，其中，h_p表示压电片的厚度，C表示压电片的纵波声速，f_r表示超声波信号的中心频率。

压电片直径的选择需要考虑到对径向模式的抑制，应当保证径向模式和厚度振动模式不互相干扰，表现为在频谱上二者的基频中心频率及中心频率附近的-6dB带宽范围没有重合的部分。

如图2、3所示，1-3型复合材料压电片由均匀排列的压电柱7和环氧树脂8填充构成。压电相在厚度方向连通，环氧树脂相在x、y、z三个方向全部连通。由W A Smith的分析方法，改变压电陶瓷柱的体积分数，可以调整1-3型复合材料的密度和声速。

第一匹配层为空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料，其厚度为1mm。第一匹配层厚度取超声波信号中心频率对应的四分之一波长，按照公式h₁＝C/4f_r计算，其中，h₁表示第一匹配层的厚度，C表示压电片的纵波声速，f_r表示超声波信号的中心频率。

第一匹配层的最优选声阻为0.3MRayl，按照公式计算，其中，Z₁表示第一匹配层的声阻，Z_p表示压电片的声阻，Z_a表示空气的声阻。而在实际情况中，由于恰好满足此最优选声阻条件的材料不一定存在，可以适当放宽范围至0.3-1MRayl。

第二匹配层为极化的多孔PVDF薄膜，作为有源匹配层，其厚度为100μm。该有源匹配层的厚度同样取超声波信号中心频率对应的四分之一波长，按照公式h₂＝C/4f_r计算，其中，h₂表示第二匹配层的厚度，C表示压电片的纵波声速，f_r表示超声波信号的中心频率。

第二匹配层的最优选声阻为0.01MRayl，按照公式计算，其中，Z₂表示第二匹配层的声阻，Z_p表示压电片的声阻，Z_a表示空气的声阻。而在实际情况中，由于恰好满足此最优选声阻条件的材料不一定存在，可以适当放宽范围至0.01MRayl-0.1MRayl。

所述换能器外壳的材料不限，可为金属或者塑料材质，优选不锈钢外壳，外观好，且容易实现共地。

第一接头5和第二接头6可分别连接较为通用的Q9或者SMB类型接插件，二者可共地，内芯分别接压电片和有源匹配层的正极。

压电片两端镀铜电极并引出导线，连接第一接头5，外接频率为700kHz的脉冲串作为信号源Vs。有源匹配层两端镀铜电极并引出导线，连接第二接头6，外接使用任意信号发生器配合线性运算放大器生成的激励源Vex。

当换能器工作在常规匹配模式下时，第一接头5外接中心频率为700kHz脉冲串或者尖脉冲作为信号源Vs，此时压电片1产生的超声波穿过双层匹配层之后透射到空气中，灵敏度远远高于直接由压电片1向空气中辐射超声波的情况。

当换能器工作在有源匹配模式下时，第一接头5外接中心频率为700kHz脉冲串或者尖脉冲作为信号源Vs，第二接头6外接使用任意信号发生器配合线性运算放大器生成的激励源Vex，合理设计激励源Vex的形状、频率和相位，使压电片1产生的超声波透射到有源匹配层之后，能够与激励源Vex作用在有源匹配层上产生的超声波同相叠加，从而获得比常规匹配模式下更高的灵敏度效果。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。