本發(fā)明涉及超聲無損檢測技術領域，具體涉及一種有源匹配的厚度模壓電空耦超聲換能器。

背景技術：

厚度模壓電空耦超聲換能器是一種重要的非接觸超聲檢測技術的核心部件，具有廣泛的應用前景。其核心技術難點主要體現(xiàn)在壓電片和空氣的聲阻抗嚴重不匹配，導致?lián)Q能器聲能輻射效率低，接收電壓靈敏度低。傳統(tǒng)的解決方案一般是采用微孔發(fā)泡材料、硅氣凝膠等低聲阻抗材料作為匹配層。目前國外已報道的常用空氣耦合超聲換能器匹配層材料包括微孔發(fā)泡材料、硅氣凝膠等多孔材料。利用低阻抗的多孔材料，制成雙層或多層匹配層，獲得了較好的匹配效果(參考文獻： 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.)。該方法僅靠增加聲波能量的透射率提高換能器靈敏度，雖然通過此方法取得了不錯的效果，但進一步提升的空間已經(jīng)很有限。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，針對上述現(xiàn)有的厚度模壓電空耦超聲換能器存在著靈敏度低的技術問題，提供一種有源匹配的厚度模壓電空耦超聲換能器，其通過有源匹配的方式，建立有源匹配的理論模型，引入有源器件作為匹配層材料，在保留傳統(tǒng)的增強聲波透射作用的基礎上，對透射聲波進行“有源”放大，進一步提高空氣耦合超聲換能器的靈敏度。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種有源匹配的厚度模壓電空耦超聲換能器，包括：壓電片、第一匹配層、第二匹配層、換能器外殼、第一接頭和第二接頭；所述的壓電片、第一匹配層、第二匹配層沿超聲波信號發(fā)射方向依次排列于換能器外殼內(nèi)，所述壓電片通過其兩側設置的電極所引出的導線連通第一接頭，所述的第一接頭和第二接頭均固定于換能器外殼末端，且外接超聲波電源；所述的第一匹配層采用微孔發(fā)泡材料制成的圓形片狀結構，所述的第二匹配層采用極化的多孔PVDF薄膜制成的圓形片狀結構，該第二匹配層通過導線連通第二接頭，所述第一匹配層和第二匹配層的直徑與壓電片相同。

作為上述技術方案的進一步改進，所述的壓電片采用1-3型復合材料制成，所述的1-3型復合材料由均勻排列的壓電柱和環(huán)氧樹脂填充構成，該壓電片的厚度取超聲波信號中心頻率對應的二分之一波長，其直徑為30mm。

作為上述技術方案的進一步改進，所述第一匹配層和第二匹配層的厚度均取超聲波信號中心頻率對應的四分之一波長。

作為上述技術方案的進一步改進，所述的微孔發(fā)泡材料為空心玻璃微珠粉末和環(huán)氧樹脂復合材料。

本發(fā)明的一種有源匹配的厚度模壓電空耦超聲換能器的優(yōu)點在于：

本發(fā)明提出的厚度模壓電空耦超聲換能器在傳統(tǒng)的聲阻抗匹配的基礎上，引入“有源”匹配層材料，設計附加激勵模塊對透射聲波進行“有源”放大，從而實現(xiàn)具有高靈敏度性能的壓電空耦換能器，該換能器可廣泛應用于對耦合劑敏感、不能直接接觸、要求快速掃查等非接觸超聲無損檢測領域中，其高靈敏度性能更能在非接觸式測厚或者測量高衰減材料方面具有明顯優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種有源匹配的厚度模壓電空耦超聲換能器結構示意圖。

圖2為本發(fā)明中采用1-3型復合材料制成的壓電片結構側視圖。

圖3為本發(fā)明中采用1-3型復合材料制成的壓電片結構俯視圖。

附圖標記

1、壓電片 2、第一匹配層 3、第二匹配層

4、換能器外殼 5、第一接頭 6、第二接頭

7、壓電柱 8、環(huán)氧樹脂

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明所述的一種有源匹配的厚度模壓電空耦超聲換能器進行詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種有源匹配的厚度模壓電空耦超聲換能器，包括：壓電片1、第一匹配層2、第二匹配層3、換能器外殼4、第一接頭5和第二接頭6；所述的壓電片1、第一匹配層2、第二匹配層3沿超聲波信號發(fā)射方向依次排列于換能器外殼4內(nèi)，所述壓電片1和第二匹配層3通過其兩側設置的電極所引出的導線分別連通第一接頭5和第二接頭6，所述的第一接頭5和第二接頭6均固定于換能器外殼4末端，且外接超聲波電源；所述的第一匹配層2為具有低聲阻抗的微孔發(fā)泡材料制成的圓形片狀結構，優(yōu)選采用空心玻璃微珠粉末和環(huán)氧樹脂復合材料，所述的第二匹配層3是有源匹配層，采用極化過的多孔PVDF薄膜制成的圓形片狀結構，所述第一匹配層2和第二匹配層3的直徑與壓電片1相同，合理選擇其直徑d，使厚度振動模式和其他振動模式在超聲波信號中心頻率上區(qū)分開。

壓電空耦超聲換能器作為一種非接觸式檢測技術的核心部件，具有重要和廣泛的應用前景，但其本身壓電片和空氣的聲阻抗嚴重失匹，影響了檢測靈敏度。僅靠低聲阻抗材料進行匹配的方法在一定程度上解決了聲波透射問題，在此基礎上，采用“有源”匹配的方式，用具有壓電性的低聲阻材料做匹配層，設計附加激勵模塊對透射聲波進行“有源”放大，從而實現(xiàn)具有高靈敏度性能的壓電空耦換能器。

有源匹配的核心思想是：使用具有壓電性的特殊材料制作匹配層，其聲阻抗既滿足阻抗匹配的要求，能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)的“增透”聲波的作用，同時利用其壓電性，在接入電壓源進行激勵后，能夠提供一部分可疊加的聲能，實現(xiàn)對聲波能量進行補償放大的作用，從而大大提高厚度模壓電空耦超聲換能器的靈敏度。

使用機電類比的方法進行有源匹配的操作過程為：

首先建立壓電片1、第一匹配層2、第二匹配層3的等效電路模型，其中壓電片1和第二匹配層3使用梅森等效電路模型建模，第一匹配層2使用聲學傳輸線模型建模。當壓電片1兩端加信號源Vs，第二匹配層3兩端不加激勵源Vex時，第二匹配層3起到的作用類似傳統(tǒng)匹配層的功能，此時計算得到換能器表面的輸出聲壓P₁＝H₁(Vs)；當壓電片1兩端不加信號源Vs，第二匹配層3兩端加激勵源Vex時，壓電片1和第一匹配層2起到的作用類似背襯，此時計算得到換能器表面的輸出聲壓P₂＝H₂(Vex)，換能器表面的實際輸出聲壓P可以看作P₁和P₂的疊加。通過任意信號發(fā)生器，合理設計激勵源Vex的形狀、頻率和相位，使激勵源Vex輸出的電信號經(jīng)轉換生成的聲壓P₂可以和聲壓P₁同相疊加，從而起到提高靈敏度的作用。

采用機電類比的分析方法，分別建立常規(guī)匹配層和有源激勵匹配層換能器的梅森等效電路，通過優(yōu)化設計附加電路的電學輸入端元件，對附加激勵源延遲、相位、頻率等參數(shù)進行控制，保證附加激勵源在壓電性匹配層(第二匹配層3)上產(chǎn)生的聲波信號與換能器本身晶片(壓電片1)產(chǎn)生的聲波信號的正相疊加，使總輸出端與力學端輸入成正比，從而達到在完成常規(guī)聲阻抗匹配的同時，對總的輸出聲波進行疊加“放大”的目的，實現(xiàn)換能器輻射聲波能量的大幅提升。

下面給出一個中心頻率為700kHz的有源匹配空氣耦合超聲壓電換能器的例子：

所述空氣耦合超聲壓電換能器的壓電片為1-3型復合材料制成，其厚度為2mm，直徑為30mm。壓電片厚度取超聲波信號中心頻率對應的二分之一波長，按照公式h_p＝C/2f_r計算，其中，h_p表示壓電片的厚度，C表示壓電片的縱波聲速，f_r表示超聲波信號的中心頻率。

壓電片直徑的選擇需要考慮到對徑向模式的抑制，應當保證徑向模式和厚度振動模式不互相干擾，表現(xiàn)為在頻譜上二者的基頻中心頻率及中心頻率附近的-6dB帶寬范圍沒有重合的部分。

如圖2、3所示，1-3型復合材料壓電片由均勻排列的壓電柱7和環(huán)氧樹脂8填充構成。壓電相在厚度方向連通，環(huán)氧樹脂相在x、y、z三個方向全部連通。由W A Smith的分析方法，改變壓電陶瓷柱的體積分數(shù)，可以調整1-3型復合材料的密度和聲速。

第一匹配層為空心玻璃微珠/環(huán)氧樹脂復合材料，其厚度為1mm。第一匹配層厚度取超聲波信號中心頻率對應的四分之一波長，按照公式h₁＝C/4f_r計算，其中，h₁表示第一匹配層的厚度，C表示壓電片的縱波聲速，f_r表示超聲波信號的中心頻率。

第一匹配層的最優(yōu)選聲阻為0.3MRayl，按照公式計算，其中，Z₁表示第一匹配層的聲阻，Z_p表示壓電片的聲阻，Z_a表示空氣的聲阻。而在實際情況中，由于恰好滿足此最優(yōu)選聲阻條件的材料不一定存在，可以適當放寬范圍至0.3-1MRayl。

第二匹配層為極化的多孔PVDF薄膜，作為有源匹配層，其厚度為100μm。該有源匹配層的厚度同樣取超聲波信號中心頻率對應的四分之一波長，按照公式h₂＝C/4f_r計算，其中，h₂表示第二匹配層的厚度，C表示壓電片的縱波聲速，f_r表示超聲波信號的中心頻率。

第二匹配層的最優(yōu)選聲阻為0.01MRayl，按照公式計算，其中，Z₂表示第二匹配層的聲阻，Z_p表示壓電片的聲阻，Z_a表示空氣的聲阻。而在實際情況中，由于恰好滿足此最優(yōu)選聲阻條件的材料不一定存在，可以適當放寬范圍至0.01MRayl-0.1MRayl。

所述換能器外殼的材料不限，可為金屬或者塑料材質，優(yōu)選不銹鋼外殼，外觀好，且容易實現(xiàn)共地。

第一接頭5和第二接頭6可分別連接較為通用的Q9或者SMB類型接插件，二者可共地，內(nèi)芯分別接壓電片和有源匹配層的正極。

壓電片兩端鍍銅電極并引出導線，連接第一接頭5，外接頻率為700kHz的脈沖串作為信號源Vs。有源匹配層兩端鍍銅電極并引出導線，連接第二接頭6，外接使用任意信號發(fā)生器配合線性運算放大器生成的激勵源Vex。

當換能器工作在常規(guī)匹配模式下時，第一接頭5外接中心頻率為700kHz脈沖串或者尖脈沖作為信號源Vs，此時壓電片1產(chǎn)生的超聲波穿過雙層匹配層之后透射到空氣中，靈敏度遠遠高于直接由壓電片1向空氣中輻射超聲波的情況。

當換能器工作在有源匹配模式下時，第一接頭5外接中心頻率為700kHz脈沖串或者尖脈沖作為信號源Vs，第二接頭6外接使用任意信號發(fā)生器配合線性運算放大器生成的激勵源Vex，合理設計激勵源Vex的形狀、頻率和相位，使壓電片1產(chǎn)生的超聲波透射到有源匹配層之后，能夠與激勵源Vex作用在有源匹配層上產(chǎn)生的超聲波同相疊加，從而獲得比常規(guī)匹配模式下更高的靈敏度效果。

最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。