一種環(huán)形超聲陣列換能器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種環(huán)形超聲陣列換能器，包括外殼以及設(shè)于外殼內(nèi)的環(huán)形壓電晶體陣列和聲阻匹配層；環(huán)形壓電晶體陣列由多個同心的環(huán)形壓電晶體按照規(guī)定的間距排列組成；環(huán)形壓電晶體的上、下表面分別連接有電極，連接電極的環(huán)形壓電晶體即為振元；朝向混凝土檢測面的電極設(shè)于聲阻匹配層上，背向混凝土檢測面的電極與外殼之間設(shè)有墊襯吸聲層。本實用新型環(huán)形超聲陣列換能器克服了單振元系統(tǒng)橫向分辨率不足，采用振元數(shù)較少的環(huán)形陣列換能器形成高分辨率的聚焦聲場，對預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量高橫向分辨率的探測和識別，提高檢測信噪聲比和靈敏度。
【專利說明】一種環(huán)形超聲陣列換能器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于超聲無損檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種環(huán)形超聲陣列換能器。

【背景技術(shù)】
[0002] 在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量直接影響整體結(jié)構(gòu)的承載能力和耐 久性，對管道壓漿質(zhì)量地有效檢測是工程人員普遍關(guān)心的一個問題。采用超聲波法檢測預(yù) 應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量與檢測混凝土內(nèi)部缺陷的基本原理相同，利用超聲透射法或超聲回波法 獲得超聲波在混凝土中傳播的特性參數(shù)，如聲速、波幅、頻率，通過這些參數(shù)的變化來判斷 混凝土的質(zhì)量。
[0003] 混凝土是由水泥、沙、粗骨料組成的混合材料，超聲波在混凝土中傳播時，聲束被 反射、散射及吸收，超聲波能量衰減大、穿透深度小，且隨著頻率的提高呈指數(shù)衰減。傳統(tǒng)的 超聲波無損檢測裝置一般采用單振元換能器，選擇較低的工作頻率，此類裝置橫向分辨率 差，僅能檢測分米級的壓漿缺陷，而且缺陷定位較困難，存在一些不足。為了提高檢測橫向 分辨率，應(yīng)選擇頻率高、波束方向性好的高頻波。因此，在預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量檢測中，高的 橫向分辨率和大的探測深度形成了矛盾。
[0004] 于是人們考慮聲束聚焦技術(shù)，使換能器發(fā)射的超聲波束在一定范圍內(nèi)匯聚，由于 聲束匯聚，使其穿透力和回波增強，改善探測靈敏度，分辨率也得到提高。目前，通常采用相 控陣技術(shù)進(jìn)行電子聚焦。相控陣換能器主要有線性陣列、二維陣列以及環(huán)形相控陣列等。超 聲相控陣技術(shù)已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，而在混凝土檢測中應(yīng)用較少。
[0005] 環(huán)形相控陣列聲場完全軸對稱，有優(yōu)越的軸向聚焦能力。環(huán)形相控陣列可以在振 元數(shù)少于線陣和面陣換能器振元數(shù)的情況下形成高分辨率的聚焦聲場，降低由于通道數(shù)量 過多帶來的制作成本，同時簡化電路和控制系統(tǒng)。因此，可以將環(huán)形相控陣列換能器應(yīng)用于 預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量檢測中，提高檢測的分辨率及靈敏度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本實用新型提供了一種環(huán)形超聲陣列換能器，能 夠形成高分辨率的聚焦聲場對預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量高橫向分辨率的探測和識別，以提高檢 測信噪聲比和靈敏度。
[0007] -種環(huán)形超聲陣列換能器，包括外殼以及設(shè)于外殼內(nèi)的環(huán)形壓電晶體陣列和聲阻 匹配層；所述的環(huán)形壓電晶體陣列由多個（一般為4?8個）同心的環(huán)形壓電晶體按照規(guī) 定的間距排列組成；所述的環(huán)形壓電晶體的上、下表面分別連接有電極，連接電極的環(huán)形壓 電晶體即為振元；朝向混凝土檢測面的電極設(shè)于聲阻匹配層上，背向混凝土檢測面的電極 與外殼之間設(shè)有墊襯吸聲層。
[0008] 各振元接收外部設(shè)備提供的延時脈沖信號，并將該信號轉(zhuǎn)換成超聲波信號，產(chǎn)生 的超聲波信號入射混凝土，在預(yù)埋于混凝土內(nèi)的預(yù)應(yīng)力管道壓漿不飽滿位置處反射，形成 回波信號；各振元接收回波信號，并將回波信號轉(zhuǎn)換成電信號后輸出。
[0009] 所述的環(huán)形壓電晶體采用壓電陶瓷。
[0010] 所述的環(huán)形壓電晶體的厚度為A /2,所述的聲阻匹配層的厚度為A /4的奇數(shù)倍， 入為超聲波波長。
[0011] 所述的電極上焊接有導(dǎo)線，用于傳輸電信號。
[0012] 所述的墊襯吸聲層材料采用環(huán)氧樹脂加鎢粉配合而成，或采用鐵氧體粉加橡膠粉 配合而成。
[0013] 所述的外殼用于固定換能器內(nèi)部元件并保護(hù)內(nèi)部元件，內(nèi)部元件與殼體之間要有 聲學(xué)隔離，可采用橡膠材料，防止外殼振動造成對信號干擾。
[0014] 為了減少換能器與外部設(shè)備連接的信號線，所述的振元連接有電子開關(guān)。
[0015] 在發(fā)射過程中，各振元按一定的時序受到激勵，使得各振元發(fā)射的超聲波信號疊 加形成一個新的波陣面，實現(xiàn)發(fā)射聚焦；在接收過程中，根據(jù)各振元所接收到的回波信號之 間存在的相位差，對各振元輸出的電信號進(jìn)行移相合成，實現(xiàn)接收聚焦。
[0016] 在發(fā)射過程中，通過改變延時脈沖信號的延遲時間配置，使得焦距隨延遲時間改 變而改變；在接收過程中，根據(jù)超聲回波的距離，對各振元輸出的電信號依次投入相應(yīng)的接 收延遲，實現(xiàn)動態(tài)聚焦。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)預(yù)應(yīng)力管道的埋置深度選擇焦距，無需更換 環(huán)形超聲陣列換能器。
[0017] 為了提高近場區(qū)橫向分辨率，采用變孔徑技術(shù)：在近場處投入較少的內(nèi)環(huán)振元，環(huán) 形超聲陣列換能器以較小的孔徑接收回波信號；在遠(yuǎn)場處適當(dāng)增加投入外環(huán)振元，環(huán)形超 聲陣列換能器以較大的孔徑接收回波信號。
[0018] 相對現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有以下有益技術(shù)效果：
[0019] (1)本實用新型環(huán)形超聲陣列換能器克服了單振元系統(tǒng)橫向分辨率不足，采用振 元數(shù)較少的環(huán)形陣列換能器形成高分辨率的聚焦聲場，對預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量高橫向分辨 率的探測和識別，提高檢測信噪聲比和靈敏度。
[0020] (2)本實用新型環(huán)形超聲陣列換能器形成聚集聲場，聲能集中，在混凝土中傳播距 離遠(yuǎn)，從而增加了檢測深度范圍。
[0021] (3)本實用新型環(huán)形超聲陣列換能器通過控制時延，能實現(xiàn)聲場動態(tài)聚焦，焦點可 根據(jù)實際中預(yù)應(yīng)力管道的埋深進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，無需更換換能器。
[0022] (4)本實用新型環(huán)形超聲陣列換能器結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)成本低，與傳統(tǒng)單振元換能器 檢測裝置成本相當(dāng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為本實用新型環(huán)形超聲陣列換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖2為本實用新型環(huán)形壓電晶體陣列的橫截面圖。
[0025] 圖3為本實用新型環(huán)形超聲陣列式換能器的聚焦示意圖。
[0026] 圖4為本實用新型環(huán)形超聲陣列式換能器的動態(tài)聚焦示意圖。
[0027] 圖5為本實用新型環(huán)形超聲陣列式換能器變孔徑接收回波信號的示意圖。

【具體實施方式】
[0028] 為了更為具體地描述本實用新型，下面結(jié)合附圖及【具體實施方式】對本實用新型的 技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0029] 圖1是環(huán)形超聲陣列換能器的構(gòu)造圖，其主要由環(huán)形壓電晶體陣列1、聲阻匹配層 2、電極3、墊襯吸聲層4、導(dǎo)線5和外殼6組成。
[0030] 本實施方式中環(huán)形壓電晶體陣列由4個相互獨立同心環(huán)形壓電晶體按照規(guī)定的 間距排列，壓電晶體是復(fù)合材料，一般采用壓電陶瓷材料，用于將電脈沖轉(zhuǎn)換成超聲頻率的 機械振動，以及接收回波的機械振動轉(zhuǎn)換成電信號，壓電晶體的厚度取超聲波長A的1/2。
[0031] 各壓電晶體的上、下表面分別連接正負(fù)電極，連接正負(fù)電極的壓電晶體稱為環(huán)形 振元，是構(gòu)成超聲換能器的基本元件。
[0032] 壓電振元前端，即朝向混凝土檢測面?zhèn)仍O(shè)有聲阻匹配層，應(yīng)該選擇絕緣、衰減系數(shù) 低并且耐磨的材料。其作用一方面用于保護(hù)壓電振元不被磨損；另一方面，使超聲波束能量 盡可能多的透射進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)。聲阻匹配層的幾何尺寸和聲阻抗必須滿足匹配條件，厚 度取1/4超聲波長的奇數(shù)倍，其聲阻抗Z2滿足下式：

【權(quán)利要求】
1. 一種環(huán)形超聲陣列換能器，其特征在于：包括外殼以及設(shè)于外殼內(nèi)的環(huán)形壓電晶體 陣列和聲阻匹配層；所述的環(huán)形壓電晶體陣列由多個同心的環(huán)形壓電晶體按照規(guī)定的間距 排列組成；所述的環(huán)形壓電晶體的上、下表面分別連接有電極，連接電極的環(huán)形壓電晶體即 為振元；朝向混凝土檢測面的電極設(shè)于聲阻匹配層上，背向混凝土檢測面的電極與外殼之 間設(shè)有墊襯吸聲層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形超聲陣列換能器，其特征在于：所述的環(huán)形壓電晶體采 用壓電陶瓷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形超聲陣列換能器，其特征在于：所述的環(huán)形壓電晶體的 厚度為λ/2,所述的聲阻匹配層的厚度為λ/4的奇數(shù)倍，λ為超聲波波長。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形超聲陣列換能器，其特征在于：所述的電極上焊接有導(dǎo) 線。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)形超聲陣列換能器，其特征在于：所述的振元連接有電子 開關(guān)。
【文檔編號】G01N29/04GK204044114SQ201420392198
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】程建旗, 雷波, 祝立君 申請人:浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院