蘭姆波超聲換能器研制過程中相關問題的探討

徐敬崗

（常州工程職業技術學院，江蘇 常州 213164）

0 概述

從理論上講，蘭姆波的激發方式有板表面激勵和在板的一端激勵兩大類。工程檢測中往往采用前一類，因此本文中蘭姆波超聲換能器的制作以該類激發方式為例進行探討。超聲檢測中激發蘭姆波的換能器一般有兩種，一種是梳狀換能器，另一種是楔形換能器。梳狀換能器是由縱波換能器粘貼在一個梳狀結構上形成，讓梳狀結構的周期間隔等于欲激發蘭姆波的波長即可。還有類似表面波換能器的梳狀結構，它將金屬電極制成叉指狀，在電信號的激勵下，相臨的電極產生相反的振動，若將此結構粘貼在固體板表面，也可激發相應的蘭姆波模式。應當注意的是，此結構電極間距離等于欲激發蘭姆波波長的一半，即半個波長。楔形換能器由一縱波換能器貼在一個楔塊上構成，當發射的超聲波傳到楔塊與被測板交界處時，可在固體板中激發蘭姆波。此種類型的換能器實用性很強，應用范圍也比較廣，本課題中研制的蘭姆波換能器均為此類楔形換能器。

蘭姆波換能器研制的技術問題主要包括激勵角度的確定、斜楔材料的選用和晶片尺寸與形狀的選擇。

1 蘭姆波換能器的參數選擇

1．1 激勵角的確定

換能器的激發角度根據蘭姆波檢驗由模式來確定，具體做法是根據實際檢驗條件（頻率、板厚）所對應的該模式的相速度Cp和斜楔材料的縱波傳播速度Cl，利用下述斯涅爾（Snell）折射公式進行計算：

顯然，由于蘭姆波各模式的相速度是頻散的，因此在不同頻率點激發不同模式蘭姆波的入射角都是不同的。激發蘭姆波的激勵角變化范圍很大，在具體工作中要仔細分析，根據被測件相速度頻散曲線與斜楔材料縱波聲速可算出激勵角。入射角應選擇在相速度曲線上相速度變化不太大的部位，這是由于被檢板材的厚度都有一定的公差，探頭的入射角也會有誤差或因磨損而造成入射角的改變。如果選在曲線很陡的部位，則f d的少量變化或入射角的少量改變就可能破壞正常的相位關系，從而造成靈敏度的急劇下降，但也不宜選擇曲線上太平緩的部位，在此部位許多模式的曲線很靠近，容易產生波形混雜。

準確的入射角度是激發蘭姆波的必要條件，探頭入射角精確，不僅可以避免蘭姆波模數激勵與識別的錯誤，而且可以提高蘭姆波的能量。有時激發蘭姆波的入射角需要很大，無損檢測工作中大的入射角容易激發出表面波，但這只是對半無限空間而言的。若板材較薄（相對于入射超聲波波長），則板中一般以蘭姆波為主。需指出的是，在實際工作中斜楔的角度嚴格按理論公式設置可以得到能量相對較大（或較純）的所需模式，其他模式蘭姆波同樣可能被激發，只是能量會相對小些。

1．2 斜楔材料的選用

若以最常用的Cl=2730m/s的有機玻璃作為換能器斜楔材料，則對于橫波速度小于3000m/s的材料（包括某些鋼板在內），在頻厚積取值較低（f d＜=3MHz·mm）條件下，A0模的相速度Cp小于斜楔材料的縱波Cl，從而無法激勵產生A0模。因此，需要尋找聲速低、聲衰減小且在金屬薄板界面上聲透射率較大的材料制作換能器斜楔。通過實驗比較，聲速分別為2350m/s和1900m/s的聚楓和聚乙烯材料可滿足上述要求。本課題中選用了聲速為2350m/s的聚楓作為蘭姆波換能器的斜楔材料。

1．3 晶片尺寸與形狀的選擇

壓電晶片是換能器的核心元件，它的作用是發射和接收超聲波。晶片由壓電單晶體按一定方式和方向切割而成或由壓電陶瓷經極化制成。晶片尺寸選取,應能滿足一次波有足夠的探傷靈敏度,以使小缺陷不至于漏檢,所以晶片尺寸的選取要恰到好處。經仔細斟酌,本課題中選取了尺寸為20×20（mm）規格的PZT（鋯鈦酸鉛）壓電陶瓷晶片作為蘭姆波換能器的壓電晶片。

2 總結

蘭姆波超聲換能器的制作具有一定的針對性，對于不同材質、不同型號的金屬薄板，其相應蘭姆波超聲換能器的技術參數都會有所不同，應根據具體情況正確選擇。

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［2］劉鎮清．無損檢測中的超聲蘭姆波[J]．無損檢測,1999,21(9)：409-423．

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