多基元聚焦空氣耦合超聲換能器?

王曉彧 吳浩東 公 勛 李聰聰 張曉東 章 德

(1南京大學 近代聲學教育部重點實驗室 南京 210093)

(2蘇州科技大學 蘇州 215009)

0 引言

超聲無損檢測技術是指在不損壞待測物體的前提下，利用超聲技術實現對待測物體的表面及內部結構異常或者缺陷進行檢測和評估的一類檢測手段，此技術已經廣泛應用到各個工業領域中[1?2]。在傳統的接觸式超聲無損檢測應用中，在超聲換能器與待測物體之間需要添加耦合劑(通常為水或者硅油等材料)以使超聲波能夠傳入待測物體。而對于某些特殊的場合，耦合劑的使用會對待測物體造成污染或者損壞，如對藥品、食品、復合材料、多孔材料的檢測等[3?4]。因此，亟需尋找新的解決方案來實現對此類材料的無損檢測和評估。目前，主流的非接觸式超聲無損檢測技術主要有電磁超聲無損檢測技術[5]、激光超聲無損檢測技術[6]和空氣耦合超聲無損檢測技術[7?8]。其中電磁超聲無損檢測技術只能應用于對金屬材料的檢測，并且電磁超聲換能器的轉換效率比較低。激光超聲無損檢測技術的應用比較靈活，但是高能量的激光束可能會對材料表面造成傷害，并且設備昂貴[9]。

空氣耦合超聲無損檢測技術是一種以空氣為傳輸媒質的新型超聲無損檢測技術，避免了接觸式超聲無損檢測技術中耦合劑對待測物體帶來的污染和破壞，具有完全無接觸、無侵入和無損害的優勢[10]。同時由于空氣中的聲速遠小于不銹鋼、鋁等金屬或者水等其他材料中的聲速，因此在相同的工作頻率下，超聲波在空氣中具有更短的波長，這使得應用空氣耦合超聲無損檢測技術進行材料表面缺陷檢測時具有更高的精度。空氣耦合超聲無損檢測技術在應用中最大的限制因素是由于空氣耦合超聲換能器壓電材料與空氣之間聲阻抗的巨大差異而導致的超聲換能器靈敏度比較低這一問題[11]。以鋯鈦酸鉛壓電陶瓷為例，其聲阻抗約為30 MRayl，而空氣的聲阻抗大約是425 Rayl，兩者相差約70000倍。這會導致由壓電陶瓷激發出的超聲波只有極小部分可以透過壓電陶瓷/空氣界面從而輻射進入到空氣中。同時，由于材料間聲阻抗的巨大差異使得很難尋找到合適的匹配材料來按照傳統的接觸式超聲換能器匹配層的優化方法采用一層匹配層來實現壓電陶瓷材料與空氣之間聲阻抗的匹配。因此，在空氣耦合超聲換能器的優化設計中需要尋找低聲阻抗的壓電材料及使用多層匹配技術。

為了提高空氣耦合超聲換能器的靈敏度，本文選用1-3型壓電復合材料及雙匹配層結構來實現空氣耦合超聲換能器壓電材料與空氣之間聲阻抗的匹配。同時，在此基礎上制作了440 kHz多基元聚焦空氣耦合超聲換能器，并對其聲場分布特性和性能進行了評估測試。利用制作的聚焦空氣耦合超聲換能器進行了材料表面缺陷檢測，實驗結果表明利用該多基元聚焦空氣耦合超聲換能器可以有效地檢測材料表面缺陷。

1 多基元聚焦空氣耦合超聲換能器制備

圖1為本文選用的1-3型壓電復合材料及匹配材料。其中1-3型壓電復合材料的壓電陶瓷體積分數為64%， 壓電陶瓷柱尺寸為1.6 mm×1.6 mm×3.2 mm，如圖1(a)所示；匹配層1材料是一種輕質、堅硬的高分子聚合物，這種材料是在實驗室中利用環氧樹脂和其他低密度固體材料(空心玻璃微珠)自行研制的，如圖1(b)所示；匹配層2材料是采購的低密度多孔材料，如圖1(c)所示。

1-3型壓電復合材料及匹配材料的物理參數如表1所示。

圖1 1-3型壓電復合材料及匹配材料樣品Fig.1 Samples of 1-3 type piezoelectric composite and matching layers

表1 1-3型壓電復合材料及匹配材料的物理參數Table 1 Physical parameters of 1-3 type piezoelectric composite and matching layers

相比于平板型超聲換能器，雖然聚焦型超聲換能器加工工藝復雜，但是聚焦型超聲換能器具有聚焦特性，在應用中可以提高檢測精度[12]。圖2為文中研發的440 kHz多基元聚焦空氣耦合超聲換能器實物圖。圓形壓電振子圍繞球殼的中心均勻放置在凹面，每個圓形壓電振子的軸線方向均指向球殼的中心點。其中，1-3型壓電復合材料、匹配層1和匹配層2的厚度分別為3.20 mm、1.24 mm、0.50 mm；半徑分別為4 mm、4 mm、4.5 mm。球殼的曲率半徑為50 mm，球殼橫截面半徑為14 mm，壓電振子基元數為6。與傳統的采用球面壓電陶瓷及球面匹配層的聚焦結構相比，該聚焦結構具有以下三點優勢：首先，在相同的工作頻率及球殼曲率半徑時，多基元聚焦結構中的單個壓電振子尺寸要小于上述兩種聚焦結構中壓電振子的尺寸，這將大大降低制備壓電振子的工藝難度。其次，該球殼支撐結構易于加工制作，便于獲得大的曲率半徑及大的橫截面直徑。對于尺寸固定的單個壓電振子，大的曲率半徑及大的橫截面直徑使得壓電振子上各點激發出的超聲波在到達聚焦位置時，具有比較小的相位差，這有利于獲得較好的聚焦效果。最后，由于單個壓電振子尺寸比較小，因此所需要的匹配材料尺寸也較小，并且易于粘接，粘接層可以做到很薄，有助于提高超聲換能器的一致性和成品率。

圖2 多基元聚焦空氣耦合超聲換能器Fig.2 The multi-element focused air-coupled ultrasonic transducer

2 多基元聚焦空氣耦合超聲換能器性能理論分析

根據超聲波的疊加原理，聲場空間中任意一點的聲壓可以視為每個壓電振子激發的超聲波在該點處產生的聲壓的疊加。因此，對于圖2(a)中的多基元聚焦空氣耦合超聲換能器，各個壓電振子在空間任意一點R處產生的總聲壓Ptotal可以表示為

其中，Pi為單個壓電振子在空間中任意一點R處產生的聲壓，n為多基元聚焦空氣耦合超聲換能器中壓電振子的個數。單個壓電振子在空間中任意一點R處產生的聲壓Pi可以利用圓形活塞輻射公式計算獲得[13]，表示為

其中，f為超聲換能器工作頻率，a為單個壓電振子半徑，ρ為空氣的密度，u為壓電振子表面振速幅值，k為波矢，J1為一階貝塞爾函數，|d|為壓電振子表面任意一點與R處的距離，α為壓電振子表面任意一點與R點的連線與該壓電振子法線方向之間的夾角。利用公式(1)和公式(2)可以計算獲得多基元超聲換能器的聲場分布從而獲得聚焦特性參數，如表2所示。

表2 聚焦特性數值計算結果Table 2 Numerical results of focusing characteristics(單位:mm)

3 多基元聚焦空氣耦合超聲換能器測試

文中利用蘇州博昇科技有限公司自行研發的迷你型空氣耦合超聲檢測設備(型號：PR-ACUT-100)對制作的440 kHz多基元聚焦空氣耦合超聲換能器的聲場分布特性進行了測試。其中，接收超聲換能器由多基元聚焦空氣耦合超聲換能器中單個壓電振子制作而成。為了避免或者減小積分效應，降低測量誤差，提高測量的精確度，通常要求超聲換能器的接收孔徑小于待測超聲換能器工作頻率相對應的一個波長(對于工作頻率為440 kHz的多基元聚焦空氣耦合超聲換能器，其在空氣中的波長約為0.8 mm)。但是小的孔徑不容易加工制作，并且太小的接收孔徑會導致在測量空氣耦合超聲換能器聲場分布特性過程中，接收信號容易受到測試環境因素影響，使整體信噪比降低。對于較大發射孔徑的空氣耦合超聲換能器聲場分布特性測試而言，選取1～2 mm的接收孔徑可以獲得較高的信噪比，其積分效應可以接受，滿足聲場分布特性的測量要求[14]。因此，本文采用1 mm的接收孔徑。聲場分布特性實驗裝置如圖3所示。

圖3 聲場分布特性實驗示意圖Fig.3 Schematic diagram of spatial distribution of acoustic field

測試過程中，發射信號為200 V的方波，前置放大器增益為40 dB，激勵脈沖周期數為2，掃描步進間距為0.1 mm，掃描速度為60 mm/s，聲信號的采樣頻率為5 MHz。測試結果如圖4所示。

從圖4(a)中可以看到一個清晰的焦斑，并且在偏離焦斑位置后聲壓迅速下降。焦斑附近的旁瓣是由六個壓電振子形成的。圖4(b)中，各壓電振子激發出的超聲波沿著各自的法線方向傳播，在多基元聚焦空氣耦合超聲換能器的焦點位置附近開始匯聚，形成了明顯的焦斑，在焦點處聲壓達到最大值，并在一定范圍內保持超聲波的匯聚狀態；伴隨著超聲波繼續向前傳播，超聲波開始擴散，聲壓逐漸降低，焦斑逐漸消失。提取的有關聚焦參數見表3。對比表2和表3，多基元聚焦空氣耦合超聲換能器焦距、焦寬及焦深的測試結果與仿真結果非常接近，這表明測試結果非常符合理論預期和數值仿真結果。

文中對440 kHz多基元聚焦空氣耦合超聲換能器的靈敏度及帶寬也進行了測試評估。所用信號源為RIGOL DG1022Z，示波器為Tek TDS3012C，實驗裝置示意圖如圖5所示。

圖4 多基元聚焦空氣耦合超聲換能器聲場分布特性測試結果Fig.4 Experimentally measured spatial distribution of acoustic field of the multi-element aircoupled focused air-coupled ultrasonic transducer

表3 多基元聚焦空氣耦合超聲換能器聚焦特性測試結果Table 3 Focusing characteristics of the multi-element focused air-coupled ultrasonic transducer(單位:mm)

圖5 性能評估實驗示意圖Fig.5 Schematic diagram of performance evaluation

參照美國The Ultran Group公司空氣耦合超聲換能器測試條件。在測試過程中，由信號源激發與多基元空氣耦合超聲換能器相同頻率的單個方波信號，在未使用功率放大器條件下測試反射信號，并利用示波器對反射信號進行FFT轉換獲取帶寬。發射信號電壓為8 Vpp。反射板為拋光的不銹鋼板，厚度為15 mm。調節多基元聚焦空氣耦合超聲換能器發射面與反射板之間空氣柱的長度等于聚焦空氣耦合超聲換能器的焦距。超聲換能器的靈敏度Sret及帶寬BW-6dB表示為

其中：Vr為超聲換能器接收到的脈沖回波信號電壓峰峰值，Ve為施加到超聲換能器的激勵電壓峰峰值；fH和fL分別對應為頻域中，最高峰值下降6 dB所對應的高頻點和低頻點。

測試結果如圖6所示，利用式(3)及式(4)可以計算其靈敏度Sret及帶寬BW-6dB分別為?50 dB和20.2%。

圖6 多基元聚焦空氣耦合超聲換能器靈敏度及帶寬測試結果Fig.6 Sensitivity and bandwidth of the multielement focused air-coupled ultrasonic transducer

4 表面缺陷檢測

文中利用440 kHz多基元聚焦空氣耦合超聲換能器采用C掃描方式對材料表面缺陷進行了檢測。所用設備與聲場分布特性測試設備相同。實驗所用人工缺陷試塊如圖7所示。試塊1材質為304不銹鋼，試塊表面有5種不同寬度的缺陷，所有缺陷具有相同的深度，均為3 mm。缺陷寬度從左往右依次增大，分別為0.8 mm、1 mm、1.2 mm、2 mm和4 mm。試塊2材質為鋁，試塊表面有5個不同深度的缺陷，所有缺陷具有相同的寬度，均為4 mm。缺陷深度從左往右依次增大，分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm和5 mm。

圖7 人工缺陷試塊Fig.7 Artificial defects test blocks

測試中，主機工作模式為自發自收。發射信號為100 V的方波，激勵脈沖周期數為2。前置放大器增益為40 dB，掃描步進間距為0.1 mm，掃描速度為30 mm/s，聲信號的采樣頻率為5 MHz。聚焦空氣耦合超聲換能器與試塊表面的距離為60 mm。測試結果如圖8所示。

圖8 人工缺陷試塊測試圖像Fig.8 Images of Artificial defects test blocks

C掃描測試結果可以更加直觀地反映試塊表面缺陷的狀況。觀察圖8(a)及圖8(b)，可以很容易確定不同缺陷的位置。其中，色柱表示信號幅值，單位為mV。從圖8(a)中可以清晰地辨別出五條缺陷，并且從左向右，可以清楚辨別出缺陷的寬度在逐漸變寬，這與試塊1表面缺陷的特征是相一致的。從圖8(b)中也可以清晰地辨別出五條缺陷，并且五條缺陷具有相同的寬度。同時，隨著缺陷深度的不斷增大，缺陷底部與超聲換能器發射面的距離也在增大，缺陷底部越來越偏離聚焦空氣耦合超聲換能器的焦斑位置，從缺陷底部反射回來的缺陷波信號逐漸變小，這與試塊2表面缺陷的特征也是一致的。

5 結論

作為精細檢測和精準定位的關鍵器件，空氣耦合超聲換能器已經廣泛應用于各個工業領域。本文以1-3型壓電復合材料及雙匹配層結構為基礎，制作了工作頻率為440 kHz的多基元聚焦空氣耦合超聲換能器，并對其聲場分布特性及性能進行了測試評估。測試結果表明該空氣耦合超聲換能器具有優良的性能。這為后續高頻率的空氣耦合超聲換能器的研發制作奠定了基礎。