高強度螺栓聲速檢測的壓電換能器研究應用設計

肖嘉偉

摘要：為了建立快速簡單的高強度螺栓應力檢測技術，本文從超聲波傳播理論出發，建立無應力下螺栓聲速關系，研究了壓電換能器設計理論，設計選擇出了適合檢測螺栓聲速的壓電換能器，并對整個系統進行了試驗設計和檢測。實驗結果表明：從改進壓電換能器出發能夠直接檢測螺栓聲速，并且保證了檢測精度要求，為超聲檢測螺栓應力提供了新思路和方法。

關鍵詞：超聲檢測;聲彈性;聲速檢測;壓電換能器

0 ?引言

螺栓，作為工業工程中最普遍連接件，廣泛應用于航空航天、核能化工、水利發電、儀器儀表、新能源等工業領域[1]，起連接零件、密封機械、強化結構等作用。可以說，螺栓連接了制造業的基礎環節，在實際工程應用中，螺栓上施加的應力是否在有效承受范圍內，直接影響了整個設備或者結構性能、壽命和安全可靠性。

目前，國內外的螺栓應力超聲檢測方法主要有兩種：單波法和橫縱波聯合檢測法[2]。兩種方法都屬于間接檢測方法，即測量渡越時間來檢測螺栓應力，渡越時間法的由于精度達到納秒級別，因此對設備精度要求非常高。聲速法測應力有學者已經提出[3]，但是由于無法直接檢測螺栓聲速，還是從檢測螺栓聲時出發得到理論結果。近年來，隨著超聲技術和理論的完善，檢測材料聲速的儀器在無損檢測領域日漸成熟，這使得直接檢測螺栓聲速有了現實的可能。本文將從固體聲學理論和聲彈性理論出發，建立無應力下的螺栓聲速關系，然后考慮溫度的影響對其進行修正。在理論上對壓電換能器設計進行研究和分析，然后結合被測高強度螺栓的尺寸參數，設計出適合檢測高強度螺栓聲速的壓電換能器，并且通過實驗進行驗證。

1 ?螺栓應力壓電換能器設計理論研究

根據固體中的聲波方程，考慮標量勢和矢量勢的分離，可以得到簡化的兩類平面波的聲波傳播速度公式[4]：

式中：CL代表固體中的縱波傳播速度，CT代表橫波傳播速度，λ和μ為各項同性的Lame常數，ρ為材料密度。從式（1）和式（2）可以看出，縱波聲速約為橫波的兩倍。

在無應力情況下，聲彈性理論與固體聲傳播理論相一致，且與之相關的是固體材料的Lame常數，對于各項同性固體來說，完全可以用楊氏模量E和泊松比ν表征其彈性性質：

根據溫度對聲速的影響，我們可以根據公式進行修正，推導應力與超聲波速的關系，最終完成對螺栓應力的超聲檢測。可以發現，超聲波的傳播速度是螺栓應力的檢測的核心因素，若能直接檢測聲速對應力檢測是一種非常方便快捷的方法，而壓電換能器是檢測聲速的最基本最重要的器件。

壓電換能器是將電、聲波信號相互轉換的器件，其種類繁多且性能各異，其本質上是一個超聲頻電子振蕩器，其原理是利用壓電晶片的壓電效應完成高頻電能向機械能的轉化，一般由壓電晶片、阻尼塊、接頭、電纜線、保護膜和外殼組成[5]，對壓電換能器的設計核心問題就是對壓電晶片的進行聲學特性分析。基于壓電效應，壓電晶片產生聲波，聲波源附近軸線上最后一個聲壓極大值致波源的距離為近場區長度N：

2 ?實驗研究

2.1 實驗硬件設計

實驗螺栓為M36X200的偏航制動器高強度螺栓，根據超聲檢測要求，需要對螺栓檢測面進行加工處理，考慮到螺帽作為入射面，在機床或者車床上不方便加工，因此采用拋光機打磨，保證入射面粗糙度小于Ra3.2，最終螺栓長度為225.56mm。彈性模量為210MPa，屈服強度大于800MPa。

根據螺栓尺寸參數及理論分析結果，設計選擇了三種不同規格尺寸的壓電換能器，換能器具體參數如表1。

雙晶探頭有兩塊壓電晶片，發射和接受壓電晶片是獨立的，而單晶探頭只有一塊壓電晶片，同時充當發射和接受功能，匹配層材料均選用環氧樹脂，保證檢測精度和耐磨性所有換能器阻尼50ohm，激勵信號源選用高斯連續脈沖信號。

超聲發射接收顯示儀采用Doppler Anyscan36，該設備顯示的是超聲波的全波，并且進行了基本的降噪濾波處理，保證了實驗器材精度。設備儀器能夠通過對兩個已知聲程（S1和S2）和回波（B1和B2）的時間進行聲速和探頭零點計算。整個檢測環境位于恒溫實驗室中，保證檢測溫度在25C°。

2.2 實驗結果分析

通過數據采集卡將采集的信號保存，并在PC端分析，三個探頭的回波信號圖如圖1所示。

在圖1（a）中，采用的是雙晶探頭DA2.5P20，由于晶片發射和接受信號都是獨立的，相當于晶片面積縮小一半，此時增加了近場區的長度，同時由于半擴散角大于螺栓檢測角度，出現了側壁干涉現象，這無疑會增大檢測難度和降低精度。在圖1（b）中，采用單晶探頭N2.5P20，由于超聲信號的接受和發射都是統一的，因此晶片尺寸為實際尺寸，從回波信號圖可以發現，側壁干涉現象大大減小，但是由于頻率不高還是存在一些抗信號干擾不強的問題，因此在保證衰減系數滿足檢測條件的情況下，提高頻率的同時提高晶片尺寸，采用了單晶探頭N5P20，回波信號如圖1（c），可以發現此時信號在信號強度和抗干擾能力上都有所增加。

由于螺栓的聲速是一個常數，在已知聲程的情況下，檢測出聲時就能得到聲速。如果檢測聲速符合材料理論聲速范圍說明檢測的聲時在理論范圍內。對于聲速的檢測采用過零檢測法，檢測原理如圖2所示。

聲速波形選擇并不是從起始發射波0#到第一次回波1#，而采用第一次回波1#和第二次回波2#的聲時間隔，采用這種聲時間隔選擇不僅可以消除諸如電路帶來的系統誤差，同時也能大大減少超聲衰減帶來的檢測精度影響[72]。在選擇回波過零檢測邏輯門時，一般設置在1#和2#的中間位置，能夠有效避免回波前沿和后沿畸變造成的測量誤差，因此分別在1#和2#設置了邏輯門A和B，檢測儀器設備內設置了閘門線，只需把閘門線移動至邏輯門的位置，通過計算就能直接得到聲速值。為了保證可信度，檢測十次求平均值，實驗測得M36X200螺栓在N5P20單晶探頭檢測下聲速值為5919.6m/s，根據超聲無損檢測手冊[73]，鋼結構的縱波在5900～5950m/s之間，檢測結果符合理論范圍。

3 ?結論

本文通過超聲理論研究和壓電換能器結構優化，結合試驗數據觀察，設計研究出適合檢測螺栓聲速壓電換能器，同時發現了實際檢測中適合測量螺栓聲速的壓電換能器設計結構設計規律，且能夠保證精度要求。試驗結果表明，從硬件優化檢測螺栓聲速而結合理論去檢測螺栓應力這一方法是可行的。

參考文獻：

[1]姜招喜.緊固件檢驗手冊[M].北京：中國計量出版社，2010.

[2]徐春廣，李驍，潘勤學，等.螺栓拉應力超聲無損檢測方法[J].應用聲學，2014，33（2）：102-106.

[3]劉鎮清，華劍南，梁穗，王路.螺栓材料應力與聲速、溫度關系的測定[J].應用聲學，1997（05）：26-31.

[4]杜功煥，等.聲學基礎[M].南京大學出版社，2001.

[5]林書玉.超聲換能器的原理及其設計[M].北京：科學出版社，2004.