壓電空氣耦合超聲換能器制備優化及實驗驗證

董方旭，周鑫翊，劉發付，凡麗梅，高華昀，竇占明，段 劍，姜勝林，張海波

(1.中國兵器工業集團第五三研究所，山東 濟南 250031；2.華中科技大學 材料科學與工程學院 材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；3.中國兵器工業集團第五二研究所，內蒙古 包頭 014000；4.中國振華集團云科電子有限公司，貴州 貴陽 550018；5.華中科技大學 光學與電子信息學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

超聲檢測作為一種無損檢測手段，利用超聲波對物體表面和內部缺陷進行檢測[1-2]。該技術在醫療、新能源、多孔材料、食品、航空航天等領域應用較廣[3-4]。傳統的超聲檢測技術需要在換能器和被測物體間涂覆耦合劑，耦合劑的存在可能對某些待測物體造成損傷和污染[5]。因此，一種以空氣為耦合介質的超聲無損檢測技術應運而生。該項技術利用空氣作為超聲波傳播的介質，擁有完全非接觸，非侵入的優點，適用于食品、藥品等不適合接觸式超聲無損檢測技術領域，應用前景廣闊[6]。

目前空氣耦合超聲換能器分為電容式與壓電式兩類[7]。壓電式由于造價低，性能穩定，已被廣泛應用。但壓電式空氣耦合超聲換能器由于壓電元件和空氣間存在嚴重的聲阻抗失配，無法實現超聲波能量的有效傳輸，降低了換能器的探測性能[8]。為了實現壓電元件與空氣聲阻抗匹配,常用的方法有制備1-3型壓電復合元件與在換能器前端添加匹配層。Smith等[9]基于Newnham的串并聯理論，構建1-3型壓電復合材料等效本構方程，推導出的1-3型壓電復合材料換能器在性能上具有獨特優勢。劉大康[10]制備的1-3型壓電復合陣列有效地降低了壓電陶瓷片的聲阻抗，厚度機電耦合系數kt增大，平面機電耦合系數kp減小。王曉彧等[4]使用空心玻璃微珠/環氧樹脂復合材料與微孔發泡材料制作空氣耦合壓電換能器用雙層匹配層，實現匹配層聲阻抗為0.03～1.40 MRayl，提升了換能器性能；Chao Zhong等[11]使用壓電復合材料和λ/4(λ為波長)匹配理論進行數值計算分析，得到匹配層的厚度為λ/4時，換能器擁有較寬的帶寬。

目前空氣耦合換能器匹配層制備通常是將空心玻璃微珠溶于具有一定流動性的樹脂中，并通過抽真空方式進行除泡，這種方法使固化后匹配層的密度較高且存在氣孔。因此，本文對匹配層制備工藝進行優化，采用手工擠壓方式制備匹配層，增大匹配層中空心玻璃微珠含量，有效地降低了匹配層密度，減少了匹配層中的氣孔。本文制備空氣耦合超聲換能器具體流程如下：使用COMSOL對空氣耦合超聲換能器進行了有限元分析，設計了工作頻率為400 kHz的空氣耦合超聲換能器，該頻率下，超聲波能較好地兼顧穿透性與成像分辨率，在無損檢測(如金屬探傷、鋰電池檢測等)領域有廣泛應用。選用較低粘度樹脂優化真空除泡工藝制備1-3型壓電復合元件，以及優化匹配層來實現壓電元件與空氣聲阻抗的調配。對發射信號與接收信號的時域測試結果進行分析。研究發現，自制空氣耦合超聲換能器的帶寬、靈敏度與插入損耗等指標優于部分商用產品，證明采用本文制備工藝制備的1-3型壓電復合元件和匹配層對空氣耦合超聲換能器聲阻抗有較理想的調配結果，且據此制備的空氣耦合換能器有較好的性能。

1 1-3型壓電復合超聲換能器的有限元分析

本文使用COMSOL軟件對空氣耦合超聲換能器進行了有限元分析，模擬了1-3型壓電復合元件中陶瓷相體積分數φ對壓電元件阻抗譜的影響。同時還模擬了壓電陶瓷柱寬高比與壓電元件特征頻率的關系。

圖1(a)、(c)分別為1-3型壓電復合元件的結構示意圖。

圖1 空氣耦合換能器的1-3型壓電復合元件的有限元模擬結果

由圖1(b)可知，隨著壓電陶瓷柱寬高比的降低，1-3型壓電復合元件特征頻率逐步下降，壓電陶瓷柱寬高比約為0.38時，1-3型壓電復合元件特征頻率為400 kHz。1-3型壓電復合元件的φ與阻抗關系如圖1(d)所示。當φ=0.7～0.9時，壓電元件所需工作頻率(400 kHz)處于壓電元件諧振與反諧振頻率之間，換能器在工作頻率擁有較好的性能。

基于模擬結論與加工設備的客觀條件，本文設計PZT-4制備1-3型壓電復合元件的φ=0.89，壓電陶瓷柱尺寸為2 mm ×2 mm ×5.2 mm(壓電陶瓷柱寬高比為0.385)，其在400 kHz的工作頻率擁有較好的性能。

2 空氣耦合超聲換能器的制備

本文按照有限元模擬所設計陣列尺寸對陶瓷片進行切割，根據設計尺寸制備的1-3型壓電復合元件如圖2(a)、(b)所示。將低粘型環氧樹脂與固化劑按質量比4∶1混合，攪拌均勻，在55 ℃真空環境下保持12 h,使其固化，得到無氣泡的1-3型壓電復合元件。

圖2 1-3型壓電復合元件、匹配層及換能器實物圖

本文選擇常用的環氧樹脂+空心玻璃微珠制備匹配層。先將環氧樹脂與固化劑混合均勻(質量比4∶1)，再加入一定體積分數的空心玻璃攪拌均勻，最后采用真空與超聲方式除泡。該方法需要固化前的匹配層有一定流動性，難以使空心玻璃微珠在樹脂中達到溶解極限,使匹配層的密度最小，進一步降低匹配層的聲阻抗。因此，本文將環氧樹脂∶固化劑∶空心玻璃微珠按質量比4∶1∶5進行配置，并使空心玻璃微珠在環氧樹脂中達到溶解極限，手工擠壓溶解玻璃微珠的樹脂以去除樹脂中的氣孔。最后將樹脂壓入硅膠模具中固化形成匹配層。對兩種方法制備的匹配層材料進行分析，其密度、聲速與聲阻抗如表1所示。由表可看出，改進工藝制備的匹配層聲阻抗降低，能更好地調配壓電元件與空氣的聲阻抗差異，提升換能器性能。

表1 匹配層材料物理參數表

匹配層厚度根據λ/4經典理論進行設計，匹配層的實物如圖2(c)、(d)所示。此外，本文為獲得較好的靈敏度，選用空氣作為換能器背襯，圖2(e)為封裝好的空氣耦合超聲換能器實物。

3 實驗結果與討論

3.1 1-3型壓電復合元件性能

本文對壓電陶瓷切割前及與環氧樹脂復合再次極化后的壓電常數(d33)和阻抗進行測試分析。d33測試結果如圖3(a)所示。由圖可知，PZT-4壓電陶瓷復合再次極化后的壓電常數相比壓電陶瓷切割前有小幅降低，復合后壓電元件的壓電常數改變，可能是由于極化工藝不同導致。對PZT-4壓電陶瓷復合前后的阻抗進行測試，阻抗結果如圖3(b)、(c)所示。由圖可知，經1-3型復合后的壓電陶瓷的諧振與反諧振峰明顯減少，表明樹脂能有效地抑制1-3型壓電復合元件除厚度振動模態的其他振動模態，使厚度振動更純粹。

圖3 壓電陶瓷切割前與壓電陶瓷1-3型復合后d33與阻抗圖

對比圖3(b)、(c)觀察到對壓電陶瓷進行1-3型復合，使其壓電元件帶寬增加。由圖3(c)還可看出，換能器所需工作頻率(400 kHz)處于壓電元件諧振與反諧振頻率之間能得到較好的發射與接收性能，壓電元件設計符合要求。

3.2 空氣耦合常數換能器的測試

本文使用空氣耦合超聲檢測儀(PRACUT-111)對制備的換能器進行測試，測試裝置如圖4所示。測試中，首先使用商用400K 28N-T(R)作為發射與接收換能器，并對信號進行增益，在發射頻率400 kHz、激發電壓20 V下測試得到接受信號的時域圖，如圖5(a)所示。再使用自制的PZT-4空氣耦合超聲換能器作為接收換能器，用商用的400K 28N-T(R)作為發射換能器，對信號相同增益，測試頻率400 kHz、激發電壓10 V時得到自制換能器的接收時域圖，如圖5(b)所示。對兩時域圖進行分析確定了自制換能器性能效果。最后，使用信號發生器(RIGOL DG5102)與示波器(Agilent MSO-X 3034A)在無增益情況下測試自制換能器的靈敏度(SNS)或雙程插入損耗。

圖4 空氣耦合超聲換能器測試系統

圖5 空氣耦合超聲換能器時域圖

圖5中商用換能器信號采集時域范圍為0～0.8 μs，自制的PZT-4換能器信號采集時域范圍為0～0.3 μs，兩種換能器都在信號采集時域范圍0.1～0.15 μs區間接收到回波信號。自制換能器接收信號時域范圍約為0.035 μs，相較于商用換能器0.05 μs更窄，表明自制換能器擁有更寬的帶寬(BW)。由圖5還可看出，自制換能器的峰-峰值電壓約為1.12 V，而商用換能器的峰-峰值電壓約為1.38 V，但自制換能器激勵電壓僅為商用換能器的一半，可以得到自制的換能器較商用產品擁有更好的靈敏度及更低的損耗。用示波器測試得到自制換能器的靈敏度或雙程插入損耗為-38 dB，在同類產品中性能較好[8]。

4 結束語

空氣耦合換能器作為非接觸式無損檢測技術的核心設備之一，在軍民領域的應用前景廣闊。本文使用COMSOL軟件模擬了壓電元件的陶瓷相體積分數與陶瓷柱寬高比對換能器阻抗譜、特征頻率的影響。通過制備1-3型壓電復合元件與優化環氧樹脂+空心玻璃微珠匹配層的方式調節壓電元件與空氣間聲阻抗，制備了工作頻率400 kHz的空氣耦合超聲換能器。自制換能器在工作頻率時擁有較純的厚度振動模態，較寬的帶寬，靈敏度與雙程插入損耗為-38 dB，表明自研工藝制備的空氣耦合超聲換能器具有優良的性能與巨大的應用潛力。