匹配层厚度对弛豫单晶换能器性能的影响

姜银方，郭永强，雷玉兰，陈 波，刘 兵，匡泓锦，陈凯歌

(1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；2.江苏省特种设备安全监督检验研究院 镇江分院，江苏 镇江 212009)

匹配层是管道超声换能器结构中的重要部件，影响着检测系统的整体性能[1-2]。压电超声换能器的匹配层设计主要有两个目的：一是实现压电材料和负载的声阻抗匹配，提高声波透射率；二是对压电材料进行保护，避免压电材料发生碎裂、磨损和腐蚀。目前有很多关于匹配层制备的研究，但是匹配层方面的理论分析和试验研究较少。本文将理论和试验相结合，研究了匹配层声阻抗和厚度对弛豫单晶换能器的影响。

1 换能器匹配层的理论研究

1.1 匹配层的理论分析

换能器的匹配层主要具有两个作用：(1)声阻抗的匹配，使得声波能量更多的传递到负载中；(2)保护压电晶片不被磨损或腐蚀。当声波从一种介质传到第二种介质中时，在两种介质的边界处，声波会一分为二，一部分声波透射到第二种介质，而另一部分声波被反射回去[1]。声强的透射率和反射率，在两个界面下即3种介质中声强的透射率为

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其中，R1、R2和R3分别为3种介质的声阻抗，d2为中间层的厚度，λ2为声波在中间层中的波长。

1.2 声强透射率理论研究

根据式(1)可以得到当换能器匹配层阻抗大于5×106Pa·s/m时，声强透射率接近于1，并且随着匹配层阻抗的变化，声强投射率几乎没有变化。因此换能器匹配层材料的声阻抗要大于5×106Pa·s/m，并且匹配层材料要具有较强的耐磨性，综合考虑后最终选择刚玉作为匹配层。

当压电材料为驰豫单晶，负载为钢管时，匹配材料为刚玉时，根据式(1)研究声强透射率随匹配层厚度和激励频率的变化规律。下图1所示为计算得到的声强透射率随匹配层厚度和激励频率的变化曲线。其中驰豫单晶声阻抗为38×106Pa·s/m，钢管的声阻抗为46 .6×106Pa·s/m，刚玉声阻抗为39.3×106Pa·s/m，声波在刚玉中的波速为11 600 m/s。

图1 声强透射率随匹配层厚度的变化曲线

图1所示为声强透射率随匹配层厚度和激励频率的变化关系，从图中可以发现，随着激励频率和匹配层厚度的不断增大，声强透射率也随着增大，当从纵坐标的刻度发现，声强透射率的增长较为缓慢。

因此通过上述理论分析可知，在驰豫单晶为压电材料、钢管为负载的情况下，声强透射率随着激励频率和匹配厚度的增大而增大。

2 匹配层厚度的试验研究

根据上述研究可知，刚玉的厚度对换能器的声强透射率影响很小，但是上述研究忽略了声波在介质中的衰减，当匹配层厚度增大时，声波在其中的衰减也会增大。本文以不同厚度的刚玉作为匹配层进行试验，研究匹配层厚度对回波系数的影响。

2.1 试验系统建立

试验系统的连接如图2所示，其中试验管道外径108 mm，壁厚5 mm，长10.8 m。管道上含有3条焊缝，分别记为焊缝1、焊缝2和焊缝3，3条焊缝距离信号激励源的距离分别为3 m、5 m和7 m。换能器在使用时要施加一定压力，太薄的刚玉容易碎裂，而太厚则会造成信号衰减严重。因此试验分为3组，刚玉的厚度分别为0 mm(无匹配)、0.25 mm和0.5 mm。

图2 试验系统连接图

刚玉通过环氧树脂胶水粘贴在驰豫单晶负极，并使用502胶水与管道连接。由于驰豫单晶数量有限，试验时采用压电陶瓷片整环(16个)激励超声导波，单个驰豫单晶接收回波信号。

2.2 匹配层厚度对回波系数的影响分析

试验采用函数发生器激励汉宁窗调制的正弦信号，激励幅值10 V，激励频率为60～140 kHz，步长为5 kHz。图4所示为3种不同厚度的刚玉作为匹配层时的焊缝回波系数曲线。

从图3中3条焊缝的回波系数曲线中可以看出，3种匹配层下，焊缝回波系数的变化趋势都是先升高再下降，并且都在约120 kHz达到峰值。在60～70 kHz频率段内，0.5 mm刚玉的回波系数较大，0.25 mm刚玉次之，无匹配层回波系数最小。但在此频率段内的回波系数最大也只有约0.3。在90～140 kHz频率段内，3种匹配层厚度下的回波系数均有大幅提升，但0.25 mm刚玉匹配层下回波系数上升明显，其回波系数值始终大于0.5 mm刚玉和0 mm刚玉。

图3 不同匹配层厚度下的焊缝回波系数

图4所示分别为60～70 kHz频率范围内和90～140 kHz范围内，3条焊缝的回波系数最大值随匹配层厚度的变化趋势。

图4 焊缝回波系数随匹配层厚度的变化

从图4可以看出，在低频区(60～70 kHz)，随着匹配层厚度的增大，3条焊缝的最大回波系数也逐渐增大。在高频区(90～140 kHz)，随着匹配层厚度的增大，3条焊缝的最大回波系数先增大后减小。在不同的频率区域内，匹配层的厚度对换能器的影响不同。在低频区，由于激励导波的波长较长，能够透射入负载的能力较强，并且根据前文的分析，刚玉厚度的增加会增大声强透射率，因此在低频区，随着刚玉厚度的增大，回波系数越高。在高频区，波长较短，匹配层厚度的增加对声强透射率的影响较小，而声波在匹配层中的能量衰减影响却越来越大，因此随着匹配层厚度的增加，其回波系数先增大后减小。本文中驰豫单晶换能器的工作频率较高，因此选择0.25 mm刚玉作为匹配层材料。综上所述，匹配层厚度在不同频率段对换能器有不同的影响，需要根据不同的工作情况进行分析。

3 结束语

匹配层影响着超声检测系统的整体性能，研究匹配层的变化对换能器的影响有助于提高换能器的整体性能。本文通过理论和试验相结合的方法研究了匹配层声阻抗和厚度变化对弛豫单晶换能器的影响，主要结论如下：(1)研究了不同材料声阻抗和不同材料厚度作为匹配层时的声强透射率变化规律。结果表明，声强透射率随匹配层声阻抗的增大而增大，随匹配层厚度的增大而呈现周期性变化。在匹配层厚度较小(<1 mm)，声阻抗>5×106Pa·s/m时，匹配层的材料和厚度对声强透射率的影响较小；(2)考虑声波在匹配层中的衰减，通过试验研究了不同匹配层厚度对焊缝回波系数、信噪比和拖尾时间的影响。结果表明，在低频区，匹配层厚度的增加有益于回波系数的提高；在高频区，回波系数随匹配层的增大而先增大后减小；(3)根据匹配层厚度试验可知，设计换能器的匹配层时，匹配层的厚度需要根据实际情况确定，厚度过大或过小都会减弱换能器性能。