一种新型的超声兰姆波换能器*

刘 畅高广健陈 瀚邓明晰

(陆军勤务学院基础部，重庆 401331)

超声兰姆波是一种在板类结构中传播的超声导波，它具有传播速度快，传播距离远及幅值衰减小等优点[1-2]。由于兰姆波与整个板材上缺陷产生较强的相互作用，可以携带大量检测所需信息，能够较好检测出板材的材料缺陷，故其广泛用于板类结构缺陷的快速检测中[3]。

兰姆波传播的多模态性导致不同模态信号叠加，使其在激发、传播、接收以及信号处理方面变得非常复杂[4]，限制了兰姆波在结构缺陷检测中的应用。为解决这一问题，超声导波无损检测中经常使用斜入射式压电换能器[5-6]和梳状压电换能器[7-8]，来实现特定模态超声兰姆波的激发和接收。斜入射式压电换能器通过选择不同角度楔形块和激发频率，根据Snell 定律获得不同模态的导波。梳状压电换能器通过调整探头的间距、压电片的宽度和对输入信号进行相位控制，实现板或管道中激发出特定的导波模态。

设计并制作了一种由YZ 铌酸锂晶体和叉指电极装配使用的叉指型超声兰姆波压电换能器，可实现特定频率下单一模态超声兰姆波的激发与接收，并在铝板中进行了相应的实验。

1 超声兰姆波频散特性分析

对于给定厚度的板材，在任意频率下都存在2 种或2 种以上的兰姆波模式[9]，因此首先需对兰姆波的频散特性进行分析。以铝板为例进行理论和数值研究，铝板参数如表1 所示。对单层铝板中传播的超声兰姆波进行数值研究，所得频散曲线如图1 所示。

图1 频散曲线

表1 待测铝板材料参数

在图1(a)中，横坐标表示频率，纵坐标表示相速度，斜直线则代表波长。由图1 可知，可以通过波长和频率来确定超声兰姆波模式，如图1 中点P所示。需要注意的是相同的波长条件下，所对应的超声兰姆波模式并不是唯一的，因此还要通过激发频率加以控制。

结合图1 所示频散曲线，仅选用S0兰姆波模式开展相应的数值和实验研究。拟激发点P对应的S0模式，其对应的频率f＝1.71 MHz，波长λ＝1.90 mm，群速度cg＝2.15 km/s。

2 叉指超声兰姆波换能器

拟设计一种装配式的叉指兰姆波换能器，用于激发和接收单一模态的超声兰姆波，如图2 所示。它包括铜质叉指电极、导线、绝缘薄膜和YZ 铌酸锂晶体。在使用该超声兰姆波换能器时，只需根据目标超声兰姆波模式的信息来更换铜质叉指电极、导线和绝缘薄膜，而不需更换铌酸锂晶体。

图2 叉指换能器结构示意图

2.1 叉指电极设计

换能器中主要使用的叉指电极材料包括金、铂、铜等。铜的密度与金相比较低，延展性适中，足以满足中低频的超声器件要求，且具有价格低、与集成电路工艺兼容等优势。本次选择铜作为叉指电极材料，所有指条状铜电极各自由同一连接条连接并蚀刻于基材2 侧构成导电层。叉指电极决定了换能器激发和接收的超声兰姆波模式，并影响换能器激发和接收兰姆波信号的强度[10]，因此需要对其进行精心的设计。叉指电极的结构如图3 所示，其相关参数主要包含指条宽度a，周期性排列指条间距L，指条长度h，连接条宽度w和单侧指条数目n。

图3 叉指电极结构示意图

采用矢量和法[11-12]对叉指换能器进行分析与讨论，以确定叉指电极的相关参数。假设超声兰姆波在传播时无衰减，且叉指换能器(如图3 所示)每个指条所激发/接收到的简谐超声兰姆波的幅值均为A0、相速度和频率分别记为cP和f。由于叉指换能器指条呈周期性排列，相邻指条间距为L。根据波的传播原理，相邻指条所接收到的兰姆波的相位差应为θ＝ωτ＝，则整个叉指换能器激发/接收到兰姆波后的总信号为各指条输出信号的和，即:

当Δθ＝kπ(k＝1，3，5…)时，总输出达到最大值:

此时可得到:

即，当叉指换能器的指条间距L为目标超声兰姆波半波长的奇数倍时，叉指换能器的总输出将达到最大值，可利用该条件设计叉指换能器的相关参数。根据图1 中P点多对应的超声兰姆波模式和频率，分别选取L＝λ/2 ＝0.95 mm，a＝λ/4 ＝0.475 mm，n＝30，h＝49 mm，w＝5 mm。

2.2 压电材料

常用于超声换能器的压电材料有压电陶瓷、压电晶体以及PVDF 薄膜等[13-14]。一般来说压电晶体因具有损耗小、可靠性高、重复性好等特点得到广泛使用。铌酸锂晶体，具有独特的声光效应、压电效应、热电效应，并具有重量轻、柔软不脆、耐冲击、不易受水和化学药品污染、易制成任意形状的片或管状等优势，因此广泛应用于力学、声学、光学、电子等技术领域[15]。设计的叉指超声兰姆波换能器拟选用YZ 铌酸锂晶体作为压电基底材料，其长×宽×高分别为60 mm×45 mm×6 mm。

2.3 叉指换能器的安装

按照前文所述的设计参数，对YZ 铌酸锂晶体和叉指电极进行了加工，加工精度控制在±100 μm。考虑到换能器测试及后期实际检测的需要，对叉指电极、导线和绝缘薄膜进行了一体化样件加工和组装，即:将厚度为100 μm 的铜质叉指电极直接刻蚀在厚度为200 μm 的绝缘薄膜上，导线通过焊接的方式连接在叉指电极上。在叉指换能器的使用过程中，将一体化加工的叉指电极通过耦合剂粘贴到擦洗干净的待测材料表面，再将YZ 铌酸锂晶体放置在叉指电极的上侧，二者通过耦合剂进行连接。

3 实验研究

3.1 实验系统

图4 实验系统图

为验证所设计的叉指兰姆波换能器在特定的频率下能够有效地激发和接收特定模态的超声兰姆波模式，以1.76 mm 厚的普通铝板作为实验试样，借助于Ritec 5000 SNAP 声学测量系统，建立了如图4 所示的超声兰姆波实验测量系统。该系统采用自发自收式进行超声兰姆波信号的激发与接收，即:Ritec 5000 SNAP 声学测量系统输出一束经Hanning 窗加权的频率为1.71 MHz、周波数为15 的正弦脉冲信号，经过衰减器、双工器后传递到叉指换能器，通过逆压电效应激发超声兰姆波信号，携带有大量检测信息的回波信号由同一叉指换能器接收，经过放大器后由示波器显示并存储。

3.2 实验结果及分析

采用图4 所示的测量系统对兰姆波时域信号在铝板中传播的物理过程进行实验观察，通过叉指换能器接收到的超声时域信号如图5 所示。

图5 叉指换能器所接收到的兰姆波时域信号

由图5 可知，除射频脉冲电压的直通部分(直通信号)外，时域信号中存在一个较单纯的端面回波信号。根据波速法，计算得到该回波信号的群速度约为2.17 km/s，与图1(b)中P点所示的兰姆波S0模式的理论群速度值(2.15 km/s)非常接近(相对误差为0.93%)。据此认为实验中所接收到的信号为图1 中P点对应的S0模式兰姆波。因此在特定频率下，利用所设计的叉指兰姆波换能器可激发并接收单一的S0模态，从而说明这种叉指兰姆波换能器可实现单模态兰姆波的激发与接收。

4 结论

为减小固体板中兰姆波多模式特性对其传播特性的影响，实现特定频率下单一模态超声兰姆波的激发与接收，设计了一种装配式的叉指兰姆波换能器，并将其应用于铝板的超声兰姆波检测实验中。实验结果表明，利用所设计的叉指兰姆波换能器可实现单一模态超声兰姆波的激发与接收。此次研究工作为进一步利用超声兰姆波对铝板无损检测奠定了基础，也为其他板类和管状结构检测中换能器的设计研究提供一种有益的参考借鉴。