一种空气耦合超声换能器研制

涂馨予,楼成淦,3,金杭超,钟 恺,陈昌杰,楼将波

(1.杭州瑞利超声科技有限公司, 浙江 杭州 310023;2. 杭州应用声学研究所,浙江 杭州 310023;3 哈尔滨工程大学 水声工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

超声波具有频率高,波长短,能量大及穿透力强的特点,因而在医疗、工业及环境保护领域得到重要应用[1-2]。根据应用机理可将超声波主要分为功率超声和检测超声两大类。其中功率超声是通过超声波作用在物体上,从而引起物体的状态及性质发生变化的一种技术手段[1]。检测超声主要利用超声波作用在物体表面会发生反射或透射机理,从而进行测距或成像作用的一类技术[2]。目前检测超声技术正处于蓬勃发展的阶段,在缺陷检测[3]、无损检测[4]及流量计量[5-6]等方面得到广泛应用。在这些领域中,以气体为媒介的检测超声技术存在较大难度,尤其是燃气流量计等需要以混合气体作为声波传播媒介的检测技术,在检测结果准确性及精度控制上有较大难度。

超声换能器作为重要的电声转换器件,当声波传播的媒介为空气或天然气时,存在换能器声阻抗与空气声阻抗严重失配等问题,导致声波在固-气界面上接近全反射,换能器产生的振动在换能器内部以热能、机械损耗或压电材料的介电损耗形式消散。因此,换能器需要声匹配层结构来提升声波的透射率。已有学者采用低密度泡沫材料研制声匹配层,可有效地提高声波透射率,但在实际使用中存在泡沫材料结构强度低,伴随声损耗过大的问题[7]。也有学者采用多层匹配层结构研制换能器,提高了换能器的收发性能,同时也存在匹配层粘接层数过多,其成品率及可靠性下降的问题[8]。在环氧树脂基体中加入空心玻璃微球可降低声匹配层的声阻抗率,并且固化后复合材料结构强度大,有利于加工[9],同时也存在空心玻璃微球与环氧树脂基体融合度不佳的情况,造成不同批次的声匹配层间声学性能差异大的问题[10]。

本文通过采用空心酚醛树脂微球研制声匹配层,对声匹配层的声学性能进行了研究与测试。在此基础上研制了一对以空气为介质的超声换能器,并与采用空心玻璃微球匹配层的超声换能器进行了性能对比。测试结果显示,酚醛树脂微球与环氧树脂基体融合较好,未出现分层现象。时域信号具有拖尾小、拖尾短的优势,频域上换能器具有更宽的带宽。

1 换能器设计与仿真分析

超声换能器通常由匹配层、压电晶片、背衬层与保护外壳等部分组成,其中声匹配层是协调介质阻抗与换能器阻抗的关键部件,有提升换能器能量转换效率的作用。压电晶片决定了换能器的谐振频率及阻抗等特性,而背衬吸收压电体反方向传播的声波,从而消除信号拖尾现象。

1.1 压电陶瓷仿真分析

已有研究中常采用厚度振动模态的压电陶瓷,这是因为厚度振动的换能器能更好地集中一定空间范围内的声能,声波在气体中的衰减程度与频率的平方呈正相关。换能器频率越高,声波在空气中传播的距离越小,但高频声波的波长更短,有利于检测精度的提升。为保证传播距离与测试精度,最终确定换能器的工作频率约为500 kHz。对压电陶瓷进行设计,先后尝试了圆片型压电陶瓷、方片型压电陶瓷及切缝压电陶瓷,陶瓷阻抗特性仿真结果如图1所示。

图1 压电陶瓷设计及仿真

由图1可看出,圆片型压电陶瓷的径向振动干扰较明显,模态不纯净。方块形切缝陶瓷可将横向振动与厚度振动的谐振频率分开,其中正方形切缝压电陶瓷的厚度振动最纯净。因此,本文采用正方形切缝压电陶瓷方案。

1.2 匹配层声学特性研究

本文采用空心酚醛树脂微球研制声匹配层,空心酚醛树脂微球的表面化学组成与环氧树脂基体具有相似性,通过化学键容易结合。将酚醛树脂空心微球放入环氧树脂基体中,充分混合并进行抽真空处理,最后将材料取出放入烘箱中进行固化成型。空心酚醛树脂微球与环氧树脂基体的相容性较好,固化后不易出现分层现象。对固化后的声匹配层进行切片处理,采用扫描电子显微镜(SEM)对材料截面进行拍照(见图2)。由图可看出截面的状态,切割后,部分空心微球发生破损,产生了部分碎片,其余大部分微球形态完好,排列紧密,与树脂基体结合情况较好。

图2 声匹配层截面电子显微镜SEM图(放大1 000倍)

采用脉冲回波系统对匹配层的声学特性进行测试,并与采用空心玻璃微球作为填充物的声匹配层进行性能对比,两种材料的参数如表1所示。

表1 匹配层声学参数

材料的声学性能与微球粒径相关,为排除微球粒径对匹配层声学性能的影响,本文所用空心酚醛树脂微球与空心玻璃微球的平均粒径均为∅60 μm。此外,采用相同的环氧树脂基体,微球的掺杂量均按照最佳比例进行。由表1可看出,采用空心酚醛树脂微球作为填料时,匹配层声速较低,而插入损耗较大。

1.3 换能器静态分析

为进一步分析匹配层的作用,采用有限元软件对换能器进行建模,有限元模型如图3所示。仿真所采用各部件尺寸及材料如表2所示。通过仿真计算换能器的导纳特性,其导纳曲线如图4所示。由图可看出,由于声匹配层的作用,换能器频率为300～600 kHz时,换能器存在两个谐振峰,分别位于410 kHz和580 kHz处。分析这两处频率的振型,其中410 kHz处谐振频率主要由换能器的厚度振动引起,580 kHz处谐振频率主要为声匹配层的厚度振动。

表2 换能器各部件结构尺寸参数及材料

图3 超声换能器有限元建模

图4 超声换能器阻抗特性曲线

2 换能器空气中响应KLM理论分析

换能器的模型复杂,利用有限元法对换能器进行计算,计算量庞大且计算不准确,故用KLM模型理论对换能器进行建模计算[12-13]。Martha Castillo等[13]将 KLM电路模型进行分解,形成了由系列二端口网络组成的级联结构,按照级联结构的理论分析可以进行换能器传递函数的计算,从而计算换能器的脉冲回波响应。以Martha Castillo理论为依据,对换能器进行分析。换能器主要包括压电材料、金属、匹配层和背衬,建立模型时将金属帽结构等效为第一层匹配层,换能器等效为双匹配层结构,如图5所示。超声换能器等效为二端口网络级联结构,如图6所示。

图5 超声换能器等效结构

图6 KLM模型的二端口网络级联结构

图6中,N1为电端的电匹配矩阵,N2为换能器等效电容矩阵,N3为换能器电学端与声学端的电声转换变压器的转换系数矩阵,N4为换能器背衬与压电陶瓷之间的阻抗匹配矩阵,N5为位于声学后端的压电体的二端口转移矩阵,N6为位于声学前端的压电体的二端口转移矩阵,N7、N8分别为换能器的金属帽及声匹配层的二端口转移矩阵。

从电源端到负载端的总转移矩阵为

Nt=N8N7N6N4N3N2

(1)

式中Nt为2×2的矩阵,且:

(2)

通过转移矩阵可得到电源端的阻抗特性为

Zi=(Nt22Zt-Nt12)/(Nt11-Nt21Zt)

(3)

换能器的双向传递函数为

Hr(p)=4ZiZt/(ZiZtNt21-ZiNt11+

Nt12-ZtNt22)2

(4)

式中:Zi为背衬声阻抗;Zt为负载声阻抗;打磨p为拉普拉斯算子。

按照上述KLM理论可计算换能器的阻抗特性及脉冲回波信号,阻抗特性计算结果如图7所示。由图可看出,在300～700 kHz内,换能器共有2个谐振频率,分别位于400 kHz及620 kHz处。其中400 kHz处由换能器的厚度振动引起,620 kHz处由换能器的匹配层振动引起。这与第1.3节中采用有限元法得到的阻抗特性一致,说明了KLM方法在高频换能器分析方面的有效性。

图7 换能器阻抗特性曲线

图8为KLM仿真得到的换能器脉冲发射回波信号,发射脉冲采用矩形脉冲。由图可看出,经过换能器调制后的接收信号形态类似于正弦信号,换能器回波信号经过振荡后逐渐衰减,在直达波后形成一小串拖尾信号。

图8 换能器回波脉冲信号

3 换能器研制及测试

在上述研究基础上研制超声换能器,挑选元件并进行清洗后,进行换能器的组装及灌封。换能器各部件如图9所示。组装完成后对外壳部分进行灌封,灌封后换能器外型如图10所示。

图9 换能器各部件

图10 封装后换能器实物

换能器的阻抗特性如图11所示。由图可看出,在300～700 kHz间换能器存在两个谐振峰,分别位于475 kHz与570 kHz处,这与KLM理论计算所得换能器谐振频率及电导幅值存在偏差。其原因是理论计算时,通常是将换能器模型进行等效与简化,未考虑实际中较精细复杂的结构,理论计算中不包括换能器的机械损耗及介电损耗等能量损耗。

本文采用1对超声换能器互发互收的方式对超声换能器进行性能测试,如图12所示,将1对换能器固定在流道上,其声中心保持在同一个水平线上,采用脉冲收发仪进行声脉冲的发射,发射脉冲形式为单个脉冲。

图12 换能器测试系统

为了对比空心酚醛树脂微球匹配层的作用,研制了空心玻璃微球匹配层,并将其应用于换能器上,进行换能器的性能对比,两种声匹配层均采用最佳厚度。图13(a)为采用空心酚醛树脂微球作为匹配层填料而研制的换能器测试结果。图13(b)为采用空心玻璃微球研制的换能器接收脉冲波形。由图可看出,换能器的接收信号均为类似正弦信号的一串脉冲信号,两种换能器信号幅度相当,包络清晰,空心玻璃微球匹配层换能器的信号拖尾较长,拖尾幅度较大。

图13 换能器接收回波信号测试结果

图14为换能器频谱分析。由图可看出酚醛树脂匹配层换能器的带宽更宽,两个主要的谐振频率分量分别位于475 kHz处和570 kHz处。此外,酚醛树脂微球匹配层换能器的带内起伏小,信噪比高,约比空心玻璃微球匹配层换能器大3 dB。两种换能器的相关性能参数如表3所示。

表3 换能器测试数据表

图14 换能器频谱分析

将空心酚醛树脂微球研制的声匹配层用于空气耦合超声换能器,可以提升换能器的带宽及信噪比,起到减轻换能器拖尾信号的作用。

4 结束语

本文采用酚醛树脂空心微球与环氧树脂基体混合研制了声匹配层,并通过搭建回波测试系统对匹配层的声学特性进行测试与分析,并对声匹配层内部结构做了电子显微镜分析。结果显示,与空心微球匹配层相比,酚醛树脂匹配层具有声速低,插入损耗大的特点。在此基础上研制了一款用于空气中收发声波的换能器。首先利用KLM理论计算了换能器的电导特性及换能器的矩形发送脉冲回波信号等换能器性能。其次通过对1对换能器进行测试,分析了接收信号的时域及频域特征,并与空心玻璃微球匹配层的换能器进行性能对比后发现,换能器具有带宽较宽,带内起伏较小,信噪比较高,信号拖尾较短等优势。