一種空氣耦合超聲換能器研制

涂馨予,樓成淦,3,金杭超,鐘 愷,陳昌杰,樓將波

(1.杭州瑞利超聲科技有限公司, 浙江 杭州 310023;2. 杭州應用聲學研究所,浙江 杭州 310023;3 哈爾濱工程大學 水聲工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

超聲波具有頻率高,波長短,能量大及穿透力強的特點,因而在醫療、工業及環境保護領域得到重要應用[1-2]。根據應用機理可將超聲波主要分為功率超聲和檢測超聲兩大類。其中功率超聲是通過超聲波作用在物體上,從而引起物體的狀態及性質發生變化的一種技術手段[1]。檢測超聲主要利用超聲波作用在物體表面會發生反射或透射機理,從而進行測距或成像作用的一類技術[2]。目前檢測超聲技術正處于蓬勃發展的階段,在缺陷檢測[3]、無損檢測[4]及流量計量[5-6]等方面得到廣泛應用。在這些領域中,以氣體為媒介的檢測超聲技術存在較大難度,尤其是燃氣流量計等需要以混合氣體作為聲波傳播媒介的檢測技術,在檢測結果準確性及精度控制上有較大難度。

超聲換能器作為重要的電聲轉換器件,當聲波傳播的媒介為空氣或天然氣時,存在換能器聲阻抗與空氣聲阻抗嚴重失配等問題,導致聲波在固-氣界面上接近全反射,換能器產生的振動在換能器內部以熱能、機械損耗或壓電材料的介電損耗形式消散。因此,換能器需要聲匹配層結構來提升聲波的透射率。已有學者采用低密度泡沫材料研制聲匹配層,可有效地提高聲波透射率,但在實際使用中存在泡沫材料結構強度低,伴隨聲損耗過大的問題[7]。也有學者采用多層匹配層結構研制換能器,提高了換能器的收發性能,同時也存在匹配層粘接層數過多,其成品率及可靠性下降的問題[8]。在環氧樹脂基體中加入空心玻璃微球可降低聲匹配層的聲阻抗率,并且固化后復合材料結構強度大,有利于加工[9],同時也存在空心玻璃微球與環氧樹脂基體融合度不佳的情況,造成不同批次的聲匹配層間聲學性能差異大的問題[10]。

本文通過采用空心酚醛樹脂微球研制聲匹配層,對聲匹配層的聲學性能進行了研究與測試。在此基礎上研制了一對以空氣為介質的超聲換能器,并與采用空心玻璃微球匹配層的超聲換能器進行了性能對比。測試結果顯示,酚醛樹脂微球與環氧樹脂基體融合較好,未出現分層現象。時域信號具有拖尾小、拖尾短的優勢,頻域上換能器具有更寬的帶寬。

1 換能器設計與仿真分析

超聲換能器通常由匹配層、壓電晶片、背襯層與保護外殼等部分組成,其中聲匹配層是協調介質阻抗與換能器阻抗的關鍵部件,有提升換能器能量轉換效率的作用。壓電晶片決定了換能器的諧振頻率及阻抗等特性,而背襯吸收壓電體反方向傳播的聲波,從而消除信號拖尾現象。

1.1 壓電陶瓷仿真分析

已有研究中常采用厚度振動模態的壓電陶瓷,這是因為厚度振動的換能器能更好地集中一定空間范圍內的聲能,聲波在氣體中的衰減程度與頻率的平方呈正相關。換能器頻率越高,聲波在空氣中傳播的距離越小,但高頻聲波的波長更短,有利于檢測精度的提升。為保證傳播距離與測試精度,最終確定換能器的工作頻率約為500 kHz。對壓電陶瓷進行設計,先后嘗試了圓片型壓電陶瓷、方片型壓電陶瓷及切縫壓電陶瓷,陶瓷阻抗特性仿真結果如圖1所示。

圖1 壓電陶瓷設計及仿真

由圖1可看出,圓片型壓電陶瓷的徑向振動干擾較明顯,模態不純凈。方塊形切縫陶瓷可將橫向振動與厚度振動的諧振頻率分開,其中正方形切縫壓電陶瓷的厚度振動最純凈。因此,本文采用正方形切縫壓電陶瓷方案。

1.2 匹配層聲學特性研究

本文采用空心酚醛樹脂微球研制聲匹配層,空心酚醛樹脂微球的表面化學組成與環氧樹脂基體具有相似性,通過化學鍵容易結合。將酚醛樹脂空心微球放入環氧樹脂基體中,充分混合并進行抽真空處理,最后將材料取出放入烘箱中進行固化成型?？招姆尤渲⑶蚺c環氧樹脂基體的相容性較好,固化后不易出現分層現象。對固化后的聲匹配層進行切片處理,采用掃描電子顯微鏡(SEM)對材料截面進行拍照(見圖2)。由圖可看出截面的狀態,切割后,部分空心微球發生破損,產生了部分碎片,其余大部分微球形態完好,排列緊密,與樹脂基體結合情況較好。

圖2 聲匹配層截面電子顯微鏡SEM圖(放大1 000倍)

采用脈沖回波系統對匹配層的聲學特性進行測試,并與采用空心玻璃微球作為填充物的聲匹配層進行性能對比,兩種材料的參數如表1所示。

表1 匹配層聲學參數

材料的聲學性能與微球粒徑相關,為排除微球粒徑對匹配層聲學性能的影響,本文所用空心酚醛樹脂微球與空心玻璃微球的平均粒徑均為?60 μm。此外,采用相同的環氧樹脂基體,微球的摻雜量均按照最佳比例進行。由表1可看出,采用空心酚醛樹脂微球作為填料時,匹配層聲速較低,而插入損耗較大。

1.3 換能器靜態分析

為進一步分析匹配層的作用,采用有限元軟件對換能器進行建模,有限元模型如圖3所示。仿真所采用各部件尺寸及材料如表2所示。通過仿真計算換能器的導納特性,其導納曲線如圖4所示。由圖可看出,由于聲匹配層的作用,換能器頻率為300～600 kHz時,換能器存在兩個諧振峰,分別位于410 kHz和580 kHz處。分析這兩處頻率的振型,其中410 kHz處諧振頻率主要由換能器的厚度振動引起,580 kHz處諧振頻率主要為聲匹配層的厚度振動。

表2 換能器各部件結構尺寸參數及材料

圖3 超聲換能器有限元建模

圖4 超聲換能器阻抗特性曲線

2 換能器空氣中響應KLM理論分析

換能器的模型復雜,利用有限元法對換能器進行計算,計算量龐大且計算不準確,故用KLM模型理論對換能器進行建模計算[12-13]。Martha Castillo等[13]將 KLM電路模型進行分解,形成了由系列二端口網絡組成的級聯結構,按照級聯結構的理論分析可以進行換能器傳遞函數的計算,從而計算換能器的脈沖回波響應。以Martha Castillo理論為依據,對換能器進行分析。換能器主要包括壓電材料、金屬、匹配層和背襯,建立模型時將金屬帽結構等效為第一層匹配層,換能器等效為雙匹配層結構,如圖5所示。超聲換能器等效為二端口網絡級聯結構,如圖6所示。

圖5 超聲換能器等效結構

圖6 KLM模型的二端口網絡級聯結構

圖6中,N1為電端的電匹配矩陣,N2為換能器等效電容矩陣,N3為換能器電學端與聲學端的電聲轉換變壓器的轉換系數矩陣,N4為換能器背襯與壓電陶瓷之間的阻抗匹配矩陣,N5為位于聲學后端的壓電體的二端口轉移矩陣,N6為位于聲學前端的壓電體的二端口轉移矩陣,N7、N8分別為換能器的金屬帽及聲匹配層的二端口轉移矩陣。

從電源端到負載端的總轉移矩陣為

Nt=N8N7N6N4N3N2

(1)

式中Nt為2×2的矩陣,且:

(2)

通過轉移矩陣可得到電源端的阻抗特性為

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

(3)

換能器的雙向傳遞函數為

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

Nt12-ZtNt22)2

(4)

式中:Zi為背襯聲阻抗;Zt為負載聲阻抗;打磨p為拉普拉斯算子。

按照上述KLM理論可計算換能器的阻抗特性及脈沖回波信號,阻抗特性計算結果如圖7所示。由圖可看出,在300～700 kHz內,換能器共有2個諧振頻率,分別位于400 kHz及620 kHz處。其中400 kHz處由換能器的厚度振動引起,620 kHz處由換能器的匹配層振動引起。這與第1.3節中采用有限元法得到的阻抗特性一致,說明了KLM方法在高頻換能器分析方面的有效性。

圖7 換能器阻抗特性曲線

圖8為KLM仿真得到的換能器脈沖發射回波信號,發射脈沖采用矩形脈沖。由圖可看出,經過換能器調制后的接收信號形態類似于正弦信號,換能器回波信號經過振蕩后逐漸衰減,在直達波后形成一小串拖尾信號。

圖8 換能器回波脈沖信號

3 換能器研制及測試

在上述研究基礎上研制超聲換能器,挑選元件并進行清洗后,進行換能器的組裝及灌封。換能器各部件如圖9所示。組裝完成后對外殼部分進行灌封,灌封后換能器外型如圖10所示。

圖9 換能器各部件

圖10 封裝后換能器實物

換能器的阻抗特性如圖11所示。由圖可看出,在300～700 kHz間換能器存在兩個諧振峰,分別位于475 kHz與570 kHz處,這與KLM理論計算所得換能器諧振頻率及電導幅值存在偏差。其原因是理論計算時,通常是將換能器模型進行等效與簡化,未考慮實際中較精細復雜的結構,理論計算中不包括換能器的機械損耗及介電損耗等能量損耗。

本文采用1對超聲換能器互發互收的方式對超聲換能器進行性能測試,如圖12所示,將1對換能器固定在流道上,其聲中心保持在同一個水平線上,采用脈沖收發儀進行聲脈沖的發射,發射脈沖形式為單個脈沖。

圖12 換能器測試系統

為了對比空心酚醛樹脂微球匹配層的作用,研制了空心玻璃微球匹配層,并將其應用于換能器上,進行換能器的性能對比,兩種聲匹配層均采用最佳厚度。圖13(a)為采用空心酚醛樹脂微球作為匹配層填料而研制的換能器測試結果。圖13(b)為采用空心玻璃微球研制的換能器接收脈沖波形。由圖可看出,換能器的接收信號均為類似正弦信號的一串脈沖信號,兩種換能器信號幅度相當,包絡清晰,空心玻璃微球匹配層換能器的信號拖尾較長,拖尾幅度較大。

圖13 換能器接收回波信號測試結果

圖14為換能器頻譜分析。由圖可看出酚醛樹脂匹配層換能器的帶寬更寬,兩個主要的諧振頻率分量分別位于475 kHz處和570 kHz處。此外,酚醛樹脂微球匹配層換能器的帶內起伏小,信噪比高,約比空心玻璃微球匹配層換能器大3 dB。兩種換能器的相關性能參數如表3所示。

表3 換能器測試數據表

圖14 換能器頻譜分析

將空心酚醛樹脂微球研制的聲匹配層用于空氣耦合超聲換能器,可以提升換能器的帶寬及信噪比,起到減輕換能器拖尾信號的作用。

4 結束語

本文采用酚醛樹脂空心微球與環氧樹脂基體混合研制了聲匹配層,并通過搭建回波測試系統對匹配層的聲學特性進行測試與分析,并對聲匹配層內部結構做了電子顯微鏡分析。結果顯示,與空心微球匹配層相比,酚醛樹脂匹配層具有聲速低,插入損耗大的特點。在此基礎上研制了一款用于空氣中收發聲波的換能器。首先利用KLM理論計算了換能器的電導特性及換能器的矩形發送脈沖回波信號等換能器性能。其次通過對1對換能器進行測試,分析了接收信號的時域及頻域特征,并與空心玻璃微球匹配層的換能器進行性能對比后發現,換能器具有帶寬較寬,帶內起伏較小,信噪比較高,信號拖尾較短等優勢。