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摘 要：超声特征扫描成像检测技术是新技术，此技术可以很好地对复合材料构件的质量进行准确的评价，而超声成像检测的关键是专用换能器能够正确提取复合材料内部的检测信息，因此，研制出一种性能好的高频水浸聚焦换能器是复合材料检测的重中之重。通过实验表明，自制的换能器能够有效地应用于复合材料的检测，完全达到准确评价复合材料构件质量的目的。
关键词：高频聚焦；换能器；超声特征成像检测
Abstract：Ultrasonic feature scan imaging technology is a new technology，that can make a good evaluation to the quality of the metal composite material.The key of the ultrasonic feature scan imaging technology is using the probe concerned detect the metal composite material.Therefore，the most important thing is manufacturing a good performance probe whose characteristics are high frequency，water coupling and focus mode.From the experiment，we can see the probe which we manufacture can apply to detect the metal composite material well，so，it achieves to evaluate the quality of the metal composite material well and truly.
Key words：high frequency and focus mode；ultrasonic feature scan imaging technology；the metal composite material
近年来，金属复合材料受到世界各国普遍重视，被广泛地应用于汽车、飞机、环保设备和化工设备等方面，以满足工业生产对材料的各种需要。由于复合材料结构具有明显的各向异性，而且性能的离散性较大，[1]因此产生缺陷的机理复杂且变化多样，而且复合材料构件的声衰较大，航空、航天构件的复合材料制件大都较薄，由此引起的噪声和缺陷发射信号的信噪比低，不易分辨。[2]因此，对检测复合材料用的探头要求大大高于普通金属材料的检测要求。在利用F扫描成像系统检测复合材料构件时，高频水浸聚焦探头起了关键的作用，直接决定着检测的成败，笔者研制的高频聚焦探头，其高灵敏度可以提高小缺陷的检出率和系统的抗干扰能力，宽带窄脉冲可扩大提取信号的频带范围，聚焦可提高检测的分辨力，[2]因此達到对复合材料质量进行准确评价的目的。
1 高频聚焦探头的设计与制作
（1）压电晶片的频率设计。综合纵向分辨率和横向分辨率以及灵敏度的要求，探头中心频率设定到8-10MHz。
（2）压电晶片的材料选择。目前国内大多选用PZT-5材料制作探头的压电晶片，这种材料虽然价格便宜，发射灵敏度高，但它在厚度模振动的同时容易产生横向的其他振动，径向振动很大，而要阻尼径向振动还较困难，[3，4]所以用它制作高灵敏度、高频率的探头尚存在困难。比较PZT-5和PbTiO3裸片在相同激励下发生逆压电效应时产生的波形，发现PZT-5有很明显的径向振动，PbTiO3的非厚度振动很少，由此可见用PbTiO3做厚度方向的振子可以得到近似的纯模态。
因此，选择PbTiO3材料的压电晶片。压电片的厚度是与其工作频率相对应的：t=λ2=Cl2f，PT材料的纵波声速Cl为4240m/s，根据上式得到PT压电片在10MHz厚度值为0.212mm。
（3）背衬材料的选择。本设计中背衬材料采用环氧钨粉，环氧树脂：钨粉：固化剂的比例[5]为5：3：1。其中钨粉有100目和300目两种的，为能达到满意的衰减效果，背衬的厚度应该超过3.5mm。在实际制作中，一般做到4mm以上。
2 探头的制作及性能测试
对压电晶片进行性能测试，对其进行编号，并开始制作。实验中声透镜采用精细钨粉，固化剂和环氧树脂的混合物，比例同背衬的配方，先配制好制作声透镜的材料，用配料直接浇注在晶片上，当环氧钨粉固化到一定程度时，再用不透钢球体压制成形，并放在干燥箱烘干，之后再稍加研磨抛光。不同焦距的聚焦探头需要不同曲率的透镜，制作不同曲率的透镜就可以用不同曲率的球体压制。[5]压制时应尽量保证透镜中心点与晶片中心重合，且要尽量控制气泡的产生。
最后，加工铜棒，将探头放入其中，然后用蜡封住避免它受潮及短路，完成整个探头的制作。
探头制作好之后，分别对10个探头编号后进行性能测试，以其中一个性能最好的探头为例。
图1是晶片受到100V电压脉冲时发生逆压电效应所产生的振动波形图，此时衰减为20dB，由图可知晶片的频率为9.62MHz，晶片起振的波列在两个半周期左右，后带1-2个振幅很小的余振。
图2探头的灵敏度比较高，分辨力也比较好。
图3（a）可以看出，自制探头波列非常窄，并且只有一个半周期，后带振幅很小的余振，测量得出频率为9.584MHz，峰峰值为6.96V，可推断此探头性能非常好。图3（b）是自制探头波形频谱分析图，从图中可以看出，探头的中心频率值为9.5MHz左右，并有很大的信号提取的频带范围。
从以上来看，自制探头波列比较理想，且一次底波峰—峰值高，性能比较优良，分辨力和灵敏度也比较高，对于超小缺陷的检测能够达到预期效果。
3 超声特征成像中的应用
实验采用双金属转子复合层超声特征检测系统，利用制作的探头对复合材料转子零件进行了检测。图4是铜/钢复合转子零件样实物图。该试样的铜/钢复合层厚度为4mm，其中铜层厚度为2.36mm。下面以转子一个柱塞孔的检测结果为例来说明探头的性能。
通过比较图5（a）与图5（b）可以看出，缺陷波能比较明显地与正常波形区分开。
4 结论
从实验可看出，所研制的探头能够非常有效地应用于超声成像中对复合材料结合层中微小缺陷的检测，达到准确检测复合材料质量的目的。
参考文献：
[1]刘怀喜，张恒，马润香.复合材料无损检测方法[J].无损检测，2003，25（12）：632.
[2]陆铭慧，付德永，王海芳，等.复合材料层状薄板超声特征扫描成像检测[J].无损检测，2005，27（9）：449-453.
[3]林书玉.超声换能器的原理及设计[M].北京：科技出版社，2004.
[4]魏勤，苏虹，彭如海，张志永.聚焦换能器在SiCp/Al复合材料超声无损检测中的应用[J].实验力学，2003，18（2）：265-270.
[5]黄江，李坚，刘伟平.水浸聚焦探头声透镜的研制[J].南昌航空工业学院学报（自然科学报），2010，17（4）：86-89.
作者简介：廖嘉（1984-），女，硕士，中级工程师，主要从事特种设备检验检测工作及研究。
关键词：高频聚焦；换能器；超声特征成像检测
Abstract：Ultrasonic feature scan imaging technology is a new technology，that can make a good evaluation to the quality of the metal composite material.The key of the ultrasonic feature scan imaging technology is using the probe concerned detect the metal composite material.Therefore，the most important thing is manufacturing a good performance probe whose characteristics are high frequency，water coupling and focus mode.From the experiment，we can see the probe which we manufacture can apply to detect the metal composite material well，so，it achieves to evaluate the quality of the metal composite material well and truly.
Key words：high frequency and focus mode；ultrasonic feature scan imaging technology；the metal composite material
近年来，金属复合材料受到世界各国普遍重视，被广泛地应用于汽车、飞机、环保设备和化工设备等方面，以满足工业生产对材料的各种需要。由于复合材料结构具有明显的各向异性，而且性能的离散性较大，[1]因此产生缺陷的机理复杂且变化多样，而且复合材料构件的声衰较大，航空、航天构件的复合材料制件大都较薄，由此引起的噪声和缺陷发射信号的信噪比低，不易分辨。[2]因此，对检测复合材料用的探头要求大大高于普通金属材料的检测要求。在利用F扫描成像系统检测复合材料构件时，高频水浸聚焦探头起了关键的作用，直接决定着检测的成败，笔者研制的高频聚焦探头，其高灵敏度可以提高小缺陷的检出率和系统的抗干扰能力，宽带窄脉冲可扩大提取信号的频带范围，聚焦可提高检测的分辨力，[2]因此達到对复合材料质量进行准确评价的目的。
1 高频聚焦探头的设计与制作
（1）压电晶片的频率设计。综合纵向分辨率和横向分辨率以及灵敏度的要求，探头中心频率设定到8-10MHz。
（2）压电晶片的材料选择。目前国内大多选用PZT-5材料制作探头的压电晶片，这种材料虽然价格便宜，发射灵敏度高，但它在厚度模振动的同时容易产生横向的其他振动，径向振动很大，而要阻尼径向振动还较困难，[3，4]所以用它制作高灵敏度、高频率的探头尚存在困难。比较PZT-5和PbTiO3裸片在相同激励下发生逆压电效应时产生的波形，发现PZT-5有很明显的径向振动，PbTiO3的非厚度振动很少，由此可见用PbTiO3做厚度方向的振子可以得到近似的纯模态。
因此，选择PbTiO3材料的压电晶片。压电片的厚度是与其工作频率相对应的：t=λ2=Cl2f，PT材料的纵波声速Cl为4240m/s，根据上式得到PT压电片在10MHz厚度值为0.212mm。
（3）背衬材料的选择。本设计中背衬材料采用环氧钨粉，环氧树脂：钨粉：固化剂的比例[5]为5：3：1。其中钨粉有100目和300目两种的，为能达到满意的衰减效果，背衬的厚度应该超过3.5mm。在实际制作中，一般做到4mm以上。
2 探头的制作及性能测试
对压电晶片进行性能测试，对其进行编号，并开始制作。实验中声透镜采用精细钨粉，固化剂和环氧树脂的混合物，比例同背衬的配方，先配制好制作声透镜的材料，用配料直接浇注在晶片上，当环氧钨粉固化到一定程度时，再用不透钢球体压制成形，并放在干燥箱烘干，之后再稍加研磨抛光。不同焦距的聚焦探头需要不同曲率的透镜，制作不同曲率的透镜就可以用不同曲率的球体压制。[5]压制时应尽量保证透镜中心点与晶片中心重合，且要尽量控制气泡的产生。
最后，加工铜棒，将探头放入其中，然后用蜡封住避免它受潮及短路，完成整个探头的制作。
探头制作好之后，分别对10个探头编号后进行性能测试，以其中一个性能最好的探头为例。
图1是晶片受到100V电压脉冲时发生逆压电效应所产生的振动波形图，此时衰减为20dB，由图可知晶片的频率为9.62MHz，晶片起振的波列在两个半周期左右，后带1-2个振幅很小的余振。
图2探头的灵敏度比较高，分辨力也比较好。
图3（a）可以看出，自制探头波列非常窄，并且只有一个半周期，后带振幅很小的余振，测量得出频率为9.584MHz，峰峰值为6.96V，可推断此探头性能非常好。图3（b）是自制探头波形频谱分析图，从图中可以看出，探头的中心频率值为9.5MHz左右，并有很大的信号提取的频带范围。
从以上来看，自制探头波列比较理想，且一次底波峰—峰值高，性能比较优良，分辨力和灵敏度也比较高，对于超小缺陷的检测能够达到预期效果。
3 超声特征成像中的应用
实验采用双金属转子复合层超声特征检测系统，利用制作的探头对复合材料转子零件进行了检测。图4是铜/钢复合转子零件样实物图。该试样的铜/钢复合层厚度为4mm，其中铜层厚度为2.36mm。下面以转子一个柱塞孔的检测结果为例来说明探头的性能。
通过比较图5（a）与图5（b）可以看出，缺陷波能比较明显地与正常波形区分开。
4 结论
从实验可看出，所研制的探头能够非常有效地应用于超声成像中对复合材料结合层中微小缺陷的检测，达到准确检测复合材料质量的目的。
参考文献：
[1]刘怀喜，张恒，马润香.复合材料无损检测方法[J].无损检测，2003，25（12）：632.
[2]陆铭慧，付德永，王海芳，等.复合材料层状薄板超声特征扫描成像检测[J].无损检测，2005，27（9）：449-453.
[3]林书玉.超声换能器的原理及设计[M].北京：科技出版社，2004.
[4]魏勤，苏虹，彭如海，张志永.聚焦换能器在SiCp/Al复合材料超声无损检测中的应用[J].实验力学，2003，18（2）：265-270.
[5]黄江，李坚，刘伟平.水浸聚焦探头声透镜的研制[J].南昌航空工业学院学报（自然科学报），2010，17（4）：86-89.
作者简介：廖嘉（1984-），女，硕士，中级工程师，主要从事特种设备检验检测工作及研究。