一種測量匹配層材料聲速的方法
2023-04-25 11:11:21 4
專利名稱：一種測量匹配層材料聲速的方法
技術領域：
本發明屬於超聲換能器聲匹配技術領域，特別是涉及一種聲匹配層材料聲速測量的理論和方法。
背景技術：
聲匹配層材料對超聲換能器具有重要作用。聲匹配層材料的最主要參數是密度P和聲速V。在研製聲匹配層材料時，密度P的測量相對容易，聲速V的測量則較為複雜。傳統的脈衝回波法是一種得到廣泛應用的聲速測量方法。聲波脈衝分別在樣品的前表面和後表面發生反射(或透射)，產生兩個連續的信號。如果已知樣品的厚度d和兩個連續回波信號的時間間隔T，就可以很容易得到樣品的聲速值。但是為了使連續的兩個回波信號能夠分開，這種聲速測量方法要求測量樣品的厚度值至少為測量所用超聲波波長的四倍。然而由於尺寸效應的存在，對於同一種材料而言，薄層和塊體材料可能會具備不同的性質，而換能器聲速匹配層往往是薄層形狀材料。因此，這種方法很難用於匹配層的聲速測量。Sachse等人在1978年開發出了傳統的超聲波頻譜法，這種方法適用於超薄樣品及聲匹配層的聲速測量。在2004年，王海峰和曹文武開發出了一種新的超聲波頻譜法，該方法能夠給出樣品的聲速和聲衰減，並且適用於超薄樣品及聲匹配層測試。但是超聲波頻譜法使用起來不是那麼方便，需要專門搭建測試系統，配置水槽，發射換能器，接收換能器，需要對信號做傅立葉變換，進行頻譜分析。
發明內容
本發明的目的，是提供一種新的測量匹配層材料聲速的方法，該方法能直接測量配匹層，不僅提高了匹配層材料聲速測量的速度，而且測量方法簡單。採用的技術方案是
一種測量匹配層材料聲速的方法，其特徵在於包括下述步驟
1、測量儀器選用阻抗分析儀；
2、選用厚度伸縮振動模式壓電陶瓷圓片，按已知的壓電陶瓷材料性能測試方法，測得壓電陶瓷圓片的串聯諧振頻率fs ;
3、將待測匹配層材料製成與上述圓形壓電陶瓷片直徑相同的圓形匹配層；圓形匹配層厚度t的值，是依據步驟2測得的頻率fs和對匹配層材料聲速的預估值，計算出匹配層材料的波長值入，然後取匹配層厚度> %入；
4、將步驟3制好的匹配層與步驟2選用的壓電陶瓷片粘接在一起，即為壓電振子；
5、匹配層材料聲速測量用阻抗分析儀測量壓電振子的電導曲線，採用磨除方法，逐步減小匹配層厚度t，每一步要測量一次壓電振子電導曲線；觀察曲線變化，隨著厚度t的減小，會逐步出現雙峰，再繼續減小則雙峰會逐步消失，直到t減小至零雙峰不再出現；我們把雙峰對應的頻率分別記為f\、f2，把f\、f2的平均值記為& ;在測量過程中出現雙峰時，記錄好每一步t、f2數據並計算出f(!。當f(!等於fs時，所對應的t值就是1/4 X ;這樣就得到匹配層材料聲速V=fs入。本發明的特點
(I)測量的物理量是電導，而從以往的聲速測量的方法測量的物理量大多是聲信號。因此本測量的方法儀器簡單，僅需一臺阻抗分析儀，無需其它設備及裝置。(2)本測量法僅要求樣品尺寸為1/4或3/4倍波長，這個特點很有實際意義。因為實際應用時匹配層都是1/4或3/4倍波長，所以測量相當於在真實壓電振子形狀尺寸和頻率下所進行，所得聲速更具有真實性。本發明的測量匹配層材料聲速的方法的理論依據是
本理論依據是對帶匹配層的厚度伸縮振動壓電晶片的等效電路的理論分析所得出。在換能器的等效電路中既含有壓電晶片的參數，也含有聲匹配層的參數。因此研究了等效電 路也就研究了匹配層，就會得到匹配的參數聲速V。從研究中得到結論對於帶匹配層的壓電換能器，如果取它的匹配層的厚度t=l/4 X (或3/4 X，5/4 X，……)則它的電導曲線就會出現雙峰，記雙峰頻率分別為f\、f2，兩者的平均頻率4=(4+ )/2，則有fo=fs，這樣就確定了入值。從而可得到匹配層材料的聲速V= &入。
具體實施例方式一種測量匹配層材料聲速的方法，以測量一種要在IMHZ頻率下使用的匹配層材料的聲速為例，包括下述步驟1、選用儀器，4294A阻抗特性分析儀。2、選用壓電陶瓷圓片，直徑d=40mm，厚度t=2mm，測出fs數值為980kHz。3、匹配層材料是用環氧樹脂做基體，用壓電陶瓷粉做填料，預估聲速2200m/s，預估出3/4入值約1. 68mm,製成的匹配層直徑d=40mm,厚度t取大於3/4入，實際取t=l. 7mm。這樣取厚度t的目的是想用同一塊匹配層先後測出3/4 X和1/4 X兩個值，得到兩個\值取平均，這樣得到的聲速更準確。4、製作出壓電振子。將步驟3製備出的匹配層粘結在步驟2製備出的壓電陶瓷片上，即為壓電振子。5、對固化好的壓電振子在空氣中進行測量。測量過程中採用砂紙打磨。逐步減小
厚度t，從t=1.7mm開始磨小匹配層的厚度，對應不同尺寸測出相應數據。先測出3/4入附
近數據，再磨小匹配層的厚度測出1/4 X附近數據，再繼續磨小厚度，不再出現雙峰，說明
剛消失的雙峰對應於1/4 X。測量數據記錄如表
TTmrn) Il. 69 Il. 62 Il. 57 |0. 62 |0. 54 |0. 51 ~(KHz) 861 .869 883 _ 723 784 805 ~(KHz) 1086~1094 1116'1115 1176 1202 ~(KHz)丨974 丨982 |l000丨919 丨980 |l004
6、數據分析。(I)由t=1.62 mm時fQ=982,基本等於fs值980,符合理論依據，確定
3/4 X =1. 62mm,得出入=2. 16mm。(2)由 t=0. 54 mm 時 fQ=980,等於 fs 值 980,符合理論依據，
確定1/4 X=O. 54mm,得出X =2. 16mm。這樣由兩組數據得到的兩個X平均值為2. 16mm,從
而得到結論匹配層材料的聲速V=fsA =2116. 8m/s。
權利要求
1.一種測量匹配層材料聲速的方法，其特徵在於包括下述步驟(1)、測量儀器選用阻抗分析儀；(2)、選用厚度伸縮振動模式壓電陶瓷圓片，按已知的壓電陶瓷材料性能測試方法，測得壓電陶瓷圓片的串聯諧振頻率fs ;(3)、將待測匹配層材料製成與上述圓形壓電陶瓷片直徑相同的圓形匹配層；圓形匹配層厚度t的值，是依據步驟2測得的頻率fs和對匹配層材料聲速的預估值，計算出匹配層材料的波長值入，然後取匹配層厚度> %入；(4)、將步驟3制好的匹配層與步驟2選用的壓電陶瓷片粘接在一起，即為壓電振子；(5)、匹配層材料聲速測量用阻抗分析儀測量壓電振子的電導曲線，採用磨除方法，逐步減小匹配層厚度t，每一步要測量一次壓電振子電導曲線；觀察曲線變化，隨著厚度t的減小，會逐步出現雙峰，再繼續減小則雙峰會逐步消失，直到t減小至零雙峰不再出現；我們把雙峰對應的頻率分別記為f\、f2，把f\、f2的平均值記為fo ;在測量過程中出現雙峰時， 記錄好每一步數據並計算出f(i ;當f(i等於fs時，所對應的t值就是1/4 λ ;這樣就得到匹配層材料聲速V=fs λ。
全文摘要
一種測量匹配層材料聲速的方法，包括下述步驟(1)測量儀器選用阻抗分析儀。(2)選用厚度伸縮振動模式壓電陶瓷圓片，按已知的壓電陶瓷材料性能測試方法，測得壓電陶瓷圓片的串聯諧振頻率fs。(3)將待測匹配層材料製成與上述圓形壓電陶瓷片直徑相同的圓形匹配層；圓形匹配層厚度t的值，是依據步驟2測得的頻率fs和對匹配層材料聲速的預估值，計算出匹配層材料的波長值入，然後取匹配層厚度＞ 入。(4)將步驟3制好的匹配層與步驟2選用的壓電陶瓷片粘接在一起，即為壓電振子，採用匹配層材料聲速V=fsλ，即可得匹配層材料聲速。本發明測量的物理量是電導，因此本測量的方法儀器簡單，僅需一臺阻抗分析儀，無需其它設備及裝置。
文檔編號G01H5/00GK102997989SQ201210485840
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月26日 優先權日2012年11月26日
發明者王路陽, 周長恩 申請人:瀋陽遼海裝備有限責任公司