一種環形超聲陣列換能器的製造方法
2023-06-01 02:23:36 1
一種環形超聲陣列換能器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種環形超聲陣列換能器，包括外殼以及設於外殼內的環形壓電晶體陣列和聲阻匹配層；環形壓電晶體陣列由多個同心的環形壓電晶體按照規定的間距排列組成；環形壓電晶體的上、下表面分別連接有電極，連接電極的環形壓電晶體即為振元；朝向混凝土檢測面的電極設於聲阻匹配層上，背向混凝土檢測面的電極與外殼之間設有墊襯吸聲層。本實用新型環形超聲陣列換能器克服了單振元系統橫向解析度不足，採用振元數較少的環形陣列換能器形成高解析度的聚焦聲場，對預應力管道壓漿質量高橫向解析度的探測和識別，提高檢測信噪聲比和靈敏度。
【專利說明】一種環形超聲陣列換能器
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬於超聲無損檢測【技術領域】，具體涉及一種環形超聲陣列換能器。
【背景技術】
[0002] 在預應力混凝土結構中，預應力管道壓漿質量直接影響整體結構的承載能力和耐 久性，對管道壓漿質量地有效檢測是工程人員普遍關心的一個問題。採用超聲波法檢測預 應力管道壓漿質量與檢測混凝土內部缺陷的基本原理相同，利用超聲透射法或超聲回波法 獲得超聲波在混凝土中傳播的特性參數，如聲速、波幅、頻率，通過這些參數的變化來判斷 混凝土的質量。
[0003] 混凝土是由水泥、沙、粗骨料組成的混合材料，超聲波在混凝土中傳播時，聲束被 反射、散射及吸收，超聲波能量衰減大、穿透深度小，且隨著頻率的提高呈指數衰減。傳統的 超聲波無損檢測裝置一般採用單振元換能器，選擇較低的工作頻率，此類裝置橫向解析度 差，僅能檢測分米級的壓漿缺陷，而且缺陷定位較困難，存在一些不足。為了提高檢測橫向 解析度，應選擇頻率高、波束方向性好的高頻波。因此，在預應力管道壓漿質量檢測中，高的 橫向解析度和大的探測深度形成了矛盾。
[0004] 於是人們考慮聲束聚焦技術，使換能器發射的超聲波束在一定範圍內匯聚，由於 聲束匯聚，使其穿透力和回波增強，改善探測靈敏度，解析度也得到提高。目前，通常採用相 控陣技術進行電子聚焦。相控陣換能器主要有線性陣列、二維陣列以及環形相控陣列等。超 聲相控陣技術已廣泛應用於生物醫學等領域，而在混凝土檢測中應用較少。
[0005] 環形相控陣列聲場完全軸對稱，有優越的軸向聚焦能力。環形相控陣列可以在振 元數少於線陣和面陣換能器振元數的情況下形成高解析度的聚焦聲場，降低由於通道數量 過多帶來的製作成本，同時簡化電路和控制系統。因此，可以將環形相控陣列換能器應用於 預應力管道壓漿質量檢測中，提高檢測的解析度及靈敏度。
【發明內容】
[0006] 針對現有技術存在的上述缺陷，本實用新型提供了一種環形超聲陣列換能器，能 夠形成高解析度的聚焦聲場對預應力管道壓漿質量高橫向解析度的探測和識別，以提高檢 測信噪聲比和靈敏度。
[0007] -種環形超聲陣列換能器，包括外殼以及設於外殼內的環形壓電晶體陣列和聲阻 匹配層；所述的環形壓電晶體陣列由多個（一般為4?8個）同心的環形壓電晶體按照規 定的間距排列組成；所述的環形壓電晶體的上、下表面分別連接有電極，連接電極的環形壓 電晶體即為振元；朝向混凝土檢測面的電極設於聲阻匹配層上，背向混凝土檢測面的電極 與外殼之間設有墊襯吸聲層。
[0008] 各振元接收外部設備提供的延時脈衝信號，並將該信號轉換成超聲波信號，產生 的超聲波信號入射混凝土，在預埋於混凝土內的預應力管道壓漿不飽滿位置處反射，形成 回波信號；各振元接收回波信號，並將回波信號轉換成電信號後輸出。
[0009] 所述的環形壓電晶體採用壓電陶瓷。
[0010] 所述的環形壓電晶體的厚度為A /2,所述的聲阻匹配層的厚度為A /4的奇數倍， 入為超聲波波長。
[0011] 所述的電極上焊接有導線，用於傳輸電信號。
[0012] 所述的墊襯吸聲層材料採用環氧樹脂加鎢粉配合而成，或採用鐵氧體粉加橡膠粉 配合而成。
[0013] 所述的外殼用於固定換能器內部元件並保護內部元件，內部元件與殼體之間要有 聲學隔離，可採用橡膠材料，防止外殼振動造成對信號幹擾。
[0014] 為了減少換能器與外部設備連接的信號線，所述的振元連接有電子開關。
[0015] 在發射過程中，各振元按一定的時序受到激勵，使得各振元發射的超聲波信號疊 加形成一個新的波陣面，實現發射聚焦；在接收過程中，根據各振元所接收到的回波信號之 間存在的相位差，對各振元輸出的電信號進行移相合成，實現接收聚焦。
[0016] 在發射過程中，通過改變延時脈衝信號的延遲時間配置，使得焦距隨延遲時間改 變而改變；在接收過程中，根據超聲回波的距離，對各振元輸出的電信號依次投入相應的接 收延遲，實現動態聚焦。在實際應用中，可根據預應力管道的埋置深度選擇焦距，無需更換 環形超聲陣列換能器。
[0017] 為了提高近場區橫向解析度，採用變孔徑技術：在近場處投入較少的內環振元，環 形超聲陣列換能器以較小的孔徑接收回波信號；在遠場處適當增加投入外環振元，環形超 聲陣列換能器以較大的孔徑接收回波信號。
[0018] 相對現有技術，本實用新型具有以下有益技術效果：
[0019] (1)本實用新型環形超聲陣列換能器克服了單振元系統橫向解析度不足，採用振 元數較少的環形陣列換能器形成高解析度的聚焦聲場，對預應力管道壓漿質量高橫向分辨 率的探測和識別，提高檢測信噪聲比和靈敏度。
[0020] (2)本實用新型環形超聲陣列換能器形成聚集聲場，聲能集中，在混凝土中傳播距 離遠，從而增加了檢測深度範圍。
[0021] (3)本實用新型環形超聲陣列換能器通過控制時延，能實現聲場動態聚焦，焦點可 根據實際中預應力管道的埋深進行自動調節，無需更換換能器。
[0022] (4)本實用新型環形超聲陣列換能器結構簡單，系統成本低，與傳統單振元換能器 檢測裝置成本相當。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1為本實用新型環形超聲陣列換能器的結構示意圖。
[0024] 圖2為本實用新型環形壓電晶體陣列的橫截面圖。
[0025] 圖3為本實用新型環形超聲陣列式換能器的聚焦示意圖。
[0026] 圖4為本實用新型環形超聲陣列式換能器的動態聚焦示意圖。
[0027] 圖5為本實用新型環形超聲陣列式換能器變孔徑接收回波信號的示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 為了更為具體地描述本實用新型，下面結合附圖及【具體實施方式】對本實用新型的 技術方案進行詳細說明。
[0029] 圖1是環形超聲陣列換能器的構造圖，其主要由環形壓電晶體陣列1、聲阻匹配層 2、電極3、墊襯吸聲層4、導線5和外殼6組成。
[0030] 本實施方式中環形壓電晶體陣列由4個相互獨立同心環形壓電晶體按照規定的 間距排列，壓電晶體是複合材料，一般採用壓電陶瓷材料，用於將電脈衝轉換成超聲頻率的 機械振動，以及接收回波的機械振動轉換成電信號，壓電晶體的厚度取超聲波長A的1/2。
[0031] 各壓電晶體的上、下表面分別連接正負電極，連接正負電極的壓電晶體稱為環形 振元，是構成超聲換能器的基本元件。
[0032] 壓電振元前端，即朝向混凝土檢測面側設有聲阻匹配層，應該選擇絕緣、衰減係數 低並且耐磨的材料。其作用一方面用於保護壓電振元不被磨損；另一方面，使超聲波束能量 儘可能多的透射進入混凝土結構。聲阻匹配層的幾何尺寸和聲阻抗必須滿足匹配條件，厚 度取1/4超聲波長的奇數倍，其聲阻抗Z2滿足下式：
【權利要求】
1. 一種環形超聲陣列換能器，其特徵在於：包括外殼以及設於外殼內的環形壓電晶體 陣列和聲阻匹配層；所述的環形壓電晶體陣列由多個同心的環形壓電晶體按照規定的間距 排列組成；所述的環形壓電晶體的上、下表面分別連接有電極，連接電極的環形壓電晶體即 為振元；朝向混凝土檢測面的電極設於聲阻匹配層上，背向混凝土檢測面的電極與外殼之 間設有墊襯吸聲層。
2. 根據權利要求1所述的環形超聲陣列換能器，其特徵在於：所述的環形壓電晶體採 用壓電陶瓷。
3. 根據權利要求1所述的環形超聲陣列換能器，其特徵在於：所述的環形壓電晶體的 厚度為λ/2,所述的聲阻匹配層的厚度為λ/4的奇數倍，λ為超聲波波長。
4. 根據權利要求1所述的環形超聲陣列換能器，其特徵在於：所述的電極上焊接有導 線。
5. 根據權利要求1所述的環形超聲陣列換能器，其特徵在於：所述的振元連接有電子 開關。
【文檔編號】G01N29/04GK204044114SQ201420392198
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月16日 優先權日:2014年7月16日
【發明者】程建旗, 雷波, 祝立君 申請人:浙江省交通規劃設計研究院