一种聚焦压电陶瓷声发射源及接触式A型超声波聚焦探头的制作方法

一种聚焦压电陶瓷声发射源及接触式a型超声波聚焦探头
技术领域
1.本发明涉及超声波探头技术领域，特别是一种聚焦压电陶瓷声发射源及接触式a型超声波聚焦探头。


背景技术：

2.超声波检测是目前无损检测领域中广泛使用的一种手段，a型超声波探伤最为常用，a型超声波探伤是利用超声波在被检材料中传播遇到缺陷(声阻抗不同的异质界面)产生反射，反射信号被超声波仪器接收，而发射和接收超声波的换能器(探头)，在探伤过程中需要一种声束直径小，单位能量密度高的探头，称之为聚焦探头。
3.目前，液浸探伤使用的液浸聚焦探头(透镜聚焦)设计制造比较成熟，但使用场合极为有限。而另一种直接接触式聚焦探头，是超声波探伤界热衷探索研究的课题，但目前尚无实用有效的接触式聚焦探头产品。现有技术中，关于斜聚焦探头的研究，目前主要有四种方案，都是利用光学原理，采用几何聚焦方法：一是曲面透镜片聚焦，二是曲面压电陶瓷片聚焦，三是曲面反射镜聚焦，四是菲涅尔透镜聚焦。以上聚焦方案都有一个共同的缺陷，忽视光的传播特性与超声波传播特性的差异，因此设计的超声波斜聚焦探头不是聚焦效果差，就是不聚焦。从超声波折射方向观察，超声波在第一介质中声束是会聚的，当超声波经耦合在第二介质折射传播，由折射定律可知，会聚的超声波以不同的入射角入射，超声波在第二介质中折射波产生发散。另外从垂直于折射方向观察，所设计的斜聚焦探头超声波束在第一介质中声束是会聚的，当超声波由于以不同的二面角入射，加上波束的折射，在第二介质中产生发散。根据上述问题，很多人把曲面声透镜，曲面压电陶瓷片，曲面反射镜设计成特殊曲面，但由于加工复杂，未能从根本上解决聚焦效果和超声波在第二介质中声波的发散问题，因此没有真正成功的实例和成果的应用，可应用领域和适用场合也极为受限。
4.另外，现有技术中，使用相控阵探伤仪和相控阵探头，可以做到聚焦，但是相控阵探伤仪价格是a型探伤仪的20倍至40倍以上，相控阵探头的价格是a型超声波探头的100倍至1000倍以上，成本颇高。因此，亟需设计一种成本低廉、能实现聚焦效果的a型超声波聚焦探头。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种聚焦压电陶瓷声发射源及接触式a型超声波聚焦探头，能实现聚焦效果，成本低廉，适用范围广，易于推广应用，能起到较好的探伤效果，极大的拓展了聚焦探头的应用领域和使用场合。
6.本发明采用如下技术方案：
7.一种聚焦压电陶瓷声发射源，包括有相对设置的两电极片及设置于两电极片之间的声发射源，声发射源包括相互平行设置的多个压电陶瓷块和多个声阻隔块，多个压电陶瓷块和多个声阻隔块交替层叠排列并紧密接合，自中心向两侧边缘，压电陶瓷块体积分数逐渐增大，且呈轴对称设置，两电极片平行于压电陶瓷块和声阻隔块排列方向设置，并分别
与多个压电陶瓷块电连接，声发射源与电极片相接合面形成平面，声阻隔块用于使各压电陶瓷块的振动互不影响，各压电陶瓷块的体积分数配置为：使各压电陶瓷块在被激励后分别具有不同的相位角，各压电陶瓷块向介质中辐射超声波并相互干涉，经过波的叠加增强或减弱，能在中心区域形成能量聚焦区。
8.进一步地，所述声发射源自中心向两侧边缘，声阻隔块体积分数逐渐增大。
9.进一步地，所述压电陶瓷块采用纵波压电陶瓷块，压电陶瓷块极化方向与两电极片之间电场方向平行。
10.进一步地，所述声阻隔块采用高分子阻尼材料。
11.进一步地，所述电极片全覆盖声发射源与其相接合平面设置。
12.一种接触式a型超声波聚焦探头，包括上述的聚焦压电陶瓷声发射源、外壳、阻尼块、声匹配层、电匹配器及连接接口；所述阻尼块设置于聚焦压电陶瓷声发射源背面，用于消除聚焦压电陶瓷声发射源背部反射；所述连接接口用于通过电缆与超声波仪器连接，连接接口通过电匹配器分别电连接聚焦压电陶瓷声发射源的两电极片；所述声匹配层紧密接合于聚焦压电陶瓷声发射源前侧面，用于提高声波在不同介质间的能量传输效率。
13.进一步地，所述接触式a型超声波聚焦探头还包括有波形转换器，与声匹配层前侧面紧密接合，用于将纵波转换为折射横波。
14.进一步地，所述波形转换器采用有机玻璃、聚酰亚胺、聚苯乙烯中的一种。
15.进一步地，所述接触式a型超声波聚焦探头还包括有吸声填充材料，填充于外壳内部空隙中，用于消除周围的无用超声波。
16.进一步地，所述接触式a型超声波聚焦探头还包括紧密接合于声匹配层前侧面的保护膜。
17.由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
18.第一，本发明提供了一种实用有效的a型超声波探伤使用的超声波聚焦探头，通过将压电陶瓷声发射源设置为非均匀结构，使各压电陶瓷块具有不同的相位、频率、声阻抗、电阻抗，导纳也存在差异，因此对电极片施加交变电场，声发射源被激励后，多个压电陶瓷块产生伸缩振动且振动传递方向一致，声发射源中心到边缘，发射的超声波不均匀，存在一定程度的相位差，利用相位干涉原理，相邻质点振动产生干涉，频率、相位相同或近似的波叠加增强，相位相反或接近相位相反的波会抵消或减弱，最终在超声波声束中心区能量集中形成聚焦区，聚焦区具有更高的能量，可有效提高增益，有利于高灵敏度探测缺陷和缺陷的边缘定位，聚焦压电陶瓷声发射源制作的聚焦探头具有更短的近场区。
19.第二，本发明的聚焦压电陶瓷声发射源，可制作直接接触式聚焦直探头、聚焦斜探头、液浸聚焦探头、双晶片聚焦直探头、双晶片聚焦斜探头、小角度聚焦纵波探头、聚焦测厚探头、无盲区探头及自动化探伤中的水膜式聚焦探头，并可制成各种专用聚焦探头等，极大的拓展了聚焦探头的应用领域和使用场合。
20.第三，本发明的a型超声波聚焦探头工艺简单，成本低廉，使用方便，适用范围广，易于推广应用，能起到较好的探伤效果。
附图说明
21.图1是本发明实施例1的聚焦压电陶瓷声发射源的剖视结构示意图；
22.图2是本发明实施例1的接触式a型超声波聚焦探头的剖视结构示意图，为斜探头；
23.图3是本发明实施例2的接触式a型超声波聚焦探头的剖视结构示意图，为直探头；
24.图4是本发明的聚焦压电陶瓷声发射源辐射出的聚焦声场效果示意图；
25.图5是普通压电陶瓷片辐射出的非聚焦声场效果示意图。
26.图中：1.外壳，2.聚焦压电陶瓷声发射源，21.电极片，22.声发射源，221.压电陶瓷块，222.声阻隔块，3.阻尼块，4.声匹配层，5.电匹配器，6.连接接口，7.波形转换器，8.吸声填充材料，9.导线，10.保护膜。
具体实施方式
27.以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
28.实施例1
29.参照图1，本发明的一种聚焦压电陶瓷声发射源2，包括有相对设置的两电极片21及设置于两电极片21之间的声发射源22，声发射源22包括相互平行设置的多个压电陶瓷块221和多个声阻隔块222，多个压电陶瓷块221和多个声阻隔块222交替层叠排列并紧密接合，自中心向两侧边缘，压电陶瓷块221体积分数逐渐增大，声阻隔块222体积分数也逐渐增大，且呈轴对称设置，两电极片21平行于压电陶瓷块221和声阻隔块222排列方向设置，并分别与多个压电陶瓷块221电连接，声发射源22与电极片21相接合面形成平面，电极片21全覆盖声发射源21与其相接合平面设置。声阻隔块222用于使各压电陶瓷块221的振动互不影响。各压电陶瓷块221及声阻隔块222的体积分数配置为：使各压电陶瓷块221在被激励后分别具有不同的相位角，各压电陶瓷块221向介质中辐射超声波并相互干涉，经过波的叠加增强或减弱，能在中心区域形成能量聚焦区。实际应用中，采用不同频率、不同面积的聚焦压电陶瓷声发射源，配置不同的体积分数，具有不同的聚焦效果，得到不同的焦距，根据不同介质材料按照实际需要进行设置。所述压电陶瓷块221采用纵波压电陶瓷块，压电陶瓷块221极化方向与两电极片21之间电场方向平行。所述声阻隔块222采用高分子阻尼材料，具体采用改性橡胶。
30.参照图2，本实施例的接触式a型超声波聚焦探头，为一种斜探头，包括上述的聚焦压电陶瓷声发射源2、外壳1、阻尼块3、声匹配层4、电匹配器5、连接接口6、波形转换器7及吸声填充材料8。所述阻尼块3设置于聚焦压电陶瓷声发射源2背面，用于消除聚焦压电陶瓷声发射源2背部反射；所述连接接口6用于通过电缆与超声波仪器连接，连接接口6通过电匹配器5及导线9分别电连接聚焦压电陶瓷声发射源2的两电极片21；所述声匹配层4紧密接合于聚焦压电陶瓷声发射源2前侧面，用于提高声波在不同介质间的能量传输效率。所述波形转换器7与声匹配层4前侧面紧密接合，用于将纵波转换为折射横波。波形转换器7采用有机玻璃材料制成，声速在2000～3000m/s之间，要比被探测材料的横波声速低。吸声填充材料8填充于外壳1内部空隙中，用于消除周围的无用超声波。电匹配器5采用现有技术，用于实现聚焦压电陶瓷声发射源2与超声波仪器之间的阻抗匹配，在此不多赘述。
31.本发明的工作原理是：接触式a型超声波聚焦探头通过连接接口6连接超声波仪器，超声波仪器开启后，对两电极片21施加交变电场，声发射源22被激励后，各压电陶瓷块221产生伸缩振动，向介质中发射纵波，各压电陶瓷块221的振动传递方向一致，声发射源2中心到边缘，发射的超声波存在一定程度的相位差，利用相位干涉原理，相邻质点振动产生
干涉，频率、相位相同或近似的波叠加增强，相位相反或接近相位相反的波会抵消或减弱，最终在超声波声束中心区能量集中形成聚焦区，如图4所示。图5为普通压电陶瓷片辐射出的非聚焦声场效果图。
32.本发明通过聚焦实现声场截面直径压缩声束变窄，单位能量密度增大，对比普通压电陶瓷片做成的探头，线聚焦探头可提高增益6db以上，点聚焦探头提高增益9db以上。
33.实施例2
34.参照图3，本实施例与实施例1的区别在于：本实施例的接触式a型超声波聚焦探头，为一种直探头，包括聚焦压电陶瓷声发射源2、外壳1、阻尼块3、声匹配层4、电匹配器5、连接接口6及保护膜10。保护膜10紧密接合于声匹配层4前侧面。
35.实施例3
36.本实施例与实施例1的区别在于：所述声阻隔块222具体采用改性环氧树脂。所述波形转换器7采用聚酰亚胺材料制成。
37.上述仅为本发明的三个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。