一種超高功率激勵低頻超聲換能器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種頻率為0.2—0.5MHz的超聲換能器及其制作方法，尤其涉及一種發(fā)射超高功率(瞬時功率超過500W)超聲波的低頻超聲換能器及其制作方法，該超聲換能器應(yīng)用于纖維增強復(fù)合材料的內(nèi)部質(zhì)量檢測中。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航天航空事業(yè)的尚速發(fā)展及其相關(guān)制造技術(shù)的進步，許多新型尚發(fā)減復(fù)合材料不斷涌現(xiàn)，對于無損檢測技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求。在進行國家重點項目研究過程中，航天材料及工藝研究所遇到高衰減復(fù)合材料檢測的技術(shù)困難。
[0003]在高衰減復(fù)合材料內(nèi)部存在許多或大或小的聲學(xué)界面，進入其中的超聲波被散射、繞射或反射而迅速衰減，穿透波非常微弱難于分辨，并且在反射回波中出現(xiàn)密集的雜散信號，致使缺陷判別的難度大大增加，急需能夠適應(yīng)這一類型材料內(nèi)部缺陷檢測的超聲波換能器(超聲波探頭)。
[0004]現(xiàn)有的超聲波換能器(超聲波探頭)發(fā)射的超聲波能量不足，通過高衰減復(fù)合材料時，穿透波非常微弱，導(dǎo)致不能實現(xiàn)其內(nèi)部缺陷檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種超高功率激勵低頻超聲換能器及其制作方法，該超聲換能器能夠?qū)崿F(xiàn)對高衰減復(fù)合材料的檢測需求。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種超高功率激勵低頻超聲換能器，包括殼體、晶片、電感、聲學(xué)匹配層、背襯吸聲材料以及連接器；所述晶片、電感、聲學(xué)匹配層、背襯吸聲材料位于殼體內(nèi)，晶片與電感并聯(lián)連接后通過穿過殼體的連接器與外部超聲波探傷儀連接，聲學(xué)匹配層粘附在晶片的正面，用于將晶片發(fā)射的超聲波傳遞給待測工件，并提高所述超聲波的透射效率；背襯吸聲材料設(shè)置在晶片的背面，用于減少所述晶片背面的回波周期；
[0007]所述晶片的厚度范圍為0.8_3mm，電感中心設(shè)置有磁芯。
[0008]所述晶片的材料為復(fù)合材料1-3。
[0009]所述電感中心的磁芯磁導(dǎo)率為1000-1200 μ e，電感的電感值為400-700微亨。
[0010]所述聲學(xué)匹配層由硬質(zhì)環(huán)氧樹脂與4微米的鎢粉混合制成，硬質(zhì)環(huán)氧樹脂與4微米的鎢粉的混合比例為1: (2-3)。
[0011]所述背襯吸聲材料由軟質(zhì)環(huán)氧樹脂、4微米的鎢粉以及2微米的鎢粉混合制成，軟質(zhì)環(huán)氧樹脂、4微米的鎢粉以及2微米的鎢粉的混合比例為:1:2: (3-6)。
[0012]超高功率激勵低頻超聲換能器制作方法，包括如下步驟:
[0013](I)晶片焊接
[0014]晶片為圓形尺寸，在圓邊緣Imm處粘涂銀環(huán)氧，烘烤2小時后用單芯低電容電纜線在銀環(huán)氧點焊接；
[0015](2)背襯吸聲材料灌注
[0016]在晶片背面灌注軟質(zhì)環(huán)氧樹脂、4微米的鎢粉以及2微米的鎢粉配制的背襯吸聲材料至要求的高度，然后在烤箱中烘烤；
[0017](3)聲學(xué)匹配層灌注
[0018]按照超聲換能器設(shè)計波長的1/4設(shè)計聲學(xué)匹配層厚度，在晶片正面灌注內(nèi)部無氣泡的硬質(zhì)環(huán)氧樹脂與4微米的鎢粉配制的聲學(xué)匹配層至設(shè)計的厚度，然后在烤箱中烘烤；
[0019](4)電感連接
[0020]根據(jù)晶片頻率與激勵或儲能要求并接相應(yīng)的磁芯儲能電感；
[0021](5)將晶片、背襯吸聲材料、聲學(xué)匹配層、電感以及殼體和連接器進行組裝灌封，并將并聯(lián)連接后的晶片和電感與連接器連接。
[0022]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果:
[0023](I)本發(fā)明的超聲換能器由于加入了帶有磁芯的電感，在不需要很高的外部激勵電壓的情況下即可使加在晶片上的激勵脈沖電壓很高，本發(fā)明中外部激勵電壓為450V時，加在晶片上的激勵脈沖電壓高達3000V，從而使晶片能夠發(fā)出高功率(在發(fā)射方波脈沖為450V的條件下，對超聲換能器的激勵效率比同幅度尖脈沖約高40倍)的超聲波，一方面降低了對外部超聲波探傷儀的要求，另一方面實現(xiàn)了對高衰減復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的檢測。
[0024](2)帶有磁芯的電感能夠產(chǎn)生“動態(tài)阻尼”作用，使晶片僅僅產(chǎn)生3?4個周期的振動，從而提高了超聲換能器對缺陷的分辨力。
[0025](3)本發(fā)明選用厚度范圍約為0.8-3mm的晶片，使該超聲換能器發(fā)出的超聲波處于0.2—0.5MHz的范圍，從而提高超聲波在高衰減材料中的穿透效果，提高檢測能力。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明超聲換能器結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0027]高衰減材料的檢測是航天航空和核電系統(tǒng)的無損檢測難題。高衰減材料主要為特殊工藝成型的纖維增強復(fù)合材料，晶粒粗大或晶界各向異性的金屬材料如鑄鋼件和鎢銅合金等；這些材料由于其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能，目前正被各行業(yè)廣泛使用，而隨著航天航空技術(shù)的高速發(fā)展，更對它們提出了越來越高的檢測要求；在無損檢測的各種方法之中，使用超聲方法檢測上述材料的效果更好。
[0028]傳統(tǒng)超聲換能器一般通過提高外部超聲波探傷儀的激勵電壓來提高超聲換能器的發(fā)射功率，但這種方案對外部超聲波探傷儀的要求比較苛刻，現(xiàn)有的超聲波探傷儀的激勵電壓一般最高為1200V，該電壓下的傳統(tǒng)超聲換能器不能滿足高衰減復(fù)合材料缺陷檢測的需求。
[0029]如圖1所示，本發(fā)明的超聲換能器包括殼體1、晶片2、電感3、聲學(xué)匹配層4、背襯吸聲材料5以及連接器6。晶片2、電感3、聲學(xué)匹配層4、背襯吸聲材料5位于殼體I內(nèi)，晶片2與電感3并聯(lián)連接后通過穿過殼體I的連接器6與外部超聲波探傷儀連接，聲學(xué)匹配層4粘附在晶片2的正面，用于將晶片2發(fā)射的超聲波傳遞給待測工件，并提高所述超聲波的透射效率；背襯吸聲材料5設(shè)置在晶片2的背面，用于減少晶片2背面的回波周期。
[0030]具體來說，本發(fā)明中晶片材料為復(fù)合材料1-3，通過激勵電壓產(chǎn)生超聲波；聲學(xué)匹配層4，設(shè)置在所述復(fù)合材料晶片與檢測工件之間，用于提高探頭檢測工件時的檢測靈敏度；聲學(xué)匹配層4由硬質(zhì)環(huán)氧樹脂與4微米的鎢粉混合制成，硬質(zhì)環(huán)氧樹脂與4微米的鎢粉的混合比例為1: (2-3)。背襯吸聲材料5為晶片背面灌注的環(huán)氧與鎢粉配制的低阻尼隔聲層，減少所述復(fù)合材料晶片背面的回波周期，并起到支撐所述復(fù)合材料晶片的作用。背襯吸聲材料5由軟質(zhì)環(huán)氧樹脂、4微米的鎢粉以及2微米的鎢粉混合制成，軟質(zhì)環(huán)氧樹脂、4微米的鎢粉以及2微米的鎢粉的混合比例為:1:2: (3-6)。該超聲換能器能夠在較小的激勵電壓下，產(chǎn)生高功