一种超声探头阻尼背衬的制造方法技术

本发明专利技术涉及一种超声探头阻尼背衬的制作方法，包括：步骤1)确定探头的中心频率f

【技术实现步骤摘要】
一种超声探头阻尼背衬的制造方法


[0001]本专利技术涉及超声检测领域，具体涉及一种超声探头阻尼背衬的制造方法。

技术介绍

[0002]超声探头组成结构中，压电晶片背衬材料的主要作用之一是吸收压电晶片背向辐射的声波，否则此声波经过反射后重新被压电晶片接收，甚至可能穿透至工件中，从而影响检测结果。目前背衬材料多用环氧树脂制作而成，制作方法为根据经验在环氧树脂中添加钨粉等物质，增加背衬对声波的衰减。然而，该方法存在如下问题：1、钨粉颗粒度、分散度等均对实际吸声效果有很大影响，钨粉容易聚集成团或沉淀在底部，严重降低衰减效果，其工艺难以控制，对制作人员操作和经验要求高；2、钨粉粒度、浓度等配方完全靠经验，也不存在与目标衰减频段对应的经验化公式，与探头设计中心频率、带宽等参数之间不存在明确的定量关系，从而吸声参数的可控性低；3、由于超声频率越低，在材料中的衰减越小，因而对于此方法对较低频率的超声探头，吸声即阻尼效果欠佳，或者为获取衰减效果，使得声波需要较长的距离而增大背衬厚度，从而增加了探头尺寸和重量。综上，现有背衬材料制作方法，存在工艺稳定性差、吸声参数可控性低、低频效果难以保证等问题。

技术实现思路

[0003]为克服现有技术存在的上述问题，本专利技术提出了一种超声探头阻尼背衬的制造方法，具体如下：
[0004]步骤1)获取所述超声探头预先设计的中心频率f
c
和带宽Δf；
[0005]步骤2)根据探头中心频率f
c
和带宽Δf确定间距a，根据带宽Δf确定金属丝直径d；
[0006][0007]其中，f
c
单位为MHz，a、d单位为mm；β，γ，K是与材料声学性能有关的参数，取值范围大于0，β单位为mm
·
Hz；γ和K为无量纲参数，取值范围大于0且γ<K；
[0008]步骤3)金属丝轴向沿Z方向，将多根金属丝以中心间距为a的形式，按照正方形在二维XOY方向上排列，灌注环氧树脂成型，形成树脂块；
[0009]步骤4)根据所述超声探头预先设计的尺寸、形状，切割步骤3)形成的所述树脂块，作为背衬安装于压电晶片背面；所述压电晶片所在平面应平行于所述树脂块的XOZ或YOZ平面，所述树脂块切割形成的背衬高度，即垂直于所述压电晶片所在平面方向的高度大于等于5a。
[0010]进一步的，所述步骤3)将金属丝以中心间距为a的形式，按照正六边形在二维XOY方向上排列，其轴向沿Z方向，灌注环氧树脂成型。
[0011]进一步的，步骤2)所述金属丝为钨丝或钢丝，对于钨丝，β＝0.6，γ＝0.8，K＝2.5；对于钢丝，β＝0.86，γ＝0.3，K＝1.38。
[0012]进一步的，步骤2)中，对钨丝，d/a的取值在0.4～0.8之间；对钢丝，d/a的取值在0.5～0.9之间。
[0013]进一步的，步骤4)中，所述树脂块切割形成的背衬高度大于等于3a。
[0014]声子晶体是近年来研究较多的一种新型声学超材料，其本质是通过材料或结构的周期性排列，使在其中传播的弹性波或声波受到这种空间周期性的调制，表现在频域上就是存在弹性波的禁带。当有声波或弹性波在声子晶体中传播时，落在禁带范围内的波会产生强烈的衰减，衰减程度表现为远远大于常规的均匀材料，见参考文献1
‑
3。根据声学理论，此禁带的位置、宽度均与材料力学参数以及结构常数有关，因此，通过设计结构形式，采用常见材料也能对特定频带内的声波形成强烈衰减。本专利技术即利用这一原理，采用在环氧树脂中周期性排布金属丝的方式制作背衬，从而消除背衬设计和制作过程中的人为影响，并实现衰减频段的准确调控，还可减小探头尺寸和重量。
[0015]参考文献
[0016][1]Liu Z Y,Zhang X X,Mao Y W,et al.Locally resonant sonic materials[J].Science,2000,289(5485):1734
‑
1736.
[0017][2]Martinezsala R,Sancho J,Sanchez J V,et al.Sound
‑
Attenuation by Sculpture[J].Nature,1995,378(6554):241.
[0018][3]Kushwaha M S,Halevi P,Dobrzynski L,et al.Acoustic Band
‑
structure of Periodic Elastic Composites[J].Physical Review Letters,1993,71(13):2022
‑
2025.
[0019]本专利技术中用于计算金属丝直径和间距的公式(1)是结合理论分析，对仿真结果进行拟合得到的，其步骤如下：
[0020]1)根据声学理论，金属丝周期性排列在环氧树脂中形成的声子晶体，其禁带宽度(Δf＝(f
u
‑
f
d
)/f
c
)和中心频率(f
c
＝(f
u
+f
d
)/2)由金属丝直径d和其在环氧树脂中排布的间距a之比(d/a)决定。为对其进行验证，首先仿真计算得到同一d/a值下，不同间距a下禁带宽度和中心频率，结果表明，若d/a不变，禁带上下缘频率f
u
和f
d
，与间距a的乘积保持不变。
[0021]2)在上一结论的基础上，仿真计算同一间距，不同d/a值(0～1)下禁带宽度Δf和归一化禁带上、下缘频率频率f
u
a和f
d
a；总结其变化规律，发现归一化禁带下缘频率f
d
a则几乎不随f
d
/a变化，即
[0022]f
d
a＝β
ꢀꢀꢀ
(2)
[0023]而归一化禁带上缘频率f
u
a与d/a值大致呈线性关系，也即带宽与d/a值大致呈线性关系，即
[0024][0025]3)综合公式(2)和(3)，再根据带宽Δf、中心频率f
c
之间的关系，即可得到本专利技术中的公式(1)。改变金属丝材料进行计算，上述规律依然存在，但各参数取值不同，将计算结果代入即可得到。
[0026]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0027](1)本专利技术的方法根据探头实际中心频率和带宽，有针对性地设计吸声频率和带宽，并给出了用于背衬设计的计算公式，最大限度地减少人为因素对设计的影响。
[0028](2)本专利技术的方法设计的金属丝直径、以及其在环氧树脂中周期性排布等参数，在制作工艺上更容易实现，大大减少了工艺不稳定性的影响；
[0029](3)本专利技术方法设计出的背衬对声波的衰减更强，所需背衬厚度大大减少，有助于探头的轻量化，小型化。
附本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声探头阻尼背衬的制造方法，所述方法包括：步骤1)获取所述超声探头预先设计的中心频率f
c
和带宽Δf；步骤2)根据探头中心频率f
c
和带宽Δf确定间距a，根据带宽Δf确定金属丝直径d；其中，f
c
单位为MHz，a、d单位为mm；β，γ，K是与材料声学学性能有关的参数，取值范围大于0，β单位为mm
·
Hz；γ和K为无量纲参数，取值范围大于0且γ<K；步骤3)金属丝轴向沿Z方向，将多根金属丝以中心间距为a的形式，按照正方形在二维XOY方向上排列，灌注环氧树脂成型，形成树脂块；步骤4)根据所述超声探头预先设计的尺寸、形状，切割步骤3)所述树脂块，作为背衬安装于压电晶片背面，所述压电晶片所在平面应沿XOZ或YOZ平面，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张驰，潘强华，郑晖，刘太丽，
申请(专利权)人：中国特种设备检测研究院，
类型：发明
国别省市：