一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及结构部件或设备的测试领域，公开一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器及其制备方法。高性能空气耦合超声点聚焦换能器包括外壳、连接器、衬套、压电复合晶片、声透镜和匹配层组件；压电复合晶片设置于衬套内，并与连接器连接；声透镜设置于衬套内，并与压电复合晶片粘接；匹配层组件设置于衬套内，匹配层组件包括第一球面匹配层、第二球面匹配层和粘接层，第一球面匹配层的一侧与声透镜粘接，另一侧与第二球面匹配层粘接。利用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备第一球面匹配层和粘接层，利用微孔发泡聚丙烯材料作为第二球面匹配层，灵敏度较未匹配时有明显的提升；利用声透镜实现超声波聚焦，灵敏度与分辨率得到明显提升。显提升。显提升。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及结构部件或设备的测试领域，尤其涉及一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器及其制备方法，能用于航空航天、新能源、隔热材料等行业复合材料零部件或设备损伤的无损检测。

技术介绍

[0002]空气耦合超声检测作为无损检测技术的一种，以空气为超声波传播介质，无需在待检材料表面涂抹耦合剂，因此，特别适用于禁用、慎用或不便使用耦合剂场合。如在碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等的蜂窝、多层结构航空航天复合材料构件检测中具有无法替代的优势。
[0003]但由于空气耦合超声换能元件与空气声阻抗差异巨大，导致换能器整体换能效率低、检测精度不高。目前用于空气耦合超声检测的压电薄膜以及铁电驻极体式换能元件激发、接收超声的效率较低，限制了其推广应用。而压电复合材料换能效率高，平板型压电式超声换能器制作方便、价格便宜，在目前空气耦合检测领域中应用最为广泛，其不足之处在于平面结构引起声束不集中、能量分散，使得该类换能器灵敏度不高、分辨率较差。
[0004]已有的线聚焦空气耦合超声换能器需将压电复合材料晶片切割成弧面，使得声波能量沿着主轴线区域进行聚焦，但在弧面切割过程中破损的风险较大，更为重要的是该类换能器对于小缺陷检测分辨率不高。已有的多基元聚焦式空气耦合超声点聚焦换能器能实现声波能量的点聚焦，对小缺陷检测分辨率有较大提高，但作为各基元的多个压电复合材料晶片的体积小导致换能效率低，多个基元制作时工艺复杂且很难保证一致性，限制了其实际应用效果。因此，迫切需要提出一种换能器效率高、能量集中、检测分辨高、且便于制作的高性能空气耦合超声点聚焦换能器。

技术实现思路

[0005]基于以上问题，本专利技术的目的在于提供一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器及其制备方法，制备简单，且能够有效提高空气耦合超声探测的灵敏度与分辨率。
[0006]为实现上述目的，提供以下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器，包括：
[0008]外壳；
[0009]连接器，设置于所述外壳内；
[0010]衬套，设置于所述外壳内；
[0011]压电复合晶片，设置于所述衬套内，并与所述连接器连接；
[0012]声透镜，设置于所述衬套内，并与所述压电复合晶片粘接；
[0013]匹配层组件，设置于所述衬套内，所述匹配层组件包括第一球面匹配层和第二球面匹配层以及两者之间的粘接层，所述第一球面匹配层的一侧与所述声透镜粘接，另一侧与所述第二球面匹配层粘接，所述第一球面匹配层采用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材
料制备而成，所述第二球面匹配层采用微孔发泡聚丙烯材料制备而成，所述粘接层采用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备。
[0014]作为本专利技术提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器的可选方案，所述第一球面匹配层和所述声透镜之间设置有第一粘接层。
[0015]作为本专利技术提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器的可选方案，所述第一球面匹配层和所述第二球面匹配层之间设置有第二粘接层。
[0016]作为本专利技术提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器的可选方案，所述衬套采用塑料吸声材质制备而成。
[0017]作为本专利技术提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器的可选方案，还包括顶盖，所述顶盖通过螺钉与所述外壳连接。
[0018]作为本专利技术提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器的可选方案，还包括螺母，所述螺母位于所述顶盖朝向所述外壳的一侧，所述连接器与所述螺母螺纹连接。
[0019]第二方面，本专利技术还提供了一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法，用于制备上述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器，所述高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法包括以下步骤：制备接近理论声阻抗的双层匹配层试样；将粘接层视为额外的匹配层，并考虑在整体声阻抗匹配中；在封装设计时加入塑料内衬，减小超声在背部的衰减。
[0020]作为本专利技术提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法的可选方案，计算得出压电复合材料与空气介质之间两层匹配层的理论声阻抗，采用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备第一球面匹配层，构建制备出的匹配层的声学性能参数与制备材料之间的理论模型，依据理论模型制备实际声阻抗值接近理论值的匹配层；选用微孔发泡聚丙烯材料作为第二球面匹配层；粘接层使用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料，使粘接层的声阻抗接近第一球面匹配层，避免粘接层与被粘接物体之间的声阻抗差异导致的超声损失。
[0021]作为本专利技术提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法的可选方案，采用纵向振动压电复合晶片作为换能器元件。
[0022]作为本专利技术提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法的可选方案，采用铝合金材料制备出底面为圆平面，上表面为凹球面的声学元件。
[0023]作为本专利技术提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法的可选方案，第一球面匹配层的制备方法包括以下步骤：称取预设质量的环氧树脂和空心玻璃微珠，混合搅拌均匀后，置于真空箱内抽真空处理；按照环氧树脂和固化剂质量比为4：1的比例称取固化剂，将固化剂倒入空心玻璃微珠和环氧树脂的混合物中，搅拌均匀后置于真空箱内抽真空处理，抽真空处理时间为3min至5min；取出环氧树脂、空心玻璃微珠和固化剂的混合物后倒入模具中，放入真空箱内抽真空处理5min；放入60℃的恒温箱内进行固化；待其完全固化后脱模。
[0024]作为本专利技术提供的高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法的可选方案，第二球面匹配层的制备方法包括以下步骤：首先将第二球面匹配层加工成半径为14mm且厚度为0.5mm的薄片；再将第二球面匹配层放置在声透镜上，利用球半径为50mm的金属球对第二球面匹配层按压成型，最后，放入真空干燥箱中升温到100℃，持续40min，得到第二球面匹配层。
为两个不同的位置。
[0036]在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。
[0037]如图1至图4所示，本实施例提供一种高性能空气耦合超声点聚焦换能器，该高性能空气耦合超声点聚焦换能器包括外壳1、连接器2、衬套3、压电复合晶片4、声透镜5和匹配层组件6，连接器2设置于外壳1内，压电复合晶片4可以是1
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3型压电复合晶片；衬套3设置于外壳1内；压电复合晶片4设置于衬套3内，并与连接器2连接；声透镜5设置于衬套3内，并与压电复合晶片4粘接；匹配层组件6设置于衬套3内，匹配层组件6包括第一球面匹配层61和第二球面匹配层62以及两者之间的粘接层，第一球面匹配层61的一侧与声透镜5粘接，另一侧与第二球面匹配层62粘接，第一球面匹配层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高性能空气耦合超声点聚焦换能器，其特征在于，包括：外壳(1)；连接器(2)，设置于所述外壳(1)内；衬套(3)，设置于所述外壳(1)内；压电复合晶片(4)，设置于所述衬套(3)内，并与所述连接器(2)连接；声透镜(5)，设置于所述衬套(3)内，并与所述压电复合晶片(4)粘接；匹配层组件(6)，设置于所述衬套(3)内，所述匹配层组件(6)包括第一球面匹配层(61)和第二球面匹配层(62)以及两者之间的粘接层，所述第一球面匹配层(61)的一侧与所述声透镜(5)粘接，另一侧与所述第二球面匹配层(62)粘接，所述第一球面匹配层(61)采用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备而成，所述第二球面匹配层(62)采用微孔发泡聚丙烯材料制备而成，所述粘接层采用空心玻璃微珠填充环氧树脂复合材料制备。2.根据权利要求1所述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器，其特征在于，所述第一球面匹配层(61)和所述声透镜(5)之间设置有第一粘接层(7)。3.根据权利要求1所述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器，其特征在于，所述第一球面匹配层(61)和所述第二球面匹配层(62)之间设置有第二粘接层(8)。4.根据权利要求1所述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器，其特征在于，所述衬套(3)采用塑料吸声材质制备而成。5.根据权利要求1所述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器，其特征在于，还包括顶盖(9)，所述顶盖(9)通过螺钉(10)与所述外壳(1)连接。6.根据权利要求5所述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器，其特征在于，还包括螺母(11)，所述螺母(11)位于所述顶盖(9)朝向所述外壳(1)的一侧，所述连接器(2)与所述螺母(11)螺纹连接。7.高性能空气耦合超声点聚焦换能器制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1
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6任一项所述的高性能空气耦合超声点聚焦换能器，所述高性能空气...

【专利技术属性】
技术研发人员：周进节，王学敏，沈兴全，刘瑶，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：