[發明專利]一種柔性梳狀聲表面波相控陣換能器

無效

• 申請號: 201410238692.3
• 申請日: 2014-05-30
• 公開（公告）號: CN103983699A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 周世圓;戴維;徐春廣;肖定國;郝娟;付君強
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01N29/22
• 分類號: G01N29/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一、技術領域

本發明涉及一種用于激勵和接收聲表面波的柔性梳狀相控陣換能器，特別適用于任意復雜曲表面微小缺陷的快速掃描檢測和嵌入式原位檢測。

二、背景技術

隨著設計和制造能力的飛速發展，各個工業領域在其關鍵裝置的關鍵零部件上大量采用復雜曲面零構件。這些零構件的工作時，往往受周期應力和溫度環境作用，腐蝕性沖擊強、工作時間長等特點，工作過程中極易形成表面疲勞裂紋缺陷。由于其通常在機器運轉中承擔著關鍵性作用，因此在該類復雜關鍵零構件的生產制造和在役過程中，需對其表面缺陷進行快速掃描檢測與嵌入式原位監測，對保障各工業領域關鍵裝置的安全運行具有重大意義。

傳統的相控陣成像技術采用超聲縱波探頭組成探頭陣列，利用相控原理對檢測對象進行電子掃描成像。由于縱波是沿零件表面法向傳播的，無法檢測試樣表面裂紋缺陷，且無法實現整個試樣表面的快速掃描檢測。

今年來，出現使用帶斜楔的相控陣換能器在被測試樣表面激勵聲表面波，實現表面裂紋檢測，但由于其采用剛性斜楔，且尺寸較大，無法與曲表面進行貼合，無法保證激勵聲表面波所需的入射角，耦合效果差，檢測信號能量轉換率和檢測靈敏度極差。同時相控陣換能器在其中所起作用僅為利用聲束偏轉調整入射角度，其產生的表面波與傳統單晶壓電換能器斜入射激勵的表面波一樣，僅為沿斜入射方向傳播的一維聲束。為完成整個試樣表面的檢測，必須配合機械掃描運動。控制剛性斜楔沿空間曲面進行一維掃查時，除了一維移動外，還至少必須增加其兩個轉角運動，以控制斜楔姿態，保證與曲面的良好耦合。

因此，急需開發一種能夠適用于復雜曲面表面裂紋缺陷檢測、且無需機械掃查的聲表面波換能器，這種換能器應能貼合復雜曲表面，且具有安裝簡單、體積小等特點，能夠滿足曲面構件表面的快速或嵌入式原位無損檢測需求。

國家知識產權局公開了一篇公開號為CN103157594A的專利：“一種柔性超聲相控陣陣列換能器及制作方法”，目前該專利處于實效審查狀態，該專利描述了一種柔性超聲相控陣陣列換能器及其制作方法，所述換能器包括柔性壓電陶瓷復合材料晶片、阻尼背材、匹配層、柔性線路板、同軸電纜線和探頭接口；所述匹配層、柔性壓電陶瓷復合材料晶片和阻尼背材依次粘接在一起形成聲學疊層；所述柔性線路板與柔性壓電陶瓷復合材料晶片連接，并從柔性線路板引出多芯同軸電纜線到所述探頭接口。公開號為CN101152646A的專利：“柔性超聲換能器陣列及其應用裝置”，目前該專利已授權，該專利描述了一種柔性超聲換能器陣列，該超聲換能器的超聲換能器單元、超聲發射器/超聲發射接收器、超聲耦合介質、微處理器、及柔性層介質，該超聲換能器單元以陣列形式安置于該柔性層介質中或表面而構成柔性超聲換能器陣列，柔性超聲換能器陣列能夠貼合各種具有不同表面形狀的身體部位，從而能夠獲得現有技術無法達到的超聲治療/超聲成像效果。上述兩種柔性陣列換能器均是通過對陣列中的不同壓電振子單元施加具有一定延時的脈沖激勵，在被測試樣內部沿柔性層法向方向激勵具有電子偏轉或聚焦掃描特點的縱向體波，而不能在被測試樣表面傳播的具有電子偏轉或聚焦掃描特點的聲表面波。

三、發明內容

本發明提供了一種特別適用于曲表面裂紋檢測的柔性梳狀聲表面波相控陣換能器，具有能夠貼合曲表面、厚度小的特點，可以實現曲表面裂紋缺陷的快速嵌入式原位無損檢測。

該聲表面波相控陣換能器由多個柔性梳狀陣列組成，具體個數由檢測曲面尺寸確定。

每個柔性梳狀陣列至少包括2個以上多個條形壓電振子，一般為4到8個條形壓電振子，多個條形壓電振子沿寬度方向排列形成梳狀陣列結構。各壓電振子之間的中心間距w為被測材料聲表面波波長，即被測材料聲表面波聲速與換能器中心頻率之比。通過對多個柔性梳狀聲表面波換能器的所有壓電振子同時施加電激勵，如周期脈沖激勵或正弦串激勵，在被測材料表面激勵出沿柔性層內陣列排布方向傳播的聲表面波。

多個上述柔性梳狀陣列構成的二維陣列構成本柔性梳狀聲表面波相控陣換能器主體，激勵時根據相控聲束偏轉或聚焦原理，確定各個柔性梳狀陣列之間的激勵時間差，控制所有柔性梳狀陣列激勵的合成聲表面波聲束在被測試樣表面的偏轉或聚焦，改變激勵時間差，在被測試樣表面完成電子掃描。