[發(fā)明專利]一種測(cè)量空氣耦合超聲探頭靈敏度的裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911253211.5
• 申請(qǐng)日: 2019-12-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110967408B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-11-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張書(shū)增;戴昭杰;李雄兵;張廣棟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N29/30
• 分類號(hào): G01N29/30
• 代理公司: 長(zhǎng)沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 歐陽(yáng)迪奇

本發(fā)明公開(kāi)了一種測(cè)量空氣耦合超聲探頭靈敏度的裝置及方法，先用空氣耦合換能器用于接收寬帶脈沖信號(hào)以評(píng)估其頻譜；再用空氣耦合換能器測(cè)量具有已知振動(dòng)位移的短促音信號(hào)，以標(biāo)定其靈敏度幅值。本發(fā)明考慮了發(fā)射機(jī)靈敏度，輸入脈沖，衰減和衍射的影響，提高了所標(biāo)定靈敏度的精度；另外，通過(guò)比較測(cè)得的位移來(lái)確定靈敏度幅值，避免了描述電氣設(shè)備影響的復(fù)雜任務(wù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種測(cè)量空氣耦合超聲探頭靈敏度的裝置及方法。

背景技術(shù)

空氣耦合超聲檢測(cè)是一種無(wú)損檢測(cè)/評(píng)估技術(shù)的重要組成部分,并已成功地用于檢測(cè)材料缺陷,測(cè)量材料非線性參數(shù),并評(píng)估材料損傷屬性。當(dāng)流體耦合裝置可能對(duì)材料產(chǎn)生損傷時(shí)，采用空耦非接觸式方法比水浸法更合適；且歸功于其快速掃描能力，空耦非接觸法比接觸法更利于成像測(cè)試?？諝怦詈铣晳?yīng)用的限制因素主要是聲波在空氣中的高度衰減和壓電材料與負(fù)載介質(zhì)之間的聲阻抗失配過(guò)大。近年來(lái)的研究主要集中在提高空氣耦合超聲測(cè)試系統(tǒng)的信噪比，通過(guò)制作聚焦波束換能器提高檢測(cè)分辨率，以及通過(guò)引入匹配層提高聲能量轉(zhuǎn)換效率等方面。這些都有利于空氣耦合超聲技術(shù)的推廣應(yīng)用。

空氣耦合換能器是空氣耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，包括常見(jiàn)的壓電陶瓷，電容薄膜和聚偏氟乙烯等，都可用于制造空氣耦合換能器。與其他材料相比，壓電陶瓷具有良好的機(jī)械/聲轉(zhuǎn)換能力，易于制作，在高頻下具有較高信噪比等優(yōu)點(diǎn)。因此，由壓電陶瓷制成的空氣耦合壓電換能器在兆赫頻率范圍內(nèi)占有相當(dāng)一定的比例，故常用空氣耦合換能器作為超聲探頭來(lái)使用。其中換能器的靈敏度定義為輸出聲能與輸入電能的比值，是描述該類空氣耦合換能器電聲能量轉(zhuǎn)換效率和頻帶特性的重要參數(shù)。換能器靈敏度的測(cè)定是評(píng)價(jià)同類型換能器性能一致性、表征超聲測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)能力、定量評(píng)價(jià)超聲系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的必要步驟。

通?？刹捎枚喾N方法確定壓電陶瓷超聲換能器的靈敏度。由于自互易法僅需要用電測(cè)量，并且易于應(yīng)用，因此已被廣泛用于確定水浸式和接觸式換能器的靈敏度。然而，它不能直接用于校準(zhǔn)空氣耦合換能器。由于用單一的空氣耦合換能器很難測(cè)量脈沖回波信號(hào)，因此自互易法無(wú)法確定這種換能器的靈敏度。典型的基于往復(fù)式的方法需要三個(gè)換能器，通過(guò)使用不同的換能器對(duì)三個(gè)獨(dú)立的間距捕獲測(cè)量來(lái)對(duì)某單一換能器進(jìn)行表征。空氣耦合換能器的靈敏度基本可以通過(guò)這種方法來(lái)確定，但是由于空氣耦合換能器和放大器在接收端口的結(jié)合將導(dǎo)致阻抗失配問(wèn)題，并在絕對(duì)靈敏度測(cè)量中引入誤差。雖然可以用其他專門(mén)的設(shè)備來(lái)測(cè)量換能器表面的振動(dòng)特性或換能器產(chǎn)生的波場(chǎng)，從而表征換能器的靈敏度。例如可以使用激光干涉儀來(lái)測(cè)量接觸式換能器所輻射聲場(chǎng)中的粒子振動(dòng)位移，或使用校準(zhǔn)的水聽(tīng)器來(lái)測(cè)量浸入式換能器產(chǎn)生的水中的聲壓，然后根據(jù)這些位移或聲壓來(lái)計(jì)算靈敏度。然而，由于換能器靈敏度的測(cè)量高度依賴于這些校準(zhǔn)，上述方法所用到的這些昂貴設(shè)備必須事先提前校準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決目前空氣中波傳播的衰減及活性壓電陶瓷材料與負(fù)載介質(zhì)之間的聲阻抗失配較大，導(dǎo)致空氣耦合壓電換能器校準(zhǔn)較為困難的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種準(zhǔn)確簡(jiǎn)便的測(cè)量空氣耦合超聲探頭靈敏度的裝置及方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，

一種測(cè)量空氣耦合超聲探頭靈敏度的裝置，包括靈敏度測(cè)量裝置，所述的靈敏度測(cè)量裝置包括信號(hào)發(fā)生裝置、接觸式換能器、固體試樣、空氣耦合換能裝置和接收器，所述的接觸式換能器設(shè)置于所述的固體試樣的一側(cè)且直接接觸固體試樣，并由所述的信號(hào)發(fā)生裝置驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生聲波，所述的空氣耦合換能裝置設(shè)置于固體試樣的相對(duì)另一側(cè)且與固體試樣之間留有間隙，并接收由固體試樣經(jīng)過(guò)空氣傳來(lái)的聲波，接收器接收空氣耦合換能裝置采集的聲波信號(hào)數(shù)據(jù)并處理。

所述的一種測(cè)量空氣耦合超聲探頭靈敏度的裝置，所述的靈敏度測(cè)量裝置為相對(duì)靈敏度測(cè)量裝置，其中所述的信號(hào)發(fā)生裝置為脈沖發(fā)生/接收器，所述的脈沖發(fā)生/接收器產(chǎn)生寬頻帶脈沖信號(hào)并發(fā)送至所述的接觸式換能器，接觸式換能器設(shè)置于所述的固體試樣的一側(cè)且直接接觸固體試樣；所述的空氣耦合換能裝置包括空氣耦合換能器、電流探針和放大器，所述的空氣耦合換能器設(shè)置于固體試樣的相對(duì)另一側(cè)且與固體試樣之間留有間隙，空氣耦合換能器的輸出端依次經(jīng)電流探針和放大器連接至接收器。