空气耦合超声换能器及其应用的研究
发布时间：2021-12-11 16:20
空气耦合超声无损检测技术是一种以空气为传输媒质的新型超声无损检测技术,己经广泛应用于航空航天复合材料检测、食品和药品检测等领域。高性能的空气耦合超声换能器是空气耦合超声无损检测技术得以快速发展的关键,直接影响空气耦合超声无损检测设备的整体性能。因此,研究高性能的空气耦合超声换能器及相对应的检测应用方案具有重要的现实意义。本文以研究高性能空气耦合超声换能器及其在表面缺陷检测中的应用为目标,开展了以下三个方面的研究工作:1、平板型空气耦合超声换能器的优化设计与制作。根据空气耦合超声换能器的技术难点,自制了 1-3型压电复合材料及低声阻抗匹配材料,并且通过实验完成双匹配层结构空气耦合超声换能器匹配层厚度的优化设计。所研制的200 kHz和440 kHz平板型空气耦合超声换能器,灵敏度和带宽分别为-23 dB、11.4%和-33.5 dB、23.4%。2、多基元聚焦空气耦合超声换能器的优化设计与制作。为了获得更好的检测精度,文中设计了多基元聚焦空气耦合超声换能器。首先,研究了多基元聚焦空气耦合超声换能器的声场分布特性,并通过数值仿真分析了不同参数对多基元聚焦空气耦合超声换能器聚焦特性的影响。其...
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１压电超声换能器示意图??
主要可分为磁致伸缩换能器、静电换能器、电磁声换能器和压电换能器［１（）］。其中，??压电超声换能器以其工艺成熟、成本低廉的优势成为目前应用最为广泛的超声换??能器。如图１．１所示是带外壳及插座的压电超声换能器示意图，其核心部件由压??电元件、背衬及匹配层三部分组成ｍｉ。??夕卜壳??匹配ｆ?７??电元件??ｓ＇?ｉ?７??背辛（?ｚ??＼＼??■?？＿?＂Ｘ．?＿？Ｔ？＿?＿■?－？?＂Ｌ?■??ＸＸｘａＸ）．?????—?—??Ｗ－—一插座??图１．１压电超声换能器示意图??压电超声换能器是以压电材料的逆压电效应和压电效应为基础来实现机械??能和电能相互转换的一类器件。这类超声换能器的主要发展方向是高频率、高灵??敏度及大带宽。高频率意味着短波长，这有利于获得高的横向分辨率；超声换能??器接收到的反射信号电压与发射信号电压之比定义为灵敏度，高灵敏度意味着可??以接收到更小的超声信号；将接收到的时域信号做傅氏展开，就可以得到频域信??号，将接收信号频谱的－６?ｄＢ宽度与超声换能器工作频率的比值定义为相对带宽，??大的相对带宽有利于获得窄的时域宽度，进而得到更高的纵向分辨率。??在传统的接触式超声无损检测系统中，在超声换能器与待测物体之间需要使??用耦合剂（通常为水或者硅油等材料）以使超声波能够传入待测物体。而对于某??些特殊的场合，耦合剂的使用会对待测物体造成污染或者损坏，如对药品、食品、??复合材料、多孔材料的检测等。因此
与此过程相对应的则定义为逆压电效应，即当在此类电介质向上施加一电场时，电介质会产生与之相对应的应变，并且该应变的变化而变化。??有压电效应的材料称为压电材料。目前在医疗诊断和工业检测中使电材料是锆钛酸铅压电陶瓷（ＰＺＴ），该材料具有极强的压电效应、系数，并且具有好的机械强度，易于加工，可以满足不同尺寸和形然该压电陶瓷材料具有上述众多的优点，但是其声阻抗较高，通常在ｙｌ范围内，这使得由该压电陶瓷材料振动产生的超声波很难传入其它料（例如水或者空气）中。??／ｙ／ｙＡ??ＳｉｆｆｉＥ；：?Ｆ＝ｉ３??—Ｐ?—ｊｐ?—ｊｐ?—ｐ?—ｊｔ??０－０?０－１?０－２?０－３?１－１??
【参考文献】：
期刊论文
[1]空气耦合超声波的位移测量[J]. 常俊杰,曾雪峰,罗更生,小倉幸夫. 无损检测. 2018(08)
[2]空气耦合电容式微超声换能器线阵设计与测试[J]. 张慧,郑冠儒,李志,曾周末. 传感技术学报. 2018(05)
[3]梯度匹配层宽带换能器的理论与数值模拟[J]. 李桦林,李波波,杨丹青. 压电与声光. 2018(02)
[4]空气耦合超声探头声场及其对检测的影响[J]. 吴君豪,何双起,罗明,吴时红,张颖. 宇航材料工艺. 2018(02)
[5]多匹配层空气耦合压电超声换能器[J]. 卞加聪,胡文祥,周八妹. 应用声学. 2018(01)
[6]先进超声检测技术的研究应用进展[J]. 周正干,孙广开. 机械工程学报. 2017(22)
[7]基于气体基压电复合材料的线聚焦空耦超声传感器研制与应用[J]. 何存富,李永坤,吕炎,刘秀成,吴斌. 复合材料学报. 2018(03)
[8]空气耦合超声技术在航空航天复合材料无损检测中的应用[J]. 危荃,金翠娥,周建平,周正干,孙广开. 无损检测. 2016(08)
[9]声子晶体结构在换能器匹配层中的应用[J]. 唐一璠,林书玉. 陕西师范大学学报(自然科学版). 2016(02)
[10]非接触空气耦合超声波钢板探伤的应用研究[J]. 常俊杰,魏强,卢超. 浙江理工大学学报. 2015(11)
本文编号：3534990
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１压电超声换能器示意图??
主要可分为磁致伸缩换能器、静电换能器、电磁声换能器和压电换能器［１（）］。其中，??压电超声换能器以其工艺成熟、成本低廉的优势成为目前应用最为广泛的超声换??能器。如图１．１所示是带外壳及插座的压电超声换能器示意图，其核心部件由压??电元件、背衬及匹配层三部分组成ｍｉ。??夕卜壳??匹配ｆ?７??电元件??ｓ＇?ｉ?７??背辛（?ｚ??＼＼??■?？＿?＂Ｘ．?＿？Ｔ？＿?＿■?－？?＂Ｌ?■??ＸＸｘａＸ）．?????—?—??Ｗ－—一插座??图１．１压电超声换能器示意图??压电超声换能器是以压电材料的逆压电效应和压电效应为基础来实现机械??能和电能相互转换的一类器件。这类超声换能器的主要发展方向是高频率、高灵??敏度及大带宽。高频率意味着短波长，这有利于获得高的横向分辨率；超声换能??器接收到的反射信号电压与发射信号电压之比定义为灵敏度，高灵敏度意味着可??以接收到更小的超声信号；将接收到的时域信号做傅氏展开，就可以得到频域信??号，将接收信号频谱的－６?ｄＢ宽度与超声换能器工作频率的比值定义为相对带宽，??大的相对带宽有利于获得窄的时域宽度，进而得到更高的纵向分辨率。??在传统的接触式超声无损检测系统中，在超声换能器与待测物体之间需要使??用耦合剂（通常为水或者硅油等材料）以使超声波能够传入待测物体。而对于某??些特殊的场合，耦合剂的使用会对待测物体造成污染或者损坏，如对药品、食品、??复合材料、多孔材料的检测等。因此
与此过程相对应的则定义为逆压电效应，即当在此类电介质向上施加一电场时，电介质会产生与之相对应的应变，并且该应变的变化而变化。??有压电效应的材料称为压电材料。目前在医疗诊断和工业检测中使电材料是锆钛酸铅压电陶瓷（ＰＺＴ），该材料具有极强的压电效应、系数，并且具有好的机械强度，易于加工，可以满足不同尺寸和形然该压电陶瓷材料具有上述众多的优点，但是其声阻抗较高，通常在ｙｌ范围内，这使得由该压电陶瓷材料振动产生的超声波很难传入其它料（例如水或者空气）中。??／ｙ／ｙＡ??ＳｉｆｆｉＥ；：?Ｆ＝ｉ３??—Ｐ?—ｊｐ?—ｊｐ?—ｐ?—ｊｔ??０－０?０－１?０－２?０－３?１－１??
【参考文献】：
期刊论文
[1]空气耦合超声波的位移测量[J]. 常俊杰,曾雪峰,罗更生,小倉幸夫. 无损检测. 2018(08)
[2]空气耦合电容式微超声换能器线阵设计与测试[J]. 张慧,郑冠儒,李志,曾周末. 传感技术学报. 2018(05)
[3]梯度匹配层宽带换能器的理论与数值模拟[J]. 李桦林,李波波,杨丹青. 压电与声光. 2018(02)
[4]空气耦合超声探头声场及其对检测的影响[J]. 吴君豪,何双起,罗明,吴时红,张颖. 宇航材料工艺. 2018(02)
[5]多匹配层空气耦合压电超声换能器[J]. 卞加聪,胡文祥,周八妹. 应用声学. 2018(01)
[6]先进超声检测技术的研究应用进展[J]. 周正干,孙广开. 机械工程学报. 2017(22)
[7]基于气体基压电复合材料的线聚焦空耦超声传感器研制与应用[J]. 何存富,李永坤,吕炎,刘秀成,吴斌. 复合材料学报. 2018(03)
[8]空气耦合超声技术在航空航天复合材料无损检测中的应用[J]. 危荃,金翠娥,周建平,周正干,孙广开. 无损检测. 2016(08)
[9]声子晶体结构在换能器匹配层中的应用[J]. 唐一璠,林书玉. 陕西师范大学学报(自然科学版). 2016(02)
[10]非接触空气耦合超声波钢板探伤的应用研究[J]. 常俊杰,魏强,卢超. 浙江理工大学学报. 2015(11)
本文编号：3534990
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/3534990.html
