厚度模压电空耦换能器的有源匹配理论和实验研究

Air-coupled ultrasonic testing technique plays an important role when the objects cannot be contacted directly. Conventionally, there are severe acoustic impedance mismatches between air and the transducer as well as the testing object. Therefore, the acoustic signal received is extremely weak, which is a bottleneck in the development of air-coupled ultrasonic testing technique. This project promotes an active matching theory and its implementation procedures. The content mainly includes: the optimization of matching limit and matching layer parameters; the establishment of active matching model of thickness mode transducer; as well as the design of the additional incentive source and control circuit. Furthermore, the corresponding transducer will be trial-produced. This project will not only enrich the theories and experiments of transducer matching layer, but also boost the development of non-contact ultrasonic testing technique.

空气耦合超声检测技术在检测对象不能直接接触的特殊场合中具有重要应用。然而，常规的空耦超声检测中，换能器、空气和被检物之间固-气-固界面声阻抗的严重失配造成了检测的声波能量极其微弱，是空耦超声检测技术发展的主要瓶颈。本项目重点研究换能器有源匹配的理论和实现方法，通过进行匹配层数、匹配极限和匹配层参数的优化设计，并建立厚度模压电空耦换能器的有源匹配模型，设计附加激励源和控制电路，探索研制具有有源匹配功能的厚度模压电空耦换能器。本项目工作对于丰富换能器匹配层理论和发展非接触超声检测技术具有重要意义。

空耦式电压超声换能器在检测对象不能被直接接触的特殊场合中具有重要应用，常被用以完成耦合剂禁用、慎用、或不便用的非接触式超声检测任务。然而，气-固界面声阻抗严重失匹导致的换能器灵敏度大幅降低问题严重制约着空耦式超声检测技术的发展。本项目针对这一难题开展了空耦式压电换能器的理论和实验研究。首先，结合了梅森等效电路和声传输线模型，建立了一套完整的空耦式压电换能器发射-接收等效电路模型。该模型不仅包括了激励源、匹配电路、发射换能器、传播介质和接收换能器，还添加了系统中各部分的材料衰减系数，称其为有损耗的TR模型，并在其基础上使用人工蜂群算法对换能器的结构参数和匹配电路参数进行优化设计。在材料工艺方面，研制专用的聚合物微珠/环氧树脂复合材料制备匹配层，该种材料声阻抗只有0.4MRayl，声衰减系数只有59Np/m，采用单层匹配结构即可实现较高灵敏度。再结合优化设计给出的换能器参数，我们整理出一套空耦式压电换能器技术方案。利用该方案还成功研制出空耦式压电换能器样品，其中心频率为510kHz，-6dB频域相对带宽为25.4%，最大插入损耗为-27dB。最后，在相同条件下对比测试了自研换能器和美国Ultran公司的同类换能器产品。我们自研空耦式换能器的灵敏度度高出14dB，-6dB频域相对带宽高出6.3%。上述研究成果都验证了我们理论模型的正确性和可靠性，证明了本项目提出的空耦式换能器优化设计方案具有灵敏度高、带宽宽、成本低、加工工艺简单可靠等优点，在空耦式超声检测领域具有良好的工程应用价值。