压电空气耦合超声换能器制备优化及实验验证

董方旭，周鑫翊，刘发付，凡丽梅，高华昀，窦占明，段 剑，姜胜林，张海波

(1.中国兵器工业集团第五三研究所，山东 济南 250031；2.华中科技大学 材料科学与工程学院 材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074；3.中国兵器工业集团第五二研究所，内蒙古 包头 014000；4.中国振华集团云科电子有限公司，贵州 贵阳 550018；5.华中科技大学 光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

超声检测作为一种无损检测手段，利用超声波对物体表面和内部缺陷进行检测[1-2]。该技术在医疗、新能源、多孔材料、食品、航空航天等领域应用较广[3-4]。传统的超声检测技术需要在换能器和被测物体间涂覆耦合剂，耦合剂的存在可能对某些待测物体造成损伤和污染[5]。因此，一种以空气为耦合介质的超声无损检测技术应运而生。该项技术利用空气作为超声波传播的介质，拥有完全非接触，非侵入的优点，适用于食品、药品等不适合接触式超声无损检测技术领域，应用前景广阔[6]。

目前空气耦合超声换能器分为电容式与压电式两类[7]。压电式由于造价低，性能稳定，已被广泛应用。但压电式空气耦合超声换能器由于压电元件和空气间存在严重的声阻抗失配，无法实现超声波能量的有效传输，降低了换能器的探测性能[8]。为了实现压电元件与空气声阻抗匹配,常用的方法有制备1-3型压电复合元件与在换能器前端添加匹配层。Smith等[9]基于Newnham的串并联理论，构建1-3型压电复合材料等效本构方程，推导出的1-3型压电复合材料换能器在性能上具有独特优势。刘大康[10]制备的1-3型压电复合阵列有效地降低了压电陶瓷片的声阻抗，厚度机电耦合系数kt增大，平面机电耦合系数kp减小。王晓彧等[4]使用空心玻璃微珠/环氧树脂复合材料与微孔发泡材料制作空气耦合压电换能器用双层匹配层，实现匹配层声阻抗为0.03～1.40 MRayl，提升了换能器性能；Chao Zhong等[11]使用压电复合材料和λ/4(λ为波长)匹配理论进行数值计算分析，得到匹配层的厚度为λ/4时，换能器拥有较宽的带宽。

目前空气耦合换能器匹配层制备通常是将空心玻璃微珠溶于具有一定流动性的树脂中，并通过抽真空方式进行除泡，这种方法使固化后匹配层的密度较高且存在气孔。因此，本文对匹配层制备工艺进行优化，采用手工挤压方式制备匹配层，增大匹配层中空心玻璃微珠含量，有效地降低了匹配层密度，减少了匹配层中的气孔。本文制备空气耦合超声换能器具体流程如下：使用COMSOL对空气耦合超声换能器进行了有限元分析，设计了工作频率为400 kHz的空气耦合超声换能器，该频率下，超声波能较好地兼顾穿透性与成像分辨率，在无损检测(如金属探伤、锂电池检测等)领域有广泛应用。选用较低粘度树脂优化真空除泡工艺制备1-3型压电复合元件，以及优化匹配层来实现压电元件与空气声阻抗的调配。对发射信号与接收信号的时域测试结果进行分析。研究发现，自制空气耦合超声换能器的带宽、灵敏度与插入损耗等指标优于部分商用产品，证明采用本文制备工艺制备的1-3型压电复合元件和匹配层对空气耦合超声换能器声阻抗有较理想的调配结果，且据此制备的空气耦合换能器有较好的性能。

1 1-3型压电复合超声换能器的有限元分析

本文使用COMSOL软件对空气耦合超声换能器进行了有限元分析，模拟了1-3型压电复合元件中陶瓷相体积分数φ对压电元件阻抗谱的影响。同时还模拟了压电陶瓷柱宽高比与压电元件特征频率的关系。

图1(a)、(c)分别为1-3型压电复合元件的结构示意图。

图1 空气耦合换能器的1-3型压电复合元件的有限元模拟结果

由图1(b)可知，随着压电陶瓷柱宽高比的降低，1-3型压电复合元件特征频率逐步下降，压电陶瓷柱宽高比约为0.38时，1-3型压电复合元件特征频率为400 kHz。1-3型压电复合元件的φ与阻抗关系如图1(d)所示。当φ=0.7～0.9时，压电元件所需工作频率(400 kHz)处于压电元件谐振与反谐振频率之间，换能器在工作频率拥有较好的性能。

基于模拟结论与加工设备的客观条件，本文设计PZT-4制备1-3型压电复合元件的φ=0.89，压电陶瓷柱尺寸为2 mm ×2 mm ×5.2 mm(压电陶瓷柱宽高比为0.385)，其在400 kHz的工作频率拥有较好的性能。

2 空气耦合超声换能器的制备

本文按照有限元模拟所设计阵列尺寸对陶瓷片进行切割，根据设计尺寸制备的1-3型压电复合元件如图2(a)、(b)所示。将低粘型环氧树脂与固化剂按质量比4∶1混合，搅拌均匀，在55 ℃真空环境下保持12 h,使其固化，得到无气泡的1-3型压电复合元件。

图2 1-3型压电复合元件、匹配层及换能器实物图

本文选择常用的环氧树脂+空心玻璃微珠制备匹配层。先将环氧树脂与固化剂混合均匀(质量比4∶1)，再加入一定体积分数的空心玻璃搅拌均匀，最后采用真空与超声方式除泡。该方法需要固化前的匹配层有一定流动性，难以使空心玻璃微珠在树脂中达到溶解极限,使匹配层的密度最小，进一步降低匹配层的声阻抗。因此，本文将环氧树脂∶固化剂∶空心玻璃微珠按质量比4∶1∶5进行配置，并使空心玻璃微珠在环氧树脂中达到溶解极限，手工挤压溶解玻璃微珠的树脂以去除树脂中的气孔。最后将树脂压入硅胶模具中固化形成匹配层。对两种方法制备的匹配层材料进行分析，其密度、声速与声阻抗如表1所示。由表可看出，改进工艺制备的匹配层声阻抗降低，能更好地调配压电元件与空气的声阻抗差异，提升换能器性能。

表1 匹配层材料物理参数表

匹配层厚度根据λ/4经典理论进行设计，匹配层的实物如图2(c)、(d)所示。此外，本文为获得较好的灵敏度，选用空气作为换能器背衬，图2(e)为封装好的空气耦合超声换能器实物。

3 实验结果与讨论

3.1 1-3型压电复合元件性能

本文对压电陶瓷切割前及与环氧树脂复合再次极化后的压电常数(d33)和阻抗进行测试分析。d33测试结果如图3(a)所示。由图可知，PZT-4压电陶瓷复合再次极化后的压电常数相比压电陶瓷切割前有小幅降低，复合后压电元件的压电常数改变，可能是由于极化工艺不同导致。对PZT-4压电陶瓷复合前后的阻抗进行测试，阻抗结果如图3(b)、(c)所示。由图可知，经1-3型复合后的压电陶瓷的谐振与反谐振峰明显减少，表明树脂能有效地抑制1-3型压电复合元件除厚度振动模态的其他振动模态，使厚度振动更纯粹。

图3 压电陶瓷切割前与压电陶瓷1-3型复合后d33与阻抗图

对比图3(b)、(c)观察到对压电陶瓷进行1-3型复合，使其压电元件带宽增加。由图3(c)还可看出，换能器所需工作频率(400 kHz)处于压电元件谐振与反谐振频率之间能得到较好的发射与接收性能，压电元件设计符合要求。

3.2 空气耦合常数换能器的测试

本文使用空气耦合超声检测仪(PRACUT-111)对制备的换能器进行测试，测试装置如图4所示。测试中，首先使用商用400K 28N-T(R)作为发射与接收换能器，并对信号进行增益，在发射频率400 kHz、激发电压20 V下测试得到接受信号的时域图，如图5(a)所示。再使用自制的PZT-4空气耦合超声换能器作为接收换能器，用商用的400K 28N-T(R)作为发射换能器，对信号相同增益，测试频率400 kHz、激发电压10 V时得到自制换能器的接收时域图，如图5(b)所示。对两时域图进行分析确定了自制换能器性能效果。最后，使用信号发生器(RIGOL DG5102)与示波器(Agilent MSO-X 3034A)在无增益情况下测试自制换能器的灵敏度(SNS)或双程插入损耗。

图4 空气耦合超声换能器测试系统

图5 空气耦合超声换能器时域图

图5中商用换能器信号采集时域范围为0～0.8 μs，自制的PZT-4换能器信号采集时域范围为0～0.3 μs，两种换能器都在信号采集时域范围0.1～0.15 μs区间接收到回波信号。自制换能器接收信号时域范围约为0.035 μs，相较于商用换能器0.05 μs更窄，表明自制换能器拥有更宽的带宽(BW)。由图5还可看出，自制换能器的峰-峰值电压约为1.12 V，而商用换能器的峰-峰值电压约为1.38 V，但自制换能器激励电压仅为商用换能器的一半，可以得到自制的换能器较商用产品拥有更好的灵敏度及更低的损耗。用示波器测试得到自制换能器的灵敏度或双程插入损耗为-38 dB，在同类产品中性能较好[8]。

4 结束语

空气耦合换能器作为非接触式无损检测技术的核心设备之一，在军民领域的应用前景广阔。本文使用COMSOL软件模拟了压电元件的陶瓷相体积分数与陶瓷柱宽高比对换能器阻抗谱、特征频率的影响。通过制备1-3型压电复合元件与优化环氧树脂+空心玻璃微珠匹配层的方式调节压电元件与空气间声阻抗，制备了工作频率400 kHz的空气耦合超声换能器。自制换能器在工作频率时拥有较纯的厚度振动模态，较宽的带宽，灵敏度与双程插入损耗为-38 dB，表明自研工艺制备的空气耦合超声换能器具有优良的性能与巨大的应用潜力。