超声换能器特性回望

综 述
超声换能器特性回望
李　衍
(江苏太湖锅炉股份有限公司,江苏无锡　214187)
摘　要:回望并介绍了超声换能器影响检测灵敏度和分辨力的若干重要物理特性,有助于换能器的更新换代和缺陷定量定性技术的完善与提高,也有助于T OFD 、相控阵、SH 横波和导波等UT 新技术的推广应用。

关键词:超声换能器;物理特性;超声检测
中图分类号:T G115.28　文献标识码:A 文章编号:1671-4423(2006)02-01-05
1　压电换能器
换能器是将一种形式的能量转换成另一种能量的器具。

超声换能器能将电能转变成机械能(声能),也能将机械能(声能)转变成电能。

现代探伤有几种方法可产生和检出超声脉冲,最常用的是利用某些材料的压电效应。

其它还有电磁声换能器(EM AT )和激光技术。

1880年居里兄弟发现:从某些晶体材料按特定方向切割下来的薄片,当受机械力作用产生变形时,会在薄片两面产生电压,他们称此现象为“压电”。

翌年,李普曼又发现了相反的现象:加在薄片两面的电压也会使薄片产生机械变形(即逆压电效应)。

石英(SiO 2
)是压电材料的典型,四水酒石酸钾钠(罗谢尔盐)和电石晶体也显示相同效应。

在超声探伤最初30年间,从1929年直到19世纪50年代末,石英一直是最常用的换能器材料。

所
需薄片是从石英单晶体上切割下来的。

随后,又开发了新的多晶材料。

这种材料电阻抗较低(耐高频),超声特性较优,效率比石英高60%～70%。

做换能器前,多晶材料须经极化处理。

极化时,各晶体按同向排列整齐,以使其综合效应相干;极化方法:将多晶薄片置于油浴槽中加热到接近临界温度即居里温度,并在薄片两侧施加强静电场,然后使之降温缓冷(图1)。

超声探伤常用的压电材料,其居里温度各不相同,故油浴槽温度需根据所使用的压电材料加热到适当
温度。

如:钛酸钡(BaT iO 3)的居里温度约为120℃,
图1　压电晶片的极化
而不同牌号的锆钛酸铅(PbZrT iO 3,缩写PZT ),居里温度为190℃～350℃,偏铌酸盐(PM N)约为400℃。

若使压电材料随后加热到居里温度,它就会“退极”,丧失压电特性。

因此,检测高温试件时,须防止换能器“退极”。

必要时,应另选换能器材料。

2　几个重要物理特性
2.1　振动模式
换能器薄片,不管是由自然界存在的压电单晶体制成,还是由极化的多晶体材料制成,当言及探头结构时,通常都称其为“晶片”。

晶片可为圆形或矩形;对某些应用,还可作成瓦形或凹面,以使声束聚焦。

晶片受到电脉冲激励时产生的振动模式,对石英单晶来说,取决于其切割方向;对多晶体来说,则取决于其极化方向。

图2即典型的石英单晶体;图2(a )中标有结晶学规定的三个晶轴;图2(b)为从晶体上切下的两晶片,分别为X-切割晶片和Y-切割晶片。

这里,所谓X-切割晶片是指表面与X 轴相垂直的晶片,而Y-切割晶片是指表面与Y 轴相垂直的晶片。

若将交变电压施加于晶片两面,X-切割晶片会在厚度方向产生伸缩变形,而Y-切割晶片会在
第30卷第2期2006年4月 无损探伤N D T
Vol.30No.2
Apr il.2006
剪切方向产生伸缩变形,如图3所示。

同理,多晶体材料经极化后也能产生这两种振动模式:极化方向垂直于晶片表面的,相当于X-切割;极化方向平行于晶片表面的,相当于Y-
切割。

(a)晶轴三向(b)晶体切片
图2
　典型的石英单晶体
图3　晶片切割或极化方向与振动模式(波型)
X-切割晶片在超声波探伤中最常用,它能产生和检出纵波,故能通过液体耦合剂传播声波。

Y-切割晶片可用于在金属试件中产生横波(指质点振
动方向与传播方向垂直而与表面相平行的SH 横波),但横波不能存在于液体或气体中,故只能通过固体耦合介质或蜂蜜类高粘度耦合剂,才能在金属中传播。

换言之,使用这种晶片时,几乎要使晶片粘定在适当位置。

这种换能器多用于取代爬波探头,专用于检测T 型接头或管座角焊缝或轴类锻件的表层缺陷。

2.2　脉冲发生方法和频率
用晶片产生短的声脉冲时,用相应频率的交流电压是无法“驱动”晶片的,而只能用短而尖的高频电脉冲来激励晶片,让晶片以其自然共振频率振动。

这很像弹拨吉他琴弦,令琴弦以其自然频率振动。

当为压电晶片时,晶片在施加电压时伸展,只在电压快速切断时才产生声波。

为增大超声波幅(响度),就要提高加到晶片上的峰值电压(脉冲能量)。

超声换能
器的频率取决于晶片厚度:晶片越薄,则共振频率越
高。

石英单晶体按一定方向切片后,要按所需频率研磨成适当厚度。

多晶材料是先做成软膏,压制成型,再切片,再研磨成所需厚度,然后进行极化处理。

对给定频率所需厚度,可根据所用晶片材料的频率-厚度常数算出。

因该常数相关于晶片材料中的纵波声速,故PZT 与石英晶片在给定频率下所需厚度也不同。

频率-厚度常数可用下式表达:
f t =V /2(1)
式中　f —所需频率
t —晶片厚度
V —晶片材料中的纵波声速
2.3　脉冲长度的控制
超声波探伤中,可测出回波从缺陷或试件底面
返回试件表面、到达接收器的时间。

只要已知材料声速,由此时间即可求出超声波传播距离。

如图4所示,假定试件中有一裂纹生于一螺栓孔边缘。

用纵波探头探测时,有些声波会在螺栓孔顶部反射,还有些声波则稍迟后些,在裂纹处产生反射。

两回波到达接收器的时间间隔颇小,为(T 2-T 1)。

若晶片持续振动时间(即脉冲长度)T PD 长于此时间间隔,就难以将裂纹与螺栓孔顶部区别开来,以致裂纹漏检。

这是由于不能分辨两处反射回波,或者说分辨力低的缘故。

要提高分辨力,就要确保换能器脉冲长度尽量短些。

(a)探测螺栓孔裂纹(b )脉冲长短与分辨力
图4　超声脉冲长度对分辨力的影响
超声波探伤中,一般是通过在压电晶片背面加置阻尼块或吸收块来缩短脉冲持续时间的。

阻尼块通常由环氧树脂加钨粉制成。

加在晶片背面的阻尼量就决定了探头的分辨力。

短脉冲探头只有1～2个周数,而长脉冲探头可能有3～5个周数。

未阻尼的晶片,脉冲中可能有12个以上周数。

对一个脉冲给定的周数来说,该脉冲的持续时间或占有时域,将取决于波长,而波长又取决于探头频率和被检材料声速。

因此:
脉冲长度=脉冲周数×波长
2 无　损　探　伤 第30卷
显然,提高探测频率也是提高分辨力的方法之一。

但声波穿透力(传播距离)又随频率提高而减小,故频率并非总能提高。

要选择适当频率,往往要在穿透力、分辨力和探伤灵敏度三者之间,作折中考虑。

有时,超声波探伤还不能在关键深度检出特定缺陷。

尽管分辨力在许多工程检测中是重要因素,但有时也宁可选用较长脉冲。

例如,检测机车车轴类长轴时,探伤仪示波屏可能只有75mm 宽,而时基线可能要表示整个轴长(如2.5m 长)。

一个2周数的短脉冲,只占据示波屏一小部分,很难进行观测,故遇此情境,宜使用适于观测的较长脉冲。

2.4　带宽和Q 因子
从换能器发出的超声波不是单一频率的声波。

实际上,是一个包含多种频率的频带,此频带相关于晶片厚度、晶片面积及阻尼效应。

另外,换能器电特性及相关电路,也会影响总频谱。

此频谱通称为探头频带宽度——简称“带宽”。

对设计良好的探头,其带宽中心应为所需探头频率,而低端和高端通常则定义为波幅降低若干百分比(或dB )时的频率。

这方面有取值为30%(-3dB)的,也有取值为50%(-6dB)的。

ISO 10375:1997《超声探头及其声场的表征》规定用50%(-6dB )取值。

图5(a)表示中心频率为5MHz 的探头,其-6dB 带宽为2.5～7.5MHz;图5(b)表示另一5M Hz 的探头,其-6dB 带宽仅为3.75～6.25M Hz 。

前者
称为宽带,后者称为窄带。

实际上,短脉冲探头是宽带,而长脉冲探头是窄带。

对给定的晶片尺寸、材质和频率来说,阻尼不仅减小脉冲长度,也减小脉冲幅度,故窄带探头脉冲较长,而脉冲幅度较大,因而声
波穿透力也较强。

(a )宽带(b )窄带
图5　换能器带宽与Q 因子
带宽也可用探头“品质因子Q ”表示,其公式如下:
Q =f c /(f U —f L )(2)
式中　f c —中心频率
f U —-6dB 高端频率f L —-6dB 低端频率
未阻尼晶片Q 因子可高达20000。

超声波探伤用换能器Q 因子通常为1～10。

相关标准对超声换能器脉冲回波带宽的规定比较见表1和图6(a)。

表1　不同标准对超声换能器脉冲回波带宽的规定比较
国家标 准 号标 准 篇 名带 宽 定 义带宽界限德国D IN 2545:1990
超声手工检测系统窄带:(f U -f L )/f c ≤0.3-3dB 美国A ST M E 1065:1992超声探头特性评价标准指南宽带:(f U -f L )/f c ≥0.5-6dB 国际ISO 10375:1997超声探头及其声场表征同AST M E 1065:1992-6dB 日本
JIS Z 2350:2002
超声探头特性测定方法
同AST M E 1065:1992
-6
dB
(a)脉冲带宽的划分(标准比较)
(b )B w =31%(c )B w =47%(d )B w =83%
图6　不同带宽的频谱与AC 回波信号示例
3
第2期 李　衍:超声换能器特性回望
ISO 和日本标准中均以B w 代表带宽,用相对值%表示:
B w =[(f U -f L )/f c ] 100%
(3)
为供参考,图6(b)、图6(c)、图6(d)给出了带宽B w 取值分别为30%、50%和80%时的频谱与AC 回波信号的示例。

6(b )、6(c )、6(d )三分图中,AC 回波信号峰值数各为9,5,4,周数各为4.5,2.5,2。

按标对号入座:图6(d )2周,属高分辨力,宽带;图6(b )4.5周,非高分辨力,窄带;图6(c)分辨力、带宽居中。

3　新型换能器
3.1　压电-合成换能器
压电换能器的最新开发:探头中的主板,是由压电晶片切成许多小方块后,再用环氧树脂或合成橡胶组成的矩阵制成的(图7)。

这种结构的主要优点是:第一,声阻抗较低,能改善声匹配。

这对探测铸件和不锈钢特别有利。

第二,分辨力适中,毋需附加阻尼就可提供短脉冲,
这样可使探头长度减小。

图7　压电-合成换能器
3.2　压电高分子换能器
某些高分子材料经强电场极化处理后,就会产生压电特性。

高分子压电材料有柔性,耐变形,声阻抗小,可制成压电薄膜,易于加工成多种形状,具有一般无机压电材料所欠缺的许多特长。

目前在医疗超声诊断和工业超声检测上作为新型换能器得到推广应用。

压电高分子有好几种,最常用的是聚偏氟乙烯PVDF [偏氟乙烯(CF 2-CH 2)的聚合物]和P (VDF /Tr FE )[氟化乙烯叉与三氟乙烯(CHF -CF 2)的共聚物]。

其电声特性与常用压电体PZT 的特性比较,见表2。

PVDF 通过高压结晶和固相挤压延伸法等制作工艺,可得k t =0.27的压电薄膜。

P (VDF /TrFE )的
VDF 与Tr FE 克分子比为70/30～80/20时,可得最大k t 值。

表2　压电高分子的电声特性(室温)
特 性PVDF P(VDF /TrFE )(LCF) P(VDF /TrFE)(SCF) PZT 密度(103kg/m 3)
1.78 1.900 1.9357.5声速纵波V 33(km /s )
2.26 2.450 2.37 4.6 横波V 44(km /s )0.95 1.14 1.16 2.3声阻抗Z 3(M ral ) 4.02
4.51 4.5834.4机电耦合系数k t 0.200.2850.2950.41 k 240.120.200.280.28压电应力常数e 33(C /m 2)0.140.1750.1851
5.1压电电压常数g 33(Vm/N)
0.250.330.380.026比介电常数( 3/ 0) 6.2 5.3 5.013.00介电损耗系数tan 30.250.120.050.005机械损耗系数tan 3
0.10
0.04
0.04
0.004
注: 层状结晶薄膜 单晶薄膜
高分子薄膜的压电效应有五种,如图8所示:即厚度伸缩[TE ](a ),长度伸缩[LE ](b )、(c ),厚度切变[TS ](d )、(e )。

用电子仪器测出与其相应的五种压电振子自由振动的共振频率特性,就能定量评价这些压电效应。

将高频交流电压施加于[T E]振子上,使薄膜产生振动时,电能输入变换为声能输出的
效率与k 2t 成正比;发收往复时,则与k 4
t 成正比。

五类
振子中,能发收可用纵波的只有[TE ](a );[T S ](d )或[TS ](e )振子用于发收横波,[对高分子,(d )的效率高于(e )];[LE ]振子仅用于发收100kHz 以下的纵波。

因此,作为超声波探头利用的,就是(a )和(d )。

图9表示P (VDF /T rFE )(75/25)的单晶薄膜机电耦合系数与温度的关系。

可见k t 和k 24数值较大,与温度相关性较少。

P (VDF /TrFE )薄膜,可从很低温度到100℃的温度范围内,作发收纵横波的换能器,其频谱甚宽(至少到1GHz )。

P (VDF /TrFE )的居里
(图中箭头表示振动位移方向)
图8　P(VDF/TrFE)压电薄膜制作的五类压电振子
4 无　损　探　伤 第30卷
图9　P(VDF/T rFE)单晶薄膜的机电耦合系数与温度的相关性
点取决于VDF 与T rFE 的组成比:组成比越高,则居里点也越高,探头的使用限界温度也越高。

这种压电薄膜对金属试件无损检测,特别是高温下的实时检测,颇具潜力。

因薄膜直接贴合到试件上,就免除了高温耦合剂的弊端。

用这种薄膜换能器小巧玲珑,不像带水柱的换能器或需要有缓冲物隔热的换能器,因此可用于一般常用探头很难接近的部位。

检测试验证明:该薄膜换能器可检出铝试块和低碳钢试块中的底面回波,也能检出试块中 1.0mm 的模拟缺陷。

对高温无损检测显然有独特的效用。

压电薄膜可用于动力锅炉类高温在用承压设备管壁厚度的实时监测,对承压设备的安全使用,及在用状态下的剩余寿命估判,具有很大价值。

4　特殊换能器
4.1　电磁声换能器
电磁声(EMAT )换能器可代替压电换能器进行非接触式探伤。

声波靠施加在扁平线圈上的电脉冲在金属试件表面产生。

该线圈置于强磁铁与试件之间,由电脉冲激励线圈所产生的磁场,与电磁铁固有磁场相互作用,引起试件表面快速机械应变,以致产生超声波在金属试件中传播。

电磁声探头使用时毋需接触试件表面,但要靠近表面。

超声回波返回试件表面时,又会引起表面在磁场中振动,因而在表面产生涡电流,此涡电流又被线圈检出。

图10(a)、图10(b)、图10(c)表示电磁声(EM AT )换能器产生纵波、横波、表面波的原理示意图。

当探测高温试件,或被探试件表面涂覆橡胶、油漆或玻璃纤维时,就可用电磁声探头进行非接触检测。

这种探头可配置成产生水平偏振(SH)横波,直接进入试件,因SH 横波遇到平行于偏振方向的反
射面不会产生波型转换,故用电磁声探头探测奥氏
体焊缝、铸件及其它粗晶材料有独特的优点。

又因横波声速约为纵波声速的一半,其波长较短,可获得较优的近表面分辨力,故对检测薄板也有利。

但电磁声探头也有缺点:与常规探头相比,其体
积较大,效率较低,不能用于非导体试件的检测,除非表面有导电涂层。

4.2　激光换能器
另一种产生超声波的非接触法就是用激光技术。

将激光束投射在试件表面,会引起热冲击,使表面快速局部膨胀。

表面的突变会产生超声脉冲在试件中传播。

返回的回波又引起试件表面形变,此形变毋需通过耦合剂即可被单独的激光干涉仪检出,也可通过耦合剂用常规压电晶片检出。

换能器与试件之间的间隔距离,可远大于用电磁声探头时的条件(可达250mm )。

航空工业合成材料的检测是激光探头的典型用例之一。

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第2期 李　衍:超声换能器特性回望 。