[发明专利]空气耦合超声检测换能器声场特性测量装置

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种适用于空气耦合超声检测换能器声场特性测量的装置，包括：扫查机构、超声收发及信号采集系统、运动控制系统、声轴对准机构、微孔遮声器。 

二、背景技术

空气耦合超声换能器及空耦超声检测技术由于其非接触的特点可以避免很多由于液体耦合所带来的麻烦。传统的超声检测方法需要专门的耦合剂(如水等)或采用完全水浸法来减少超声波在传输介质中的损耗，这些耦合条件限制了它在很多场合的应用，如被测对象不允许水浸入或不允许接触，如多孔渗水材料、食品、药品等的检测，空气耦合式超声波无损检测技术较好地弥补了这方面的不足，它具有非接触、非侵入、完全无损的特点。其非接触的优势使得空气耦合式超声检测方法成为解决速无损检测技术的主要发展方向之一。 

但是由于换能器压电晶片材料声阻抗与空气声阻抗严重不匹配使得空耦换能器的效率低、频带窄、脉冲余振长，从而导致空气耦合超声波检测系统无法达到一般超声检测系统的灵敏度、信噪比和分辨率。加之空气耦合超声检测气固界面的耦合过程中空气和待检固体材料之间存在巨大的声阻抗差异，所以相比其他液体耦合介质其信号幅值要低很多。由于这两个耦合层面上的声阻抗失配使得该技术一直没有进入实际应用。但是近几年随着微小加工技术的发展以及高分子材料技术的进步，高效率、高灵敏度的空气耦合式超声波换能器的制作取得了较大突破，加上低噪声、高增益放大器的研制及与超声波信号特性相适应的数字信号处理技术的发展，空气耦合式超声波无损检测技术有了长足的进步。 

空耦换能器声场特性直接影响检测的灵敏度和缺陷检测的横向和纵向分辨力。检测的效果和声场的性质密切相关，所以超声换能器的声场特性是衡量换能器的性能的最重要因素。目前空气耦合条件下的声场特性的研究还不够深入，国内外尚没有空耦声场特性测量的相关标准，在已有的空气中超声声场测量方面，主要是光学法和微小接收器法，光衍射方法可以测量40KHz-2MHz频率范围的空耦换能器声场分布，但该方法测量过程复杂，设备昂贵；微小接收器法中所使用的微小空气声场接收器制作困难，灵敏度较低。 

三、发明内容

本发明的目的是提供一种空气耦合超声换能器声场特性校准装置，解决空气耦合超声换能器的声场特性校准问题，实现自动化测量换能器声场的焦距、焦区长度、焦区宽度以及声束扩散角特性。 

声场特性校准装置工作原理是：空耦换能器声场测量需要在无气流扰动情况下进行，因为声波通过空气传播，气流会影响空耦声场的分布，本装置包含一个封闭透明测量仓，尽量减少气流的影响。 

在进行测量前，首先将接收换能器安装在固定支架上，其轴向为Z轴方向。 并通过声轴对准机构将被测空耦换能器的声束轴调整到与Z轴重合。测量时，超声脉冲收发仪向换能器发射电脉冲信号，换能器在电脉冲信号的激励下会辐射出超声脉冲声场，脉冲声场在传播途径中被带有微孔遮声器的声接收器接收，超声脉冲收发仪对接收到的电脉冲信号进行初步调理后将其传送到数据采集卡中，数据采集卡对电脉冲信号进行模数变换后由计算机计算出脉冲回波信号的峰值，将此电压峰值作为声信号的声压幅值，并近似将这个声压幅值当作换能器辐射声场中接收换能器孔径中心所在点处的声场声压幅值。由计算机通过运动控制系统带动超声换能器相对于接收孔径进行空间扫描运动，就可以测得空耦超声换能器的空间声场声压分布。 

本发明的目的是这样实现的： 

本发明的测量装置包括：扫查机构、超声收发及信号采集系统、运动控制系统、声轴对准机构、微孔遮声器。 

在对超声换能器声场特性进行测量时需要对换能器的声场进行一维和二维的自动扫查。通过对换能器声轴方向的一维扫查得到换能器的声轴线声压分布，从而得到焦距和焦区长度这两个特性参数；通过对垂直于换能器辐射面及声轴的二维扫查得到换能器不同轴向位置的声束横截面声压分布，通过对垂直于换能器辐射面但平行且包含声轴的二维扫查得到换能器声轴轴向剖面声场声压分布，进而可以得到两个方向上的焦区宽度，最后通过计算程序得出各参数。 

测量装置性能参数： 

测量范围：Z轴600mm，X轴300mm，Y轴300mm；A和B轴转角±90°； 

最大扫描速度为10mm/s； 

最小采样间隔为0.05mm； 

数据采集卡采样率为100M； 

四、附图说明

图1本发明空气耦合超声检测换能器声场特性测量装置的原理图 

图2本发明微孔遮声器结构示意图 

图3本发明声轴对准机构示意图