[发明专利]一种适用于曲面检测的声表面波柔性梳状换能器

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种用于激励和接收声表面波的柔性梳状换能器，特别适用于任意复杂曲表面微小缺陷的快速无损检测和嵌入式原位无损检测。

二、背景技术

随着设计和制造能力的飞速发展，各个工业领域在其关键装置的关键零部件上大量采用复杂曲面零构件。这些零构件的工作时，往往受周期应力和温度环境作用，腐蚀性冲击强、工作时间长等特点，工作过程中极易形成表面疲劳裂纹缺陷。由于其通常在机器运转中承担着关键性作用，因此在该类复杂关键零构件的生产制造和在役过程中，需对其表面缺陷进行严格无损检测与监测，对保障各工业领域关键装置的安全运行具有重大意义。

由于该类零件表面曲率不等，表面形貌复杂，采用传统的超声无损检测方法很难实现其快速检测，且检测成本大大增加。如对叶片、机翼类三维曲面零件进行检测时，若采用采用传统超声C扫描进行检测，需采用5轴联动装置进行扫查，方能完成扫查检测，费时费力、检测效率极低、成本高，且表面盲区大、无法全面检测出表面微裂纹。若采用目前常用斜楔式声表面波换能器，由于其斜楔为刚性其尺寸较大，无法与曲表面进行贴合，无法保证激励声表面波所需的入射角，耦合效果差，检测信号能量转换率和检测灵敏度极差。

因此，急需开发一种能够适用于复杂曲面表面裂纹缺陷检测的声表面波换能器，这种换能器应能贴合复杂曲表面，且具有安装简单、体积小等特点，能够满足曲面构件表面的快速或嵌入式原位无损检测需求。

国家知识产权局公开了一篇公开号为CN103157594A的专利：“一种柔性超声相控阵阵列换能器及制作方法”，目前该专利处于实效审查状态，该专利描述了一种柔性超声相控阵阵列换能器及其制作方法，所述换能器包括柔性压电陶瓷复合材料晶片、阻尼背材、匹配层、柔性线路板、同轴电缆线和探头接口；所述匹配层、柔性压电陶瓷复合材料晶片和阻尼背材依次粘接在一起形成声学叠层；所述柔性线路板与柔性压电陶瓷复合材料晶片连接，并从柔性线路板引出多芯同轴电缆线到所述探头接口。公开号为CN101152646A的专利：“柔性超声换能器阵列及其应用装置”，目前该专利已授权，该专利描述了一种柔性超声换能器阵列，该超声换能器的超声换能器单元、超声发射器/超声发射接收器、超声耦合介质、微处理器、及柔性层介质，该超声换能器单元以阵列形式安置于该柔性层介质中或表面而构成柔性超声换能器阵列，柔性超声换能器阵列能够贴合各种具有不同表面形状的身体部位，从而能够获得现有技术无法达到的超声治疗/超声成像效果。上述两种柔性阵列换能器均是通过对阵列中的不同压电振子单元施加具有一定延时的脉冲激励，在被测试样内部沿柔性层法向方向激励具有电子聚焦扫描特点的纵向体波，而不能在被测试样表面激励沿柔性层内阵列排布方向传播的声表面波。

三、发明内容

本发明提供了一种特别适用于曲表面裂纹检测的声表面波柔性梳状换能器，具有能够贴合曲表面、厚度小的特点，可以实现曲表面裂纹缺陷的快速或嵌入式原位无损检测。

该声表面波换能器至少包括2个以上多个条形压电振子，一般为4到8个条形压电振子，多个条形压电振子沿宽度方向排列形成梳状阵列结构。各压电振子之间的中心间距w为被测材料声表面波波长，即被测材料声表面波声速与换能器中心频率之比。通过对换能器的所有压电振子同时施加电激励，如周期脉冲激励或正弦串激励，在被测材料表面激励出沿柔性层内阵列排布方向传播的声表面波。

如图2所示，该声表面波换能器包括多个条形压电振子(1)、正负电极(2)、吸声填充物(3)、背衬吸声层(4)、匹配层(5)、保护膜(6)、电路板(7)、、外套(8)、电缆固定外壳(9)、同轴电缆(10)、接头(11)，其中多个压电振子规则排列形成阵列，如图1所示。压电振子采用柔性压电陶瓷复合材料，吸声填充物、背衬吸声层、匹配层、保护膜、电路板和外套均采用柔性材料，以保证换能器能够适应曲表面，与之完全贴合。

如图2所示，条形柔性压电振子宽度d为被测材料声表面波波长的二分之一，振子与振子之间的间隙s亦为被测材料声表面波波长的二分之一，振子与振子之间的中心间距w为被测材料声表面波波长。振子长度l为梳状阵列总长度D的0.618倍并取整，即:取整[(振子间中心间距w×振子个数n-振子间隙s)×0.618]，一般振子长度l与宽度d之比不超过10:1。