[发明专利]一种柔性梳状导波相控阵换能器

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种用于激励和接收导波的柔性梳状相控阵换能器，特别适用于任意复杂曲面板、管类零件的快速无损检测和嵌入式原位无损检测。

二、背景技术

曲面板管类零件广泛应用于国民经济生产生活的各个领域。航空、航天、能源领域旋转机械中采用大量具有复杂曲面板类形状的叶片、涡流盘等关键零构件，其材料要求特殊，机加工、热处理工艺复杂，工作环境恶劣，周期性载荷高，受力情况复杂，腐蚀性冲击多，工作时间长，在生产、工作过程中极易形成各种类型的缺陷。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。在国民经济生产、生活中大量采用各种管线，承担着各种液体的运载功能，由于高压、腐蚀工作环境，及现有管线在役时间长等因素，近年来时常会出现由于缺陷引发的管线爆裂事故发生，急需对其进行快速、定期原位无损检测。

复杂曲面板类零件由于表面曲率不等，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导波换能器，由于其斜楔为刚性其尺寸较大，无法与曲表面进行贴合，无法保证激励导波所需的入射角，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导波换能器，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。各种管线安装时一般采用架空、埋地形式，或铺设在狭小密闭空间内，不利于检测人员进行操作，也急需一种适用于原位或嵌入式快速无损检测手段。

传统的相控阵成像技术采用超声纵波探头组成探头阵列，利用相控原理对检测对象进行电子扫描成像。由于纵波是沿零件表面法向传播的，对大型板材进行全面扫查时，由于板材厚度小，无法正常利用传统相控阵换能器纵波波前聚焦产生的不同角度辐射的纵波声束，且无法实现整个试样表面的快速扫描检测。

今年来，出现使用带斜楔的相控阵换能器在被测试样表面激励导波，但由于其采用刚性斜楔，且尺寸较大，无法与曲表面进行贴合，无法保证激励导波所需的入射角，耦合效果差，检测信号能量转换率和检测灵敏度极差。同时相控阵换能器在其中所起作用仅为利用声束偏转调整入射角度，其产生的导波与传统单晶压电换能器斜入射激励的导波一样，仅为沿斜入射方向传播的一维声束。为完成整个试样表面的检测，必须配合机械扫描运动。控制刚性斜楔沿空间曲面进行一维扫查时，除了一维移动外，还至少必须增加其两个转角运动，以控制斜楔姿态，保证与曲面的良好耦合。

因此，急需开发一种能够适用于复杂曲面板或管缺陷检测、且无需机械扫查的导波换能器，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偏转或聚焦扫描特点的纵向体波，而不能在板管类零件中激励沿板延展方向或管轴线方向传播的具有电子偏转或聚焦扫描特点的导波。

三、发明内容