[发明专利]一种基于压电薄膜制作的点聚焦空气耦合超声换能器

说明书

本发明提供了一种点聚焦空气耦合超声换能器，其包括同轴且从内到外依次设置的金属背衬、绝缘套筒和金属外壳；绝缘套筒具有套筒侧壁和套筒底壁，金属外壳具有外壳侧壁和外壳底壁；所述金属背衬的上表面为凹球面，其上设有通过双面导电胶带粘合在金属背衬上的压电薄膜，压电薄膜的周缘通过一金属圆环顶盖压紧固定在套筒侧壁的顶面上；所述压电薄膜的材质为多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜，且其上下表面镀有金属电极。本发明的点聚焦空气耦合超声换能器采用多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜作为振动元件，使得超声换能器不需要设置匹配层，具有工作频带宽、信噪比高的优点，且制作简单。

技术领域

本发明涉及一种基于压电薄膜制作的点聚焦空气耦合超声换能器，属于声学换能器技术领域，作用是将信号源激励产生的电信号转化为超声振动信号经由空气传播至被检对象中，并可用于接收透射过被检对象或经被检对象反射的超声波，将超声振动信号转化为电信号。通过对接收到的信号进行处理，分析被检对象的特征，可用于超声成像和工业无损检测领域。

背景技术

接触式超声检测由于换能器与空气、被检对象之间巨大的声阻抗差异，需要使用耦合剂改善声能的传递，但这也导致接触式超声检测存在着耦合剂质量问题、多次重复测试情况下耦合状况的差异、耦合剂应用场合有限等固有的局限。空耦超声检测中，空气作为唯一耦合介质实现了换能器与被检工件连续、稳定的耦合，从根本上克服了使用耦合剂带来的问题。但由于空气与换能器之间阻抗失配引起的超声信号能量衰减是限制空耦技术发展主要困难。

目前市场上的空耦换能器一般是以压电陶瓷(如PZT)或PVDF为振动元件的。其中，PZT制成的换能器结构坚固，但带宽较窄，因此制作复杂，不适合用于超声成像，且PZT属于脆弱易碎材料，材料本身不能固定到弯曲表面上，需要经过精细加工才能够用于制作聚焦换能器。PVDF材质柔韧，密度低，阻抗低，虽然工作带宽较宽，但激发效率低，仅依靠自身压电性能不足以满足空耦检测激发应用的要求，所以适合用做接收换能器；同时PVDF包含铅元素，带有潜在的健康风险。此外，PZT和PVDF均与空气声阻抗相差巨大，面临阻抗失配问题，因此，需添加匹配层才能满足换能器和空气之间的声学匹配要求，提高压电元件与空气之间的声能透过率和灵敏度，使声波能量最大限度地向空气中进行辐射。

近年来，多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜由于较强的压电性能被开始开发研究作为压电信号的激励与接收元件，如应用于路面铺设，可以实现车辆通行时的碾压产生微弱电信号，收集电信号用于路灯等照明设施。考虑到多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜声阻抗低、工作频带宽、能量转化效率高和柔性好等，结合换能器的聚焦结构设计，应该是克服空气与换能器之间阻抗失配引起的超声信号能量衰减这一困难的有效途径之一。但目前市场上尚不存在基于多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜的超声换能器商品，其原因在于多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜比较轻薄，单纯激励产生的超声信号亦比较微弱。

发明内容

本发明提供了一种可同时用于激发与接收超声信号的点聚焦空气耦合超声换能器，以使超声换能器不需要设置匹配层、中心频率低、工作频带宽、信噪比高，且制作简单。

为了实现上述目的，本发明提供了一种点聚焦空气耦合超声换能器，其包括同轴且从内到外依次设置的金属背衬、绝缘套筒和金属外壳；绝缘套筒具有套筒侧壁和套筒底壁，金属外壳具有外壳侧壁和外壳底壁；所述金属背衬的上表面为凹球面，其上设有通过双面导电胶带粘合在金属背衬上的压电薄膜，压电薄膜的周缘通过一金属圆环顶盖压紧固定在套筒侧壁的顶面上；所述压电薄膜的材质为多孔聚丙烯铁电驻极体薄膜，且其上下表面镀有金属电极。

所述金属圆环顶盖通过螺钉与所述金属外壳压紧固定。

所述金属圆环顶盖的内径小于压电薄膜的周缘且大于金属背衬的直径。

所述金属圆环顶盖的外径等于外壳侧壁的外径。

所述金属背衬的上表面是通过采用机床精细加工制得。

所述点聚焦空气耦合超声换能器还包括设于其底部的连接接头。