[发明专利]一种测量空气耦合超声探头灵敏度的装置及方法

说明书

本发明公开了一种测量空气耦合超声探头灵敏度的装置及方法，先用空气耦合换能器用于接收宽带脉冲信号以评估其频谱；再用空气耦合换能器测量具有已知振动位移的短促音信号，以标定其灵敏度幅值。本发明考虑了发射机灵敏度，输入脉冲，衰减和衍射的影响，提高了所标定灵敏度的精度；另外，通过比较测得的位移来确定灵敏度幅值，避免了描述电气设备影响的复杂任务。

技术领域

本发明涉及一种测量空气耦合超声探头灵敏度的装置及方法。

背景技术

空气耦合超声检测是一种无损检测/评估技术的重要组成部分,并已成功地用于检测材料缺陷,测量材料非线性参数,并评估材料损伤属性。当流体耦合装置可能对材料产生损伤时，采用空耦非接触式方法比水浸法更合适；且归功于其快速扫描能力，空耦非接触法比接触法更利于成像测试。空气耦合超声应用的限制因素主要是声波在空气中的高度衰减和压电材料与负载介质之间的声阻抗失配过大。近年来的研究主要集中在提高空气耦合超声测试系统的信噪比，通过制作聚焦波束换能器提高检测分辨率，以及通过引入匹配层提高声能量转换效率等方面。这些都有利于空气耦合超声技术的推广应用。

空气耦合换能器是空气耦合超声检测系统中的重要设备，包括常见的压电陶瓷，电容薄膜和聚偏氟乙烯等，都可用于制造空气耦合换能器。与其他材料相比，压电陶瓷具有良好的机械/声转换能力，易于制作，在高频下具有较高信噪比等优点。因此，由压电陶瓷制成的空气耦合压电换能器在兆赫频率范围内占有相当一定的比例，故常用空气耦合换能器作为超声探头来使用。其中换能器的灵敏度定义为输出声能与输入电能的比值，是描述该类空气耦合换能器电声能量转换效率和频带特性的重要参数。换能器灵敏度的测定是评价同类型换能器性能一致性、表征超声测量系统检测能力、定量评价超声系统检测结果的必要步骤。

通常可采用多种方法确定压电陶瓷超声换能器的灵敏度。由于自互易法仅需要用电测量，并且易于应用，因此已被广泛用于确定水浸式和接触式换能器的灵敏度。然而，它不能直接用于校准空气耦合换能器。由于用单一的空气耦合换能器很难测量脉冲回波信号，因此自互易法无法确定这种换能器的灵敏度。典型的基于往复式的方法需要三个换能器，通过使用不同的换能器对三个独立的间距捕获测量来对某单一换能器进行表征。空气耦合换能器的灵敏度基本可以通过这种方法来确定，但是由于空气耦合换能器和放大器在接收端口的结合将导致阻抗失配问题，并在绝对灵敏度测量中引入误差。虽然可以用其他专门的设备来测量换能器表面的振动特性或换能器产生的波场，从而表征换能器的灵敏度。例如可以使用激光干涉仪来测量接触式换能器所辐射声场中的粒子振动位移，或使用校准的水听器来测量浸入式换能器产生的水中的声压，然后根据这些位移或声压来计算灵敏度。然而，由于换能器灵敏度的测量高度依赖于这些校准，上述方法所用到的这些昂贵设备必须事先提前校准。

发明内容

为了解决目前空气中波传播的衰减及活性压电陶瓷材料与负载介质之间的声阻抗失配较大，导致空气耦合压电换能器校准较为困难的技术问题，本发明提供一种准确简便的测量空气耦合超声探头灵敏度的装置及方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种测量空气耦合超声探头灵敏度的装置，包括灵敏度测量装置，所述的灵敏度测量装置包括信号发生装置、接触式换能器、固体试样、空气耦合换能装置和接收器，所述的接触式换能器设置于所述的固体试样的一侧且直接接触固体试样，并由所述的信号发生装置驱动产生声波，所述的空气耦合换能装置设置于固体试样的相对另一侧且与固体试样之间留有间隙，并接收由固体试样经过空气传来的声波，接收器接收空气耦合换能装置采集的声波信号数据并处理。

所述的一种测量空气耦合超声探头灵敏度的装置，所述的灵敏度测量装置为相对灵敏度测量装置，其中所述的信号发生装置为脉冲发生/接收器，所述的脉冲发生/接收器产生宽频带脉冲信号并发送至所述的接触式换能器，接触式换能器设置于所述的固体试样的一侧且直接接触固体试样；所述的空气耦合换能装置包括空气耦合换能器、电流探针和放大器，所述的空气耦合换能器设置于固体试样的相对另一侧且与固体试样之间留有间隙，空气耦合换能器的输出端依次经电流探针和放大器连接至接收器。