焊接精密度0.01mm

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宽频带探头与窄频带探头(一)

来源: | 发布日期:2022-06-30

       对于利用超声波在介质中的传播特性而发展起来的超声检测技术而言,超声检测过程实质上是信号的传输过程。超声波换能器作为电声和声电转换器件,是超声检测系统的重要组成部分。

       按照探头频谱特性分类,探头可以分为宽带窄脉冲探头和窄带宽脉冲探头(或窄带连续波探头)。

       宽带探头的频率主要由晶片特性决定,通常把晶片厚度制作为1/2波长。用振荡频率与晶片共振频率一样的一段正弦振荡激励探头,就可以获得与晶片共振频率一样的宽脉冲。用上升边沿非常陡( 01 左右)的尖脉冲激励高阻尼探头,就可以获得频率范围在0.1~ 10MHz的窄脉冲。激励脉冲前沿越陡(上升越快),所产生的超声波脉冲越窄[4]。但探头频率也与晶片背衬的阻尼、晶片材质、组装在探头内部的线圈等因素有关。同样参数(频率、晶片直径)的探头,由于制作工艺的差异,其性能会差别很大,并带来频谱特性的差异,以及对声场造成影响。频带的宽窄或脉冲宽度对声波在材料中的衰减和信噪比、分辨力也有所影响。因此,不同探头检测同一试件时,可能会得到不同的结果。

       有的探伤仪虽也用尖脉冲激励探头,但由于接收放大器是选频的,所用探头又不是特制的高阻尼探头,所以在荧光屏上呈现的脉冲仍属宽脉冲。窄脉冲需使用高阻尼探头,激励脉冲又极窄,因此窄脉冲的探测灵敏度较低[4]。

       探头中压电晶片与其两侧介质的声阻抗匹配不同时,会对探头发射出的超声波频谱形状产生影响。假定探头与其两侧相匹配介质的声阻抗及界面的声压反射系数如图4-8所示[5],研究得出压电效应方程如下:


 02

 03


       式中,T是在垂直x轴平面上分布的应力:u是沿x方向质点的位移;D是电位移;C是在电位移恒定时沿x方向的弹性刚度;h是应变恒定时的压电系数。当施加一个初始的激励脉冲(16脉冲)时,压电晶片的发射行为只与超声波在探头中的传播以及施加于其表面的应力有关。Lakestani 等人分析了此时探头发射到介质2中的超声波的传递函数,给出的频率响应04 的表达式为[6]


05

 

04的模为

06

 

可以发现07 具有周期性,当频率f满足08 时,07 出现极大值。图4-9所示即为探头与其两侧介质声阻抗匹配情况不同时,按照式(4-17)得出的探头频率响应函数04 对应的模及相应的计算结果[5]。当声阻抗09 即探头两侧介质相同时,式(4-17)和式(4-18)可以被简化为如下形式:


 10


 11

图4-9  探头晶片两侧介质声阻抗不同时激发超声波的频谱分析结果

—探头晶片背面介质声阻抗  —负载声阻抗


       图4-9a所示为12 时的计算结果。当13 14 、探头与其背面介质耦合良好时,频率响应04 的频带最宽。此时15 16 。图4-9b~d所示为1718 分别取0.9、0.27和-0. 23时的计算结果。



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