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CN115508457A - 一种相控阵自聚焦换能器 - Google Patents

一种相控阵自聚焦换能器 Download PDF

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CN115508457A CN202211336569.6A CN202211336569A CN115508457A CN 115508457 A CN115508457 A CN 115508457A CN 202211336569 A CN202211336569 A CN 202211336569A CN 115508457 A CN115508457 A CN 115508457A
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transducer
phased array
wedge
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acoustic lens
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CN202211336569.6A
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王飞
赵阳
张寅�
张赓
徐安
朱煜
贾晶晶
孙海漩
毕凌云
李铮
马刚
余淑梅
徐华峰
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Xian Thermal Power Research Institute Co Ltd
Original Assignee
Xian Thermal Power Research Institute Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种相控阵自聚焦换能器，包括换能器壳体、换能器接线端、电缆线、压电晶片、声透镜、楔块、换能器接线芯和装卸螺钉；采用相控阵超声电子扫描激发不同入射角度超声波，经声透镜和曲面透镜的物理聚焦后，在工件内部形成不同聚焦深度范围的扫查。本发明通过设计改变换能器结构，实现不同深度范围单次扫查的目的，提高检测效率及缺陷检出率。

Description

一种相控阵自聚焦换能器
技术领域
本发明涉及一种换能器，具体涉及一种相控阵自聚焦换能器。
背景技术
相控阵超声检测检测，是根据设定的延迟法则激发相控阵阵列探头各压电晶片(振元)，合成声束实现声束的移动、偏转和聚焦等功能，再按一定的延迟法则对接收到的超声信号进行处理并以图像的方式显示被检对象内部状态的超声检测方法。与传统A型脉冲反射法超声检测相比，相控阵超声换能器采用多晶片复合材料制成，每个晶片可作为独立激发超声波，根据惠更斯原理最终汇合成具有一定波前的声波。因此，相控阵超声换能器具有一个振元对应一个通道，合成声束灵活可控的特点。
另外，相控阵超声复合材料压电晶片较传统压电晶片具有一定柔性，得益于这一优点，复合材料压电晶片可弯曲成一定扰度的曲面达到某一固定物理聚焦。目前市面上较多出售的小径管检测换能器多采用压电晶片自聚焦的特点，进一步减小声场焦距，实现薄壁小径检测的目的。
但是，自聚焦复合材料压电晶片声场焦点往往是在物理聚焦与电子聚焦共同作用下所实现的某一位置固定焦点，若想要改变焦点位置，通常需要更改聚焦法则，通过改变电子聚焦来实现，不能实现单次扫查不同深度范围的聚焦的目的。
发明内容
本发明提供了一种相控阵自聚焦换能器，实现相控阵超声单次检测多点聚焦的目的，提高缺陷检出率和检测效率。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种相控阵自聚焦换能器，包括固定连接的换能器壳体和楔块；所述换能器壳体中设置有压电晶片，所述楔块中设置有声透镜，所述楔块的声阻抗小于声透镜；所述压电晶片包括相互平行的若干晶片，所述晶片一侧和声透镜接触，另一侧分别通过不同的电缆线与换能器接线芯相连。
进一步的，每个所述晶片与电缆线单一并独立连接。
进一步的，换能器接线芯由所有电缆线汇聚并绕制形成。
进一步的，压电晶片与换能器壳体之间填充有阻尼块。
进一步的，电缆线设置在换能器壳体中，所述声透镜和楔块固定连接，所述换能器壳体和楔块通过若干装卸螺钉连接。
进一步的，声透镜内嵌于楔块，且与楔块之间不存在间隙。
进一步的，压电晶片内嵌于换能器壳体。
进一步的，楔块为非单一曲率的曲面楔块。
进一步的，声透镜为柱面透镜或球面透镜。
进一步的，换能器接线芯设置在换能器接线端中，所述换能器接线端固定在换能器壳体外侧。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种相控阵自聚焦换能器包括楔块，所述楔块中设置有声透镜，所述楔块的声阻抗小于声透镜，提供了实现相控阵超声自聚焦的换能器结构，复合材料压电晶片产生的纵波可通过声透镜和楔块两次物理聚焦，实现工件内部不同深度聚焦的目的。具体的，相控阵检测仪通过换能器接线端的换能器接线芯及电缆线，将控制电流独立分配给各复合材料压电晶片，压电晶片受阻尼块影响并在逆压电效应的作用下，产生带有一定延时规律的宽频带窄脉冲纵波，由于楔块声阻抗小于声透镜，入射纵波在透过声透镜进入楔块后产生折射后聚焦，其焦距与声透镜曲率半径有关。经声透镜折射后聚焦的超声波在非单一曲率楔块的曲面处发生反射，在改变入射纵波路径的同时，进一步产生物理聚焦，声波最终经换能器与工件界面折射后，形成某一固定聚焦深度。
此外，利用相控阵超声电子控制扇扫的特点，通过改变控制电流形成不同波前角度的纵波，在经声透镜与非单一曲率楔块的物理聚焦后，形成不同聚焦深度的声场。由于相控阵超声扇扫的脉冲重复频率很高，在极短时间内可实现某一角度范围的电子扫查，利用这一特点可实现不同深度范围的单次扫查。
进一步的，压电晶片与换能器壳体之间填充有阻尼块，可有效增大激励脉冲带宽。
附图说明
图1为换能器透视图；
图2为换能器主视图；
图3为换能器左视图；
图4为换能器俯视图。
附图标记说明：
1代表换能器壳体；
2代表换能器接线端；
3代表电缆线；
4代表复合材料压电晶片；
5代表声透镜；
6代表楔块；
7代表换能器接线芯；
8代表装卸螺钉；
9代表聚焦方式一；
10代表聚焦方式二。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利，并不用于限制本专利，以柱面面声透镜和柱面楔块形成线聚焦为例进行说明。
本发明提供的一种相控阵自聚焦换能器，通过改变相控阵超声换能器的结构，采用物理聚焦的特点，实现相控阵超声单次检测多点聚焦。
如图1至图4所示，一种相控阵自聚焦换能器，包括换能器壳体1、换能器接线端2、电缆线3、压电晶片4、声透镜5、楔块6、换能器接线芯7和装卸螺钉8。
如图1所示，换能器接线端2固定连接在换能器壳体1尾部。换能器接线端2呈空心筒形结构，换能器接线芯7位于换能器连接端2的圆心位置。换能器接线芯7为多股线棒凝聚成束，线棒之间独立绝缘，分别与电缆线3连接。
如图1所示，压电晶片4为复合材料压电晶片，包括多晶片线阵排列，内嵌于换能器壳体1中，且在压电晶片4与换能器壳体1之间填充有阻尼块，起到增大激励脉冲带宽的作用。
如图1所示，电缆线3与压电晶片4采用电焊等方式固定连接，且电缆线3数量与压电晶片4的晶片数量一致，每一条电缆线与晶片单一并独立连接，起到独立控制的作用。压电晶片4与声透镜5相接触。
如图1和图2所示，声透镜5位于楔块6内部，且两者紧密接触，接触表面不存在空隙。自换能器尾部观测，声透镜5呈“凸”字结构。声透镜5为柱面透镜或球面透镜。楔块6为曲面楔块，包括两个相互垂直且一端相接的平面和一个曲面，该曲两端分别连接两个平面，该曲面为非单一曲率的曲面。
如图1所示，4个装卸螺钉8分别安装在换能器壳体1的四角，可通过螺纹方式将换能器壳体1与楔块6旋紧装配。
如图1所示，换能器壳体1、换能器接线端2、电缆线3、压电晶片4和换能器接线芯7为一个统一的整体，声透镜5和楔块6为另一整体，使用时在压电晶片4与声透镜5相接触的一面涂敷耦合剂，然后旋紧4个装卸螺钉与楔块6进行装配。
如图2所示，相控阵检测仪的激励电路通过换能器接线芯7将带有延时时序的脉冲电流经电缆线3分别传递至压电晶片4，触发压电晶片4，压电晶片4在脉冲电流的激发下产生时序纵波超声脉冲，该时序纵波超声脉冲波前与水平方向呈一定夹角，该超声脉冲在声透镜5处透射进入楔块6，由于声透镜5的声阻抗大于楔块6，因此超声脉冲产生一定的物理聚焦，经物理聚焦后的超声脉冲再经过楔块6曲面的某一点反射后，在楔块与工件表面产生折射，在工件中形成聚焦方式一9。
当相控阵检测仪的激励电路以另一带有延时时序的脉冲电流激发压电晶片4时，由于时序不同，波叠加形成的波前将具有一定的方向性，所产生的纵波超声脉冲经声透镜5的物理聚焦后，在非单一曲率楔块6曲面的另一点发生反射，反射波进而在楔块与工件表面产生折射，在工件中形成聚焦方式二10。当使用相控阵电子扫描的扇扫，激发某一角度范围的入射声束时，压电晶片4产生的纵波超声脉冲经声透镜5的物理聚焦后，会在非单一曲率楔块6曲面的不同位置发生反射，反射波在楔块与工件表面产生折射后形成不同深度范围的聚焦方式，在进行非平行扫查时可实现不同深度聚焦的目的。

Claims (10)

1.一种相控阵自聚焦换能器，其特征在于，包括固定连接的换能器壳体(1)和楔块(6)；所述换能器壳体(1)中设置有压电晶片(4)，所述楔块(6)中设置有声透镜(5)，所述楔块(6)的声阻抗小于声透镜(5)；所述压电晶片(4)包括相互平行的若干晶片，所述晶片一侧和声透镜(5)接触，另一侧分别通过不同的电缆线(3)与换能器接线芯(7)相连。
2.根据权利要求1所述的一种相控阵自聚焦换能器，其特征在于，每个所述晶片与电缆线(3)单一并独立连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种相控阵自聚焦换能器，其特征在于，所述换能器接线芯(7)由所有电缆线(3)汇聚并绕制形成。
4.根据权利要求1所述的一种相控阵自聚焦换能器，其特征在于，所述压电晶片(4)与换能器壳体(1)之间填充有阻尼块。
5.根据权利要求1所述的一种相控阵自聚焦换能器，其特征在于，所述电缆线(3)设置在换能器壳体(1)中，所述声透镜(5)和楔块(6)固定连接，所述换能器壳体(1)和楔块(6)通过若干装卸螺钉(8)连接。
6.根据权利要求5所述的一种相控阵自聚焦换能器，其特征在于，所述声透镜(5)内嵌于楔块(6)，且与楔块(6)之间不存在间隙。
7.根据权利要求1所述的一种相控阵自聚焦换能器，其特征在于，所述压电晶片(4)内嵌于换能器壳体(1)。
8.根据权利要求1所述的一种相控阵自聚焦换能器，其特征在于，所述楔块(6)为非单一曲率的曲面楔块。
9.根据权利要求1所述的一种相控阵自聚焦换能器，其特征在于，所述声透镜(5)为柱面透镜或球面透镜。
10.根据权利要求1所述的一种相控阵自聚焦换能器，其特征在于，所述换能器接线芯(7)设置在换能器接线端(2)中，所述换能器接线端(2)固定在换能器壳体(1)外侧。
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