兰姆波超声换能器研制过程中相关问题的探讨
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Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｉｓｉｏｎ 科技视界 科技・探索・争鸣 兰姆波超声换能器研制过程中相关问题的探讨 徐敬岗 （常州工程职业技术学院，江苏常州２１３１６４） 【摘要】在编制出绘制兰姆波参数曲线的软件之后，为了将兰姆波应用于金属薄板无损检测的过程中，探讨了兰姆波超声换能器研制过 程中的主要技术问题．为制作各种类型的兰姆波超声换能器提供了理论基础。 【关键词】兰姆波；金属薄板；无损检测；超声换能器 ０概述 从理论上讲．兰姆波的激发方式有板表面激励和在板的一端激励 两大类。工程检测中往往采用前一类．因此本文中兰姆波超声换能器 的制作以该类激发方式为例进行探讨 超声检测中激发兰姆波的换能 器一般有两种，一种是梳状换能器，另一种是楔形换能器。梳状换能器 是由纵波换能器粘贴在一个梳状结构上形成．让梳状结构的周期间隔 等于欲激发兰姆波的波长即可 还有类似表面波换能器的梳状结构． 它将金属电极制成叉指状．在电信号的激励下．相临的电极产生相反 的振动，若将此结构粘贴在固体板表面，也可激发相应的兰姆波模式。 应当注意的是．此结构电极间距离等于欲激发兰姆波波长的一半。即 半个波长。楔形换能器由一纵波换能器贴在一个楔块上构成．当发射 的超声波传到楔块与被测板交界处时．可在固体板中激发兰姆波。此 种类型的换能器实用性很强．应用范围也比较广．本课题中研制的兰 姆波换能器均为此类楔形换能器 兰姆波换能器研制的技术问题主要包括激励角度的确定、斜楔材 料的选用和晶片尺寸与形状的选择 １ 兰姆波换能器的参数选择 １．１激励角的确定 换能器的激发角度根据兰姆波检验由模式来确定．具体做法是根 据实际检验条件（频率、板厚）所对应的该模式的相速度Ｃ 和斜楔材 料的纵波传播速度ｃ ．利用下述斯涅尔（Ｓｎｅｌ１）折射公式进行计算： ｓｉｎｔｘ＝Ｃｆ／Ｇ （１） 显然．由于兰姆波各模式的相速度是频散的．因此在不同频率点 激发不同模式兰姆波的入射角都是不同的 激发兰姆波的激励角变化 范围很大．在具体工作中要仔细分析．根据被测件相速度频散曲线与 斜楔材料纵波声速可算出激励角 入射角应选择在相速度曲线上相速 度变化不太大的部位．这是由于被检板材的厚度都有一定的公差．探 头的入射角也会有误差或因磨损而造成入射角的改变 如果选在曲线 很陡的部位．则ｆ ｄ的少量变化或入射角的少量改变就可能破坏正常 的相位关系．从而造成灵敏度的急剧下降．但也不宜选择曲线上太平 缓的部位，在此部位许多模式的曲线很靠近，容易产生波形混杂。 准确的入射角度是激发兰姆波的必要条件．探头入射角精确．不 仅可以避免兰姆波模数激励与识别的错误．而且可以提高兰姆波的能 量 有时激发兰姆波的入射角需要很大．无损检测工作中大的人射角 容易激发出表面波，但这只是对半无限空间而言的。若板材较薄（相对 于入射超声波波长），则板中一般以兰姆波为主。需指出的是，在实际 工作中斜楔的角度严格按理论公式设置可以得到能量相对较大ｆ或较 纯）的所需模式．其他模式兰姆波同样可能被激发，只是能量会相对小 些。 １．２斜楔材料的选用 若以最常用的ＣＦ２７３０ｍ／ｓ的有机玻璃作为换能器斜楔材料，则 对于横波速度小于３０００ｒｒｄｓ的材料（包括某些钢板在内），在频厚积取 值较低（ｆ ｄ＜＝３ＭＨｚ￣ｍｍ）条件下，Ａ。模的相速度ｃ。小于斜楔材料的纵 波ｃ 从而无法激励产生Ａ０模。因此，需要寻找声速低、声衰减小且在 金属薄板界面上声透射率较大的材料制作换能器斜楔。通过实验比 较．声速分别为２３５０ｍ／ｓ和１９００ｒｒｄｓ的聚枫和聚乙烯材料可满足上述 要求。本课题中选用了声速为２３５０ｍ／ｓ的聚枫作为兰姆波换能器的斜 楔材料。 １＿３ 晶片尺寸与形状的选择 压电晶片是换能器的核心元件．它的作用是发射和接收超声波。 晶片由压电单晶体按一定方式和方向切割而成或由压电陶瓷经极化 制成。晶片尺寸选取，应能满足一次波有足够的探伤灵敏度，以使小缺 陷不至于漏检．所以晶片尺寸的选取要恰到好处 经仔细斟酌，本课题 中选取了尺寸为２０ｘ２０（ｍｍ）规格的ＰＺＴ（锆钛酸铅）压电陶瓷晶片作 为兰姆波换能器的压电晶片 ２总结 兰姆波超声换能器的制作具有一定的针对性．对于不同材质、不 同型号的金属薄板．其相应兰姆波超声换能器的技术参数都会有所不 同，应根据具体情况正确选择。ｅ 【参考文献】 ［１］李家伟，陈积懋．元损检测手册［Ｍ］．机械工业出版社，２００２，１． ［２］刘镇清．无损检测中的超声兰姆波【Ｊ］．无损检测，１９９９，２１（９）：４０９—４２３ ［３］袁易全超声换能器【Ｍ］．南京大学出版社，１９９２，９． ［责任编辑：杨玉洁］ （上接第２３７页）方法，即首先在课程讲授前期提供一些高分子材料 性能测试相关的题目．然后将学生分为不同的小组．让其选择感兴趣 的题目并利用空余时间制作ＰＰｒｒ．在课程后期派出各个小组的代表 上讲台进行演讲．每人讲３－５ｍｉｎ．讲完后大家提问题．然后再由教师 进行点评，总的时间限定在２个学时。这样做的目的，也是想充分调 动学生的学习积极性．进一步加深他们对高分子改性技术的认识和 理解 ３结论 高分子材料性能测试课程是－－Ｉ＇ｑ应用性较强的综合性课程．并随 着我国材料应用领域的发展而快速发展．在高职高专院校高分子材料 加工专业开设该课程以及提高其教学质量的要求愈加迫切。因此，我 们需要积极地采取各种措施去适应这种新的要求．改进教学方法．提 高教学质量．为高分子材料加工行业培养出优秀的专业技术人才．以 推动其更加健康有序地发展。● 【参考文献】 ［１］董建华．国家自然科学基金高分子科学学科近况介绍 高分子通报，２００８，７： ３８—４１． ｆ２］李晓，钱一钧．张卫英．高分子化工方向专业课程体系设计『Ｊ１ｌ化工高等教育， ２００１，５：５０－５２． 『３１朱高峰．论高等工程教育发展的方Ｉ￣［Ｊ１．高等工程教育研究，２００３（３）：１—４． ［４］雷彩红．高分子材料研究方法“课程教改初探”『Ｊ１．广东工业大学学报社会科 学版．２００８（５）：１２７—１２８ ［５］夏峰，林少琨，王晓，等．发挥现代分析仪器作用培养高素质科技人才［ＪＪ．实验 室研究与探索．２０００（５）：１８—２１． ［６］陈立贵，袁新强。李雷权，等．高分子材料与工程专业综合实验教学的改革与 实践 ．科技创新导报，２００８（９）：２３４—２３４． ［７］张发爱．高分子材料专业涂料课程教学初探『Ｊ１．高分子通报，２００６（４）：９３—９５． ［８］梁红波．高分子物理的教学体会Ⅱ】．高教论坛，２００９（１）：８０—８１． ［９］侯治富，金祥雷，谷树严，等精品课程建设目标及实现途径的研究与实践『Ｊ］． 中国大学教学．２００６（１）：２１—２３． ［责任编辑：薛俊歌］ ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎ。ｌ。ｇｙ Ｖｉｓｉ。ｎ科技视界ｌ
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