本發(fā)明涉及一種超聲無(wú)損檢測(cè)類，具體涉及一種可實(shí)現(xiàn)垂直發(fā)射和接收超聲縱波和橫波的一體式壓電超聲直探頭。

背景技術(shù)：

目前，在超聲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，縱波和橫波是最常用的檢測(cè)波形，超聲探頭正是發(fā)射和接收檢測(cè)波形的核心部件。傳統(tǒng)的超聲探頭僅能產(chǎn)生縱波，或者依靠縱波在界面處的模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生橫波，斜入射到工件表面。由于該類探頭無(wú)法實(shí)現(xiàn)縱橫波的一體化，不能保證在相同耦合條件下垂直發(fā)射和接收超聲縱波和橫波，無(wú)法滿足某些領(lǐng)域的檢測(cè)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的壓電超聲直探頭在實(shí)際使用過(guò)程中不能保證在相同耦合條件下垂直發(fā)射和接收超聲縱波和橫波，無(wú)法實(shí)現(xiàn)縱橫波的一體化并且不能滿足某些領(lǐng)域的檢測(cè)需求。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種壓電超聲直探頭，其特征在于，壓電超聲直探頭主要由縱波直探頭和橫波直探頭組成，縱波直探頭和橫波直探頭分別包括匹配層、壓電晶片、阻尼塊、外殼以及探頭接插件。

匹配層，用于實(shí)現(xiàn)超聲直探頭和工件之間的聲阻抗匹配，能夠?qū)⑻筋^輻射的聲波能量利用率得到提升，以及對(duì)壓電晶片進(jìn)行保護(hù)，避免在工作環(huán)境中受到污染或者破壞。其中，決定匹配層性能的兩個(gè)關(guān)鍵因素是特性聲阻抗和厚度。

壓電晶片與匹配層貼合，用于將電能轉(zhuǎn)換為聲能；壓電晶片在發(fā)射超聲波時(shí)，在電脈沖激勵(lì)下壓電晶片產(chǎn)生振動(dòng)，輻射超聲波；壓電晶片在接收超聲波時(shí)，當(dāng)接收的超聲波作用于壓電晶片時(shí)，壓電晶片受迫振動(dòng)引起的形變轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。

阻尼塊與壓電晶片貼合，用于吸收壓電晶片發(fā)射的超聲波，以防止雜波過(guò)多干擾壓電超聲直探頭的信號(hào)采集；以及產(chǎn)生阻尼作用，使壓電超聲直探頭發(fā)射超聲波脈沖后盡快停止振動(dòng)。

接插件的作用是引出壓電晶片的正負(fù)極，用于壓電探頭和設(shè)備進(jìn)行信號(hào)連接。

其中，壓電晶片采用縱波晶片和橫波晶片，縱波晶片發(fā)射和接收超聲縱波，橫波晶片發(fā)射和接收超聲橫波?？v波晶片和橫波晶片按照檢測(cè)需求組合兩者的位置。縱波晶片和所述橫波晶片按照檢測(cè)需求組合兩者的位置包括左右平行式、前后同軸式和內(nèi)嵌包含式，縱波晶片和橫波晶片按照的組合形式對(duì)應(yīng)的聲場(chǎng)分布形式為左右平行式聲場(chǎng)、前后同軸式聲場(chǎng)和內(nèi)嵌包含式聲場(chǎng)，但不局限于這幾種形式。

該探頭可垂直發(fā)射和接收超聲縱波和橫波，根據(jù)需要控制其在被檢工件中的聲場(chǎng)分布，包括左右平行式、前后同軸式、內(nèi)嵌包含式等多種分布形式，縱波部分和橫波部分是雙通道相互獨(dú)立的，可分時(shí)激勵(lì)也可同時(shí)激勵(lì)，滿足某些特殊檢測(cè)領(lǐng)域的非常規(guī)檢測(cè)需求。

其中，某些特殊領(lǐng)域包括應(yīng)力測(cè)量領(lǐng)域，在此領(lǐng)域中要求精確測(cè)量材料的縱橫波聲速。目前是分別用縱波探頭和橫波探頭進(jìn)行測(cè)量，由于要更換探頭，使得耦合效果有差異，造成較大的測(cè)量誤差。為解決類似問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種將縱橫波探頭合二為一的壓電超聲直探頭。

另外，在非線性聲學(xué)領(lǐng)域，要分析材料缺陷的非線性效應(yīng)，其中縱波和橫波對(duì)材料微裂紋作用后的散射聲場(chǎng)，就需要這樣的縱橫波一體式的壓電超聲直探頭，尤其是前后同軸式的壓電超聲直探頭，這種探頭可以控制激勵(lì)時(shí)間和相位，進(jìn)行聲學(xué)非線性研究，進(jìn)一步提高了準(zhǔn)確性。

本發(fā)明的有益效果是，為縱橫波一體式結(jié)構(gòu)，即同一超聲探頭上，即可發(fā)射接收縱波信號(hào)，也可直接發(fā)射接收橫波信號(hào)，其中，能量弱、雜波多的模式轉(zhuǎn)換方式產(chǎn)生橫波除外；二者即可同時(shí)發(fā)收，也可分時(shí)發(fā)收；二者的頻率可相同，也可不同；縱波和橫波的聲場(chǎng)分布可控可調(diào)，以滿足不同領(lǐng)域的特殊檢測(cè)需求。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了縱橫波的一體化，在實(shí)際使用過(guò)程中無(wú)需更換縱波探頭和橫波探頭，在使用上方便便捷，同時(shí)本發(fā)明具有高準(zhǔn)確性和良好的穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種壓電超聲直探頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種左右平行式壓電超聲直探頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種前后同軸式壓電超聲直探頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種內(nèi)嵌包含式壓電超聲直探頭結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種壓電超聲直探頭結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，壓電超聲直探頭由縱波直探頭和橫波直探頭組成，其中，縱波直探頭和橫波直探頭分別包括匹配層1、壓電晶片2、阻尼塊3、外殼4以及探頭接插件5；其中，

匹配層1，用于實(shí)現(xiàn)超聲直探頭和工件之間的聲阻抗匹配，能夠?qū)⑻筋^輻射的聲波能量利用率得到提升，以及對(duì)所述壓電晶片進(jìn)行保護(hù)，避免在工作環(huán)境中受到污染或者破壞。其中，決定匹配層性能的兩個(gè)關(guān)鍵因素是特性聲阻抗和厚度。

壓電晶片2與匹配層1貼合，用于將電能轉(zhuǎn)換為聲能；壓電晶片2在發(fā)射超聲波時(shí)，在電脈沖激勵(lì)下壓電晶片2產(chǎn)生振動(dòng)，輻射超聲波；壓電晶片2在接收超聲波時(shí)，當(dāng)接收的超聲波作用于壓電晶片2時(shí)，壓電晶片2受迫振動(dòng)引起的形變轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。

阻尼塊3與壓電晶片2貼合，用于吸收壓電晶片2發(fā)射的超聲波，以防止雜波過(guò)多干擾壓電超聲直探頭的信號(hào)采集；以及產(chǎn)生阻尼作用，使壓電超聲直探頭發(fā)射超聲波脈沖后盡快停止振動(dòng)。此外，探頭的阻尼塊3不傳播聲波，只起到吸收背向雜散聲波的作用，降低噪聲，提高探頭信噪比。

外殼4的作用是保護(hù)內(nèi)部原件，將核心部分封裝。

接插件5，可以引出壓電晶片2的正負(fù)極，并且用于壓電超聲直探頭和外部設(shè)備進(jìn)行信號(hào)連接。

壓電超聲直探頭既可以發(fā)射超聲波也可以接收超聲波。其中，發(fā)射超聲波：通過(guò)接插件5給探頭的壓電晶片2接電，壓電晶片2在電激勵(lì)作用下產(chǎn)生伸縮振動(dòng)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，該振動(dòng)在傳播到匹配層1和工件中傳播，即為超聲波，根據(jù)振動(dòng)方向和傳播方向的關(guān)系可分為縱波和橫波。

接收超聲波：來(lái)自工件內(nèi)部的反射或者散射超聲波傳播到匹配層1，再傳播到壓電晶片2表面，利用正壓電效應(yīng)，壓電晶片2表面產(chǎn)生與這種振動(dòng)相關(guān)的電信號(hào)，再通過(guò)接插件5進(jìn)入電路系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)接收。

壓電晶片2采用縱波晶片和橫波晶片，其中橫波晶片產(chǎn)生橫向超聲波?？v波晶片發(fā)射和接收超聲縱波，橫波晶片發(fā)射和接收超聲橫波?？v波晶片和橫波晶片按照檢測(cè)需求組合兩者的位置。

對(duì)于縱波直探頭，利用厚度方向極化的1-3型壓電復(fù)合材料晶片的厚度振動(dòng)模式，可垂直發(fā)射縱波并入射到被測(cè)樣品中。對(duì)于橫波直探頭，利用2-2型壓電復(fù)合晶片的剪切振動(dòng)模式，該種模式的振動(dòng)方向和聲波傳播方向垂直，接觸到被檢工件中可直接垂直入射橫波。關(guān)于縱波部分和橫波部分的組合形式，是與所需要的被檢工件內(nèi)部聲場(chǎng)分布相關(guān)的，具體的實(shí)現(xiàn)形式，可以包括左右平行式、前后同軸式、內(nèi)嵌包含式等。在每一種超聲探頭的分布形式中，縱波晶片與橫波晶片的相互位置可以根據(jù)需要互換，隔聲材料減小縱橫波晶片之間的振動(dòng)串?dāng)_。本發(fā)明專利包含但不限于以上三種組合形式。具體形式如圖2-4。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種左右平行式壓電超聲直探頭結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，左右平行式壓電超聲直探頭包括：匹配層1、縱波晶片2＇、橫波晶片2＂、阻尼塊3、外殼4、隔聲材料6及電極引線7。在左右平行式壓電超聲直探頭中，其結(jié)構(gòu)為探頭被隔聲材料6平分成左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)的兩部分，其中一部分按照接收超聲波方向依次放置匹配層1、縱波晶片2＇、阻尼塊3以及電極引線7；另一部分按照接收超聲波方向依次放置匹配層1、橫波晶片2＂、阻尼塊3以及電極引線7。

其中，縱波晶片采用1-3型壓電復(fù)合材料晶片，橫波晶片2-2型壓電復(fù)合材料晶片，兩者都可以垂直于工件表面進(jìn)行直接發(fā)射和接收縱波和橫波。縱波與橫波的工作頻率可相同也可不同。采用左右平行式，探頭接插件至少為3芯，其中2芯分別連接縱波和橫波晶片的正極，1芯連接兩者的負(fù)極。

左右平行式壓電超聲直探頭既可以發(fā)射超聲波也可以接收超聲波。縱波部分和橫波部分可分別實(shí)現(xiàn)縱波和橫波的發(fā)射和接收。

發(fā)射超聲橫波的過(guò)程：通過(guò)接插件5給探頭的橫波晶片2＂接電，橫波晶片2＂在電激勵(lì)作用下產(chǎn)生剪切振動(dòng)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，該振動(dòng)在匹配層1和工件中傳播，由于振動(dòng)方向和傳播方向垂直，即為超聲橫波。同理，發(fā)射超聲縱波的過(guò)程：通過(guò)接插件5給探頭的縱波晶片2＇接電，縱波晶片2＇在電激勵(lì)作用下產(chǎn)生伸縮振動(dòng)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，該振動(dòng)在匹配層1和工件中傳播，由于振動(dòng)方向和傳播方向相同，即為超聲縱波。

接收超聲橫波：來(lái)自工件內(nèi)部的反射或者散射超聲橫波傳播到匹配層1，再傳播到橫波晶片2＂表面，利用正壓電效應(yīng)，橫波晶片2＂表面產(chǎn)生與這種振動(dòng)相關(guān)的電信號(hào)，再通過(guò)接插件5進(jìn)入電路系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)接收。同理，接收超聲縱波：來(lái)自工件內(nèi)部的反射或者散射超聲縱波傳播到匹配層1，再傳播到縱波晶片2＇表面，利用正壓電效應(yīng)，縱波晶片2＇表面產(chǎn)生與這種振動(dòng)相關(guān)的電信號(hào)，再通過(guò)接插件5進(jìn)入電路系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)接收。

可分別設(shè)計(jì)縱橫波的匹配層和阻尼塊參數(shù)，使得各自滿足其最佳性能要求，中間用隔聲材料進(jìn)行振動(dòng)隔離，減小相互之間的振動(dòng)串?dāng)_，提高整體信噪比，外殼統(tǒng)一封裝并安裝接插件。

左右平行式壓電超聲直探頭可以產(chǎn)生平行的縱橫波聲場(chǎng)，例如在螺栓應(yīng)力測(cè)量中，兩種聲場(chǎng)同時(shí)或者分時(shí)作用在螺栓內(nèi)，分別測(cè)量螺栓縱橫波聲速，可以保證在相同耦合情況下測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖3為本發(fā)明的具體實(shí)施方式提供的一種前后同軸式壓電超聲直探頭示意圖；如圖3所示，前后同軸式壓電超聲直探頭包括：匹配層1、縱波晶片2＇、橫波晶片2＂、阻尼塊3、外殼4、接插件5及電極引線7。在前后同軸式壓電超聲直探頭中，其結(jié)構(gòu)為按照接收超聲波方向依次放置匹配層1、橫波晶片2＂、匹配層1、縱波晶片2＇、阻尼塊3以及電極引線7。

前后同軸式壓電超聲直探頭既可以發(fā)射超聲波也可以接收超聲波。縱波部分和橫波部分可分別實(shí)現(xiàn)縱波和橫波的發(fā)射和接收。

發(fā)射超聲橫波：通過(guò)接插件5給探頭的橫波晶片2＂接電，橫波晶片2＂在電激勵(lì)作用下產(chǎn)生剪切振動(dòng)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，該振動(dòng)在傳播到匹配層1和工件中傳播，即為超聲橫波。同理，發(fā)射超聲縱波：通過(guò)接插件5給探頭的縱波晶片2＇接電，縱波晶片2＇在電激勵(lì)作用下產(chǎn)生伸縮振動(dòng)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，該振動(dòng)在匹配層1和工件中傳播，即為超聲縱波。

接收超聲橫波：來(lái)自工件內(nèi)部的反射或者散射超聲橫波傳播到匹配層1，再傳播橫波晶片2＂表面，利用正壓電效應(yīng)，橫波晶片2＂表面產(chǎn)生與這種振動(dòng)相關(guān)的電信號(hào)，再通過(guò)接插件5進(jìn)入電路系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)接收。同理，接收超聲縱波：來(lái)自工件內(nèi)部的反射或者散射超聲縱波傳播到匹配層1，再傳播縱波晶片2＇表面，利用正壓電效應(yīng)，縱波晶片2＇表面產(chǎn)生與這種振動(dòng)相關(guān)的電信號(hào)，再通過(guò)接插件5進(jìn)入電路系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)接收。

其中，前后同軸式超聲直探頭的晶片分布可以是縱波晶片在前、橫波晶片在后，或者橫波晶片在前、縱波晶片在后，其輻射的聲場(chǎng)會(huì)有前后同軸的分布效果，除了可以測(cè)量材料縱橫波聲速進(jìn)而計(jì)算其材料聲學(xué)、力學(xué)性能，還能根據(jù)縱橫波聲速差異，通過(guò)控制縱橫波的激勵(lì)時(shí)間，研究材料中縱橫波的相互作用，這在非線性聲學(xué)研究中有研究?jī)r(jià)值。

圖4為本發(fā)明的具體實(shí)施方式提供的一種內(nèi)嵌包含式壓電超聲直探頭示意圖；如圖4所示，內(nèi)嵌包含式壓電超聲直探頭包括：匹配層1、縱波晶片2＇、橫波晶片2＂、阻尼塊3、外殼4、接插件5、隔聲材料6及電極引線7。在內(nèi)嵌包含式壓電超聲直探頭中，其結(jié)構(gòu)為按照接收超聲波方向依次放置匹配層1、橫波晶片2＂，隔聲材料6，縱波晶片2＇、阻尼塊3以及電極引線7。其中在第二層中心位置設(shè)置橫波晶片2＂，在橫波晶片2＂的兩側(cè)分別設(shè)置縱波晶片2＇，在橫波晶片2＂和縱波晶片2＇之間分別設(shè)置兩個(gè)隔聲材料6。

內(nèi)嵌式壓電超聲直探頭既可以發(fā)射超聲波也可以接收超聲波?？v波部分和橫波部分可分別實(shí)現(xiàn)縱波和橫波的發(fā)射和接收。

發(fā)射超聲橫波：通過(guò)接插件5給探頭的橫波晶片2＂接電，橫波晶片2＂在電激勵(lì)作用下產(chǎn)生剪切振動(dòng)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，該振動(dòng)在傳播到匹配層1和工件中傳播，即為超聲橫波。同理，發(fā)射超聲縱波：通過(guò)接插件5給探頭的縱波晶片2＇接電，縱波晶片2＇在電激勵(lì)作用下產(chǎn)生伸縮振動(dòng)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，該振動(dòng)在匹配層1和工件中傳播，即為超聲縱波。

接收超聲橫波：來(lái)自工件內(nèi)部的反射或者散射超聲橫波傳播到匹配層1，再傳播到橫波晶片2＂表面，利用正壓電效應(yīng)，橫波晶片2＂表面產(chǎn)生與這種振動(dòng)相關(guān)的電信號(hào)，再通過(guò)接插件5進(jìn)入電路系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)接收。同理，接收超聲縱波：來(lái)自工件內(nèi)部的反射或者散射超聲縱波傳播到匹配層1，再傳播到縱波晶片2＇表面，利用正壓電效應(yīng)，縱波晶片2＇表面產(chǎn)生與這種振動(dòng)相關(guān)的電信號(hào)，再通過(guò)接插件5進(jìn)入電路系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)接收。

縱橫波晶片是內(nèi)嵌式的，可縱波晶片在中心，橫波晶片在外圈，或者橫波晶片在中心，縱波晶片在外圈，形成內(nèi)嵌包含的聲場(chǎng)分布，也是對(duì)特定的檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行縱橫波干預(yù)的，應(yīng)用領(lǐng)域在非線性聲學(xué)研究中有研究?jī)r(jià)值。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。