压电微型超声换能器阵列结构设计

钢板在焊接过程中由于受到工作环境、焊接工况及焊接技术员的工艺水平等因素的影响，在熔合区和焊缝区可能会产生一些裂纹、气孔、未熔合、未焊透及夹渣等缺陷。这些焊缝内的缺陷会不断地降低钢板的机械强度直至其最终失效，对人民生命财产安全和国家现代化工业发展造成了巨大的威胁。

超声无损检测技术因具有穿透性强、指向性好、灵敏度高、对环境和人体无害，以及适用范围广等优势，已经成为当前钢结构焊缝内缺陷检测领域的热点方向之一。采用单晶元超声换能器结合超声衍射时差法可以实现对厚钢板对接焊缝内的缺陷检测，但其扫描成像过程较为复杂，并且难以准确定位和评估缺陷。此外，常规的单晶元超声换能器存在压电晶片尺寸大、频带窄及缺乏阵列化设计等不足，从而影响焊缝内缺陷检测的分辨率。

多晶元超声换能器相控阵具有检测结果显示直观、检测分辨率高和可聚焦扫描等优点，但其相控阵探头一般尺寸较大、成本较高，而且必须与复杂的多通道发射/接收电路模块集成使用。此外，为了通过偏转角度实现深度区域扫描，这种多晶元超声换能器相控阵通常需要将压电晶片水平并排，因此在一定程度上牺牲了其横向检测分辨率。

据麦姆斯咨询报道，为了解决上述问题，长江大学和重庆大学的研究人员合作研制了一种可用于20 mm以上中厚度钢板焊缝内缺陷检测的多通道压电微型超声换能器阵列，其兼顾常规的单晶元超声换能器探头和多晶元超声换能器相控阵探头的技术优势，具有体型小、带宽大、分辨率高和扫描模式应用灵活等特点。相关研究成果以“压电微型超声换能器阵列设计及焊缝检测应用”为题发表在《压电与声光》期刊上。

压电微型超声换能器阵列结构设计

该研究设计的压电微型超声换能器阵列的整体结构如图1所示。为了提高其横向检测分辨率并区别于常规相控阵线阵结构，该阵列的微型压电晶片线阵按照水平方向进行排列设计，其中各阵元的上、下两面均镀有一层银（Ag）薄膜电极，并分别采用信号传输线引出，因此既可以实现单个阵元的独立工作，也可以实现多个阵元的协同工作。

图1 压电微型超声换能器阵列结构示意图

为了增强压电微型超声换能器线阵的指向性，一般可以采用增加阵元数目、适当增加阵元间距或减小超声波波长（即增加频率）的方式。与此相对，为了有效地消除旁瓣带来的回波混叠现象，通常需要使得阵元间距小于超声半波长。此外，尽管增加阵元数目可以使超声波主瓣变窄，但是过多的阵元数目将增加制造成本，增大探头体型，并且提高布线难度和后端处理电路设计的复杂度。因此，综合考虑各种影响因素，该研究设计的压电微型超声换能器阵列的压电晶片厚度为760 μm，压电晶片宽度为500 μm，阵元间距为1.0 mm，阵元长度为10 mm，阵元数目为八。

图2 八通道压电微型超声换能器阵列探头实物图

压电微型超声换能器阵列在钢板对接焊缝内缺陷检测中的应用

为进一步验证该研究研制的压电微型超声换能器阵列探头的检测性能，研究人员将其应用于标准对接钢板试块的内部缺陷检测。该研究所搭建的测试系统平台如图3所示，其中，多通道超声探伤仪可以实现超声脉冲信号的激发与接收。此外，所用标准对接钢板试块的厚度为25 mm，其内部缺陷为直径为1 mm、深度为2.5 cm的直线钻孔。在该标准对接钢板试块焊缝内，依次分布了3个间距不等的钻孔。

图3 检测标准对接钢板试块的实验测试系统平台

图4 标准对接钢板试块实物及测试安装图

图5为分别采用压电微型超声换能器阵列中的八个阵元检测标准对接钢板试块焊缝内缺陷得到的原始波形数据。其中，在双声程为0 ~ 80 mm范围内的响应信号包含阵列探头与试块接触面、试块底面及试块侧面的反射回波。

图5 超声阵列探头测试标准试块的回波采集数据

从图5中可以看出，八个阵元在该双声程范围内的回波信号均较为杂乱，因此，在后续检测焊缝内缺陷时，可以将其作为背景信号；而在双声程为80 ~ 200 mm范围内主要为超声脉冲遇到焊缝内缺陷后反射的回波数据。虽然对不同深度的钻孔缺陷的响应距离和信号强度略有不同，但3个直径为1 mm的钻孔缺陷所对应的超声回波信号均较为显著，说明该研究设计研制的压电微型超声换能器阵列探头检测分辨率优于1 mm。此外，由于八个阵元可独立或联合使用，无需通过复杂的多通道发射/接收电路模块及程序控制即可工作，因此该研究所研制的压电微型超声换能器阵列在超声回波检测、超声相控阵检测和超声衍射时差检测（TOFD）中具有较高的应用潜力。

综上所述，该研究设计并制作了一种可应用于25 mm及以上厚度对接钢板焊缝内缺陷检测的八通道压电微型超声换能器阵列探头。该阵列探头结合多通道连接器可根据检测需求按照单阵元、多阵元及阵列的工作方式灵活应用。研制的阵列探头实现了对25 mm厚度的标准对接钢板试块内部钻孔缺陷的准确识别和检测，检测分辨率优于1 mm。此外，该阵列探头中的八个阵元可独立或联合工作，可以灵活应用于不同扫描工作模式（A、B、C、S和P扫描等），与不同的超声检测系统具有良好的兼容性。此外，通过与最新相控阵检测或超声衍射时差检测方法相结合，该压电微型超声换能器阵列有望进一步提高其检测分辨率。

审核编辑：刘清