實(shí)驗(yàn)名稱：基于水聽器法的超聲換能器聲場(chǎng)特性校準(zhǔn)技術(shù)的研究

研究方向：超聲換能器

測(cè)試目的：

超聲無損檢測(cè)是無損檢測(cè)領(lǐng)域重要的技術(shù)之一，而換能器作為超聲檢測(cè)中的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)和醫(yī)用超聲成像領(lǐng)域。其性能好壞直接關(guān)系到超聲應(yīng)用技術(shù)的效果和使用范圍，特別是聲場(chǎng)特性參數(shù)，對(duì)超聲無損檢測(cè)的檢測(cè)范圍、缺陷檢出率和缺陷評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性都有很大的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲換能器的聲場(chǎng)特性參數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量進(jìn)行深入研究是十分有價(jià)值的。

在計(jì)量領(lǐng)域中，依據(jù)JJF1294-2011《超聲探傷儀換能器校準(zhǔn)規(guī)范》、JJF1650-2017《超聲探傷儀換能器聲場(chǎng)特性校準(zhǔn)規(guī)范》開展超聲換能器的校準(zhǔn)。其中JJF1294-2011是通過標(biāo)準(zhǔn)試塊耦合換能器向其材料內(nèi)部發(fā)射超聲波，該波在標(biāo)準(zhǔn)試塊中傳播并再次被耦合換能器檢測(cè)到以用于評(píng)價(jià)換能器相關(guān)特性參數(shù)；JJF1650-2017是基于水聽器法測(cè)量超聲信號(hào)和掃描聲場(chǎng)獲取聲場(chǎng)特性參數(shù)，水聽器法作為目前超聲聲場(chǎng)中聲壓測(cè)量的推薦法則，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果直觀，能完整反映聲波波形的圖形，是各領(lǐng)域換能器聲學(xué)特性參數(shù)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)。

文中主要針對(duì)基于水聽器法超聲換能器聲場(chǎng)特性參數(shù)校準(zhǔn)進(jìn)行研究，包括超聲換能器聲場(chǎng)特性校準(zhǔn)裝置的設(shè)備組成和技術(shù)指標(biāo)、聲場(chǎng)特性參數(shù)(包括焦距焦區(qū)尺寸、聲束擴(kuò)散角等參數(shù))校準(zhǔn)方法；進(jìn)行聲場(chǎng)特性參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并進(jìn)一步討論實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

測(cè)試設(shè)備：ATA-8202射頻功率放大器、水聽器、信號(hào)發(fā)生器、示波器等。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖：超聲換能器聲場(chǎng)特性校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

超聲換能器聲場(chǎng)特性校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由超聲聲場(chǎng)掃描定位裝置、超聲脈沖激勵(lì)裝置、信號(hào)采集裝置，其校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如上圖所示。

一、標(biāo)準(zhǔn)水聽器和被測(cè)超聲換能器的安裝

由于水聽器針尖的薄膜非常脆弱，因此使用水聽器探頭時(shí)一定不能用于或其他物體觸碰針尖，使用蒸餡水輕輕清洗即可；

將標(biāo)準(zhǔn)水聽器安裝固定于電動(dòng)五自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的夾持支架上，并注意水聽器的連接線，不要纏繞在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上；

將被測(cè)超聲換能器安裝固定于手動(dòng)五自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的夾持支架上，并注意被測(cè)超聲探頭的連接線，不要纏繞在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上；

標(biāo)準(zhǔn)水聽器和被測(cè)超聲換能器安裝固定后，可分別通過驅(qū)動(dòng)手動(dòng)五自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電動(dòng)五自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)被測(cè)超聲換能器、標(biāo)準(zhǔn)水聽器的位置和安態(tài)。請(qǐng)盡量保持被測(cè)超聲探頭表面與水聽器垂直，使被測(cè)超聲探頭和標(biāo)準(zhǔn)水聽器的軸線位于水槽中心的回一直線上。

二、系統(tǒng)的連接調(diào)試

將被測(cè)超聲換能器連接功率放大器和信號(hào)發(fā)生器，設(shè)置信號(hào)發(fā)生器工作頻率為被測(cè)換能器的標(biāo)稱頻率2.25MHz，并置于猝發(fā)音輸出模式，脈沖激勵(lì)波形周期數(shù)設(shè)置為10個(gè)，使得水聽器輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)為準(zhǔn)。

將標(biāo)準(zhǔn)水聽器連接放大器和示波器，通過電動(dòng)五自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)水聽器以步進(jìn)距離0.2mm，運(yùn)行速度10mm/s進(jìn)行若干平面的掃描，即可得到聲場(chǎng)特性參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖：聚焦超聲換能器聲場(chǎng)特性參數(shù)測(cè)量結(jié)果

通過對(duì)比實(shí)際測(cè)量結(jié)果和理論結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)際測(cè)量的聲場(chǎng)與仿真結(jié)果基本吻合，聲場(chǎng)特性參數(shù)測(cè)量結(jié)果在合理的范圍內(nèi)。證明系統(tǒng)可以測(cè)量聚焦換能器聲場(chǎng)，并且測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確。

安泰ATA-8202射頻功率放大器：

本文實(shí)驗(yàn)素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當(dāng)規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機(jī)都支持免費(fèi)試用。

審核編輯黃宇