本發(fā)明涉及一種超聲無損檢測類，具體涉及一種可實現(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，在超聲無損檢測領(lǐng)域，縱波和橫波是最常用的檢測波形，超聲探頭正是發(fā)射和接收檢測波形的核心部件。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。由于該類探頭無法實現(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，無法滿足某些領(lǐng)域的檢測需求。

技術(shù)實現(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際使用過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，無法實現(xiàn)縱橫波的一體化并且不能滿足某些領(lǐng)域的檢測需求。

為實現(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，以及對壓電晶片進行保護，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，在電脈沖激勵下壓電晶片產(chǎn)生振動，輻射超聲波；壓電晶片在接收超聲波時，當接收的超聲波作用于壓電晶片時，壓電晶片受迫振動引起的形變轉(zhuǎn)換成相應的電信號。

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，以防止雜波過多干擾壓電超聲直探頭的信號采集；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。

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

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。縱波晶片和橫波晶片按照檢測需求組合兩者的位置。縱波晶片和所述橫波晶片按照檢測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應的聲場分布形式為左右平行式聲場、前后同軸式聲場和內(nèi)嵌包含式聲場，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立的，可分時激勵也可同時激勵，滿足某些特殊檢測領(lǐng)域的非常規(guī)檢測需求。

其中，某些特殊領(lǐng)域包括應力測量領(lǐng)域，在此領(lǐng)域中要求精確測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行測量，由于要更換探頭，使得耦合效果有差異，造成較大的測量誤差。為解決類似問題，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，在非線性聲學領(lǐng)域，要分析材料缺陷的非線性效應，其中縱波和橫波對材料微裂紋作用后的散射聲場，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時間和相位，進行聲學非線性研究，進一步提高了準確性。

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，也可直接發(fā)射接收橫波信號，其中，能量弱、雜波多的模式轉(zhuǎn)換方式產(chǎn)生橫波除外；二者即可同時發(fā)收，也可分時發(fā)收；二者的頻率可相同，也可不同；縱波和橫波的聲場分布可控可調(diào)，以滿足不同領(lǐng)域的特殊檢測需求。本發(fā)明實現(xiàn)了縱橫波的一體化，在實際使用過程中無需更換縱波探頭和橫波探頭，在使用上方便便捷，同時本發(fā)明具有高準確性和良好的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實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。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。

圖1為本發(fā)明實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，以及對所述壓電晶片進行保護，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，在電脈沖激勵下壓電晶片2產(chǎn)生振動，輻射超聲波；壓電晶片2在接收超聲波時，當接收的超聲波作用于壓電晶片2時，壓電晶片2受迫振動引起的形變轉(zhuǎn)換成相應的電信號。

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，以防止雜波過多干擾壓電超聲直探頭的信號采集；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。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的正負極，并且用于壓電超聲直探頭和外部設(shè)備進行信號連接。

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：通過接插件5給探頭的壓電晶片2接電，壓電晶片2在電激勵作用下產(chǎn)生伸縮振動，根據(jù)逆壓電效應，該振動在傳播到匹配層1和工件中傳播，即為超聲波，根據(jù)振動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，壓電晶片2表面產(chǎn)生與這種振動相關(guān)的電信號，再通過接插件5進入電路系統(tǒng)進行信號接收。

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。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。縱波晶片和橫波晶片按照檢測需求組合兩者的位置。

對于縱波直探頭，利用厚度方向極化的1-3型壓電復合材料晶片的厚度振動模式，可垂直發(fā)射縱波并入射到被測樣品中。對于橫波直探頭，利用2-2型壓電復合晶片的剪切振動模式，該種模式的振動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)部聲場分布相關(guān)的，具體的實現(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串擾。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型壓電復合材料晶片，橫波晶片2-2型壓電復合材料晶片，兩者都可以垂直于工件表面進行直接發(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現(xiàn)縱波和橫波的發(fā)射和接收。

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

接收超聲橫波：來自工件內(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，橫波晶片2＂表面產(chǎn)生與這種振動相關(guān)的電信號，再通過接插件5進入電路系統(tǒng)進行信號接收。同理，接收超聲縱波：來自工件內(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，縱波晶片2＇表面產(chǎn)生與這種振動相關(guān)的電信號，再通過接插件5進入電路系統(tǒng)進行信號接收。

可分別設(shè)計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，中間用隔聲材料進行振動隔離，減小相互之間的振動串擾，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，例如在螺栓應力測量中，兩種聲場同時或者分時作用在螺栓內(nèi)，分別測量螺栓縱橫波聲速，可以保證在相同耦合情況下測量的準確性和可靠性。

圖3為本發(fā)明的具體實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現(xiàn)縱波和橫波的發(fā)射和接收。

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

接收超聲橫波：來自工件內(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，橫波晶片2＂表面產(chǎn)生與這種振動相關(guān)的電信號，再通過接插件5進入電路系統(tǒng)進行信號接收。同理，接收超聲縱波：來自工件內(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，縱波晶片2＇表面產(chǎn)生與這種振動相關(guān)的電信號，再通過接插件5進入電路系統(tǒng)進行信號接收。

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，其輻射的聲場會有前后同軸的分布效果，除了可以測量材料縱橫波聲速進而計算其材料聲學、力學性能，還能根據(jù)縱橫波聲速差異，通過控制縱橫波的激勵時間，研究材料中縱橫波的相互作用，這在非線性聲學研究中有研究價值。

圖4為本發(fā)明的具體實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。縱波部分和橫波部分可分別實現(xiàn)縱波和橫波的發(fā)射和接收。

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

接收超聲橫波：來自工件內(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，橫波晶片2＂表面產(chǎn)生與這種振動相關(guān)的電信號，再通過接插件5進入電路系統(tǒng)進行信號接收。同理，接收超聲縱波：來自工件內(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，縱波晶片2＇表面產(chǎn)生與這種振動相關(guān)的電信號，再通過接插件5進入電路系統(tǒng)進行信號接收。

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)嵌包含的聲場分布，也是對特定的檢測對象進行縱橫波干預的，應用領(lǐng)域在非線性聲學研究中有研究價值。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護范圍，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、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。