一种细声束超声波探头及设计方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，特别是涉及一种细声束超声波探头及设计方法。

背景技术

超声波探伤是利用超声波对构件内部缺陷进行检查的一种常用无损探伤的方法，能够快速便捷、无损伤且精确地进行工件内部多种缺陷(例如裂纹、夹杂、折叠、气孔以及砂眼等缺陷)的检测、定位、评估以及诊断，应用领域十分广泛，其中，压电式超声波探头是最为常用的一类。

常规压电式超声波探头的种类繁多且用途各异，但结构基本类似；其一般由晶片、阻尼块、保护膜、高频电缆插件及壳体组成；但随着科学技术的发展，在工业生产中对产品缺陷定位和定量的要求日益提高，特别是针对安全性要求极高的重要设备与构建(例如航空发动机零件、核反应堆构建及航天设备等)，要求进行高灵敏度、高分辨率的无损探伤以保证这些工件在无缺陷状态运行(即不允许任何超过所规定的宏观和微观缺陷存在)，以保证设备的使用安全性，防止灾难性事故发生，但现有常规超声波探头的检测精度难以满足重要零部件的缺陷定位和定量要求。

目前，检测精度高且相对成熟的超声检测方法是(水浸)聚焦探伤法，该检测方法具有声束聚焦功能，不仅具有高精度缺陷测量的优点，还能够克服常规超声波探头检测和近场区对检测结果的影响，使其能够检测薄壁件内部缺陷以及中厚度件的近表面缺陷；但是根据发明人在实践过程中发现，上述聚焦探伤法具有检测效率很低的重大缺点，往往需要在检测过程中分阶段更换不同聚焦的聚焦探头才能完成检测，而每次更换聚焦探头后都需要重新调整水距和扫查起始点，操作过程繁琐而导致检测效率很低。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种细声束超声波探头，既可有效解决常规超声波探头检测精度低的技术问题，又能解决现有聚焦探头检测效率低的技术问题，既可精确测定缺陷面积或指示长度，又适用于检测薄壁件内部缺陷以及中厚度件近表面缺陷，具有高精度检测且检测效率高的优点。

本发明采用的技术方案如下：

一种细声束超声波探头，所述超声波探头包括探头接头、与探头接头连接的探头壳体以及位于探头壳体内的电缆线、能发射和接收超声波的压电元件和组合声透镜；其中所述电缆线连接在探头接头与能发射和接收超声波的压电元件之间，用于将高频交变电脉冲传导给压电元件；

所述组合声透镜安装在压电元件的底部，用于接收压电元件所产生的超声波声束并进行汇聚以及控制超声波传播方向，以使超声波声束形成先聚焦后平行传播的超声声束。

本技术方案改进了聚焦探头仅适用于探测某一特定深度范围(焦柱区域)内的缺陷，针对检测要求较高的中厚度件，本发明经组合声透镜和压电元件组合设计产生的超声波进入工件时为细直声束，而非聚焦于某一深度位置点或者线的聚焦声束，因此检测工件时无需针对工件不同的厚度范围跟换不同焦距的探头进行检测，相对于常规超声波探头具有更高的检测精度，而相对于聚焦探头具有更高工作效率的一种接触式探伤用超声波探头，既可精确测定缺陷面积或指示长度，又适用于检测薄壁件内部缺陷以及中厚度件近表面缺陷，可显著提高检测效率。

在本发明一个较佳的实施例中，所述压电元件为具有压电效应的压电晶片，本技术方案中的压电元件既为超声波的接收敏感元件，又为发射超声波的元件，其结合组合声透镜的结构设计优选使用更大尺寸的压电晶片，从而获得更强的超声波辐射能量和更小的半扩散角，声束指向性更好，远距离检测能力更强，进而获得能量集中的、细直的超声声束。

在本发明一个较佳的实施例中，所述超声波探头还包括吸收块，所述吸收块充填在所述探头壳体内侧并位于压电元件以及组合声透镜的背面和侧面，本技术方案中吸收块又称阻尼块，吸收块一作用是用于使压电元件起振后尽快停下来，从而减小脉冲宽度，提高分辨力；而吸收块另一作用是吸收压电晶片或组合声透镜背面的杂波，提高性噪比；作为本技术方案的优选，吸收块选用的材质优选为吸声性能良好的环氧树脂加钨粉得以加工制成，其中所调制环氧树脂与钨粉配比应尽可能使其声阻抗接近压电晶片的声阻抗，加热后液态灌入探头壳体内部凝固而成。

在本发明一个较佳的实施例中，所述压电元件为圆块状结构或一侧是平面且另一侧是内凹球面的异面结构。

在本发明一个较佳的实施例中，当所述压电元件为圆块状结构时，所述组合声透镜包括依次粘接的上声透镜、中心声透镜和下声透镜，其中所述上声透镜与压电元件连接的一侧为平面，上声透镜与中心声透镜连接的一侧为内凹球面；所述下声透镜与所述中心声透镜连接的一侧为内凹球面且下声透镜的另一侧为平面；所述中心声透镜与上声透镜连接的一侧具有与上声透镜的内凹球面相适配的第一外凸球面，且中心声透镜与下声透镜连接的一侧具有与下声透镜内凹球面相适配的第二外凸球面；本技术方案中各相邻声透镜材质选择应符合阻抗匹配要求，尽可能选择声阻抗近似的材质以减少能量传输损失；同时作为本技术方案的优选，压电元件与组合声透镜之间以及上声透镜、中心声透镜和下声透镜之间胶结紧密贴合在一起，且各胶结面须薄层、严密、无缝隙，以保证声束在异质界面传播遵循斯涅耳定律；由此本技术方案中压电元件为圆块状结构，经高频交变电脉冲激励发出近似平面波，超声波声束先透过用于聚焦的带球面的上声透镜再进入中心声透镜聚焦后再透过下声透镜形成平行细直声束。

在本发明另一个较佳的实施例中，当所述压电元件为一侧是平面且另一侧是内凹球面的异面结构时，所述组合声透镜包括粘接在一起的中心声透镜和下声透镜，其中所述下声透镜与所述中心声透镜连接的一侧为内凹球面且下声透镜的另一侧为平面；所述中心声透镜与压电元件连接的一侧具有与压电元件的内凹球面相适配的第一外凸球面并通过第一外凸球面与压电元件配合连接，且中心声透镜与下声透镜连接的一侧具有与下声透镜内凹球面相适配的第二外凸球面并通过第二外凸球面与下声透镜配合连接；本技术方案结合压电元件结构改变取消了组合声透镜中上声透镜，将压电元件与中心声透镜粘接的一侧设计为内凹球面，使得高频电脉冲激励发出近似球面波，球面波直接进入中心声透镜聚焦后再透过下声透镜形成平行细直声束，本技术方案与上述实施例中工作原理相同，其不同之处在于将中心声透镜上部换成与压电晶片贴合匹配。

在本发明一个较佳的实施例中，所述上声透镜的内凹球面半径R

在本发明一个较佳的实施例中，所述细声束超声波探头整体高度在50-100mm之间，在所述探头壳体内部设置有支撑框架结构，用以将所述压电元件和组合声透镜连接位置固定于整个探头壳体的内侧中部，探头壳体将其他组件包裹或半包裹；作为优选，探头壳体采用金属材质，可有效屏蔽探头外部无线信号干扰。

在本发明一个较佳的实施例中，所述探头接头包括接头外套、绝缘套和导电接触座，所述接头外套用于与探头线接头配合连接，所述绝缘套设于接头外套与导电接触座之间并由绝缘套隔离开，且接头外套和绝缘套以及绝缘套和导电接触座之间采用胶结连接；其中导电接触座下部焊接连接电缆线上部，电缆线下部焊接连接压电元件，而压电元件下部紧贴组合声透镜，该结构设计的探头接头可有效避免仪器传递给压电晶片的交变电信号受到外部干扰。

另一方面，本发明还提供了一种细声束超声波探头的设计方法，该设计方法包括组合声透镜的设计方法，其中组合声透镜包括依次粘接的上声透镜、中心声透镜和下声透镜，所述组合声透镜中的中心声透镜的设计方法包括以下步骤：

预先确定要获得的细声束直径D

根据三角关系以及L

在组合声透镜材质符合阻抗匹配要求的前提下，确定上声透镜和中心声透镜材质并获得上声透镜和中心声透镜中的纵波声速c

计算中心声透镜上球面聚焦时的焦距f

依据阻抗匹配和平行发出声速的条件选择下声透镜材质并获得下声透镜中的纵波声速c

依据现有几何关系和斯涅耳定律计算出超声波在中心声透镜下球面界面的入射角α

根据D

计算中心声透镜下球面焦距f

根据f

本发明至少具有以下有益效果：

1.本发明细声束超声波探头结构设计简单，可获得接近于不发散且能量集中的细直超声波声束，相对于现有聚焦探头一般将超声波声束聚焦于某一探伤深度位置的点或线上，利用本发明细声束超声波探头进行超声探伤具有更高的工作效率，特别是针对检测精度要求高的厚大件的全厚度超声检测。

2.本发明细声束超声波探头相对于常规超声波直探头具有更高的缺陷定位和定量精度，既可精确测定缺陷面积或指示长度，又适用于检测薄壁件内部缺陷以及中厚度件近表面缺陷，从而具有高精度检测且检测效率高的优点，具有很好的应用前景及推广使用价值。

3.本发明细声束超声波探头结合组合声透镜的结构设计相对于现有聚焦探头可使用更大尺寸的压电晶片，现有聚焦探头压电晶片尺寸设计不宜过大，否则导致焦柱变短，检测效率进一步降低，本发明克服了上述缺陷，最终可获得一种先聚焦后平行发射的细直超声声束，能够获得更强的超声波辐射能量和更小的半扩散角，声束指向性更好，远距离检测能力更强，从而实现高精度、高效率的工件缺陷检测效果。

4.本发明细声束超声波探头中由压电元件发出的超声波先透过探头中的组合声透镜再进入被检工件，通过合理选择压电元件、组合声透镜尺寸及其材质，可使超声波探头的盲区和近场区尽量保留于探头内部，从而消除工件内的超声探伤盲区和近场区，获得检测薄壁件内部缺陷以及中、厚件近表面缺陷的能力，相对于现有高精度超声检测可实现低成本、高精度、高效率的超声波检测，具有更高性价比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例一中细声束超声波探头的结构示意图；

图2示出了本发明实施例中细声束超声波探头的外观示意图；

图3示出了本发明实施例图1中A-A的剖视图；

图4示出了本发明实施例中细声束超声波探头另一视角的外观示意图；

图5示出了本发明实施例一中内部超声波声束传播路径示意图；

图6示出了本发明实施例图5中应用的工作原理图；

图7示出了本发明实施例组合声透镜的设计原理图；

图8示出了本发明实施例二中细声束超声波探头的结构示意图；

图9示出了本发明实施例二中内部超声波声束传播路径示意图。

图中：10-探头接头；101-接头外套；102-绝缘套；103-导电接触座；2-电缆线；3-压电晶片；401-上声透镜；402-中心声透镜；403-下声透镜；50-探头壳体；501-探头顶盖；502-探头外壳；503-探头底盖；6-吸收块；7-实施例一中超声波声束传播路径；8-实施例二中超声波声束传播路径。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例一

请参考图1至图7所示，本实施例提供了一种细声束超声波探头，该超声波探头包括探头接头10、与探头接头10连接的探头壳体50以及位于探头壳体50内的电缆线2、能发射和接收超声波的压电元件和组合声透镜；其中电缆线2连接在探头接头10与能发射和接收超声波的压电元件之间，用于将高频交变电脉冲传导给压电元件；组合声透镜安装在压电元件的底部，用于接收压电元件所产生的超声波声束并进行汇聚以及控制超声波传播方向，以使超声波声束形成先聚焦后平行传播的超声声束。

具体地，为便于探头与探头线接头连接，本实施例提供的探头接头10包括接头外套101、绝缘套102和导电接触座103，接头外套101用于与探头线接头配合连接，绝缘套102设于接头外套101与导电接触座103之间并由绝缘套102将接头外套101与导电接触座103隔离开，且接头外套101和绝缘套102以及绝缘套102和导电接触座103之间采用胶结连接；其中导电接触座103下部焊接连接电缆线2上部，电缆线2下部焊接连接压电元件，而压电元件下部紧贴组合声透镜，该结构设计的探头接头10可有效避免仪器传递给压电晶片3的交变电信号受到外部干扰。

本实施例细声束超声波探头整体高度在50-100mm之间，探头壳体50包括固定连接的探头顶盖501、探头外壳502和探头底盖503，在探头壳体50内部设置有支撑框架结构，用以将压电元件和组合声透镜连接位置固定于整个探头壳体50的内侧中部，探头壳体50将其他组件包裹或半包裹；作为本实施例的优选，探头顶盖501、探头外壳502和探头底盖503均采用金属材质，可有效屏蔽探头外部无线信号干扰；当然具体并不局限于此，也可以选用现有技术中可有效屏蔽探头外部无线信号干扰的其它材质，均应包含在本发明的保护范围之内。

在图示的实施例中，压电元件可以为具有压电效应的压电晶片3，本实施例提供的压电元件以压电晶片3为例，压电晶片3既为超声波的接收敏感元件又为发射超声波的元件，其结合组合声透镜的结构设计优选使用更大尺寸的压电晶片3，从而获得更强的超声波辐射能量和更小的半扩散角，声束指向性更好，远距离检测能力更强，进而获得能量集中的、细直的超声声束。

具体地，压电晶片3为圆块状结构或一侧是平面且另一侧是内凹球面的异面结构，本实施例以压电晶片3为圆块状结构为例，其具有相互平行的上平面和下平面，结合压电晶片3为圆块状结构设计，在图示的实施例中，组合声透镜包括依次粘接的上声透镜401、中心声透镜402和下声透镜403，其中上声透镜401的与压电晶片3连接的一侧为平面，上声透镜401与中心声透镜402连接的一侧为内凹球面；下声透镜403与中心声透镜402连接的一侧为内凹球面且下声透镜403的另一侧为平面；中心声透镜402与上声透镜401连接的一侧具有与上声透镜401的内凹球面相适配的第一外凸球面，且中心声透镜402与下声透镜403连接的一侧具有与下声透镜403内凹球面相适配的第二外凸球面；本实施例中各相邻声透镜材质选择应符合阻抗匹配要求，尽可能选择声阻抗近似的材质以减少能量传输损失；本实施例压电晶片3与组合声透镜之间以及上声透镜401、中心声透镜402和下声透镜403之间胶结紧密贴合在一起，且各胶结面须薄层、严密、无缝隙，以保证声束在异质界面传播遵循斯涅耳定律；同时本实施例中压电晶片3为圆块状结构，经高频交变电脉冲激励发出近似平面波，超声波声束先透过用于聚焦的带球面的上声透镜再进入中心声透镜聚焦后再透过下声透镜形成平行细直声束。

压电晶片在受到高频电脉冲激励之后会发生逆压电效率，从而产生交替的收缩与膨胀，形成振动，因而发出的超声波类似平面波，平面波在距离声源足够远的位置近似球面波。

在图示的实施例中，超声波探头还包括吸收块6，吸收块6充填在探头壳体50内侧并位于压电元件以及组合声透镜的背面和侧面，本实施例中吸收块6又称阻尼块，吸收块6一作用是用于使压电元件起振后尽快停下来，从而减小脉冲宽度，提高分辨力；而吸收块6另一作用是吸收压电晶片3或组合声透镜背面的杂波，提高性噪比；且吸收块6选用的材质优选为吸声性能良好的环氧树脂加钨粉得以加工制成，其中所调制环氧树脂与钨粉配比应尽可能使其声阻抗接近压电晶片3的声阻抗，加热后液态灌入探头壳体50内部凝固而成并利用探头壳体50内的框架结构固定于探头内侧。

再结合图5和图6所示，根据本实施例细声束超声波探头结构设计，本实施例所获得细直超声声束所依据为平面波在曲界面的折射原理：

如图6(a)所示，当压电晶片3发出的平行声束从介质1#经凹的球形曲面入射进入介质2#时，若满足超声波声速c1(超声波在介质1#中的传播速度)大于c2(超声波进入介质2#中的传播速度)的条件，声束将发生汇聚；而如图6(b)所示，当从焦点发散开来的球面波从介质2#经凸的球形曲面入射进入介质3#时，若满足超声波声速c2(超声波在介质2#中的传播速度)小于c3(超声波进入介质3#中的传播速度)的条件并选择适当曲面半径R、焦距f、入射角θ，超声声束可以再次变为平行声束，所选择的透声介质改变，则其他参数也随之改变，而本实施例所述声束在异质界面传播均遵循斯涅耳定律，由此本实施例中压电晶片3为圆块状结构，实施例一中超声波声束传播路径7为经高频交变电脉冲激励发出近似平面波，超声波声束先透过用于聚焦的带球面的上声透镜401再进入中心声透镜402聚焦后再透过下声透镜403能够形成平行细直声束。

另一方面，根据本发明实施例中提供的细声束超声波探头，本实施例还提供有上述细声束超声波探头的设计方法，结合图1至图7所示，该设计方法包括组合声透镜的设计方法，其中组合声透镜包括依次粘接的上声透镜、中心声透镜和下声透镜，所述组合声透镜中的中心声透镜设计方法包括以下步骤：

预先确定要获得的细声束直径D

根据三角关系以及L

在组合声透镜材质符合阻抗匹配要求的前提下，确定上声透镜和中心声透镜材质并获得上声透镜和中心声透镜中的声速c

计算中心声透镜上球面聚焦时的焦距f

依据阻抗匹配和平行发出声速的条件选择下声透镜材质并获得下声透镜中的声速c

依据现有几何关系和斯涅耳定律计算出超声波在中心声透镜下球面界面的入射角α

根据D

计算中心声透镜下球面焦距f

根据f

至此，完成中心声透镜设计，且由中心声透镜与上声透镜和下声透镜组合所形成的组合声透镜可获得一种先聚焦，后平行发射的细直超声声束，从而实现高精度、高效率的工件缺陷检测效果。

上述上声透镜的内凹球面半径R

实施例二

实施例二与实施例一基本相同，其不同之处在于：结合图8和图9所示，本实施例提供了一种细声束超声波探头，本实施例压电晶片3为一侧是平面且另一侧是内凹球面的异面结构，结合压电晶片3结构设计，本实施例组合声透镜包括粘接在一起的中心声透镜402和下声透镜403，其中下声透镜403与中心声透镜402连接的一侧为内凹球面且下声透镜403的另一侧为平面；中心声透镜402与压电晶片3连接的一侧具有与压电晶片3的内凹球面相适配的第一外凸球面并通过该第一外凸球面与压电晶片3配合连接，且中心声透镜402与下声透镜403连接的一侧具有与下声透镜403内凹球面相适配的第二外凸球面并通过该第二外凸球面与下声透镜403配合连接；在图示的实施例中，结合压电晶片3结构改变取消了组合声透镜中上声透镜401，将压电晶片3与中心声透镜402粘接的一侧设计为内凹球面可获得实施例二中超声波声束传播路径8，使得高频电脉冲激励发出近似球面波，球面波直接进入中心声透镜402聚焦后再透过下声透镜403形成平行细直声束，本实施例与上述实施例一中应用的工作原理相同，其不同之处在于结合压电晶片3结构改变将中心声透镜402上部换成与压电晶片3贴合匹配。

本实施例组合声透镜的设计方法与实施例一基本相同，其不同之处在于，本实施例提供的组合声透镜包括粘接在一起的中心声透镜402和下声透镜403，将压电晶片3为一侧是平面且另一侧是内凹球面的异面结构，利用异面结构的压电晶片3替代实施例一中上声透镜设计，进而在组合声透镜材质符合阻抗匹配要求的前提下，确定压电晶片3中的纵波声速为c

由上所述，实施例一和实施例二中细声束超声波探头均可获得接近于不发散的能量集中的细直超声波声束，且该探头结合组合声透镜的结构设计相对于现有聚焦探头可使用更大尺寸的压电晶片3，从而获得更强的超声波辐射能量和更小的半扩散角，声束指向性更好，远距离检测能力更强；值得说明的是，若聚焦探头使用的压电晶片3直径过大，其结果是探头聚焦焦柱直径变小或焦柱长度变短，致使检测效率进一步降低，不利于探伤；而普通直探头不能通过减小压电晶片3尺寸来获得细直声束，因为晶片尺寸小会导致半扩散角增大，能量不集中，缺陷测量精度下降；由此本发明组合声透镜结合压电晶片3的结构设计可获得更强的声辐射能量，增强远距离检测能力，缺陷定位精度更高。

综上所述，本发明细声束超声波探头结构设计简单，可获得接近于不发散且能量集中的细直超声波声束，相对于现有聚焦探头一般将超声波声束聚焦于某一探伤深度位置的点或线上，利用本发明细声束超声波探头进行超声探伤具有更高的工作效率，特别是针对检测精度要求高的厚大件的全厚度超声检测；同时相对于常规超声波直探头具有更高的缺陷定位和定量精度，既可精确测定缺陷面积或指示长度，又适用于检测薄壁件内部缺陷以及中厚度件近表面缺陷，从而具有高精度检测且检测效率高的优点；本发明细声束超声波探头中由压电元件发出的超声波先透过探头中的组合声透镜再进入被检工件，通过合理选择压电元件、组合声透镜尺寸及其材质，可使超声波探头的盲区和近场区尽量保留于探头内部，从而消除工件内的超声探伤盲区和近场区，获得检测薄壁件内部缺陷以及中、厚件近表面缺陷的能力，相对于现有高精度超声检测可实现低成本、高精度、高效率的超声波检测，具有更高性价比，在无损检测技术领域具有很好的应用前景和推广使用价值，适合推广应用。

本发明的说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的，在本发明基础上，本领域技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中一些技术特征做出一些替换和变形，均在本发明的保护范围内。