基于空气耦合超声技术的线型材料杨氏模量测量_王晓彧.pdf

第4 5卷第1期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.12 0 2 3年2月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T O O P T I C SF e b.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-0 7-2 5 基金项目:南京工业职业技术大学引进人才科研启动基金(YK 2 1-0 3-0 6)作者简介:王晓彧(1 9 8 4-),男,辽宁省丹东市人,讲师,主要从事超声换能器设计及无损检测研究。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 1-0 0 9 4-0 4D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 1.0 1 8基于空气耦合超声技术的线型材料杨氏模量测量王晓彧1,郭紫怡1,黄文茜1,吴浩东2,陈 杰3(1.南京工业职业技术大学 航空工程学院,江苏 南京2 1 0 0 2 3;2.南京大学 声学研究所,近代声学教育部重点实验室,江苏 南京2 1 0 0 9 3;3.东南大学成贤学院 基础部物理实验室,江苏 南京2 1 0 0 8 8)摘 要:该文介绍了一种基于空气耦合超声技术的材料杨氏模量评估方法。首先采用1-3型压电复合材料及双层匹配结构,研制了高灵敏度的空气耦合超声换能器。在一发一收模式下,该空气耦合超声换能器的插入损耗和-6d B带宽分别为-2 3.9d B和2 6.9%。其次搭建实验平台,将空气耦合超声技术与静态拉伸法结合,以评估铜线和银线杨氏模量。铜线和银线杨氏模量评估结果与对应的公认值范围一致。关键词:空气耦合超声;杨氏模量;双匹配层;插入损耗;静态拉伸法中图分类号:T B 5 5 2;T B 3 4;T N 3 8 4 文献标志码:A M e a s u r e m e n t o fY o u n gsM o d u l u so fL i n e a rM a t e r i a lU s i n gA i r-C o u p l e dU l t r a s o n i cT e c h n o l o g yWA N GX i a o y u1,G U OZ i y i1,H U A N G W e n q i a n1,WUH a o d o n g2,C H E NJ i e3(1.S c h o o l o fA e r o n a u t i cE n g i n e e r i n g,N a n j i n gV o c a t i o n a lU n i v e r s i t yo f I n d u s t r yT e c h n o l o g y,N a n j i n g2 1 0 0 2 3,C h i n a;2.I n s t i t u t eo fA c o u s t i c s,K e yL a b.o fM o d e r nA c o u s t i c s(MO E),N a n j i n gU n i v e r s i t y,N a n j i n g2 1 0 0 9 3,C h i n a;3.P h y s i c sL a b o r a t o r yo fB a s i cD e p a r t m e n t,S o u t h e a s tU n i v e r s i t yC h e n g x i a nC o l l e g e,N a n j i n g2 1 0 0 8 8,C h i n a)A b s t r a c t:T h i sp a p e rp r e s e n t s am e t h o d f o r e v a l u a t i n gY o u n gsm o d u l u so fm a t e r i a l sb a s e do na i r-c o u p l e du l t r a-s o n i c t e c h n o l o g y.F i r s t l y,t h ea i r-c o u p l e du l t r a s o n i ct r a n s d u c e ri sd e v e l o p e db a s e do n1-3p i e z o e l e c t r i cc o m p o s i t e sa n dd o u b l e-l a y e rm a t c h i n gs t r u c t u r e.I nt h em o d eo fo n e-t r a n s m i t t e r-o n e-r e c e i v e r,t h ei n s e r t i o nl o s sa n d-6d Bb a n d w i d t ho f t h ed e s i g n e da i r-c o u p l e du l t r a s o n i c t r a n s d u c e ra r e-2 3.9d Ba n d2 6.9%,r e s p e c t i v e l y.T h e n,a ne x-p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s s e t u p t oe v a l u a t e t h eY o u n gsm o d u l u so f c o p p e rw i r e a n ds i l v e rw i r eb yc o m b i n i n g t h e s t a t i ct e n s i l em e t h o da n da i r-c o u p l e du l t r a s o n i ct e c h n o l o g y.T h ee v a l u a t e dr e s u l t sa r ec o n s i s t e n tw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gr e c o g n i z e dv a l u e s.K e yw o r d s:a i r-c o u p l e du l t r a s o n i c;Y o u n gsm o d u l u s;d o u b l e-l a y e rm a t c h i n gs t r u c t u r e;i n s e r t i o nl o s s;s t a t i ct e n s i l em e t h o d 0 引言工程机械设计应用中,在进行材料选择时,材料的杨氏模量是非常重要的一个参数,该参数主要用于表征材料在外力作用下变形的难易程度。目前对于杨氏模量的评估主要分为有动态法和静态法两大类。其中静态拉伸法是使用较广泛、简单、精确的一种评估方法1-2。利用静态拉伸法实现材料杨氏模量评估需要获得应力及应变两个参数。应力参数一般通过拉力传感器获得,应变参数主要通过光学及声学方式获得。传统的超声方法在实施过程中因受到耦合剂等因素限制而引入测量误差。空气耦合超声技术以空气作为耦合介质,是一种完全无损耗、无侵入的无损检测技术。与传统超声技术相比,空气耦合超声技术更易实现在线快速评估检测3。目前,空气耦合超声技术已被广泛应用于复合材料检测、奢侈品检测、食品药品检测及锂电池检测等领域4-6。空气耦合超声技术在应用中最主要的问题在于压电材料与空气之间声阻抗不匹配而导致的高插入损耗。针对上述问题,本文利用1-3型压电复合材料,结 合 双 匹 配 层 结 构 研 制 了 具 有 低 插 入 损 耗 的4 0 0k H z空气耦合超声换能器。利用所研制的空气耦合超声换能器实现了对金属铜、银材料杨氏模量的评估。1 空气耦合超声换能器的制备及评估为了缩小压电材料与空气之间声阻抗的差异,利用工艺成熟的切割-填充法制备了高机电耦合系数的1-3型压电复合材料。首先利用切割机将压电陶瓷(嘉康电子P-6 7 6压电陶瓷)沿x、y方向分别切割,形成阵列压电陶瓷柱,切割周期为2.4mm,刀宽为0.4mm;切割完成后,向其中浇灌海因环氧树脂,待其完全固化后再利用平面磨床将其打磨至指定厚度;采用化学镀法在其表面制备铜电极,电极厚度约为1mm,并采用专用工具加工成所需形状,如图1所示。图1 1-3型压电复合材料实物图图1中 的1-3型 压 电 复 合 圆 片 直 径 为1 3mm,压电陶瓷体积比约为7 3.5%。利用A g i-l e n t 4 2 9 4 A阻抗分析仪测试该材料的共振频率及反共振频率分别为3 6 0k H z和4 7 4k H z。利用中科院声学所Z J-3型压电测试仪测试压电应变常数为8 0 6p C/N,声阻抗为1 8.4 MR a y l。综合考虑空气耦合超声换能器插入损耗指标及声阻抗特性匹配方案,本设计以此材料作为空气耦合超声换能器的换能部件。为了实现声阻抗在1-3型压电复合材料与空气之间的逐渐过渡,提高声透射率,从而改善空气耦合超声换能器的插入损耗,故匹配方案采用双匹配层结构。图2为内、外层匹配材料实物图。内层匹配材料M 1为自制的空心玻璃微球/海因环氧树脂混合物,该类材料具有较好的致密性、低的声阻抗及较小的声衰减系数;外层匹配材料M 2为轻质泡沫类型材料。M 1和M 2的声阻抗分别为1.2 5 MR a y l和0.0 2MR a y l。图2 内、外层匹配材料实物图空气耦合超声换能器内部结构示意图如图3所示。为了减小空气耦合超声换能器插入损耗,空气耦合超声换能器结构未加背衬。图3 空气耦合超声换能器内部结构示意图根据/4(其中为波长)匹配厚度理论及实验验证,获得最佳内、外匹配层厚度分别为1.2 4mm和0.5 mm。以 此 为 基 础 研 制 了 有 效 直 径 为1 3mm的平板型4 0 0k H z空气耦合超声换能器,并封装入铝制壳体,如图4所示。图4 4 0 0k H z空气耦合超声换能器实物图采用一发一收模式对空气耦合超声换能器进行性能评估。测试方法为:使用R I G O LD G 1 0 2 2 Z信号源激发单周期、信号幅值为2 0V、频率为4 0 0k H z的方波电信号,激励发射超声换能器,在未使用信号放大装置的前提下,由接收超声换能器接收声信号;59 第1期王晓彧等:基于空气耦合超声技术的线型材料杨氏模量测量利用压电效应将其变换为相应的电信号输入到T e kT D S 3 0 1 2 C示波器;利用示波器内置软件进行F F T变换,将对应的时域信号变换为频域信号。其中,传输介质为空气,发射/接收超声换能器之间的距离为5 0mm。超声换能器的插入损耗I L和-6d B带宽BW-6d B分别表示为I L=-2 0 l o gVr e c e i v eVe m i t(1)B W-6d B=2(fh i g h-fl o w)fh i g h+fl o w(2)式中:Vr e c e i v e为接收超声换能器接收到的声信号所对应的电信号峰-峰值;Ve m i t为施加到发射超声换能器的电信号峰-峰值;fh i g h和fl o w分别对应频域信号中,幅值最高点下降6d B时对应的两个频率点。图5为该空气耦合超声换能器在一发一收模式下的时域信号及频域信号。根据式(1)、(2)计算可得该超声换能器的插入损耗和-6d B带宽分别为-2 3.9d B和2 6.9%。图5 一发一收模式下,空气耦合超声换能器的时域信号及频域信号2 杨氏模量测试利用本文研制的空气耦合超声换能器,采用静态拉伸法实现对金属铜、银的杨氏模量评估。根据胡克定律获得杨氏模量E为E=TLL(3)式中:T=F/A为对待测体单位面积施加的应力,F为对待测体施加的拉力,A为待测体的截面积;L为待测体的长度;L为待测体在外力作用下产生的弹性形变量。由式(3)可知,当待测体确定后,只需测得参数T和L,即可计算获得该待测体的杨氏模量。杨氏模量测量