超聲波流量計探頭及換能器原理  一六零

使超聲波聚焦的方法主要有兩種:

(1)直接將晶片制成凹面形,如凹球面,凹圓柱面等,發射的超聲波直接聚焦,此時晶片的振動已不完全是如同平面晶片那樣的厚度振動,而有彎曲振動等復雜形式出現,但是,由于這種方法的晶片制作工藝難度較大而且曲率半徑不易保證,所以較少采用.

(2)在換能器平面壓電元件前面加聚焦聲透鏡,利用幾何聲學與折射原理,使經過聲透鏡后的超聲波束會聚達到聚焦目的.它的原理與光學情形有相似之處,聲透鏡材料中的聲速大于傳聲介質聲速時,聲透鏡呈凹形,而聲透鏡材料聲速低于傳聲介質聲速時,則聲透鏡呈凸形,這與光學透鏡情況是相似的(空氣中的光速近似等于真空中的光速,大于光學透鏡材料中的光速,所以光學聚焦透鏡常用凸透鏡).例如四氯化碳(聲速937.8米/秒),低于一般傳聲介質,故可以充填在凸透鏡形薄殼(鋁或塑料)中做成凸聚焦聲透鏡.工業超聲檢測中應用的聚焦超聲探頭多采用凹形聲透鏡.視聲透鏡的曲面形狀,可以實現線聚焦或點聚焦,這種方法由于制作工藝較簡單而獲得廣泛應用.

常見的超聲聚焦探頭及其設計制作考慮因素如下:

[1]普通水浸聚焦直探頭:

普通水浸聚焦直探頭的型號命名方法如下例:2.5P20 F50 DJ

第一項為探頭名義中心諧振頻率(這里是2.5MHz)

第二項為壓電材料(這里的P即是PZT)

第三項為晶片尺寸(這里是直徑20毫米)

第四項是水中焦距(這里是50毫米)

第五項表示聚焦類型(這里是點聚焦,如果是線聚焦則用XJ表示)

水浸聚焦直探頭為最廣泛應用的型式,其關鍵在于聲透鏡的設計與制作,而其他如吸收塊,壓電晶片以及電阻抗匹配等則與普通直探頭的考慮因素相同.

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