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第 38 卷 第 3 期 王晓彧等： 多基元聚焦空气耦合超声换能器 291

参照美国 The Ultran Group 公司空气耦合超 大，分别为 0.8 mm、1 mm、1.2 mm、2 mm和4 mm。
声换能器测试条件。在测试过程中，由信号源激发 试块 2 材质为铝，试块表面有 5 个不同深度的缺陷，
与多基元空气耦合超声换能器相同频率的单个方 所有缺陷具有相同的宽度，均为4 mm。缺陷深度从
波信号，在未使用功率放大器条件下测试反射信号， 左往右依次增大，分别为1 mm、2 mm、3 mm、4 mm
并利用示波器对反射信号进行 FFT 转换获取带宽。 和5 mm。
发射信号电压为 8 V pp 。反射板为抛光的不锈钢板，
厚度为 15 mm。调节多基元聚焦空气耦合超声换 តڱ1
能器发射面与反射板之间空气柱的长度等于聚焦
空气耦合超声换能器的焦距。超声换能器的灵敏度
0.8 1.0 1.2 2.0 4.0
S ret 及带宽BW -6 dB 表示为
តڱ2
V r
S ret = 20 lg , (3)
V e
1 2 3 4 5
2(f H − f L )
BW -6 dB = , (4)
(f H + f L )
图 7 人工缺陷试块
其中：V r 为超声换能器接收到的脉冲回波信号电压
Fig. 7 Artificial defects test blocks
峰峰值，V e 为施加到超声换能器的激励电压峰峰值；
f H 和 f L 分别对应为频域中，最高峰值下降 6 dB 所 测试中，主机工作模式为自发自收。发射信号
对应的高频点和低频点。 为100 V 的方波，激励脉冲周期数为2。前置放大器
测试结果如图 6 所示，利用式 (3) 及式 (4) 可以 增益为 40 dB，扫描步进间距为 0.1 mm，扫描速度
计算其灵敏度 S ret 及带宽 BW -6 dB 分别为 −50 dB 为 30 mm/s，声信号的采样频率为 5 MHz。聚焦空
和20.2%。 气耦合超声换能器与试块表面的距离为60 mm。测
试结果如图8所示。

4000
3500

y/mm 15 5 3000
10
0
0 20 40 60 80 100 2500
x/mm
2000
图 6 多基元聚焦空气耦合超声换能器灵敏度及带 (a) តڱ1฾តፇ౧
宽测试结果
Fig. 6 Sensitivity and bandwidth of the multi- 3500
element focused air-coupled ultrasonic transducer
3000
4 表面缺陷检测 20 2500
y/mm 10

文中利用440 kHz多基元聚焦空气耦合超声换 0 0 20 40 60 80 100 2000
x/mm
能器采用 C 扫描方式对材料表面缺陷进行了检测。 1500
所用设备与声场分布特性测试设备相同。实验所用 1000
(b) តڱ2฾តፇ౧
人工缺陷试块如图 7 所示。试块 1 材质为 304 不锈
钢，试块表面有 5 种不同宽度的缺陷，所有缺陷具有 图 8 人工缺陷试块测试图像
相同的深度，均为3 mm。缺陷宽度从左往右依次增 Fig. 8 Images of artificial defects test blocks