Page 39 - 《应用声学）》2023年第5期
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第 42 卷 第 5 期                 宋寿鹏等： 纳米填充硅橡胶超声干耦合特性                                           931


                                                               化物提高材料声阻抗，但填充后的硅橡胶材料的声
             0 引言
                                                               衰减系数增加。Norman         [17]  在硅橡胶中添加氧化锌
                 为了使声能有效透入被测物体，接触式超声检                          作为干耦合剂用于与人体声耦合，填料的加入使声
                                                               阻抗提高，但材料的声衰减随之增大，在使用中需要
             测时通常需要采用液体耦合剂，但对于无法施加液
                                                               通过减薄干耦合层厚度来提高声传输效率。而干耦
             体耦合剂的场合，干耦合便是一种有效的替代方式。
             干耦合材料的作用与液体耦合剂相同，主要是实现                            合检测时声传输的效果除了与干耦合剂的声阻抗
             声阻抗的匹配，以使透射声强增大，从而有效提高超                           相关，还受到硬度等参数的影响               [18−19] ，而现有的干
                                                               耦合材料往往不能同时兼顾这些需求。
             声波缺陷检测效率。
                                                                   为了提高干耦合剂的声阻抗，同时考虑到兼顾
                 目前用作干耦合剂的材料主要有金属以及树
                                                               干耦合检测的其他需求，本文研究了以硅橡胶作为
             脂、橡胶弹性体等高分子材料。其中金属硬度大，需
                                                               基料，氧化铝、铁和二氧化硅纳米颗粒作为填料的
             要外加较大的预载荷，以保证声能在界面的有效耦
             合  [1] ，在实际使用中往往使用夹持结构永久性固定。                      干耦合材料制备方法。研究了不同质量分数纳米颗
                                                               粒填充时硅橡胶声阻抗、声衰减、硬度等参数的变
             树脂材料既可用作干耦合剂，同时还可被用作胶黏
                                                               化规律。找到一种适合于工业干耦合检测时的干耦
             剂  [2] ，用于固定换能器。橡胶弹性体具有弹性好和
                                                               合材料制备方案，分析了厚度以及超声中心频率对
             硬度低的特性，且透声性和机械强度相对较好，因此
                                                               干耦合检测的影响。
             在干耦合领域应用较为普遍             [3−5] ，而其中硅橡胶的
             性能最为突出，在较小的预载荷下就能实现声能的
                                                               1 干耦合层声能传输特性分析
             有效传输    [6−7] ，是目前应用最多的干耦合材料。此
             外也有一些学者尝试了水凝胶等常温下固态的凝                                 干耦合剂作为超声传感器与被测工件之间的
             胶材料进行干耦合检测           [8−9] ，虽然此类材料的声学             声能耦合介质，能使传感器发射的声能更加有效地

             耦合效果较好，但是凝胶类耦合剂存在着物理性质                            透入被测物体，减小因传感器与被测材料声阻抗不
             不稳定等问题，制约了其实际使用。                                  匹配造成的声能反射，从而有效提高检测深度，并提
                 Couvreur等  [10]  测试了铅箔和铝箔作为干耦合                高回波幅值，使检测灵敏度得到提高。干耦合介质
             剂，预载荷为 15 MPa 时可以获得和液体耦合剂相                        中声波传输路径如图 1 所示。传感器中的敏感元件
             近的耦合效果。Bhadwal 等         [11]  使用退火银箔用于           为压电材料，由电脉冲激励产生超声波，经保护层后
             压电晶体与背衬、匹配层以及钢试件之间的干耦合，                           透射到干耦合层，经干耦合层进行匹配后再将声波
             在25 MPa的预载荷下回波信号的质量可以满足检                          透射到被测物体中。
             测的需要。Allam 等      [12]  在金属外壳的两侧分别使                   设 P i 为界面的入射声压，P ti 为透射声压。d 1 、
             用环氧树脂固定和使用软弹性体安装超声换能器，                            d 2 、d 3 分别为保护层、干耦合层以及试块的厚度。
             实现超声能量的有效传输。Liu 等             [3]  使用橡胶作为         Z 0 、Z 1 、Z 2 、Z 3 分别为压电晶片、保护层、干耦合层
             耦合介质，通过支架将探头与螺栓固定测量螺栓的                            以及试块的声阻抗。则传感器接收到的回波相对幅
             紧固力，测量时的预应力约为1 MPa。Watson等                 [13]   值A为
             使用无人机装载干耦合探头对铝试样进行测厚试                                          4Z 0 Z 1  4Z 1 Z 2      2
                                                                      A =          2         2  (1 − r )
                                                                                                    23
             验，探头的干耦合层为橡胶，在预应力达到 20 N 时                                   (Z 0 + Z 1 ) (Z 1 + Z 2 )
                                                                                   e
                                                                                          e
             回波信号满足检测需要。于石生               [7]  使用硅橡胶作为                    × e −2α 1 d 1 −2α 2 d 2 −2α 3 d 3 ,  (1)
             耦合介质，对钢轨进行了检测。Tohmyoh等                [14]  通过    式(1)中，α 1 、α 2 和α 3 分别为保护层、干耦合层和试
             施加 0.1 MPa 的预载荷，测试了不同模量的硅橡胶                       块的声衰减系数；r 23 为干耦合层与被测试块界面的
             与树脂干耦合接触时的声耦合情况，结果表明模量                            声反射率。考虑到干耦合层与被测试件接触面之间
             小的硅橡胶的耦合损耗较小。但是由于硅橡胶声阻                            存在气隙，空气未能完全排出，则r 23 修正为                [18,20]
             抗较低，无法与前端负载以及后端压电材料进行较                                                       (  Z 2 Z 3 σ  )
                                                                            Z 2 − Z 3 + j2πf
                                                                                              W
             好的声阻抗匹配        [15] ，极大降低了超声信号的传输效                         r 23 =            (  Z 2 Z 3 σ  ) ,  (2)
             率。Hosono等    [16]  在硅橡胶中添加氧化铋等金属氧                              Z 2 + Z 3 + j2πf
                                                                                              W
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