超声换能器电阻抗特性研究

　　0 引言

　　超声换能器是超声无损检测系统中的重要元件,它能实现电能和声能的相互转换。在超声检测过程中,换能器的性能决定了检测结果的准确性。在众多换能器的性能参数中,电阻抗是其中的一个重要参数,它直接影响换能器与电信号发生装置和电信号接收装置的电路匹配效果。研究换能器在电)声转换和声)电转换两种状态下电阻抗的关系,精确测量换能器电阻抗值,可以为换能器与激发/接收电路之间的有效匹配提供数据,减少能量的衰减和反射,从而提高测量系统的检测精度和增大检测距离[1-2]。

　　1 换能器激发接收超声信号建模

　　1.1 换能器激发超声信号的建模

　　超声信号激发部分包括激励电脉冲发生器、电缆和超声换能器。其中脉冲发生器可以简化为一个线性器件,根据Thevenin定理[3]这个脉冲发生器可以用Thevenin等效电路来建模,如图1所示,这个电路包括一个电压源Vi(X)和一个串联电阻抗Zei(X)。在实际超声检测中,所用的超声频率在1 MHz到20 MHz之间,在这个频率范围内,电缆特性对电路的影响是不可避免的,在这里把电缆建模为一个二端系统,如图1所示,[C]是电缆的转换矩阵,则有:

　　其中: det[C]=1。同样可以把换能器建模成一个二端系统,如图1所示,在输入端电学量(V,I)的影响下,在其输出端产生声学量(Ft,vt),[T]是换能器的转换矩阵,在电学量和声学量之间存在以下关系:

　　式中: det[T]=1,V和I是换能器输入端的电压和电流,Ft和vt是换能器表面对介质的作用力和质点振动速度[4]。

　　在换能器向介质中辐射超声波的过程中,存在辐射阻抗Zas,并且在换能器的机械端满足:

　　不考虑电缆特性对换能器等效电阻抗的影响时,由(2)式和(3)式可得换能器等效输入电阻抗:

　　考虑电缆特性的影响时,由(1)、(2)式和(3)式可得换能器等效输入电阻抗:

　　1.2 换能器接收超声信号的建模

　　超声信号接收部分包括换能器、电缆和接收器。换能器在接收超声信号时,超声信号作用在换能器表面上的作用力为[6-9]:

　　其中:F刚性是假设换能器表面为刚性时换能器表面所受到的作用力,vi是换能器表面质点的振动速度。参照超声发射部分的建模,可以将超声信号接收部分建模为如图2所示,此时换能器的输入端是声学量(Fi,vi),输出端是电学量(V,I),它们之间存在的关系是:

　　在换能器输出端开路的情况下,由(7)式可得:

　　根据Thevenin定理,输出端开路的换能器接收电路可以用Thevenin等效电路来建模,如图3所示,电压源Vs就是换能器的输出端开路电压：