管道超聲導(dǎo)波檢測具有傳播距離遠(yuǎn)、檢測效率高和無需大面積去除包覆層等優(yōu)點(diǎn),成為了管道無損檢測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。超聲換能器作為檢測系統(tǒng)的主要組成部分,其性能的優(yōu)劣直接影響檢測的效果。目前通常采用壓電陶瓷作為超聲換能器的致動(dòng)材料,但新型的馳豫單晶材料具有更高的壓電性能,具有很大的發(fā)展?jié)摿�。因此研制馳豫單晶超聲換能器對于提高管道缺陷的檢出率和檢測效率具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要通過試驗(yàn)研究了馳豫單晶換能器結(jié)構(gòu)中的匹配層、背襯層及換能器的封裝方法等對接收信號回波系數(shù)、信噪比和始波拖尾時(shí)間等性能的影響。通過Matlab數(shù)值模擬研究了換能器的輸入阻抗隨頻率的變化關(guān)系。并對比了傳統(tǒng)壓電陶瓷換能器和馳豫單晶換能器的接收效果。本文的主要研究工作和成果包括:(1)建立了管道導(dǎo)波檢測系統(tǒng),根據(jù)頻散曲線確定換能器激勵(lì)的導(dǎo)波模態(tài),并制定了馳豫單晶換能器性能的評定標(biāo)準(zhǔn)。通過Ansys模擬研究了不同尺寸下馳豫單晶片的接收幅值,結(jié)果表明,當(dāng)馳豫單晶長度達(dá)到20mm后,隨著馳豫單晶長度的增加,接收信號幅值增長緩慢,綜合分析后采用20mm馳豫單晶作為最終尺寸。(2)根據(jù)推導(dǎo)的聲強(qiáng)透射率公式研究了不同材料聲阻抗和不同材料厚度作為匹配層時(shí)的聲強(qiáng)透射率變化規(guī)律。結(jié)果表明,聲強(qiáng)透射率隨匹配層聲阻抗的增大而增大,隨匹配層厚度的增大而呈現(xiàn)周期性變化。在匹配層厚度較小(1mm),聲阻抗大于5×106Pa·s/m時(shí),匹配層的材料和厚度對聲強(qiáng)透射率的影響較小。考慮聲波在匹配層中的衰減,通過試驗(yàn)研究了不同匹配層厚度對焊縫回波系數(shù)、信噪比和拖尾時(shí)間的影響。結(jié)果表明,在低頻區(qū),匹配層厚度的增加有益于回波系數(shù)的提高;在高頻區(qū),回波系數(shù)隨匹配層的增大而先增大后減小;匹配層厚度增大會(huì)降低信噪比,但對拖尾時(shí)間無明顯影響。(3)通過對碳化硅、環(huán)氧樹脂和聚硫橡膠的不同配比,制作了四種不同的匹配層材料,并通過脈沖回波法測得了四種背襯的聲阻抗;通過試驗(yàn),研究了不同聲阻抗材料對回波系數(shù)、信噪比和拖尾時(shí)間的影響。結(jié)果表明,當(dāng)背襯層聲阻抗較小時(shí),隨著背襯層聲阻抗的增大,回波系數(shù)越來越小,信噪比有所提高,拖尾時(shí)間無明顯變化。(4)根據(jù)馳豫單晶的三端等效網(wǎng)絡(luò)模型和無源器件的二端等效網(wǎng)絡(luò)模型,以及馳豫單晶的等效電路,推導(dǎo)了換能器輸入阻抗的數(shù)值計(jì)算方法,并采用Matlab軟件研究了換能器輸入阻抗隨激勵(lì)頻率和匹配層及背襯層厚度的變化規(guī)律。結(jié)果表明,輸入阻抗受匹配層和背襯層厚度的變化較小,但隨著激勵(lì)頻率的變化逐漸減小。本文采用理論分析和試驗(yàn)的方式研究了馳豫單晶換能器的設(shè)計(jì),并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了馳豫單晶換能器的整體檢測性能。研究工作對于高性能馳豫單晶換能器的研制起到了有益的參考作用。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TH878.2
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 本課題的研究背景及意義
    1.2 導(dǎo)波換能器及馳豫單晶材料的研究現(xiàn)狀
        1.2.1 導(dǎo)波換能器的研究現(xiàn)狀
        1.2.2 馳豫單晶的研究現(xiàn)狀
    1.3 壓電導(dǎo)波換能器存在的問題
    1.4 本文主要研究內(nèi)容
第二章 馳豫單晶導(dǎo)波換能器的理論研究
    2.1 超聲導(dǎo)波理論
        2.1.1 超聲導(dǎo)波定義
        2.1.2 圓管中的超聲導(dǎo)波
        2.1.3 導(dǎo)波的頻散現(xiàn)象及多模態(tài)特性
        2.1.4 管道超聲導(dǎo)波的基本檢測模態(tài)
    2.2 壓電單晶的理論研究
        2.2.1 壓電效應(yīng)及壓電材料
        2.2.2 馳豫單晶的重要參數(shù)
        2.2.3 馳豫單晶的振動(dòng)形式
        2.2.4 長度伸縮振動(dòng)晶體的電學(xué)模型
    2.3 本章小結(jié)
第三章 馳豫單晶導(dǎo)波換能器的研究
    3.1 管道導(dǎo)波試驗(yàn)檢測系統(tǒng)
        3.1.1 檢測系統(tǒng)的連接
        3.1.2 檢測模態(tài)及試驗(yàn)儀器
        3.1.3 換能器的整體結(jié)構(gòu)
        3.1.4 換能器性能的評定標(biāo)準(zhǔn)
    3.2 馳豫單晶材料的尺寸對換能器性能的影響研究
    3.3 匹配層對聲強(qiáng)透射率的影響及試驗(yàn)研究
        3.3.1 聲波的透射和反射規(guī)律分析
        3.3.2 匹配層材料對聲強(qiáng)透射率的影響研究
        3.3.3 匹配層厚度對換能器性能的影響研究
    3.4 背襯層的聲阻抗對換能器性能的影響研究
        3.4.1 背襯層聲阻抗的測定
        3.4.2 聲阻抗對換能器性能的影響研究
    3.5 封裝方式對換能器的性能影響研究
        3.5.1 不同封裝方式對換能器性能的影響
        3.5.2 換能器的封裝方法
    3.6 馳豫單晶換能器輸入阻抗的模擬研究
        3.6.1 馳豫單晶的三端網(wǎng)絡(luò)模型
        3.6.2 無源器件的等效網(wǎng)絡(luò)模型
        3.6.3 影響換能器輸入阻抗的因素與規(guī)律研究
        3.6.4 換能器輸入阻抗的試驗(yàn)測定與分析
    3.7 本章小結(jié)
第四章 馳豫單晶換能器的接收對比試驗(yàn)與分析
    4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集
    4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析
        4.2.1 軸向定位精度比較
        4.2.2 焊縫回波系數(shù)比較
        4.2.3 信噪比比較
    4.3 本章小結(jié)
第五章 總結(jié)與展望
參考文獻(xiàn)
致謝
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及其他科研成果

【參考文獻(xiàn)】

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