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冻土测量用宽带复合纵、横波超声换能器
    一、技术领域

    本发明是一种用于测量冻土纵、横波声速，演算冻土力学特性的宽带超声换能器。属非金属材料无损检测技术领域。

    二、背景技术

    现有技术中的冻土超声换能器：

    国内外现有冻土测量用纵、横波超声换能器缺点如下：(1)由于压电晶堆采用传统PZT压电陶瓷，PZT声阻抗高，与检测介质严重声失匹，故换能器收、发灵敏度不高；(2)由于PZT材料只能制成200kHz频段以下(200kHz至1MHz之间有困难)，长期不能超过此限，故检测分辨率不高；(3)传统换能器通带窄、Q值高，检测波形持续时间长、余响大，上升沿欠徒削，不仅影响检测分辨率，而且降低检测精确度；(4)PZT压电晶堆是两维振动体，检测波形有畸变；(5)传统换能器耦合到固体介质上时纵、横波相互转换、干扰，影响检测精度和可靠性。

    九十年代，国外以日本为代表，针对上述问题，采用固体浸入液态中测量，如UVM-2型声速仪。利用液态中只传播纵波，变换被检测固体朝向，可分别获取纵波、横波速度。此法须找到负温很深的液态，才能用于冻土测量。

    近年来，国内有报导用多层铝箔，填进传统换能器耦合层，加上压力，可部分减少纵、横波的互耦，换能器频率仅200kHz以下，波形有畸变，前沿欠陡削，测量冻土声速结果仍不够精确。

    三、发明内容

    1.发明目的

    本发明的目的就是提供一种高灵敏度及低Q值、短余响兼得的，且工作频率较高的，适合冻土力学特性测量的收发可逆式冻土测量用宽带复合纵、横波超声换能器。

    2.技术方案

    本发明的冻土测量用宽带复合纵、横波超声换能器由PZT与聚合物二相连结复合的压电晶堆(简称压电晶堆)和屏蔽外壳，引线等所组成，换能器的圆柱形外壳中的最下部设有透声层，在透声层的上面设有压电晶堆，在压电晶堆的上面设有吸声块，吸声块固定在凸环内，凸环的外圆通过螺纹固定在外壳内，压电晶堆的外侧与外壳之间设有压力释放环，电缆引出插座穿过上盖并固定在上盖上，正电极引线、负电极引线分别接在压电晶堆的两侧面上，负电极接地，由电缆引出插座引出。压电晶堆由PZT与聚合物二相连结复合制成，1-3连结复合或其它二相连结复合体制成纵波压电晶堆，2-2连结复合制成横波压电晶堆，两类压电晶堆变换，其余结构不变，构成纵、横两类换能器。透声层为20μm-30μm厚度，由导电银粉与环氧复合而成。吸声块，满足高度为直径的2.5倍，由钨粉和环氧复合而成。压力释放环由铝合金制成，由压力释放环顶住由柔性塑料制成地凸环形成静压力释放机构。外壳为不锈钢空心圆柱体，上盖为不锈钢板，上盖与外壳之间由螺纹连接。

    PZT压电陶瓷与聚合物，二相连结复合制成新的压电体，有0-0、1-3、2-2及3-3等近十种连结方式。它们是指PZT与聚合物之间按一定体积(或重量)比例在结构上连通的方式。例如1-3连结是指PZT众多小柱顺沿Z轴密排，环氧聚合物浇灌其间隙。经过1-3连结(或其它方式连结)复合压电晶堆的灵敏度变高及声阻抗变低。变成Z轴单方向的振动体，横向机电耦合很小。

    3.技术效果

    收发灵敏度高，余响短，脉冲前沿陡削，波形简单，工作频率高等优点。在峰—峰值320伏脉冲电压激励下该复合换能器用耦合液直接耦合在标准冻土试块上，在负温(-2℃～-20℃)，含水量(7％～25％)条件下，精确、稳定及方便测定冻土纵波和横波声速，换能器还能观察不同静压力下冻土纵、横波声速变化。本换能器亦适用于常温岩体超声测量。

    四、附图说明

    图1是本发明的总体结构示意图。其中有压电晶堆1、透声层2、压力释放环3、吸声块4、外壳5、上盖6、电缆引出座7、负电极引线8、正电极引线9、凸环10。

    五、具体实施方式

    本发明包括以下主要部分：压电晶堆1，它由PZT与聚合物二相连结复合成压电晶堆(声阻抗约为8～11×106Pa·S/m)组成；透声层2由导电银粉和环氧树脂复合而成，厚为20～30μm；压力释放环3由铝合金制成；吸声块4由钨粉和环氧树脂复合而成，该块体的高度大于直径2.5倍；外壳5、上盖6均由不锈钢制成；凸环10由柔性塑料构成。换能器的圆柱形外壳中的最下部设有透声层，在透声层的上面设有压电晶堆，在压电晶堆的上面设有吸声块，吸声块固定在凸环内，凸环的外圆通过螺纹固定在外壳内，压电晶堆的外侧与外壳之间设有压力释放环，电缆引出插座穿过上盖并固定在上盖上，电极引线有两根，分别接在压电晶堆的两侧面上，负电极接地(屏蔽外壳为地)，正、负电极线由电缆插座引出。

    本发明的特点是：

    第一，铝合金环与柔性塑料凸环构成静压力释放系统，在不同静压力下压电堆一端始终处于自由振动边界条件；第二，环氧与银粉复合配比后透声层声阻抗亦达到8～11×106Pa·S/m左右，厚度为20～30μm，该层起三个作用：a.电屏蔽；b.声耦合；c.厚度减薄目的是横波工作时不产生纵波成份；第三，在换能器整体结构中二相连结复合压电晶堆，倘用1-3连结复合纵波换能材料就构成纵波检测换能器，若另用2-2连结复合横波换能材料就构成横波检测换能器；第四，1-3连结复合纵波压电晶堆以PZT小柱周期(或非周期)排列骨架，注入环氧，满足性能指标为：a.声阻抗：8.9～10.86×106Pa·S/m；b.压电常数d33：330～345×10-12C/N；c.Q值：8～12.2；d.横向机电耦合系数Kp＜15％；第五，2-2连结横波复合压电晶堆以PZT切变模式为骨架，注入环氧，满足性能指标为：a.声阻抗：9.0～9.25×106Pa·S/m；b.横向切变机电耦合系数K152大于0.6；c.Q值：16～17；第六，换能器的工作频率完全由晶堆尺寸控制，可采用250kHz、500kHz两种体制或其间的任一频率；第七，环氧钨粉吸声块满足：钨粉(200目)与环氧的体积比为20～40％，声阻抗约为8.2～10.6×106Pa·S/m，块高度大于块直径2.5倍。使声学换能器形成单向收发。