摘要 为提高超声无损检测的精度和可靠性，本文研究了几种多分量超声波换能器，即二分量换能器和三分量换能器，分析和探讨了它们在声发射检测以及超声法应力测试中的应用。
关键词 超声，换能器，声发射
1 前言
超声波换能器是超声无损检测中实现电能-声能之间相互转换的关键部件。它的好坏不仅决定了检测系统的综合技术性能指标，而且对检测结果的正确性和可靠性都有很大的影响。
以声发射检测为例，由声发射源发出的信号到达换能器表面时，一般可分解成一垂直方向的纵向振动和一水平方向的切变振动，其中切变振动还可进一步分解成偏振面相互垂直的两个切变振动。采用一般的声发射换能器只能接收其中的纵向振动分量，因而损失了其中切变振动分量所带来的信息。
又如超声法测试应力和残余应力，不仅需要精确测定材料中的纵波声速，而且要精确测定两个偏振面相互垂直的切变波的速度。采用多个换能器进行测试，很难保证测试位置和耦合条件相同，从而影响了测试精度。
为此，本文研究了二分量和三分量换能器，分析、测试了它们的电、声特性，并探讨了它们在声发射检测中的应用。
2 二分量换能器的研究
所谓二分量换能器就是能在一点上同时收、发一个切变波和一个纵波，或者两个偏振面相互垂直的切变波的超声波换能器。
二分量换能器由两块晶片叠加而成，即在切变波换能器的基础上增加一个纵波晶片（S-L二分量换能器）或一个偏振面垂直的切变波晶片（S-S二分量换能器），两种换能器的结构如图1所示。考虑到两块晶片不能共信号线，同时为避免晶片之间电信号干扰，两晶片之间插入了一声阻抗接近、透声良好的绝缘层。

由于切变波换能器有与纵波换能器相似的Mason等效电路，故可导出二分量换能器的等效电路如图2所示，其中C’为绝缘层的电容。
每块晶片接收或发射与它相对应的超声波，而对其它分量的信号不敏感。因此考虑前一块晶片时，相当于原来单晶片换能器的晶片与背衬之间增加了一透声层（称为后透声层）；同理，对后一块晶片相当于增加了一前透声层。如考虑晶片1时，令I2=0，即将晶片2的变压器右半部分去掉，则可推导出晶片1发射时的声压频响：

同理，当考虑晶片2时，令I1=0，即将切变波晶片1变压器右半部分去掉，则可推导出与晶片1相似的结果。
根据以上换能器的等效电路可分别计算前、后透声层对换能器的影响。结果表明：透声层的引入导致声波在换能器内部多次反射，形成了多次脉冲。前透声层的反射脉冲与初始肪冲相位相同，而后透声层的反射脉冲与初始脉冲相位相反。
由于二分量换能器为多次反射脉冲，给它的使用带来了不便。考虑到换能器的特性存在一定的感性区和容性区，因此在换能器的电端串联或并联电感电容元件可改变频率特性和阻抗特性，从而达到改善其回波脉冲的目的。同时采用重背衬阻尼吸收向后传播的声能亦是减小反射声脉冲有的效途径。实践证明：在二分量换能器电端串、并联一定的电感，以及采用重背衬阻尼，都能有效地改善其脉冲特性。图3、图4分别为S-S二分量换能器前一分量（S1）和后一分量（S1）在阶跃脉冲激励下进行发射时的研究结果，其中（a）为理论计算机；（b）为实测；（c）为串联电感后的波形。
3 三分量换能器的研究
以上讨论了切变波一纵波（S-L）及切变波一切变波（S-S）二分量换能器，将两者进一步结合起来，就组成了三分量换能器。即采用两块偏振方向相互垂直的切变波晶片与一块纵波晶片叠加，使之能同时发射成接收两个方向的切变波和一个纵波。三分量换能器的结构如图5所示，其相应的Mason等效电路如图6所示。

显然，对于三分量换能器的S1及L分量的计算和分析与二分量换能器相似，而对于中间一声晶片，由于同时受到前后透声层反射声波的叠加作用，结果更复杂。但根据等效电路的计算机及实测结果可以看出，在轻背衬情况下，由后透声层反射的声波比前透声层的反射声波强很多。因此用于改善二分量换能器的措施同样适合于三分量换能器，即采用电匹配技术和重背衬吸收块都可以达到改善换能器脉冲特性的目的。

4 换能器的声场特性
换能器的声场特性，尤其是远场指向性是换能器的主要特性之一。对圆形活塞式纵波换能器的指向性前人已经进行了比较深入的研究，对方形切变波换能器进行相似处理，可计算出各种振速模式下切变波换能器的指向性。与实际测试值比较得知：切变波换能器的振速模式接近二项式分布。
但在二分量、三分量换能器中，由于前面的晶片对后面的晶片具有延时作用，因此采用了等效声场的方法修正其指向性，即后面的晶片等效到第一块晶片位置的声场（如图7所示）。
当考虑远场指向性时，声压与距离成反比，由此可以得到：

修正后二分量、三分量换能器指向性的理论计算与实测结果符合得很好，图8所示为三分量换能器的远场指向性研究结果。

5 新型换能器在声发射检测中的应用
目前普遍使用的声发射换能器只能接收声发射信号中的纵向振动分量，损失了其中的切变振动分量。而切变振动具有偏振性，常常带有声源的某些信息，测试切变波换能器接收声发射信号后发现，切变波换能器的接收幅值与其偏振方向有关，当偏振方向指向声源时，接收幅值最高；反之，当声源在偏振方向的垂线上时，接收幅值最低。
然而实际声发射信号的大小强弱是不确定的，因此依靠单一的切变波换能器来确定声源方向和排除噪声还有不足之处。如果采用S-L二分量换能器就能将声发射信号的横向振动和纵向振动分量同时获得，将给检测带来很大的便利。图9所示为S-L二分量换能器接收不同方向上声发射信号的结果。
可见S-L二分量换能器的纵波分量（L）无方向性，而切变波分量（S）却有方向性。通过比较S分量和L分量这两个信号，就很容易识别声源方向；在定区监测中，将S-L二分量换能器的方向正对监测区，可有效减少其它方向干扰信号的影响，从而大大提高检测的信噪比。
由于声发射信号的横向振动分量带有声源方向这一信息，利用它可确定声源的方向和位置。以切变波一切变波（S-S）二分量换能器接收声发射信号，结果表明：尽管声发射源的方向、距离和强度是予先不确定的，但S-S二分量换能器两个分量对同一信号的响应的幅值比只与声源的方向有关。通过事先标定可确定该换能器的响应幅值比对应声源方向的方向性曲线，以极坐标形式描述即为哑铃形（参见图10），当接收到某一信号时，根据响应的幅值比及方向性曲线可确定声源可能存在的四个方向。

将T1，T2两个S-S二分量换能器按图10布置在大平板试块上，分别在不同位置进行声发射试验，用计算机处理测试结果得到的声源位置与实际声源位置如表1所示，可见S-S二分量换能器对声源有较好的定位效果。

6 结束语
超声换能器是超声无损检测的关键部件，本文研究了二分量和三分量超声换能器，有关换能器电、声特性的理论分析与实际研究取得了一致的结果。这些换能器具有方向性、信息量大、耦合稳定等特点，可大大减小超声法应力测试中因测试位置及耦合条件的变化而带来的误差。在声发射检测中，由于增加了对切变振动分量的接收与分析，因而为简化声源定位、定向，提高信噪比提供了一种新方法。