超声检测技术的最新研究与应用

　　超声检测是一门综合技术,集传感器技术、信号处理技术、模式识别和图像显示等技术于一体。超声无损检测技术一直都是研究的热点,国外无损检测的文献资料中,有关超声检测内容的比例约占45%^[1]。超声检测技术的发展集中体现在无耦合、复合材料检测和自动检测等。笔者介绍最近几年非接触超声换能方法和超声导波技术、信号处理技术和模式识别在超声检测的应用、研究情况和发展趋势。

　　1　非接触超声换能方法和超声导波技术

　　1.1　空气耦合

　　因超声波在空气中的高声阻、强衰减(>150 dB)^[2],空气耦合技术以前应用不多。由于目前已经出 现>100 dB增益的低噪声放大器,可以很大程度上抵消超声波在空气中的损耗,使其可应用性有了很大的提高。空气耦合可进行快速扫查,易实现波形的模式转换,在大面 积在线实时扫查、复合材料缺陷检测、表面成像等方面有着良好的应用前景。国内目前对其研究很少。国外许多国家已经将之应用于各种材料研究中。如比利时的E Blomme和德国的RStoessel分别对几种复合材料中(如布料上的涂层以及铝板、钢板和薄铸件)的缺陷检测,得到比较满意的结果^[2,3]。美 国QMI公司生产的空气耦合式数字超声波探伤仪,性能可与普通超声波探伤仪相比。意大利空军已将空气耦合用于飞机复合材料检测中。由于空气耦合衰减过大, 适用的频率范围最高只能在1 MHz左右,而且作用距离短、带宽窄,限制了其应用范围。为了达到工业化应用的目的,超声的空气耦合正向两个方向发展,即①研制适用于不同应用环境的空气 耦合式超声波换能器。②研制适用于工业化的在线检测系统。

　　1.2　激光超声

　　激光超声是目前国内外研究最活跃的非接触超声换能方法。激光超声具有时间与空间上的高分辨力,为快速和远距离非接触超声波检测创造了条件。适用 于常规压电检测技术难以检测的形状结构较复杂或尺寸较小的复合材料以及材料的高温特性等研究,如测定CVD金刚石薄膜的弹性常数^[4]、表面试件的应力状态^[5]、高温状态下陶瓷的弹性模量和内部温度分布^[6,7]以及飞机上各个部件的定位和成像^[8]等。国内同济大学声学研究所钱梦騄等对激光超声的特性和检测各种材料的力学特性进行了大量的研究。

　　激光超声应用的主要障碍是超声接收问题。目前的解决途径主要有三个,①采用更高功率的激光器和有更强集光能力的干涉仪(如共焦的法布里-珀罗标 准具等),以提高实际可利用的激光能量。②采用表面修饰技术,如湿表面技术等,提高样品光学吸收效率,以在较低的光功率密度下产生满意的超声脉冲^[9]。③采用信号处理技术,如统计平均和自适应滤波等来抑制噪声,从而提高信噪比。从目前的发展趋势看,激光超声正向两个方向发展,即①超快速激发机制及与微观粒子相互作用和微观特性等理论研究。②工业用在线定位监测。