空气耦合超声换能器声场计算与测量研究

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　　空气耦合超声换能器及空耦超声检测技术是目前国际无损检测领域的研究热点。传统的超声检测方法需要专门的耦合剂(如水等)或采用完全水浸法来减少超声波在传输介质中的损耗，这些耦合条件限制了它在很多场合的应用，尤其对于航空航天复合材料以及某些隔热泡沫材料的检测，液浸法会使试件受潮或变污，影响其结构强度和性能，空气耦合式超声无损检测技术弥补了这方面的不足，它具有非接触、非浸入、完全无损的特点[1]。其非接触检测的优势使得空气耦合超声检测方法成为快速无损检测技术的主要发展方向之一。

　　由于换能器压电晶片材料声阻抗与空气声阻抗严重不匹配使得空耦换能器效率低、频带窄、脉冲余振长，从而导致空气耦合超声波检测系统无法达到一般超声检测系统的灵敏度、信噪比和分辨率[2]。加之空气耦合超声检测气固界面的耦合过程中空气和待检固体材料之间存在巨大的声阻抗差异，相比其他液体耦合介质其信号幅值要低很多，这两个耦合层面上的声阻抗失配使得该技术一直没有进入实际应用[3-4]。近几年随着微小加工技术的发展以及高分子材料技术的进步，高效率、高灵敏度的空气耦合式超声波换能器的制作取得了较大突破[5-6]，随着低噪声、高增益放大器的研制及与超声波信号特性相适应的数字信号处理技术的发展，空气耦合式超声波无损检测技术有了长足的进步。同时空气中超声的传播特性也得到了更深入的研究。

　　在声传播特性方面，BROWN等[7]阐述了空气耦合中气体不稳定性对传播衰减的影响。BASS等[8]分析了20～1000kHz频段超声在空气中的衰减与频率、相对湿度以及空气压力之问的关系。周正干等[9]分析了空气耦合超声检测中的主要衰减因素，根据气固界面透射原理，分析了超声波穿透试样的界面损失，通过实际检测试验分析了斜入射角度与透射系数之间的关系。在空气中超声声场计算与表征方面，KE等[10]利用有限元模型计算了空耦换能器辐射特性，ALMQVIST等[11]利用光衍射方法测量了40～2000kHz频率范围的空耦换能器声场分布，NEILD等[12]对空耦相控阵换能器声压进行了测量。

　　空耦换能器声场特性直接影响检测的灵敏度和缺陷检测的横向和纵向分辨力，超声换能器的声场特性是衡量换能器性能的最重要因素。目前空气耦合条件下的声场特性的研究还不够深入，国内外尚没有空耦声场测量的相关标准，对于高效空耦换能器的研制及其特性校准测量研究开展的较少。本文主要通过空耦换能器的空间脉冲响应分析了空耦超声换能器声场的分布特性，并研制出了空气耦合超声换能器声场特性校准测量系统。