空气耦合式超声波无损检测技术的发展及展望

　　1　引　　言

　　超声波在无损检测领域有着广泛的应用,但传统的检测方法需要使用专门耦合剂或用水浸法来减少超声波在空气中传播的损失,限制了它的适用范围。空气耦合式超声无损检测技术较好地弥补了这方面的不足,其非接触、非侵入、完全无损的特点,特别是能够实现快速在线扫查,有着很好的应用前景,但传统的压电陶瓷的换能器无法作为空气耦合换能器,因此,研制以空气为耦合层的超声波换能器是该技术的研究重点。

　　随着显微机械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的突破,加上低噪声,高增益的放大器的研制及计算机信号处理技术的发展,使空气耦合式超声波无损检测技术有了长足的进步,并在一些领域获得了较好的应用成果。文中对国际上在空气耦合超声波无损检测技术上的研究进展进行了介绍,并对其发展趋势进行了简单的分析。

　　2　空气耦合式超声波检测技术的主要困难

　　空气同检测对象之间巨大的特性声阻抗差以及空气对高频声波较大的吸收率,使普通压电陶瓷的换能器无法实现非接触检测。表1给出了超声波在几种常见介质中传输的特性声阻抗(Z)和传输系数(T),其中,特性声阻抗定义为Z=ρV,其单位为:kg/m2s,用Ray1表示。传输系数T表明了超声波从一种介质进入另一种介质中时能量损失的情况,是Z的函数:T=4Z1Z2/(Z1+Z2)2,无量纲。

　　从表1中可以看出,超声波在从空气入射到被测试块,要损失大约80dB,当其再出射到空气中还要发生同样的衰减,大约要损失150dB以上。因此,巨大的特性阻抗差是空气耦合超声检测技术一个主要困难。另外,空气对高频超声波的高吸收率也是不容忽视的,可以用衰竭距离(信号振幅减弱至其初始值的1/e的距离)来表示,其与频率成反比关系,当频率为1MHz时,大概为5cm,而到了4MHz时,仅为3.1mm,也就是说,留给该技术的空间仅有几个厘米[1]。正因为如此,此项技术在很长一段时间里并没有得到广泛的应用。

　　3　空气耦合式超声波检测技术的发展概况

　　近年来,空气耦合式超声波检测技术的研究重点主要是在空气耦合式超声波换能器研制和具体的检测应用上。

　　高效率、高灵敏度的空气耦合式换能器的研究是此项技术的核心,主要有两个方向:(1)从传统的压电陶瓷超声换能器出发,通过增加耦合层的方法制作适应以空气作介质的换能器;(2)采用显微加工技术制作静电换能器。1995年,W.A.Grandia系统地阐述了这两种方法的基本原理和制作方法,并作了相应的比较[2]。