空气耦合式超声波无损检测技术的发展

    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的耦合剂或采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(例如在多孔渗水材料、食品、药品、木制品、对水或其他耦合剂敏感的场合、在线运动部件检测、禁止接触的医用领域等),也很难获得高的检测速度。空气耦合式超声波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,使该技术有着很好的应用前景。

    空气耦合式超声波无损检测属于非接触超声检测的一种。目前在非接触超声检测中主要还有激光超声检测和电磁超声检测,前者在高熔点金属和陶瓷材料检测中是可行的,但对热和冲击敏感的材料难以应用;后者目前主要适用于铁磁性材料中。

    在不采取特殊手段的情况下,早期空气耦合式超声波无损检测与普通水耦合系统相比,其信号幅值要低约140 dB[1];另外,换能器材料与空气声阻抗的严重不匹配,也使得空气耦合超声换能器的效率低、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]。所以,长期以来,该技术没有得到很好发展。

    随着显微机械加工技术的发展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^[3-4],加上低噪声、高增益放大器的研制^[5-6]及与超声波信号特性相适应的数字信号处理技术的发展[7-8],空气耦合式超声波无损检测技术有了长足的进步。在复合材料检测^[9]、纺织品检测^[10]、材料特性评价^[11-12]、食品工业^[13-15]和医疗应用^[16]等领域都有了较好的应用。

    1　空气耦合式超声换能器的发展

    空气耦合式超声波检测过程中,超声波的传播主要受三方面影响:超声波在空气中的衰减、气固表面超声波的大量反射、超声换能器的转换效率。前两者在空气耦合式超声波检测条件下为自然现象,无法改变。这些因素使得超声波传播过程中插入损耗非常高。为了进行高质量信号处理和成像,必须获得高信噪比的信号。所以,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,解决的思路主要有两个方向。1995年,加拿大QMI公司的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^[17]。

    (1)从传统的压电陶瓷超声换能器出发,在传感器外表面增加四分之一波长厚度阻抗匹配层,亦或改进传感器的结构等方法,制作适应以空气作介质的换能器。