非接触空气耦合式超声检测技术研究及应用

　　1　引言

　　近二十年来,由于航空航天技术发展的需要,复合材料得到了迅速发展。各类先进的复合材料正在取代传统的机体结构材料。美国已有十多种军用飞机采用了先进的复合材料,其产量正以16%的年增长率持续上升。但是,复合材料容易产生老化和腐蚀损伤等故障。与金属材料不同的是,复合材料在断裂或损坏之前几乎没有先兆,其破坏具有突然性,并往往对结构造成致命威胁。因此,复合材料的无损检测,特别是发现一些隐藏缺陷就显得尤为重要。

　　目前,美国、俄罗斯、法国、德国、加拿大等国家都在大力发展快速无损检测技术以适应现代航空装备的研制和高效制造的需求。进入21世纪,快速高效无损检测技术己成为国外航空装备研发和制造的重要发展方向。非接触空气耦合式超声检测方法是快速无损检测技术的主要发展方向之一。

　　虽然空气耦合式超声波无损检测技术在各方面都有了较大的进展,但仍有许多问题尚未得到根本解决。首先,空气耦合条件下的声场特性的研究不够深入;其次,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,使得接收信号变得微弱且信噪比降低;基于以上原因,空气耦合超声技术的应用研究还不成熟。

　　2　空气耦合式超声检测技术

　　2.1　空气耦合式超声检测技术进展

　　空气耦合式超声无损检测技术的进展得益于空气耦合理论、新型换能器及信号处理技术的不断进展。尽管空气耦合式超声检测技术壁垒不断,但研究工作还是取得很多进展:D.S Dean和V. Magori系统评估了实际应用环境中空气耦合换能器的特点[1]。L.C Lynnworth[2], F.Massa,W.Kuhl和Co-works, W.W.Wright,Polaroid公司研发小组,B.T Khuri-Yakub[3],及M.Trusler研究开发的空气耦合式固体绝缘换能器,为空气耦合超声技术的发展起了推动作用。

　　超声在空气和其他气体中的传播特性也得到了广泛的研究,R. Hickling和S.P Marin分析了1MHz频段超声信号在接近传感中的应用状况[4]。H.E Bass系统总结了音频段空气对声传播能量的吸收[5]。E.H. Brown和S.F Clifford阐述了空气耦合中气体不稳定性对传播衰减的影响[6]。文献[7]分析了20 kHz至1 MHz频段,超声传输衰减与频率、相对湿度以及空气压力之间的关系。文献[8]分析了高达20 MHz频段时,空气对声能的影响。在很多无损检测场合,待测试样不允许水浸入或不允许物理接触,如航天高级复合材料无损检测。早期研究的空气耦合式超声检测频率限制在25 kHz～250 kHz。随着换能器和信号处理技术的不断发展,频率逐步提高到0.5 MHz～1.0 MHz[9],后来成功研制出工业应用的管道气体耦合式超声无损检测系统[10],但该系统受到环境影响因数较大。1997年,美国Ultran实验室M.C. Bhardwaj领导的研究小组利用压缩光纤作为声阻抗匹配层,成功研制出新一代空气耦合式超声换能器[11]。这项工作对进一步开发理想空气耦合式超声换能器具有指导意义。