空气耦合式超声波无损检测技术的研究进展

空气耦合式超声波无损检测技术的研究进展

0空气耦合式超声波无损检测技术超声波广泛应用于破坏检测领域，但传统的检测方法应使用专用于特定药物或浸泡法以减少超声在空气中传播的损失，并限制其应用范围（例如，之前的超声波检测方法不适用于以下物体和环境：例如，引用的水材料、食品、药物、木材和在线运动设备、水和其他接触伤口的地方）。获得高检测速度。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,它具有非接触、非侵入、完全无损的特点,特别是能够实现快速在线扫查,使得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,由于有四次气固界面的耦合过程,所以其信号幅值要低约140dB;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。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,加上低噪声、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。在复合材料检测、纺织品检测、材料特性评价、食品工业和医疗应用等领域都有了较好的应用。1空气耦合式超声波无损检测技术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和超声换能器的转换效率。这三方面的影响使得超声波传播过程中插入损耗非常高,其中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。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,解决的方法主要有两种。1995年,加拿大QMI公司的GRANDIA等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。(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。匹配材料的研究方面,西班牙CSIC声学研究所的GÓMEZ等经过对多种材料特性的研究,提出了两种比较理想的材料(聚醚砜和尼龙;频率在2MHz以上时可采用混合纤维素脂和聚二氟乙烯),基本解决了匹配材料的选择问题,并首次研究了这些材料的衰减系数随频率变化的问题。传感器结构研究方面,利用压电陶瓷与高分子聚合物组成的复合体材料形成厚度模式谐振器,采用如图1所示的1-3连接结构,其中压电陶瓷柱组成阵列,由聚合体材料填充,传感器两表面为薄金属膜电极。这种结构能减小传感器材料阻抗,且具有更高的效率和更好的耦合性能,1996年,HAYWARD等对这种结构做了全面的分析和比较。商品化压电类空气耦合式超声波换能器制造技术较先进的有美国ULTRAN集团等公司,其超声传感器工作频率范围为0.05～5.00MHz。相对于同样阻抗匹配的水浸传感器,其声压只低16～30dB。当采用3MHz传感器在穿透式检测模式下工作,两传感器间距6mm,中间为5mm厚碳纤维增强复合材料(Carbonfiberreinforcedplastic,CFRP)试件或3.2mm厚铝板试件,激励设备采用16V单周期正弦脉冲和放大器增益为64dB的情况下,可获得10mV级的信号。(2)采用显微加工技术制作静电换能器(Capacitivemicromachinedultrasonictransducer,CMUT)。其工作原理是金属化处理后的薄膜附在导体基板上,当给基板和薄膜之间加直流偏压时,由于静电力的作用薄膜会发生变形,施加激励电压即会产生超声波,或者当薄膜接收到超声波振动信号后,由电容变化转换成电信号。这种电容式微加工超声传感器的频响宽,阻尼性能好,特性声阻抗低。目前应用最广泛的仍然是压电陶瓷类换能器,尤其是在商品化产品中占大多数。压电类换能器具有更大的声功率输出,另外静电换能器相对于压电陶瓷类换能器而言环境依赖性较强,故仍以实验室应用为主。除超声换能器以外,一系列与换能器特性相关的技术手段也大大促进了空气耦合式超声波无损检测技术的发展。西班牙卡塔卢尼亚专科大学的TURO等研究了超低噪声前置信号放大器的设计,详细说明了用于高阻抗压电换能器的放大器设计与分析过程。英国沃里克大学的GAN等借鉴光学频域反射计(Opticalfrequencydomainreflectometry,OFDR)的原理,提出了一种扫频相乘技术(Sweptfrequencymultiplication,SFM)对宽带宽空气耦合式换能器的信号进行处理,获得了较高的时间分辨精度,且提高了信噪比。同为英国沃里克大学的BERRIMAN等采用时频分析方法,对宽带宽静电换能器测量到的混凝土信号进行了分析,全面研究了STFT、Wigner-Ville分布、小波变换、Hough变换等几种信号处理方法的信号识别能力。西班牙卡塔卢尼亚专科大学的SALAZAR等为提高空气耦合超声检测的轴向精度,研究了大功率高精度脉冲发生器,采用脉冲消除技术,提高了检测精度,减小了脉冲余振时间;该技术的核心思想是在脉冲余振时间内的特定相位处,对换能器再次施加一个幅值稍低的激励信号,从而抵消换能器的脉冲余振。2穿透式试验检测空气耦合式超声波无损检测系统结构与传统超声无损检测系统类似,可通过对已有检测系统进行适当改造来实现,重点是需要与传感器相匹配的功率放大器和超低噪声前置信号放大器。它的检测方式也有多种,一种典型的穿透式试验检测系统如图2所示。测试件两边各有一个发射传感器和接收传感器。这种检测方式下,可以接收到多种信号,如图3所示。该方式也是空气耦合式超声波无损检测中应用最普遍的一种。一种由传感器、手持式探伤仪、超低噪声信号放大器组成的实际检测系统如图4所示,检测50mm厚碳复合材料实心多层板时可获得相当强的检测信号。该检测方式多用于表面特性分析和成像。由于试件底面回波信号往往易被试件表面反射信号所淹没,所以较少用于对试件内特性检测。发射传感器和接收传感器在试件同侧或异侧。通过调整入射角度,该方式可在试件内产生纵波、横波、表面波和Lamb波等。一种典型的空气耦合式斜入射检测系统如图5所示。3空气耦合超声检测技术随着换能器技术和相关检测技术的发展,空气耦合超声无损检测技术在各个领域的实际应用取得了较大进展。立陶宛考纳斯科技大学的KAZYS等采用斜入射同侧检测方式,研究了航空用复合材料垂直结构蜂窝板中A0模式Lamb波的板边回波特性,由于损伤区域有很强的能量泄漏,所以可用于检测脱粘和结构损伤等缺陷,并估计其大小;比利时KATHO集团的BLOMME等采用700kHz的空气耦合式传感器,应用穿透式检测方法,研究了纺织品对超声信号的衰减作用,该技术可用于纺织品涂层的不规则性监测;日本长冈科技大学的SUKMANA等使用500kHz的静电换能器,研究了材料表面粗糙度特性与散射超声波的扩散特性之间的关系,并与基于基尔霍夫散射模型的理论计算进行了比较;法国勒阿弗尔大学的GÈÉLÈBART等采用1MHz的空气耦合式传感器,应用斜入射异侧检测方式,研究了A0、S0模式Lamb波的相速度及弹性模量与碳环氧材料多层板的热氧化老化特性之间的关系;英国沃里克大学的GAN等采用中心频率500kHz、薄膜厚5μm的电容式传感器,对棕榈油和奶制品进行了食品质量检测的研究,接收传感器薄膜厚度为2.5μm,提高了接收灵敏度,与接触式超声检测试验结果对比表明两者检测效果基本一致。波兰格坦斯克科技大学的IMIELINSKA等采用穿透式超声C扫描技术对多层聚合体复合材料的冲击损伤进行了检测研究,与X射线检测结果比较后表明,该方法更快、更方便、更准确,且可用于检测一些X射线无法检测的材料;美国福特高级工程研究中心的POTTER等采用1MHz的空气耦合式聚焦传感器,应用穿透式检测方法,研究并分析了薄钢片中点状焊点空间检测精度的问题,试验结果表明精度约1mm,小于理论上5.9mm的波长精度值。在复合材料空气耦合式超声无损检测方法的研究上,STOESSEL等利用以硅橡胶作为耦合层的压电式换能器采用C扫描的方法对几种复合材料的缺陷检测进行了研究;德国宇航中心的HILLGER,德国汉堡工业大学的AHRHOLDT和德国(不莱梅)空客公司的HENRICH等合作,设计了一个模块化和开放式的超声检测系统,利用可编程发射探头、12位快速全波数据采集和C扫描/D扫描软件等,通过使用不同的探头激励信号和接收信号处理方法,开展了复合材料构件的空气耦合超声检测技术研究,取得了令人满意的测试结果;美国爱荷华州立大学无损检测中心的HSU和印度GE全球研究中心的KOMMAREDDY等合作,利用压电陶瓷空气耦合换能器,开展了复合材料零部件的缺陷检测和修复评价的研究工作,并研制了相应的空气耦合超声扫描系统,在飞机零部件阵地探伤中得以使用;英国伦敦大学的BERKETIS等利用空气耦合超声检测方法对潜艇用玻璃纤维增强型复合材料的损伤和退化进行检测和评价,获得了用水耦合超声检测方法得不到的效果;丹麦国家实验室的BORUM和丹麦工业大学的BERGGREEN等合作,利用空气耦合超声波,采用穿透法,对海军舰艇用层状叠合复合材料板进行检测,试验结果显示,该技术方法可以检测出上述材料板中的脱粘。这些实际应用都说明了空气耦合超声检测技术的飞速发展。4特殊机制主要解决了匹配层的缺陷(1)采用脉冲回波法进行检测的难度较大。(2)一般来说,声阻抗超高的材料很难实现在线