《单板空气耦合超声无损检测设计》文献综述
1 前言
周正干指出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，限制了它的应用范围[1-2]。例如，传统超声检测方法就不适合下列物品或场合，多孔渗水材料、食品、药品、木制品以及在线运动部件，对水或其他耦合剂敏感的场合，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，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。
2 现状与发展
常俊杰指出空气耦合超声波法用空气代替水浸法中的水,除了可以实现与水浸法同样的功能外,还由于低频超声波在空气中的波长比水中小，因此具有更容易聚焦的特点。2002 年SecondWave Systems公司的Bhardwaj出版空气传播超声波法宣传手册,该手册虽然提出了非接触空气传播超声波法的有效性，但是并没有突破传统超声波法的范畴[3]。常用的空气耦合超声波检测法,多使用穿透式异侧检测模式(透射法)，且被限制在复合材料、木材、绿色陶瓷等。
周正干指出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[6]。
(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，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。
在匹配材料的研究方面，西班牙CSIC声学研究所的GOMEZ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。在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，采用立柱式连接结构，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[7-8]。
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0.05~5.00 MHz。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3 MHz传感器在穿透式检测模式下工作，两传感器间距6 mm，中间为5mm厚碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastic, CFRP)试件或3.2 mm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10 mV级的信号[9]。
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