空气耦合式超声波无损检测技术的发展及展望罗元国 王保良 黄志尧 李海青(浙江大学控制科学与工程学系工业控制技术国家重点实验室 杭州 310027)摘要 分析了空气耦合式超声波无损检测技术存在的主要困难,介绍了该技术的主要研究进展,并对其发展趋势进行了简要的分析。
关键词 空气耦合 超声波 无损检测Progress and Prospect of Air-coupled Ultrasonic Non-destructive EvaluationLuo Yuanguo Wang Baoliang Huang Zhiyao Li Haiqing(N ational L abor atory of I ndustrial Contr ol T echnology,D ep artment of Contr olScience&Engineer ing,Zhej iang University,H angz hou310027,China)Abstract T he recent progress of air-coupled ultrasonic non-dest ructive evaluat ion is review ed.Some points of view about t he prospect of air-coupled ultrasonic non-dest ructive evaluat ion are present ed.Key words Air-coupled U lt rasonic Non-destruct ive evaluat ion1 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=Q V,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。
表1 常见介质的特性声阻抗和传输系数[1]介质I(Ray1)介质II(Ray1)T衰减dB(20logT) Z W:1.5M Z A1:17M0.3010Z A:420Z A1:17M0.000180Z W:1.5M Z S:45M0.1318Z A:420Z S:45M0.00003788 注:表中下标W为水,A为空气,Al为铝,S为钢从表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。
第26卷第8期增刊 仪 器 仪 表 学 报 2005年8月另外,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1M Hz 时,大概为5cm ,而到了4M Hz 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]。
在耦合层的研究上,主要有3个问题:(1)寻找低特性声阻,低衰减率,具有足够的机械Q 值的耦合材料。
(2)要将符合条件的材料加工成厚度合适(K /4厚度被证明是比较理想的)的耦合层,(3)要将制作出来的耦合层加到压电陶瓷制作的超声波换能器上。
对材料的选择,主要集中在多孔复合材料上,高纤维复合材料[3～4],硅气凝胶[5]等,T.Gomez 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聚醚砜(Polyethersulf one )和尼龙(N ylon ),另外在一些特殊的应用上可以使用的混合纤维素脂(M ix ed cellalose esters)和聚二氟乙烯PVDF,基本上解决了材料的选择问题[6]。
目前随着显微加工技术的进步,所需厚度薄膜的制备已经可以完成,但由于这样的膜往往很脆,很难附到换能器的表面上,并且单层膜的耦合性能是比较差的[3],因此,一般采用双层或三层膜的制作方法,对耦合层要求的技术指标也有了比较清楚的界定,为以后商业化和实用化研究提供了基本的依据[7]。
静电换能器的基本原理是将一面金属化处理后的薄膜附在表面均匀分布小孔的导体基板上,形成许多小气穴,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,施以激励电压即会产生超声波,或者敏感到超声波将其转换成电信号。
如图1所示,它有一些优良的特性:频响宽,阻尼性能好,特性声阻抗低,其带宽可以通过改变偏压和激励电压很方便地改变,特别是随着显微加工技术的发展,它的制作成本会越来越低,并且适合大批量制作特性相同的换能器,对组成换能器阵列非常有利。
对它的研究主要集中在显微加工方法、薄膜材料、理论模型及声场特性等方向[8～10]。
图1 静电换能器原理图[3]随着换能器研究的进展,利用已有的超声波检测系统,通过适当的改造来进行无接触检测是一个应用研究重点。
例如通过增加低噪高增益前置放大器,尽可能地提高信噪比,已经出现达到100dB 增益的低噪声放大器[11]。
R.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[12];E .Blomme 等在较宽的频率范围内对一些典型材料:布料上的涂层,铝板、钢板、薄铸件中的缺陷利用此方法进行检测,得到比较满意的结果[1];在造纸业中利用该技术进行了测厚和测湿[13];另外还进行了在线涂层监测的应用研究[14]。
在静电换能器的应用上,T at Hean Gan 等采用聚焦方式进行表面成像,得到了较高的成像精度,由于可以实现在无光照和高温等环境中应用,在一些场合比光学成像更有优势[15]。
利用静电换能器组成阵列进行成像研究也有进展[16],这些都从各个侧面反映了在空气耦合超声无损检测技术在实际中的应用。
4 存在的主要问题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进展,但仍然有许多问题尚未得到根本解决,主要有:(1)作用距离短,带宽窄。
高声阻差、强衰减是空气耦合超声无损检测技术必须面临的问题,其适用的频率范围只能在1M Hz 左右,较大地限制了它的应用范围。
(2)空气耦合条件下的声场特性的研究还不是很深入、系统。
743 第8期增刊空气耦合式超声波无损检测技术的发展及展望(3)换能器的研究取得了较大的进展,但实用的产品并不多见,大多还处在实验研究阶段。
(4)专门的检测系统研究还不成熟,在线应用较少。
5 展 望虽然在大面积在线实时扫查、复合材料缺陷检测、表面成像等方面有着良好的应用前景,但空气耦合式超声无损检测技术离工业化应用还有一段距离,需要进一步深入研究。
根据目前的研究现状,下一步的研究主要集中在3个方面,(1)适用于不同应用环境的空气耦合式超声波换能器的研制,进一步提高精度和灵敏度,降低制作成本。
(2)适用于工业化的在线检测系统的研制,尽快从实验室进入工业现场。
(3)深入研究空气耦合条件下的超声波声场特性,尽可能地扩展此技术的适用范围。
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