空气耦合超声探头声场及其对检测的影响
收稿日期:2017-06-28第一作者简介:吴君豪,1993年出生,硕士研究生,主要从事的超声无损检测技术研究工作㊂E-mail:wujunhao@空气耦合超声探头声场及其对检测的影响吴君豪 何双起 罗 明 吴时红 张 颖(航天材料及工艺研究所,北京 100076)文 摘 搭建空气耦合超声探头声场的指向性测量系统,考察4种型号的空气耦合超声探头声场的指向性㊂对预制分层缺陷的复合材料试样进行检测,分析了声场对检测结果的影响㊂结果表明,低频率㊁平探头的声场能量高,指向性较差,而高频率㊁聚焦探头声场能量低,指向性好,检测横向分辨率高㊂在保证穿透能力的前提下,应尽量选择后者㊂根据探头声场分布情况,合理调整检测距离,使被检材料位于探头的焦区内,也能够提高检测灵敏度㊂关键词 空气耦合,超声检测,声场,缺陷评定中图分类号:TB553DOI :10.12044/j.issn.1007-2330.2018.02.015Acoustic Field of Air-Coupled Ultrasonic Probe and Its Effect on DetectionWU Junhao HE Shuangqi LUO Ming WU Shihong ZHANG Ying(Aerospace Research Institute of Materials &Processing Technology ,Beijing 100076)Abstract A measurement system of air coupled ultrasonic field is set up ,and the field of 4types of air coupledultrasonic probe is posite specimens with embedded delamination are detected ,effect of acoustic field on the detection results is analyzed.The results show that the low frequency and flat probe have high acoustic field en⁃ergy and poor directivity ,while the high frequency and focusing probe has low acoustic field energy ,good directivity and high lateral resolution.The latter should be chosen as long as the penetration capability is guaranteed.Detection distance should be determined according to the acoustic field distribution.The detection sensitivity can be improvedwhen the detected material is located in the focal region of the probe.Key words Air-coupled ,Ultrasonic testing ,Acoustic field ,Defect evaluation0 引言空气耦合超声检测免除了传统的液体耦合介质,具有非接触㊁易实现自动化的优点,但缺点是超声频率低㊁检测灵敏度低[1]㊂空气耦合超声探头声场存在一个 声照区”,声场的强度㊁声束的宽度分别影响着穿透能力和横向分辨率㊂了解探头声场分布,有助于提高检测可靠性,亦可在仿真试验中利用测得的相关声场特性,提高建模准确性㊂V.KOMMAREDDY 等对空气耦合超声声场进行测量,但缺少对声场测量结果的严格评价,也没有深入分析声场对检测效果的影响[2]㊂孔涛等设计了一套空气耦合超声探头的声场测量系统,但其可移植性较差[3]㊂本文提出的声场测量方案可以运用在任何二维空气耦合扫查系统上,快速测量探头的声场特性㊂基于该方案,测量了4种型号的空气耦合超声探头声场的指向性,数据结果丰富,并分析了其对缺陷检测效果的影响㊂1 测量方案1.1 空气耦合超声探头待测的4种规格压电型空气耦合超声探头的相关参数见表1㊂表1 探头参数Tab.1 Probe parameters探头型号标称焦距L /mm激发晶片直径d /mm140kHz 平探头-25200kHz 平探头-25200kHz 聚焦探头5020500kHz 聚焦探头50191.2 测量系统搭建空气耦合超声探头声场的测量借鉴了水听器测量超声探头声场的方法,在接收探头前安装一个带小孔的遮声罩作为接收装置,移动得到空间每一点的声压,从而得到探头的声场指向性特性[4]㊂声场测量系统在平面二维空气耦合超声检测系统上改造得到㊂发射探头固定在距离平台一定高度位置且水平放置㊂接收探头安装在扫查架上且水平放置,能够完成二维运动㊂将两个探头靠近,调整两者高度和准直度,保证发射探头轴线处于接收探头的运动平面内,如图1(a)㊂遮声罩良好的隔声能力是准确测量声场的前提条件㊂用密度较大的金属铼制作遮声挡片,并利用套箍将其安装在接收探头前部,如图1(b)㊂根据隔声的基本规律[5],当声波通过中间层,其隔声量为:TL =10lg 1t I =10lg 4cos 2k 2D +(R 12+R 21)2sin 2k 2D 4(1)式中,t 1为声波穿过薄板的声强透射系数,k 2为声波在薄板中的波数,D 为薄板厚度,R 12㊁R 21分别是薄板与空气㊁空气与薄板的声阻抗之比㊂对比铼与普通不锈钢的隔声能力,见表2,在空气声阻抗409.7N ㊃s /m 3,挡片厚度为1mm 的情况下,铼板隔声量大于87dB,且比不锈钢高8dB 以上㊂另外,遮声挡片中心透声圆孔的直径为0.8mm,与被测探头中心频率对应的最短波长(约0.7mm)相当,较小的孔径保证了声场测量精度㊂ (a) 测量系统 (b) 带遮声罩的探头图1 空气耦合超声探头声场测量方案Fig.1 Acoustic field measurement scheme for air-coupled ultrasonic probe表2 不锈钢和铼的隔声能力对比Tab.2 Comparison of acoustic insulation ability between steel and rhenium遮挡材料密度/g ㊃cm -3纵波声速/m ㊃s -1隔声量/dB 140kHz 超声波200kHz 超声波500kHz 超声波不锈钢7.93590078.681.789.7铼21.04470087.190.298.2 发射探头的激励脉冲周期数为3,扫查步进间距为1mm,扫查速度为100mm /s,信号的采样频率为5MHz㊂由于系统的采样深度800μs 的限制,最远测量距离约为270mm㊂2 结果及分析四种探头的声场强度分布情况见图2㊂(a) 140kHz 平探头 (b) 200kHz 平探头(c) 200kHz 聚焦探头 (d) 500kHz 聚焦探头图2 四种探头的声场分布Fig.2 Acoustic fields of four probes 对比140㊁200kHz平探头声场[图2(a)(b)],可以发现,频率较低的探头声束更宽㊁更发散,与理论相符㊂对比200kHz平探头和聚焦探头声场情况[(图2 (b)(c)],可见平探头的声场整体上声压更高,对材料的穿透能力更好㊂聚焦探头仍具有活塞声源的特征,200㊁500kHz聚焦探头声束存在旁瓣[图2(c)(d)]㊂为了观察声场中能量高的中心部位的情况,只将声压在-3~0dB的部分显示出来,得到的声场分布如图3所示,从该图可以看到声场核心区域的声压分布细节特征㊂(a) 140kHz平探头 (b) 200kHz 平探头(c) 200kHz聚焦探头 (d) 500kHz聚焦探头图3 四种探头核心部分的声场分布Fig.3 Acoustic field in the center region of the four probes 图3表明,平探头近场区声压存在极大极小值点,与理论相符,特别是200kHz平探头的近场区干涉效应较明显[图3(b)]㊂因聚焦探头压电材料是球面状的,所以因声程差异造成的干涉效果较小,在近场区未发现明显干涉效应㊂500kHz比200kHz聚焦探头的声场聚焦效果好,声束宽度更窄,表明其横向分辨率优于后者[图3(c)(d)]㊂通过数据处理,得到四种探头轴线上的声压分布(图4),平探头声压在近场存在波动现象,根据定义,曲线上最后一个峰值所在位置为探头的近场区长度㊂图4 四种探头轴线上的声压Fig.4 Acoustic pressure on the axes of the four probes 图4表明,远场区的声衰减与探头频率有关,频率越高声压衰减更快㊂500kHz探头远场轴线声压曲线上能看到球面波的衰减特性,即声压与距离成反比㊂图4中四种探头轴线上的近场声压的波动反映了干涉效应,140㊁200kHz平探头近场区的声压波动明显,而200㊁500kHz聚焦探头近场区的声压则较平稳,与图3的分析结果一致㊂依据美国材料学会标准ASTM E1065[6]对探头的指向性参数进行评价,平探头的评价参数包括近场区长度㊁声轴声压特性㊁声束半扩散角,聚焦探头的评价参数包括焦区范围㊁声束聚焦角㊂表3中,平探头的半扩散角㊁近场区长度的理论值是根据圆盘活塞声源发射声场指向性理论公式[7]计算得到的,聚焦探半扩散角㊁近场区长度比理论值小,特别是半扩散角测量结果差异较大,说明指向性理论仅可用于探头声场特性的粗略估计,仍需要测量才能得到较准确的结果㊂聚焦探头声场存在一个焦区,在该范围内声压差异不大,标称焦距在该焦区范围内,说明标称值是可靠的,在检测中可以作为参考㊂表3 空气耦合超声探头声场测量结果Tab.3 Acoustic field measurement results of air coupled ultrasonic probes探头型号焦距/mm理论值实测值 聚焦声束夹角/(°)理论值实测值 半扩散角/(°)理论值实测值 近场区长度/mm理论值实测值140kHz平探头-- -- 6.4 5.7 62.6约50.0 200kHz平探头-- -- 4.4 2.7 90.0约70.0 200kHz聚焦探头50.020.0~60.0 - 2.6 -- --500kHz聚焦探头50.025.0~65.0 - 4.8 -- --3 检测结果与声场的关系超声穿透法通过监测穿透波信号幅度的变化实现对复合材料内部分层缺陷的检测,其检测能力受到声场特性(特别是声束宽度)的影响[8]㊂用真空热压罐法制作带有分层缺陷的碳纤维增强树脂基复合材料试样㊂单层预浸料厚度为0.15 mm,总共铺层20层,中间6层预浸料上切除5个的正方形区域(边长分别为5㊁10㊁20㊁30㊁40mm),用以模拟分层缺陷㊂固化成型之后得到带有分层的试样,如图5(a)㊂结合声场特性,对该试样的穿透式空气耦合超声检测效果进行定性分析㊂对比同频率(200kHz)聚焦探头和平探头的检测结果(图5),平探头因为声束发散,缺陷边缘模糊,易产生定量误差㊂对比试样在200㊁500kHz聚焦探头下的检测结果(图6),后者能检测到材料内部纹理特征,因为后者无论是横向分辨率(与声束聚焦效果有关),还是纵向分辨率(与声波频率有关)都优于前者㊂所以,在保证穿透能力的前提下,应优先使用高频聚焦探头㊂(a) 试样 (b) 平探头 (c) 聚焦探头图5 试样及200kHz平探头和聚焦探头的检测结果Fig.5 Specimen and detection results of the200kHz focusing and flat probe (a) 200kHz聚焦 (b) 500kHz聚焦 图6 声束聚焦效果及声波频率对检测结果的影响 最后考察检测距离的影响㊂图7为试样放置在距离200kHz聚焦发射探头10㊁30㊁70mm下的检测结果㊂30mm下的检测效果最好,支架铁丝[直径约1mm,图(b)上方的线条]依然清晰可见㊂70mm下接收能量降低,图像信噪比低,小缺陷(F1㊁F2㊁F3)不明显,大缺陷(F4㊁F5)的边缘模糊㊂所以,材料应该放置在焦区内进行检测㊂图7 检测距离对结果的影响Fig.7 Effect of detection distance on the result4摇结论本文设计的声场测量系统可以便捷㊁有效地测量空气耦合超声探头声场,分析声场测量结果及其对检测的影响有以下结论㊂(1)空气耦合超声探头的声场特性与圆盘活塞声源具有相似之处,如旁瓣㊁近场区的干涉效应㊁轴线声压特性㊂可根据ASTM E1065标准评价探头的声场特性参数㊂根据圆盘活塞声源理论推导得到的平探头的近场区长度和半扩散角,与实测值相比偏大㊂聚焦探头的标称焦距在实测焦区范围内,实际检测中,可以为确定检测距离提供依据㊂(2)不同型号空气耦合超声探头的声场特性存在较大差异㊂低频率㊁平探头的声场能量高,穿透效果好,指向性较差,而高频率㊁聚焦探头声场能量低,指向性好,检测横向分辨率高㊂在保证穿透能力的前提下,应尽量选择后者㊂(3)根据探头声场分布情况,调整检测距离,使被检材料位于探头的焦区内,能够提高检测灵敏度㊂参考文献[1]周正干,魏东.空气耦合式超声波无损检测技术的发展[J].机械工程学报,2008,44(6):10-14. [2]KOMMAREDDY V,PETERS J J,DAYAL V,et al. Air-coupled ultrasonic measurements in composites[C]//Ameri⁃can Institute of Physics,2004:859-866.[3]孔涛,徐春广,张运涛,等.空气耦合超声换能器声场计算与测量研究[J].机械工程学报,2011,47(22):19-24.[4]BASHFORD A G,HUTCHINS D A,SCHINDEL D W. Radiated fields of an air-coupled ultrasonic capacitance transduc⁃er[J].Ultrasonics,1996,34(2-5):169-172.[5]杜功焕,朱哲民,龚秀芬.声学基础.第3版[M].南京:南京大学出版社,2012:144-145[6]ASTM E1065/E1065M-14,Standard guide for evalu⁃ating characteristics of ultrasonic search units[S].ASTM Interna⁃tional,West Conshohocken,PA,2014[7]郑晖,林树青.超声检测.第2版[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2008:56-62[8]赵建华,罗明,吴时红,等.超声波喷水穿透法在先进复合材料检测中的应用[J].宇航材料工艺,2012,42(4): 105-108.。
空气耦合超声检测技术
空气耦合超声检测技术你能想象有一种技术，就像空气里的超级侦探一样吗？这就是空气耦合超声检测技术啦。
这技术就像是给空气装上了一双透视眼。
普通的检测技术就像盲人摸象，只能看到局部，而空气耦合超声检测技术呢，它就像孙悟空的火眼金睛，透过空气这个“魔法幕布”，能把物体内部的情况看得一清二楚。
不管是微小的裂缝还是隐藏的缺陷，在它面前就像没穿衣服的小怪兽，无处遁形。
它的工作原理说起来可有趣了。
就好像是空气在当快递员，把超声这个“特殊包裹”准确无误地送到被检测物体那里。
然后这个“包裹”再把物体内部的信息带回来，简直比最敬业的快递员还靠谱。
这项技术在很多领域都是大明星呢。
在航空航天领域，那些飞机零件就像是娇贵的小公主，容不得一点瑕疵。
空气耦合超声检测技术就像守护公主的骑士，随时检查零件有没有“生病”。
要是没有它，飞机在天上飞就像踩着随时会爆的气球，多可怕呀。
在建筑行业，那些高楼大厦就像巨人，而空气耦合超声检测技术就是给巨人做体检的医生。
它能检查出建筑结构里有没有像蛀牙一样的小裂缝，要是没有它，高楼大厦可能就会像被白蚁蛀空的大树，说不定什么时候就倒了，那可就是超级大灾难啦。
而且这个技术还特别环保。
它不像有些检测技术，搞得像个大污染源一样。
它就像一个优雅的环保使者，轻轻地来，轻轻地走，只带走缺陷的消息，不留下任何污染的痕迹。
它的操作也不是那种特别复杂的，像是在玩一个高级但不难懂的游戏。
操作人员就像游戏玩家，只要掌握了基本的规则，就能轻松驾驭这个“空气侦探”，让它去完成各种检测任务。
不过呢，这个技术也有它调皮的一面。
有时候它可能会像个调皮的小孩，稍微有点干扰就会有点小脾气，检测结果可能会有一点点偏差。
但是只要好好哄一哄，把周围的环境整理得干干净净，它又能准确地工作啦。
空气耦合超声检测技术就像一个宝藏，不断地在各个领域挖掘出隐藏的秘密，帮助我们打造更安全、更可靠的世界。
有了它，就像在黑暗中有了一盏明灯，让我们能看清那些原本看不见的危险和隐患。
空气耦合式超声波无损检测技术的发展及展望_罗元国
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。
航天复合材料空气耦合式超声检测技术研究及应用
２０ ０ ７年
４月
装 备 指 挥 技 术 学 院 学 报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆｔｅＡｃ ｄ ｍｙｏ ｕｐ ｎ ｍｍａ ｄ ＆ Ｔｅｈ ｏｏ ｙ ｏ ｒ ａ ｈ ａ ｅ ｆ ｏ Ｅｑ ｉｍｅ ｔＣｏ ｎ ｃ ｎ ｌｇ
Ａｐ ｉ ｒｌ
中空气 吸收影响 ； 弱信号 处理 。从 理论 研 究和 实 际２ 程 应用 出发 ， ④ ７ － － 以航 天 复合 材
料 构件 的非接触超 声检 测技 术为背景 ， 基于 穿透 式空气耦合超 声检 测模 式， 建立 空气
耦合 超 声检 测 实验 系统 ， 与传 统浸 入式超 声检测技 术相 比较 ， 析和评 估 了空气耦 并 分 合超 声在 实 际应用 中的检 测 性能 。开 展 空气耦合 式超 声检 测技 术研 究对提 高我 国无
３ ．利 哈伊 大 学 电子 与计 算 机 工 程 系 ， 国 宾夕 法 尼 亚 ，８ １） 美 １０ ５
摘
要 ：系统地 回顾 了空 气耦合 超 声检 测技 术 的发 展进 程 ， 阐述 了空气 耦
合超 声检测基 本原 理及其理 论 ， 析 归纳 出影 响检 测性 能 的 ４大技 术瓶 颈及 其 相 关 分 解决 手段 ， ： 气／ 即 ① 固分 界 面强反 射影响 ； 气／ ② 固分界 面 强折 射影 响； 超 声传播 ③
３ Ｄｅ ａ ｔ ｎ ｆＥｌｃ ｒｃ ｌ ｎ ｍ ｐ ｔ ｒ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ ． ｐ ｒ ｍｅ ｔ ｏ ｅ ｔ ｉａ ｄ Ｃｏ ａ ｕ ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ，Ｌｅ ｉ ｈ Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙ ｈ ｇ ｉ ｅ ｓ ｔ ，Ｂ ｔ ｌ ｈ ｍ ． １ ０１ ｅ ｈ ｅ ｅ Ｐａ ８ ５，ＵＳ Ａ）
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｔｈｅ ｄｅ ｅ ｏ ｍ ｅ ｓ ｏｆ ａｒ ｃ ｕｐｌｄ ｕ ｔ ａ ｏ ｃ ｔ ｓ ｉ ｇ ｈ ｖ ｅ ｅ ｉ ｗｅ ｖ ｌ ｐ ｎｔ ｉ－ ｏ ｅ ｌｒ ｓ ｎｉ ｅ ｔｎ ａ ｅ ｂｅ ｎ ｒ ｖｅ ｄ，ａ ｈ ｎ ｔ ｅ ｎｄ ｔ ｅ ｈ ｐｒｎｃｐｌｓ ｗｉｈ ｉｓｔ ｅ ｒｅ ｒ ｒ ｓ ｎｔ ｄ ｇ ｎｅ ａ ｌ ｉ ｉ ｅ ｔ ｔ ｈ ｏ ｉ ｓａ ｅ ｐ ｅ ｅ ｅ ｅ ｒ ｌｙ，ｂａ ｅ ｎ ｗｈ ｃ ｏ ｒ ｂ ｔ ｌ— ｅ ｋ ｐｒ ｂｌｍｓ ｗｉｈ ｉｓ ｓ ｄ ｏ ｉ ｈ ｆ ｕ ｏ ｔｅ ｎ ｃ ｏ ｅ ｔ ｔ
4.空气耦合超声检测技术
0
10
20 30 频率/MHz
40
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1.5 信号幅度 1 0.5 0
幅值 /V
0
0.5 时间/μ s
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20 30 频率/MHz
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相关研究及其成果
空气耦合超声激励与接收技术（窄脉冲激励）
窄脉冲影响接收信号的主要参数
/ m V 回 波 峰 值 10 8
激励脉冲高度
z
n+1 vz i+1/2,k p
n+1/2 z i+1,k vx i+1,k-1/2
n+1
i+1/2,k-1/2 vz
x
i-1/2,k-1 i,k-1 i+1/2,k-1 i+1,k-1 n n n 1 / 2 pi 1/ 2,k 1/ 2 pi 1/ 2,k 1/ 2 n 1/ 2 离散点交叉配置 v v x x i , k 1 / 2 i ,k 1/ 2 0 x / t n 1 / 2 pin1/ 2,k 1/ 2 pin1/ 2,k 1/ 2 n 1/ 2 v z i 1/ 2,k v z i 1/ 2,k 0 z / t n 1 / 2 n 1 / 2 n 1 / 2 n 1 / 2 vx i 1/ 2,k 1/ 2 vx i,k 1/ 2 vz i 1/ 2,k vz i 1/ 2,k 1 n n 1 pi 1/ 2,k 1/ 2 pi 1/ 2,k 1/ 2 2 2 x / 0 c0 T z / 0 c0 t
X轴位移 /mm
换能器5周期激励时中轴面声压分布
Z轴位移 /mm
0 5 10 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 1 0.5 0
4.空气耦合超声检测技术
Filter& amplifier
Exciting source
FS
幅度
B1
B2
W1 W 2
Signal processing
Synchronizer
典型的穿透式空气耦合超声检测原理
常规水浸底波衰减法原理
时间
空气耦合超声检测技术的基本原理
常用的空气耦合超声检测方法
穿透法 空气耦合超声穿透式检测方法与常规超声穿透法类似，发 射换能器和接收换能器分别置于试件两侧。通常两换能器轴线 重合，与试件垂直。该方式也是空气耦合超声无损检测中应用 最普遍的一种。
F x x n n F Fi ,k 1 / 2 Fi ,k 1 / 2 z z n 1 / 2 1 / 2 Fin F Fi ,k ,k t t Fin 1 / 2,k Fin 1 / 2,k
n+1 n+1/2 vz i-1/2,k p i-1/2,k-1/2 vz i,k vx i,k-1/2 n+1/2
1 0.5 0 0
1.5 幅值 /V 1 0.5 0 1.5 1 0.5 0
信号幅度 0 .5 /μs 时间 1
窄脉冲的频率选择性
幅值 / V
1.5
10 .5 10 9 .5
x10
9 0
0.2 信号幅度 0.15 0.1 0.05
10
20 30 /MHz 频率
40
50
0
0.5 /μ s 时间
1
0
d(x)=0
d(z)=0
d(z)=0
z
1 3c d ( x) log 0 R 2
x
4
空气耦合超声技术在航空航天复合材料无损检测中的应用研究
空气耦合超声技术在航空航天复合材料无损检测中的应用研究摘要：本文主要针对空气耦合超声技术展开分析，思考了空气耦合超声技术在航空航天复合材料无损检测中的应用需求和应用的实际情况，希望可以为今后的阴功带来参考。
关键词：空气耦合；超声技术；航空航天复合材料；无损检测；应用前言当前，空气耦合超声技术在航空航天复合材料无损检测中的应用也在增多，为此，我们有必要进一步研究空气耦合超声技术在航空航天复合材料无损检测中的应用的实际情况和具体的应用效果。
1 复合材料检测概述所谓复合材料就是由两种或者是两种以上的不同物质再通过不同的方式而组合的材料，这种复合材料可以发挥不同材料的特点，同时也可以解决单一材料所存在的缺陷，从而也提高了材料的使用。
一般的复合材料特点都是具有较轻的重量、较高的强度，并且在加工时极易成型，具有弹性优良等特点，所以它已经逐渐的代替了金属合金以及木材等，主要应用在电子、汽车以及航空航天、建筑等广泛的领域当中，尤其在近些年当中，也得到了更为快速的发展。
但是，因为复合材料的各项异性，会在制造工艺当中存在不稳定的现象，所以也会造成某些缺陷的产生，尤其在使用的过程当中，会因为撞击、疲劳以及腐蚀等一些化学因素的影响，极易对复合材料产生缺陷，因此，检测技术就显得尤为重要了，同时在检测的方法当中无损检测的发展研究更是具有非常重要的作用。
高新技术领域在随着不断的进步和发展，在应用材料方面的性能也在日益提高，所以一般材料的性能已经很难达到高指标的综合要求了。
所以很多具有优良性能的一些复合材料都已经得到全面的利用开发了，并且成为专业投敌的重要材料，与此同时，这也确保了产品质量在检测技术方面有了更高的要求和挑战，而无损检测技术是否可以有效的成为新材料结构是应用的一个关键因素。
由于无损检测已经逐步的把复合材料作为主要对象以及新的检测结构，这也是作为现阶段最重要的一个研究方向。
2 空气耦合超声技术传统的超声检测方法需要使用水、油类等作为检测的耦合剂，传统的耦合剂会使复合材料试件受潮或变污，甚至会沿缺陷渗入试件内部，影响试件的力学性能和机械性能等，因此，传统的超声检测技术已不再适用于陶瓷、蜂窝夹芯、泡沫夹芯等多孔渗水类复合材料。
空气耦合式超声波无损检测技术的发展
ｕ ｔ ｓ ｎ ｃｔ ｓｉ ｇｔ ｃ ｎ ｑ ｅｗｉ ｅａ ｐ ｉｄ ｍｏ ｅｗｉ ｅ ｙｉ ｅｆ ￣ｘ ， ｏ ｖ ｒ ｔ ｅ ｈ ｇ ｆ ｃ ｅ ｃ ａ ｓ ｕ ｅ ｒ ｒ ｑ ｉｉ ｏ ｅ ｌ ａ ｏ ｉ ｅ ｔ ｅ ｈ ｉｕ ｌ ｂ ｐ ｌ ｒ ｄ ｌ ｔ ｕ ｅ ｈ ｗｅ ｅ ， ｈ ｉ ｈ ｅ ｉ ｎ ｙ ｔ ｎ ｄ ｃ ｒｉ ａｐ ｅ ｅ ｕ ｓｔ ｆ ｒ ｈ ｒ ｎ ｌ ｅ ｎｈ ｉ ｒ ｓ ｅ ｔ
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第 ４ 第 ６期 ４卷 ２０ 年 ６月 ０８
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Ｊｎ ｕ． ２ ０ ０８
ＣＨＩ ＮＥＳ Ｊ Ｅ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
空气 耦合 式 超 声 波 无 损检 测 技 术 的发展 木
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空气耦合式超声波无损检测技术的发展
随着显 微机 械加工 技术 的发 展及 高分 子材 料技 术 的进步 ， 效率 、 高 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 － ， ４ 加上低噪声 、 １ 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
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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 （ 如在 多孔 渗水材 料 、 品 、 品 、 例 食 药 木制 品 、 对水 或其 他耦 合剂 敏感 的场 合 、 在线运 动部 件检 测 、 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 禁 ， 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
空气耦合超声C扫描检测技术应用讲解
二、空耦超声主要技术难点（续）
（3）电子系统强电、弱电量级相差10万倍到100万倍，干扰 非 常严重，屏蔽和放大难度大。
（4）对发射电源要求高。传统压电超声是单向脉冲激发。 正负方波>正负正弦波>单向方波>单向正弦波>单向脉冲
（5）分立的系统模块难匹配，一体化系统集成设计制造难 度大。
目录
1、空耦超声检测技术优势 2、空耦超声主要技术难点
脱粘处
实物图
C扫描图
铝合金板（厚3mm）
孔深 1mm
孔深 1.5mm
孔深 2mm
实物图
C扫描图
覆铜皮ABS板（厚6mm，其中铜皮厚0.08mm）
盲孔
打孔后
覆铜皮后
C扫描图
红木板（厚10mm）
实物图
C扫描图
展位号 B24
X轴扫描速度：0~500mm/s; Y轴步进：0.1~2mm。
空耦超声穿透式检测系统结构图
（2）斜入射法
发射探头和接收探头呈一定角度置于试件同侧，通过调 整入射角度，可在试件内产生纵波、横波、表面波和导波。 该方式主要用于密闭容器、大型试件的原位在线检测。
纵波或者横波
表面波
导波
（2）斜入射法（续）
空气耦合超声C扫描检测技术应用
孙中明 朱绪祥 沈宇平
苏州博昇科技有限公司
2015.5.30 珠海
目录
1、空耦超声检测技术优势
2、空耦超声主要技术难点 3、博昇科技商业化空耦超声检测系统 4、空耦超声主要检测方式及实现 5、空耦超声检测技术应用
一、空耦超声检测技术优势
3、博昇科技商业化空偶超声检测系统
4、空耦超声主要检测方式及实现 5、空耦超声检测技术应用
空气耦合超声系统介绍剖析
高灵敏度空气耦合超声波检测系统日本探头株式会社（Japan Probe Co., Ltd）是具有30多年历史的专业生产超声波探头、超声波发射接收器和检测系统的厂家，日本探头株式会社（Japan Probe Co., Ltd）利用自己的高新技术和丰富经验，针对不能用耦合剂无损检测的方法研究，经过多年努力和发展，终于研制成称之为“高灵敏度非接触空气耦合超声波检测系统（Non-Contact Air Coupled Ultrasonic Testing简称NAUT）”。
NAUT可以广泛应用于以下材料检测：复合材料、锂离子电池、刹车垫，陶瓷材料、混凝土、木材、橡胶、塑料、泡沫以及其他不能使用耦合剂的材料。
1.1非接触式超声非接触式超声与常规超声检测类似，其最大的区别是非接触式超声不需要声耦合剂涂抹在待检测工件上，就能很好的将超声波从发射探头通过空气传播到待测工件中。
常用声耦合剂包括机油、胶体、水等，这些耦合剂需要清理，通常会使得整套系统变得笨重，使得工作场所变得很脏乱。
对于NAUT来说，周围环境空气就是其声耦合剂，高温低温工件及不适合用声耦合剂的工件也能进行超声波无损检测。
在研制此系统时，为了使超声波有效的发射到空气中，穿过检测工件，并将接收信号进行成像处理，必须解决三个问题：第一，研制声阻抗匹配层材料，实现探头和空气的最佳耦合；第二，研制超高功率发射接收，实现向空中发射高功率的超声波；第三，研制前置放大器，实现接收信号的低噪音增幅。
通过多年的努力，终于成功的研制成了“高灵敏度非接触空气耦合超声波检测系统（Non-Contact Air Coupled Ultrasonic Testing），打开了21世纪的超声无损检测的新纪元，我们将它命名为NAUT21，目前，NAUT21检测系统在复合材料、锂离子电池、刹车垫，陶瓷材料、混凝土、木材、橡胶、塑料以及其他材料的检测上得到了很好的应用。
现在广销日本、英国、韩国、美国、中国等国家，并受到客户的一致好评。