周正干,魏 东
(北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100083)
[关键词] 空气耦合;超声波;无损检测
[摘 要] 空气耦合式超声波无损检测技术具有完全非接触、无损伤的特点,可用于传统超声检测手段难以适应的场合。本文介绍了空气耦合式超声检测技术的发展历程和主要难点,总结了该技术近几年的实际应用情况,分析了该技术的局限性。
[中图分类号] TV698. 15 [文献标识码] A [文章编号]1001 - 4926 (2007) 03 - 0096 - 05
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(例如在多孔渗水材料、食品、药品、木制品、对水或其他耦合剂敏感的场合、在线运动部件检测、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,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,使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,其信号幅值要低约140 dB[ 1 ] ;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[ 2 ] 。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[ 3 - 4 ] ,加上低噪声、高增益放大器的研制[ 5 - 6 ]及与超声波信号特性相适应的数字信号处理技术的发展[ 7 - 8 ] ,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[ 9 ] 、纺织品检测[ 10 ] 、材料特性评价[ 11 - 12 ] 、食品工业[ 13 - 15 ]和医疗应用[ 16 ]等领域都有了较好的应用。
1 空气耦合式超声换能器的发展
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、超声换能器的转换效率。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。这些因素使得超声波传播过程中插入损耗非常高。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,解决的思路主要有两个方向。1995年,加拿大QM I公司的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[ 17 ] 。
(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T. E. Gómez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( Polyether sulfone)和尼龙(Nylon) ;频率在2 MHz以上时可采用混合纤维素脂(Mixed cellulose esters)和聚二氟乙烯( PVDF) ) ,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[ 3 ] 。
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[ 1 ] , 1996年, G. Hayward对这种结构做了全面的分析和比较[ 18 ] 。
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50 KHz - 5 MHz[ 19 ] 。相对于同样阻抗匹配的水浸传感器,其声压只低16 - 30 dB。当采用3MHz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 CFRP (碳纤维增强复合材料)试件或3. 2 mm铝板试件,激励设备采用16 V单周期正弦脉冲和放大器增益为64 dB的情况下,可获得十毫伏级的信号[ 19 ]
(2) 采用显微加工技术制作静电换能器(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。其频响宽阻尼性能好特性声阻抗低[ 20 ] 。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[ 21 ] 。
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A. Turo等人研究了超低噪声前置信号放大器的设计[ 5 ] ,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[ 6 ] 。英国沃里克大学的T. H. Gan等人借鉴光学频域反射计(OFDR)的原理,提出了一种扫频相乘技术( 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[ 7 ] 。同为英国沃里克大学的J. R. Berriman等人采用时频分析方法,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、W igner - 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[ 8 ] 。西班牙卡塔卢尼亚专科大学的J. Salazar等人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,减小了脉冲振时间[ 22 ] ;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 检测方法及其应用
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,一种典型的穿透式实验检测系统如图2所示。
(1) 穿透式检测(Trough Transmission) 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。
(2) 脉冲回波( Pulse - echo)检测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。
(3) 斜入射同/异侧检测方式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、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。
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R. Ka² ys等人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[ 9 ] ;比利时KATHO集团的E. B lomme等人采用700 KHz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[ 10 ] ;日本长冈科技大学的D. D. Sukmana和I. Ihara使用500 KHz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[ 11 ] ;法国勒阿弗尔大学的Y. Gélébart等人采用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[ 12 ] ;英国沃里克大学的T. H. Gan等人采用中心频率500 KHz、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,与接触式超声检测实验结果对比表明两者检测效果基本一致[ 14 ] 。波兰格坦斯克科技大学的K. Imielińska等人采用穿透式超声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[ 24 ] ;美国福特高级工程研究中心的T. J. Potter等人采用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,实验结果表明精度约1 mm,小于理论上5. 9 mm的波长精度值[ 25 ] 。在复合材料空气耦合式超声无损检测方法的研究上, 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[ 26 ] ;德国宇航中心的W. Hillge,德国汉堡工业大学的M. Ahrholdt和德国(不莱梅)空客公司的R. Hen2rich等人合作,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[ 27 ] ;美国爱荷华州立大学无损检测中心的D. K. Hsu和印度GE全球研究中心的V. Kommareddy等人合作,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[ 28 ] ;英国伦敦大学的K. Berketis和P. J. Hogg等人合作,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[ 29 ] ;丹麦国家实验室的K. K. Borum和丹麦工业大学的C. Berggreen等人合作,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[ 30 ] 。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。
3 存在的问题
虽然空气耦合式超声波无损检测具有其他超声检测手段不具备的一些突出优点,但这种技术在无损检测和材料分析方面仍有一些局限性。
(1) 一般来说,声阻抗超高的材料(重金属,高密度氧化物、碳化物、氮化物,金属和非金属硼化物)很难实现在线检测,对这些材料的检测必须采用特殊机制来改进。
(2) 试件内脉冲回波检测目前难度较大。
(3) 传感器方面,采用匹配层的方法在提高转换效率的同时也带来了匹配层材料不易获得、带宽较低和高频传感器需要超薄匹配层等缺点。另外,结构上的复杂性和工艺的高精度都使传感器可靠性降低、成本较高,所以应用领域限于特殊应用领域和传统超声无法解决的领域。
4 展望
空气耦合式超声波无损检测技术在复合材料检测、纺织品检测、食品及药品检测、表面特性分析和成像领域有着良好的应用前景,在欧美等发达国家发展迅速且已取得了一些很有实用价值的研究成果。然而,国内在该领域的研究较少,目前仅限少数单位进行了一些理论研究和传感器制造方面的研究[ 31 - 32 ] ,急需加快相关研究工作,才能减小与发达国家之间的差距。
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