周正干,魏 東
(北京航空航天大學機械工程及自動化學院,北京 100083)
[關鍵詞] 空氣耦合;超聲波;無損檢測
[摘 要] 空氣耦合式超聲波無損檢測技術具有完全非接觸、無損傷的特點,可用于傳統超聲檢測手段難以適應的場合。本文介紹了空氣耦合式超聲檢測技術的發展歷程和主要難點,總結了該技術近幾年的實際應用情況,分析了該技術的局限性。
[中圖分類號] TV698. 15 [文獻標識碼] A [文章編號]1001 - 4926 (2007) 03 - 0096 - 05
超聲波在無損檢測領域有著廣泛的應用但傳統的檢測方法需要使用專門的耦合劑或采用水浸法來減少超聲波在空氣中傳播的損失限制了它的適用范圍(例如在多孔滲水材料、食品、藥品、木制品、對水或其他耦合劑敏感的場合、在線運動部件檢測、禁止接觸的醫用領域等) ,也很難獲得高的檢測速度�？諝怦詈鲜匠暡o損檢測技術較好地彌補了這方面的不足,其非接觸、非侵入、完全無損的特點特別是能夠實現快速在線掃查,使該技術有著很好的應用前景。
空氣耦合式超聲波無損檢測屬于非接觸超聲檢測的一種。目前在非接觸超聲檢測中主要還有激光超聲檢測和電磁超聲檢測,前者在高熔點金屬和陶瓷材料檢測中是可行的,但對熱和沖擊敏感的材料難以應用;后者目前主要適用于鐵磁性材料中。
在不采取特殊手段的情況下,早期空氣耦合式超聲波無損檢測與普通水耦合系統相比,其信號幅值要低約140 dB[ 1 ] ;另外,換能器材料與空氣聲阻抗的嚴重不匹配,也使得空氣耦合超聲換能器的效率低、頻帶窄,脈沖余振長,從而導致空氣耦合超聲波檢測系統無法達到一般超聲檢測系統的靈敏度、信噪比和分辨率[ 2 ] 。所以,長期以來,該技術沒有得到很好發展。
隨著顯微機械加工技術的發展及高分子材料技術的進步,高效率、高靈敏度的空氣耦合式超聲波換能器的制作取得了較大突破[ 3 - 4 ] ,加上低噪聲、高增益放大器的研制[ 5 - 6 ]及與超聲波信號特性相適應的數字信號處理技術的發展[ 7 - 8 ] ,空氣耦合式超聲波無損檢測技術有了長足的進步。在復合材料檢測[ 9 ] 、紡織品檢測[ 10 ] 、材料特性評價[ 11 - 12 ] 、食品工業[ 13 - 15 ]和醫療應用[ 16 ]等領域都有了較好的應用。
1 空氣耦合式超聲換能器的發展
空氣耦合式超聲波檢測過程中,超聲波的傳播主要受三方面影響:超聲波在空氣中的衰減、氣固表面超聲波的大量反射、超聲換能器的轉換效率。前兩者在空氣耦合式超聲波檢測條件下為自然現象,無法改變。這些因素使得超聲波傳播過程中插入損耗非常高。為了進行高質量信號處理和成像,必須獲得高信噪比的信號。所以,高效率、高靈敏度的空氣耦合式換能器的研究是此項技術的核心,解決的思路主要有兩個方向。1995年,加拿大QM I公司的W. A. Grandia系統地闡述了這兩種方法的基本原理和制作方法并作了相應的比較[ 17 ] 。
(1) 從傳統的壓電陶瓷超聲換能器出發,在傳感器外表面增加四分之一波長厚度阻抗匹配層,亦或改進傳感器的結構等方法,制作適應以空氣作介質的換能器。匹配材料的研究方面,西班牙CSIC聲學研究所的T. E. Gómez經過對多種材料特性的研究,提出了兩種比較理想的材料(聚醚砜( Polyether sulfone)和尼龍(Nylon) ;頻率在2 MHz以上時可采用混合纖維素脂(Mixed cellulose esters)和聚二氟乙烯( PVDF) ) ,基本解決了匹配材料的選擇問題,并首次研究了這些材料的衰減系數隨頻率變化的問題[ 3 ] 。
傳感器結構研究方面,利用壓電陶瓷與高分子聚合物組成的復合體材料形成厚度模式諧振器,采用如圖1所示的1 - 3連接結構,其中壓電陶瓷柱組成陣列,由聚合體材料填充,傳感器兩表面為薄金屬膜電極。這種結構能減小傳感器材料阻抗,且具有更高的效率和更好的耦合性能[ 1 ] , 1996年, G. Hayward對這種結構做了全面的分析和比較[ 18 ] 。
商品化壓電類空氣耦合式超聲波換能器制造技術較先進的有美國Ultran集團等公司,其超聲傳感器工作頻率范圍為50 KHz - 5 MHz[ 19 ] 。相對于同樣阻抗匹配的水浸傳感器,其聲壓只低16 - 30 dB。當采用3MHz傳感器在穿透式檢測模式下工作,兩傳感器間距6 mm,中間為5mm CFRP (碳纖維增強復合材料)試件或3. 2 mm鋁板試件,激勵設備采用16 V單周期正弦脈沖和放大器增益為64 dB的情況下,可獲得十毫伏級的信號[ 19 ]
(2) 采用顯微加工技術制作靜電換能器(CMUT) 。其工作原理是金屬化處理后的薄膜附在導體基板上,當給基板和薄膜之間加直流偏壓時,由于靜電力的作用薄膜會發生變形,施加激勵電壓即會產生超聲波,或者當薄膜接收到超聲波振動信號后,由電容變化轉換成電信號。其頻響寬阻尼性能好特性聲阻抗低[ 20 ] 。目前應用最廣泛的仍然是壓電陶瓷類換能器,尤其是在商品化產品中占大多數。壓電類換能器具有更大的聲功率輸出,另外靜電換能器相對于壓電陶瓷類換能器而言環境依賴性較強,故仍以實驗室應用為主[ 21 ] 。
除超聲換能器以外,一系列與換能器特性相關的技術手段也大大促進了空氣耦合式超聲波無損檢測技術的發展。西班牙卡塔盧尼亞�？拼髮W的A. Turo等人研究了超低噪聲前置信號放大器的設計[ 5 ] ,詳細說明了用于高阻抗壓電換能器的放大器設計與分析過程[ 6 ] 。英國沃里克大學的T. H. Gan等人借鑒光學頻域反射計(OFDR)的原理,提出了一種掃頻相乘技術( SFM)對寬帶寬空氣耦合式換能器的信號進行處理,獲得了較高的時間分辨精度,且提高了信噪比[ 7 ] 。同為英國沃里克大學的J. R. Berriman等人采用時頻分析方法,對寬帶寬靜電換能器測量到的混凝土信號進行了分析,全面研究了STFT、W igner - Ville分布、小波變換、Hough變換等幾種信號處理方法的信號識別能力[ 8 ] 。西班牙卡塔盧尼亞�？拼髮W的J. Salazar等人為提高空氣耦合超聲檢測的軸向精度,研究了大功率高精度脈沖發生器,采用脈沖消除技術,提高了檢測精度,減小了脈沖振時間[ 22 ] ;該技術的核心思想是在脈沖余振時間內的特定相位處,對換能器再次施加一個幅值稍低的激勵信號,從而抵消換能器的脈沖余振。
2 檢測方法及其應用
空氣耦合式超聲波無損檢測系統結構與傳統超聲無損檢測系統類似,可通過對已有檢測系統進行適當改造來實現,重點是需要與傳感器相匹配的功率放大器和超低噪聲前置信號放大器。它的檢測方式也有多種,一種典型的穿透式實驗檢測系統如圖2所示。
(1) 穿透式檢測(Trough Transmission) 測試件兩邊各有一個發射傳感器和接收傳感器。這種檢測方式下,可以接收到多種信號,如圖3所示。該方式也是空氣耦合式超聲波無損檢測中應用最普遍的一種。
(2) 脈沖回波( Pulse - echo)檢測該檢測方式多用于表面特性分析和成像。由于試件底面回波信號往往易被試件表面反射信號所淹沒,所以較少用于對試件內特性檢測。
(3) 斜入射同/異側檢測方式發射傳感器和接收傳感器在試件同側或異側。通過調整入射角度,該方式可在試件內產生縱波、橫波、表面波、Lamb波等。一種典型的空氣耦合式斜入射檢測系統如圖5所示。
隨著換能器技術和相關檢測技術的發展,空氣耦合超聲無損檢測技術在各個領域的實際應用取得了較大進展。立陶宛考納斯科技大學的R. Ka² ys等人采用斜入射同側檢測方式,研究了航空用復合材料垂直結構蜂窩板中A0模式Lamb波的板邊回波特性,由于損傷區域有很強的能量泄漏,所以可用于檢測脫粘和結構損傷等缺陷,并估計其大小[ 9 ] ;比利時KATHO集團的E. B lomme等人采用700 KHz的空氣耦合式傳感器,應用穿透式檢測方法,研究了紡織品對超聲信號的衰減作用,該技術可用于紡織品涂層的不規則性監測[ 10 ] ;日本長岡科技大學的D. D. Sukmana和I. Ihara使用500 KHz的靜電換能器,研究了材料表面粗糙度特性與散射超聲波的擴散特性之間的關系,并與基于基爾霍夫散射模型的理論計算進行了比較[ 11 ] ;法國勒阿弗爾大學的Y. Gélébart等人采用1MHz的空氣耦合式傳感器,應用斜入射異側檢測方式,研究了A0、S0模式Lamb波的相速度及彈性模量與碳環氧材料多層板的熱氧化老化特性之間的關系[ 12 ] ;英國沃里克大學的T. H. Gan等人采用中心頻率500 KHz、薄膜厚5μm的電容式傳感器,對棕櫚油和奶制品進行了食品質量檢測的研究,接收傳感器薄
膜厚度為2. 5μm,提高了接收靈敏度,與接觸式超聲檢測實驗結果對比表明兩者檢測效果基本一致[ 14 ] 。波蘭格坦斯克科技大學的K. Imielińska等人采用穿透式超聲C掃描技術對多層聚合體復合材料的沖擊損傷進行了檢測研究,與X射線檢測結果比較后表明,該方法更快、更方便、更準確,且可用于檢測一些X射線無法檢測的材料[ 24 ] ;美國福特高級工程研究中心的T. J. Potter等人采用1MHz的空氣耦合式聚焦傳感器,應用穿透式檢測方法,研究并分析了薄鋼片中點狀焊點空間檢測精度的問題,實驗結果表明精度約1 mm,小于理論上5. 9 mm的波長精度值[ 25 ] 。在復合材料空氣耦合式超聲無損檢測方法的研究上, R.Stoessel等利用以硅橡膠作為耦合層的壓電式換能器采用C掃描的方法對幾種復合材料的缺陷檢測進行了研究[ 26 ] ;德國宇航中心的W. Hillge,德國漢堡工業大學的M. Ahrholdt和德國(不萊梅)空客公司的R. Hen2rich等人合作,設計了一個模塊化和開放式的超聲檢測系統,利用可編程發射探頭、12位快速全波數據采集和C掃描/D掃描軟件等,通過使用不同的探頭激勵信號和接收信號處理方法,開展了復合材料構件的空氣耦合超聲檢測技術研究,取得了令人滿意的測試結果[ 27 ] ;美國愛荷華州立大學無損檢測中心的D. K. Hsu和印度GE全球研究中心的V. Kommareddy等人合作,利用壓電陶瓷空氣耦合換能器,開展了復合材料零部件的缺陷檢測和修復評價的研究工作,并研制了相應的空氣耦合超聲掃描系統,在飛機零部件陣地探傷中得以使用[ 28 ] ;英國倫敦大學的K. Berketis和P. J. Hogg等人合作,利用空氣耦合超聲檢測方法對潛艇用玻璃纖維增強型復合材料的損傷和退化進行檢測和評價,獲得了用水耦合超聲檢測方法得不到的效果[ 29 ] ;丹麥國家實驗室的K. K. Borum和丹麥工業大學的C. Berggreen等人合作,利用空氣耦合超聲波,采用穿透法,對海軍艦艇用層狀疊合復合材料板進行檢測,試驗結果顯示,該技術方法可以檢測出上述材料板中的脫粘[ 30 ] 。這些實際應用都說明了空氣耦合超聲檢測技術的飛速發展。
3 存在的問題
雖然空氣耦合式超聲波無損檢測具有其他超聲檢測手段不具備的一些突出優點,但這種技術在無損檢測和材料分析方面仍有一些局限性。
(1) 一般來說,聲阻抗超高的材料(重金屬,高密度氧化物、碳化物、氮化物,金屬和非金屬硼化物)很難實現在線檢測,對這些材料的檢測必須采用特殊機制來改進。
(2) 試件內脈沖回波檢測目前難度較大。
(3) 傳感器方面,采用匹配層的方法在提高轉換效率的同時也帶來了匹配層材料不易獲得、帶寬較低和高頻傳感器需要超薄匹配層等缺點。另外,結構上的復雜性和工藝的高精度都使傳感器可靠性降低、成本較高,所以應用領域限于特殊應用領域和傳統超聲無法解決的領域。
4 展望
空氣耦合式超聲波無損檢測技術在復合材料檢測、紡織品檢測、食品及藥品檢測、表面特性分析和成像領域有著良好的應用前景,在歐美等發達國家發展迅速且已取得了一些很有實用價值的研究成果。然而,國內在該領域的研究較少,目前僅限少數單位進行了一些理論研究和傳感器制造方面的研究[ 31 - 32 ] ,急需加快相關研究工作,才能減小與發達國家之間的差距。
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空氣耦合式超聲波無損檢測技術的
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