4.空气耦合超声检测技术

1、空气耦合超声检测技术 2012-11-11 周正干 空气耦合超声检测技术的基本原理 技术优势及技术难点 相关研究及其成果 国内外发展及应用情况 发展趋势 内 容 空气耦合超声检测技术的基本原理 技术优势及技术难点 相关研究及其成果 国内外发展及应用情况 发展趋势 内 容 Exciting source Signal processing Filter& amplifier Synchronizer Air SPECIMEN 常规 水浸底波衰减法 原理 典型的穿透式空气耦合超声检测原理 空气耦合超声检测技术是以空气作为耦合介质的新型非接触无损检测技术。可用于 不适用耦合剂 的缺陷检测方面（如陶瓷、蜂窝夹芯 /泡沫夹芯复合材料等） ; 与常规超声检测技术相比，空气耦合超声检测技术除了将空气作为耦合介质之外，在声学传播特性等方面没有本质区别。 B2B1水空 气探 头F SW1时 间幅度W2F SB1W1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

2、。 该方式也是空气耦合超声无损检测中应用最普遍的一种。 R T 试样 应用 最普遍 空气耦合超声检测技术的基本原理 典型的 穿透式 空气耦合超声检测 法 试样TR试样TR试样TR穿 透 式传 输 路 径试 样 内反 射 路 径接 收 面反 射 路 径发 射 面反 射 路 径时 间幅度空 气空 气探 头当检测蜂窝部件、三明治零件及泡沫夹心零部件时，不允许使用耦合剂，需要应用非接触式空气耦合超声检测系统，典型的穿透式空气耦合超声检测原理如下图所示。 0 5 10 15 20- 50050时间 / s幅值/mV接 收缺 陷发 射0 5 10 15 20- 50050时间 / s幅值/mV无 缺 陷TRTR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 透射始波 该检测方式在空气耦合超声检测中多用于表面特性分析和仿形 。 始波 影响大 T/R 试样 空气耦合超声回波 检测 法 回波法 常用的空气耦合超声检测方法 空气耦合超声检测技术的基本原理 R T 试样 空气耦合超声 斜入射 检测法 可应用于同侧检测，该技术为密闭容器、设备等的在役检测提供了极大便利。检测时 发射换能器和接收换能

3、器 呈一定角度 置于试件 同 侧。 同侧斜入射检测 法 便于原位检测 波形分析困难 同侧法 常用的空气耦合超声检测方法 空气耦合超声检测技术的基本原理 9 其它检测方法 异侧非同轴 (LAMB波 ) 异侧同轴 (非线性 ) 常用的空气耦合超声检测方法 空气耦合超声检测技术的基本原理 空气耦合超声检测技术的基本原理 技术优势及技术难点 相关研究及其成果 国内外发展及应用情况 发展趋势 内 容 空气耦合超声检测 非接触 非侵入 完全无损 高效 便捷 原位检测 特种复合材料 空气耦合超声检测技术的技术优势 可用 在 不适用耦合剂 的缺陷检测方面（如陶瓷、蜂窝夹芯 /泡沫夹芯复合材料等的检测）。 摆脱材料限制 吸水 溶解 多孔 损伤浸入 摆脱环境限制 高温条件 原位检测 耦合剂难清理 技术优势及技术难点 界面反射衰减严重 （界面阻抗差距较大引起） 空气 铝 透射声压 单位声压入射 反射声压 空气耦合超声与常规超声检测方法最大的区别就是使用空气作为耦合介质，代替原有液体或固体耦合剂 ，而正因如此，空气耦合 超声检测 技术的发展面临一定 的 技术难度。 空气耦合超声检测技术面临的技术难点 技术优势

4、及技术难点 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 001幅值归一化0 . 5X 轴 位 移 / m m换 能 器 轴 线 声 压 分 布空气中传播衰减严重 13 根据声学理论可以计算得出声波穿过材料后的透射率及反射率。 接收信号幅值低 ; 信噪比差 ; 分辨率低 ; 122124()ZZTZZ 21212()ZZR ZZ 反射率 : 透射率 : 介质之间声阻抗严重不匹配直接导致 例如： ZCFRP： 4.5M Rayl Zair： 420Rayl R： 99% T： 1% 技术优势及技术难点 ZCFRP代表 CFRP复合材料声阻抗； Zair代表空气声阻抗； 介质 声阻抗 /MRayl 介质 透射系数 T 衰减 /dB 黄铜 51 水 0.111 020 19 空气 0.000 033 89 锰钢 47 水 0.119 885 18 空气 0.000 036 89 铝 17 水 0.298 028 11 空气 0.000 099 80 技术优势及技术难点 空气耦合超声检测技术面临的技术难点 声波透过不同介质后的透射系数及衰减情况对比 空气耦合超声检测技术的基本原理 技术优势及技术

5、难点 相关研究及其成果 国内外发展及应用情况 发展趋势 内 容 常规压电换能器很难完成空气耦合超声检测任务，因此必须研发适合空气耦合超声检测需求的超声换能器。 针对空气耦合超声检测技术国内外关注的研究热点 相关研究及其成果 空气耦合超声换能器技术 高功率激励与信号放大装置 现代数字信号处理技术研究 新型检测方法研究 信号处理技术是目前超声检测方面提高信号信噪比及分辨率的重要手段之一，将现代数字信号处理技术应用到超声无损检测领域是目前的重要发展方向。 为了弥补因介质间声阻抗不匹配导致的超声衰减，提高超声发射功率并对接收信号放大就显得非常重要，集成电路的发展进步为超声检测技术提供了极大便利。 除了常规的穿透式检测技术之外，现已发展出了多种新型检测技术（空气耦合超声导波检测技术、空气耦合超声相控阵技术、空气耦合超声多通道技术等），在不同检测领域发挥出各自优势。 tczzzTcxxxtzppzztxppxxvvvvppvvvvnkinkinkinkinkinkinkinkinkinkinkinkinkinki2002/11,2/12/1,2/12002/12/1,2/12/1,2/12/1,2

6、/112/1,2/102/1,2/12/1,2/12/1,2/12/1,2/102/1,2/12/1,2/12/12/1,2/12/1,/)(102000zvxvtpczptvxptvzxzxn + 1 / 2n + 1n + 1 / 2i - 1 / 2 , k - 1n + 1 / 2 n + 1 / 2n + 1 n + 1i , k - 1 i + 1 / 2 , k - 1 i + 1 , k - 1i , k - 1 / 2 i + 1 / 2 , k - 1 / 2 i + 1 , k - 1 / 2i - 1 / 2 , k i , k i + 1 / 2 , k i + 1 , kp v x p v xv z v zv z v zzxzi - 1 / 2 , k - 1 / 2离散点交叉配置 tFFtFzFFzFxFFxFnkinkinkinkinkinki2/1,2/1,2/1,2/1,2/1,2/1相关研究及其成果 空气耦合超声仿真技术 流体中超声传播计算模型（ FDTD技术） 1. 在流体和固体的交界面上，流体内声压等于固体内垂直应力； 2. 流体内界面法向的质

7、点速度等于固体内界面法向的质点速度； 3. 在理想流体条件下无切变力作用，当计算界面固体一侧的离散点时，流体中平行于边界的所有成分不产生作用。 空气耦合超声仿真技术 流体和固体界面的边界条件定义 相关研究及其成果 xzd ( z )= 0 d ( z )= 0d ( x )= 0d ( x )= 0PML吸收边界 参数设置 zvpzdtcxvpxdtczpvzdtxpvxdtzzxxzx020200)(1)(1)()(00zx ppp 40231l o g)( xcRxd相关研究及其成果 空气耦合超声仿真技术 完全匹配层 PML吸收方法 换能器 5周期激励时中轴面声压分布 X轴位移 /mm Y轴位移/mm 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 5 10 0 0.5 1 X轴位移 /mm Z轴位移/mm 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 5 10 0 0.5 1 换能器 25周期激励时中轴面声压分布 X轴位移 /mm Z轴位移/mm 0 20 40 60 80 100 120 0 0.1 0.2 0.

8、3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 10 0 20 30 40 50 0 30 60 90 -30 -60 -90 1 0.8 0.6 0.4 0.2 相关研究及其成果 空气耦合超声仿真技术 空气耦合超声换能器声场特性 X轴位移 /mm Y轴位移/mm 0 10 20 30 40 0 10 20 30 40 50 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 归一化幅值 相关研究及其成果 空气耦合超声仿真技术 空气耦合条件下穿透多层结构有机玻璃板的声压分布 材料类型： 碳纤维增强复合材料； 铺层结构： 16层 0.1mm厚的碳材质； 层间分布： 0.2mm厚树脂材料； 上下层介质为 :空气； 材料物理模型： 如下图。 500KHz空气耦合换能器 10斜入射声场分布 X轴位移 /mm Y轴位移/mm 0 10 20 30 40 50 60 70 0 5 10 15 20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 归一化幅值 X轴位移 /mm Y轴位移/mm 0 10 20 30 40 50 60 70 0 5 10 15 20 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 归一化幅值 空气耦合超声仿真技术 空气耦合条件下试样内超声传播特性 （倾斜 10度入射，试样内无缺陷及预置空心缺陷后的声场） 预置空心缺陷后声场分布 相关研究及其成果 空气耦合超声检测实验系统的建立 23 功 率 放 大 器前 置 放 大器碳 纤 维 板 试 样2 轴 扫 描 架 及 夹 持 装 置空 气 耦 合 超 声 换 能 器运 动 控 制 卡高 速 A / D采 集 卡信 号 发 生 器机 械 结 构 及运 动 装 置工 控 机相关研究及其成果 相关研究及其成果 空气耦合超声激励与接收技术（激励方法） 窄脉冲

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