4.空气耦合超声检测技术

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ExcitingsourceSignalprocessingFilter&lifierSynchronizerAirSPECIMEN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FSW1时间幅度W2FSB1W1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。RT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。05101520-50050时间/μs幅值/mV接收缺陷发射05101520-50050时间/μs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RT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及技术难点05010015020001幅值归一化0.5X轴位移/mm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()ZZRZZ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：4.5MRaylZair：420RaylR：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Ⅱ声阻抗/MRayl介质Ⅰ透射系数T衰减/dB黄铜51水0.11102019空气0.00003389锰钢47水0.11988518空气0.00003689铝17水0.29802811空气0.00009980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。tczzzTcxxxtzppzztxppxxvvvvppvvvvnkinkinkinkinkinkinkinkinkinkinkinkinkinki2002/11,2/12/1,2/12002/12/1,2/12/1,2/12/1,2/112/1,2/102/1,2/12/1,2/12/1,2/12/1,2/102/1,2/12/1,2/12/12/1,2/12/1,////)(102000zvxvtpczptvxptvzxzxn+1/2n+1n+1/2i-1/2,k-1n+1/2n+1/2n+1n+1i,k-1i+1/2,k-1i+1,k-1i,k-1/2i+1/2,k-1/2i+1,k-1/2i-1/2,ki,ki+1/2,ki+1,kpvxpvxvzvzvzvzzxzi-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)=0d(z)=0d(x)=0d(x)=0PML吸收边界参数设置zvpzdtcxvpxdtczpvzdtxpvxdtzzxxzx020200)(1)(1)()(00zxppp40231log)(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/mmY轴位移/mm020406080100120140160180200051000.51X轴位移/mmZ轴位移/mm020406080100120140160180200051000.51换能器25周期激励时中轴面声压分布X轴位移/mmZ轴位移/mm02040608010012000.10.20.30.40.50.60.70.80.91100203040500°30°60°90°-30°-60°-90°10.80.60.40.2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/mmY轴位移/mm010203040010203040500.10.20.30.40.50.60.70.80.910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/mmY轴位移/mm0102030405060700510152000.20.40.60.81归一化幅值X轴位移/mmY轴位移/mm0102030405060700510152000.20.40.60.81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）窄脉冲的频率选择性00.5100.511.5幅值/V时间/μs0102030405099.51010.5x10-3信号幅度频率/MHz00.5100.511.5幅值/V时间/μs0102030405000.050.10.150.2信号幅度频率/MHz00.5100.511.5幅值/V时间/μs0102030405000.511.5信号幅度频率/MHz空气耦合超声激励与接收技术（窄脉冲激励）相关研究及其成果窄脉冲影响接收信号的主要参数246810246810激励幅度/V回波峰值/mV0.511.522.533.545101520脉冲宽度/μs回波峰值/mV激励脉冲高度激励脉冲宽度适当选择脉冲宽度能获得更佳激励效果脉冲高度在一定范围内与回波峰值成正比空气耦合超声激励与接收技术（窄脉冲激励）相关研究及其成果空气耦合超声激励与接收技术（脉冲串激励）相关研究及其成果单频激励对接收信号的影响01020304050-10-50510信号幅度/mV时间/μs周期数：101020304050-10-50510/mV时间/μs(b)周期数5周期数：52468103040506070周期数/个回波幅值/mV连续改变周期数周期数频率0510-1-0.500.51/V时间/μs024600.511.5信号幅度/V频率/MHz0510-1-0.500.51/V时间/μs024600.511.5/V频率/MHz信号幅度信号幅度信号幅度信号幅度空气耦合超声激励与接收技术（脉冲串激励）相关研究及其成果调制激励对接收信号的影响频率调制（线性调频）幅度调制相位调制0510-1-0.500.51信号幅度/V时间/μs05101520-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81时间/μs幅值/V++++----脉冲波与连续波激励方式效果对比连续正弦波与连续方波激励方式效果对比激励设备峰-峰值/V增益/dB信号峰值/V5058PR100400.635058PR200401.25RAM-5000100300.85RAM-5000200301.64激励方式周期数增益/dB信号峰值/mV正弦波42066正弦波52070正弦波62070方波42085方波52090方波62091激励信号增益/dB信号峰值/V1周期正弦信号201.641周期正弦信号加Hanning窗处理200.843周期正弦信号202.563周期正弦信号加Hanning窗处理201.445周期正弦信号202.605周期正弦信号加Hanning窗处理201.847周期正弦信号202.567周期正弦信号加Hanning窗处理202.209周期正弦信号202.589周期正弦信