空气耦合式超声波无损检测技术的发展

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，限制了它的应用范围(例如，传统超声检测方法就不适合下列物品或场合：多孔渗水材料、食品、药品、木制品以及在线运动部件，对水或其他耦合剂敏感的场合，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，它具有非接触、非侵入、完全无损的特点，特别是能够实现快速在线扫查，使得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，由于有四次气固界面的耦合过程，所以其信号幅值要低约140dB；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。所以，长期以来，该技术没有得到很好发展。

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和超声换能器的转换效率。这三方面的影响使得超声波传播过程中插入损耗非常高，其中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。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，解决的方法主要有两种。

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。

空气耦合式超声波无损检测方法

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。

（1）穿透式检测。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，

（2）脉冲回波检测。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、表面波和Lamb波等。