Page 6 - 201903
P. 6
288 2019 年 5 月
配技术。
0 引言
为了提高空气耦合超声换能器的灵敏度，本文
超声无损检测技术是指在不损坏待测物体的 选用 1-3 型压电复合材料及双匹配层结构来实现空
前提下，利用超声技术实现对待测物体的表面及内 气耦合超声换能器压电材料与空气之间声阻抗的
部结构异常或者缺陷进行检测和评估的一类检测 匹配。同时，在此基础上制作了 440 kHz 多基元聚
手段，此技术已经广泛应用到各个工业领域中 [1−2] 。 焦空气耦合超声换能器，并对其声场分布特性和性
在传统的接触式超声无损检测应用中，在超声换能 能进行了评估测试。利用制作的聚焦空气耦合超声
器与待测物体之间需要添加耦合剂 (通常为水或者 换能器进行了材料表面缺陷检测，实验结果表明利
硅油等材料) 以使超声波能够传入待测物体。而对 用该多基元聚焦空气耦合超声换能器可以有效地
于某些特殊的场合，耦合剂的使用会对待测物体造 检测材料表面缺陷。
成污染或者损坏，如对药品、食品、复合材料、多孔材
1 多基元聚焦空气耦合超声换能器制备
料的检测等 [3−4] 。因此，亟需寻找新的解决方案来
实现对此类材料的无损检测和评估。目前，主流的
图 1 为 本 文 选 用 的 1-3 型 压 电 复 合 材 料 及
非接触式超声无损检测技术主要有电磁超声无损
匹 配 材 料。 其 中 1-3 型 压 电 复 合 材 料 的 压 电
检测技术 [5] 、激光超声无损检测技术 [6] 和空气耦合
陶 瓷 体 积 分 数 为 64%， 压 电 陶 瓷 柱 尺 寸 为
超声无损检测技术 [7−8] 。其中电磁超声无损检测技
1.6 mm×1.6 mm×3.2 mm，如图 1(a) 所示；匹配
术只能应用于对金属材料的检测，并且电磁超声换
层 1 材料是一种轻质、坚硬的高分子聚合物，这种
能器的转换效率比较低。激光超声无损检测技术的
材料是在实验室中利用环氧树脂和其他低密度固
应用比较灵活，但是高能量的激光束可能会对材料
体材料(空心玻璃微珠)自行研制的，如图1(b)所示；
表面造成伤害，并且设备昂贵 [9] 。
匹配层 2 材料是采购的低密度多孔材料，如图 1(c)
空气耦合超声无损检测技术是一种以空气为
所示。
传输媒质的新型超声无损检测技术，避免了接触式
1-3 型压电复合材料及匹配材料的物理参数如
超声无损检测技术中耦合剂对待测物体带来的污
表1所示。
染和破坏，具有完全无接触、无侵入和无损害的优
势 [10] 。同时由于空气中的声速远小于不锈钢、铝
等金属或者水等其他材料中的声速，因此在相同的
工作频率下，超声波在空气中具有更短的波长，这
使得应用空气耦合超声无损检测技术进行材料表
面缺陷检测时具有更高的精度。空气耦合超声无 (a) ԍႃᬝၬ (b) Ӝᦡࡏ1 (c) Ӝᦡࡏ2
损检测技术在应用中最大的限制因素是由于空气 图 1 1-3 型压电复合材料及匹配材料样品
耦合超声换能器压电材料与空气之间声阻抗的巨 Fig. 1 Samples of 1-3 type piezoelectric composite
大差异而导致的超声换能器灵敏度比较低这一问 and matching layers
题 [11] 。以锆钛酸铅压电陶瓷为例，其声阻抗约为
表 1 1-3 型压电复合材料及匹配材料的物理参数
30 MRayl，而空气的声阻抗大约是 425 Rayl，两者
Table 1 Physical parameters of 1-3 type
相差约 70000 倍。这会导致由压电陶瓷激发出的超
piezoelectric composite and matching layers
声波只有极小部分可以透过压电陶瓷/空气界面从
而辐射进入到空气中。同时，由于材料间声阻抗的 密度/(kg·m −3 ) 声速/(m·s −1 ) 声阻抗/MRayl
巨大差异使得很难寻找到合适的匹配材料来按照 1-3 型压电
5240 3600 18.86
传统的接触式超声换能器匹配层的优化方法采用 复合材料
一层匹配层来实现压电陶瓷材料与空气之间声阻 匹配层 1 550 2700 1.404
抗的匹配。因此，在空气耦合超声换能器的优化设 匹配层 2 30 900 0.027
计中需要寻找低声阻抗的压电材料及使用多层匹
