Page 235 - 《应用声学》2024年第1期

第 43 卷 第 1 期 郭占玲等： 空气耦合超声检测复合材料研究综述 231

压电复合材料的填充材料性能也会显著影响 Bovtun 等 [9] 采用蜂窝聚丙烯铁驻极体薄膜作为匹
其性能。如图 10 所示，Della 等 [36] 通过在 1-3 型压 配层显著提高了换能器的灵敏度。Kazys 等 [42] 使
电复合材料上添加空气柱提高了机电耦合系数并 用低阻抗的聚苯乙烯泡沫作为匹配层提高了耦合
降低其声阻抗。He 等 [37] 通过采用 3D 打印的方法 效率、带宽、辐射脉冲波形。Guo 等 [43] 分析了匹配
在1-3 型压电复合材料的树脂基体上打印了 30% 体 层的振动模态形状，发现环氧树脂能够提升换能器
积的空气实现了声阻抗的降低与匹配。Sun 等 [38] 的发射率。Wang等 [15] 通过采用 2种低声阻抗匹配
通过对 1-3 型压电复合材料的树脂相的上下面采用 层提高了换能器的灵敏度，进而可以检测微孔。Wu
硅橡胶替换，使其声阻抗相对 1-3 型的压电陶瓷/树 等 [44] 采用聚合物微珠/环氧树脂混合物匹配层，使
脂材料减小 52.8%。Zhang 等 [39] 通过在 1-3 型压电 传感器的灵敏度提高了 20.9 dB。上述研究表明低
陶瓷/聚合物复合材料上采用硅橡胶替代部分聚合 声阻抗匹配层能够提高换能器的灵敏度，但匹配层
物相，使得机械品质因数显著提高。研究填充用的 的制备工艺与其声阻抗之间的关系并不清晰，无法
复合材料配方和性能及其对压电复合材料的性能 准确获取所需的匹配层。
的影响将具有重大的意义。
1.6 空气耦合超声检测信号处理方法研究现状
如图 11 所示，通过在敏感元件与空气之间添
加匹配层进行声阻抗匹配，可以增大声波发射至空 为了提高空气耦合超声信号在复合材料缺陷
气中的能量。Alvarez-Arenas 等 [40] 通过研究聚醚 检测中的信噪比，Li 等 [45] 提出了脉冲压缩和小波
砜的声阻抗特性给出一种的新的匹配层设置方法， 滤波混合信号处理方法，如图 12(c) 所示，相比原始
得到了灵敏度和带宽更好的换能器。Saito等 [41] 利 接收信号，信噪比提高了 18.81 dB，同时基于混合
用传输线模型优化了硅橡胶和热塑性中空微珠混 方法的 C 扫描图像缺陷定量精度也很高，可以很容
合的匹配层的声阻抗，使得灵敏度增加了 20 dB。 易地识别 ϕ5 mm 的缺陷。Marhenke 等 [46] 优化了
空耦超声的时间反转检测，如图 12(b) 所示，显著
ஈᓢᆪᑛ ૱ᑟ٨ 提高了空气耦合超声成像的缺陷分辨率，可以检测
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ՑᎴ౜ 复合板的表面缺陷和内部缺陷。Liu等 [47] 提出了一
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໚٨ 种空气耦合兰姆波扫描与基于虚拟时间反转的概
率成像算法相结合的复合材料板材分层检测方法，
ܱ ܱ ቇ ቇ 如图 12(d) 所示。对不同形状和尺寸分层的碳纤维
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增强复合材料板进行了试验研究。Zhao [48] 提出了
一种基于经验模态分解和深度置信网络的5 mm 厚

ԍႃܭՌెந 度钢制油罐液位智能检测方法。实验结果表明，在
Ӝᦡࡏ 10 mm 范围内可以准确识别油箱内不同介质的液

ᯐ֗᣿໚ ᆪᑛ 位并进一步分类，检出率可达99%，检测范围满足油
ӭӜᦡࡏ ԥӜᦡࡏ 箱的实际测试要求。Tang等 [49] 提出了相位编码激

图 11 敏感元件与空气之间声阻抗匹配 [15] 励和脉冲压缩技术应用于空气耦合超声检测与超
Fig. 11 Acoustic impedance matching between 声兰姆波相结合，如图 12(f) 所示，使接收信号的信
sensor and air [15] 噪比提高10 dB以上。

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