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【摘 要】 超声波检测技术应用于多个领域之中，具有极其重要的意义。但是因为本身的局限性，但是检测的可靠性、缺陷检出概率等受到一定的影响。而空气耦合式超声波无损检测技术的出现，可以很好地改善超声波检测的缺陷，本文就此阐述空气耦合式超声波无损检测技术的发展。
【关键词】 超声波；无损检测；空气耦合；发展
引言：
无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反应了一个国家的工业发展水平，其重要性已得到公认。超声波无损检测在工业中的应用极为广泛，尤其是空气耦合式超声波无损检测技术因为其自身的特点，已经得到越来越多领域的认可。
1、超声波检测技术的发展
超声检测技术的应用依赖于具体检测工件的检测工艺和方法，同时，超声检测还存在检测的可靠性，缺陷的定量、定性、定位以及缺陷检出概率、漏检率、检测结果重复率等问题，这些对超声检测仪器的研制提出了更高要求。
为克服传统接触式超声检测的不足，人们开始探索非接触式超声检测技术，提出了激光超声、电磁超声、空气耦合超声等。其中空气耦合式超声波无损检测技术因其非接触、非侵入、完全无损的特点，特别是能够实现快速在线扫查，使该技术有着很好的应用前景。
为提高检测效率，发展了相控阵超声检测。随着机械扫描超声成像技术的成熟，超声成像检测也得到飞速发展。目前，超声检测仪器已明显向检测自动化、超声信号处理数字化、诊断智能化、多种成像技术的方向发展。
1.1检测自动化
钢铁和机械行业已经广泛采用了自动超声检测设备和检测流水线，检测管材、线材或其他型材。此外，各种专业检测仪器也不断涌现，如用于探测窄空间管道的遥控自动爬车，用于检测变速齿轮焊缝的自动超声检测系统等。
1.2超声信号处理数字化
目前，超声信号处理已经广泛采用现代数字信号处理技术（如自适应算法、谱分离处理、小波分析等），既能有效滤除超声回波中夹杂的噪声，又能对检测缺陷的特有属性进行分析，极大的提高了超声检测的准确性。
1.3诊断智能化
借助模式识别和人工神经网技术，既能智能识别超声检测中的缺陷类别，又能对检测结果的进行智能化评定，在一定程度上降低了人为因素影响，提高了检测结果的准确性。
1.4超声成像技术
超声成像技术是超声检测技术的又一个重要发展方向。超声成像技术可以提供大量的直观的信息，克服了传统超声检测技术的缺陷显示不直观、难以判断的缺点。
2、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、超声换能器的转换效率。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。
这些因素使得超声波传播过程中插入损耗非常高。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，解决的思路主要有两个方向。
2.1压电陶瓷超声换能器
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。
匹配材料的研究方面，西班牙CSIC声学研究所经过对多种材料特性的研究，提出了两种比较理想的材料（聚醚砜和尼龙）；频率在2MHz以上时可采用混合纤维素脂和聚二氟乙烯，基本解决了匹配材料的选择问题，并首次研究了这些材料的衰减系数随频率变化的问题。
传感器结构研究方面，利用压电陶瓷与高分子聚合物组成的复合体材料形成厚度模式谐振器，采用1-3连接结构，其中压电陶瓷柱组成阵列，由聚合体材料填充，传感器两表面为薄金属膜电极。这种结构能减小传感器材料阻抗，且具有更高的效率和更好的耦合性能。
2.2静电换能器
采用显微加工技术制作静电换能器（CMUT）。其工作原理是金属化处理后的薄膜附在导体基板上，当给基板和薄膜之间加直流偏压时，由于静电力的作用薄膜会发生变形，施加激励电压即会产生超声波，或者当薄膜接收到超声波振动信号后，由电容变化转换成电信号。其频响宽阻尼性能好特性声阻抗低。
目前应用最广泛的仍然是压电陶瓷类换能器，尤其是在商品化产品中占大多数。压电类换能器具有更大的声功率输出，另外静电换能器相对于压电陶瓷类换能器而言环境依赖性较强，故仍以实验室应用为主。
3、检测方法及其应用
3.1空气耦合式超声波无损检测方法
（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。该方式也是空气耦合式超声波无损检测中应用最普遍的一种。
（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、Lamb波等。
3.2空气耦合超声波无损检测技术应用
随着换能器技术和相关检测技术的发展，空气耦合超声无损检测技术在各个领域的实际应用取得了较大进展。例如：
（1）立陶宛考纳斯科技大学采用斜入射同侧检测方式，研究了航空用复合材料垂直结构蜂窝板中A0模式Lamb波的板边回波特性，由于损伤区域有很强的能量泄漏，所以可用于检测脱粘和结构损伤等缺陷，并估计其大小；
（2）比利时KATHO集团采用700KHz的空气耦合式传感器，应用穿透式检测方法，研究了纺织品对超声信号的衰减作用，该技术可用于纺织品涂层的不规则性监测；
（3）日本长冈科技大学使用500KHz的静电换能器，研究了材料表面粗糙度特性与散射超声波的扩散特性之间的关系，并与基于基尔霍夫散射模型的理论计算进行了比较。
4、空气耦合式超声无损检测技术局限性
虽然空气耦合式超声波无损检测具有其他超声检测手段不具备的一些突出优点，但这种技术在无损检测和材料分析方面仍有一些局限性。一般来说，声阻抗超高的材料（重金属，高密度氧化物、碳化物、氮化物，金属和非金属硼化物）很难实现在线检测，对这些材料的检测必须采用特殊机制来改进；试件内脉冲回波检测目前难度较大；传感器方面，采用匹配层的方法在提高转换效率的同时也带来了匹配层材料不易获得、带宽较低和高频传感器需要超薄匹配层等缺点。另外，结构上的复杂性和工艺的高精度都使传感器可靠性降低、成本较高，所以应用领域限于特殊应用领域和传统超声无法解决的领域。
5、对我国空气耦合式超声波无损检测技术展望
空气耦合式超声波无损检测技术在复合材料检测、纺织品检测、食品及药品检测、表面特性分析和成像领域有着良好的应用前景，在欧美等发达国家发展迅速且已取得了一些很有实用价值的研究成果。然而，国内在该领域的研究较少，目前仅限少数单位进行了一些理论研究和传感器制造方面的研究，急需加快相关研究工作，才能减小与发达国家之间的差距。
6、结束语
综上所述，空气耦合式超声波无损检测技术是目前较为先进的一种检测技术，可应用在诸多的领域，但是在我国在该领域研究还存在着不足，因此需要不断地加强对该技术的研究，促进空气耦合式超声波无损检测技术在我国的应用。
参考文献：
[1]夏利利，杨文革，董正宏.非接触超声检测技术在航天無损检测中的研究与应用[J].装备指挥技术学院学报.2007（04）
[2]王晓宁.超声无损检测技术提高制造实力[J].航空制造技术.2010（06）
[3]崔治，彭楚武.空气耦合式超声检测在航空无损检测中的应用[J].无损检测.2010（06）
【关键词】 超声波；无损检测；空气耦合；发展
引言：
无损检测是工业发展必不可少的有效工具，在一定程度上反应了一个国家的工业发展水平，其重要性已得到公认。超声波无损检测在工业中的应用极为广泛，尤其是空气耦合式超声波无损检测技术因为其自身的特点，已经得到越来越多领域的认可。
1、超声波检测技术的发展
超声检测技术的应用依赖于具体检测工件的检测工艺和方法，同时，超声检测还存在检测的可靠性，缺陷的定量、定性、定位以及缺陷检出概率、漏检率、检测结果重复率等问题，这些对超声检测仪器的研制提出了更高要求。
为克服传统接触式超声检测的不足，人们开始探索非接触式超声检测技术，提出了激光超声、电磁超声、空气耦合超声等。其中空气耦合式超声波无损检测技术因其非接触、非侵入、完全无损的特点，特别是能够实现快速在线扫查，使该技术有着很好的应用前景。
为提高检测效率，发展了相控阵超声检测。随着机械扫描超声成像技术的成熟，超声成像检测也得到飞速发展。目前，超声检测仪器已明显向检测自动化、超声信号处理数字化、诊断智能化、多种成像技术的方向发展。
1.1检测自动化
钢铁和机械行业已经广泛采用了自动超声检测设备和检测流水线，检测管材、线材或其他型材。此外，各种专业检测仪器也不断涌现，如用于探测窄空间管道的遥控自动爬车，用于检测变速齿轮焊缝的自动超声检测系统等。
1.2超声信号处理数字化
目前，超声信号处理已经广泛采用现代数字信号处理技术（如自适应算法、谱分离处理、小波分析等），既能有效滤除超声回波中夹杂的噪声，又能对检测缺陷的特有属性进行分析，极大的提高了超声检测的准确性。
1.3诊断智能化
借助模式识别和人工神经网技术，既能智能识别超声检测中的缺陷类别，又能对检测结果的进行智能化评定，在一定程度上降低了人为因素影响，提高了检测结果的准确性。
1.4超声成像技术
超声成像技术是超声检测技术的又一个重要发展方向。超声成像技术可以提供大量的直观的信息，克服了传统超声检测技术的缺陷显示不直观、难以判断的缺点。
2、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、超声换能器的转换效率。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。
这些因素使得超声波传播过程中插入损耗非常高。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，解决的思路主要有两个方向。
2.1压电陶瓷超声换能器
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。
匹配材料的研究方面，西班牙CSIC声学研究所经过对多种材料特性的研究，提出了两种比较理想的材料（聚醚砜和尼龙）；频率在2MHz以上时可采用混合纤维素脂和聚二氟乙烯，基本解决了匹配材料的选择问题，并首次研究了这些材料的衰减系数随频率变化的问题。
传感器结构研究方面，利用压电陶瓷与高分子聚合物组成的复合体材料形成厚度模式谐振器，采用1-3连接结构，其中压电陶瓷柱组成阵列，由聚合体材料填充，传感器两表面为薄金属膜电极。这种结构能减小传感器材料阻抗，且具有更高的效率和更好的耦合性能。
2.2静电换能器
采用显微加工技术制作静电换能器（CMUT）。其工作原理是金属化处理后的薄膜附在导体基板上，当给基板和薄膜之间加直流偏压时，由于静电力的作用薄膜会发生变形，施加激励电压即会产生超声波，或者当薄膜接收到超声波振动信号后，由电容变化转换成电信号。其频响宽阻尼性能好特性声阻抗低。
目前应用最广泛的仍然是压电陶瓷类换能器，尤其是在商品化产品中占大多数。压电类换能器具有更大的声功率输出，另外静电换能器相对于压电陶瓷类换能器而言环境依赖性较强，故仍以实验室应用为主。
3、检测方法及其应用
3.1空气耦合式超声波无损检测方法
（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。该方式也是空气耦合式超声波无损检测中应用最普遍的一种。
（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、Lamb波等。
3.2空气耦合超声波无损检测技术应用
随着换能器技术和相关检测技术的发展，空气耦合超声无损检测技术在各个领域的实际应用取得了较大进展。例如：
（1）立陶宛考纳斯科技大学采用斜入射同侧检测方式，研究了航空用复合材料垂直结构蜂窝板中A0模式Lamb波的板边回波特性，由于损伤区域有很强的能量泄漏，所以可用于检测脱粘和结构损伤等缺陷，并估计其大小；
（2）比利时KATHO集团采用700KHz的空气耦合式传感器，应用穿透式检测方法，研究了纺织品对超声信号的衰减作用，该技术可用于纺织品涂层的不规则性监测；
（3）日本长冈科技大学使用500KHz的静电换能器，研究了材料表面粗糙度特性与散射超声波的扩散特性之间的关系，并与基于基尔霍夫散射模型的理论计算进行了比较。
4、空气耦合式超声无损检测技术局限性
虽然空气耦合式超声波无损检测具有其他超声检测手段不具备的一些突出优点，但这种技术在无损检测和材料分析方面仍有一些局限性。一般来说，声阻抗超高的材料（重金属，高密度氧化物、碳化物、氮化物，金属和非金属硼化物）很难实现在线检测，对这些材料的检测必须采用特殊机制来改进；试件内脉冲回波检测目前难度较大；传感器方面，采用匹配层的方法在提高转换效率的同时也带来了匹配层材料不易获得、带宽较低和高频传感器需要超薄匹配层等缺点。另外，结构上的复杂性和工艺的高精度都使传感器可靠性降低、成本较高，所以应用领域限于特殊应用领域和传统超声无法解决的领域。
5、对我国空气耦合式超声波无损检测技术展望
空气耦合式超声波无损检测技术在复合材料检测、纺织品检测、食品及药品检测、表面特性分析和成像领域有着良好的应用前景，在欧美等发达国家发展迅速且已取得了一些很有实用价值的研究成果。然而，国内在该领域的研究较少，目前仅限少数单位进行了一些理论研究和传感器制造方面的研究，急需加快相关研究工作，才能减小与发达国家之间的差距。
6、结束语
综上所述，空气耦合式超声波无损检测技术是目前较为先进的一种检测技术，可应用在诸多的领域，但是在我国在该领域研究还存在着不足，因此需要不断地加强对该技术的研究，促进空气耦合式超声波无损检测技术在我国的应用。
参考文献：
[1]夏利利，杨文革，董正宏.非接触超声检测技术在航天無损检测中的研究与应用[J].装备指挥技术学院学报.2007（04）
[2]王晓宁.超声无损检测技术提高制造实力[J].航空制造技术.2010（06）
[3]崔治，彭楚武.空气耦合式超声检测在航空无损检测中的应用[J].无损检测.2010（06）