一种增加复合材料的空气耦合超声检测信号强度的方法与流程

本发明涉及超声波检测技术领域，具体地说是一种增加复合材料的空气耦合超声检测信号强度的方法。

背景技术：

空气耦合超声检测的物理原理与传统压电超声相似，但是传统压电超声需要水或其它黏稠状试剂做耦合介质，而空气耦合超声不需要任何耦合介质(或者说是以空气为耦合介质)，并且对检测工件的材料属性没有任何要求。空气耦合超声技术多用于多层复合材料、胶粘材料、锂电池、橡胶材料、泡沫材料和金属材料等的探伤以及材料特性检测，广泛应用于航空航天、汽车、船舶等行业的零部件检测。

由于不用水或者油作为耦合剂，空气耦合超声检测有速度快、非接触的优点；但是由于空气对超声波能量的衰减非常严重，并且气固界面存在巨大的声阻抗差异，所以空气耦合超声检测的超声波能量大部分被界面反射掉。由于反射能量的干扰，空气耦合超声一般采用穿透法检测，即在工件的两侧各放两个空气耦合超声换能器。换能器仅能接收到很少部分带有被检材料内部信息的能量。

为了提高空气耦合超声检测的灵敏度，科学家和工程师们做了大量的努力。其中一个方法是提高空气耦合超声换能器的效率《d.e.chimenti，reviewofair-coupledultrasonicmaterialscharacterization.ultrasonics54(2014)1804-1816.》；另一个方法是提高空气耦合超声整机检测的灵敏度《一种空气耦合超声波自动化检测系统》，专利号：201410851993.3。

目前商业压电空气耦合超声换能器的双向插损一般在40db左右，公开文献中提到过的经过精心匹配的压电型空气耦合超声换能器的最好单向插损在17db左右(等效双向插损34db左右)，可见压电空耦超声换能器灵敏度提高一倍(6db)都已经是非常困难的了。

复合材料常见的对穿法空气耦合超声检测技术中，对有效信噪比的检测信号存在一个检测频率上限，高于这个频率，复合材料很难被穿透，如果连灵敏度都不够，就无法谈论分辨率的问题。但是复合材料的检测频率越高，轴向分辨率越好。所以我们往往碰到一个难题：在保证已有的空气耦合超声检测系统能够穿透复合材料的基础上，如何采用尽可能高的检测频率。总结以前解决这个问题的方向大致有四个：第一个方向是努力提高换能器的灵敏度；第二个方法是提高电子整机的灵敏度；第三个方法就是采用信号处理的方法来提高灵敏度，比如平均算法、脉冲压缩技术以及小波变换滤波去噪等等；第四个方法就是采用特定的频率让工件共振起来以提高灵敏度。有时候整体灵敏度能提高20％都对整个检测的信噪比或者检测的成功与否有实质性的影响。由于空气耦合超声技术本身物理上的特点，以上这些方法有时并不是都能取得满意的效果。本发明提出了第五类提高整个检测系统灵敏度的方法，即对被检测的工件进行声阻抗匹配。该方法简单、经济、效果好并且操作方便。

技术实现要素：

针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种用于检测复合材料板如碳纤维板、玻璃纤维板以及蜂窝板等的空气耦合超声检测方法。

本发明的技术解决方案是这样实现的：一种增加复合材料的空气耦合超声检测信号强度的方法，包含以下步骤：

第一步，将工件置于第一空气耦合换能器与第二空气耦合换能器之间；

第二步，在工件的上下表面上均贴上薄膜层；

第三步，激发第一空气耦合换能器，使其发出的超声波依次穿过上侧空气、上侧的薄膜层、工件、下侧的薄膜层和下侧空气，并到达第二空气耦合换能器；

第四步，将第二空气耦合换能器接收到的信号反馈至计算机，并生成图像和数据。

优选的，所述薄膜层的厚度为超声波在薄膜层中传播波长的1/3至1/5。

优选的，所述薄膜层的厚度为超声波在薄膜层中传播波长的1/4。

优选的，所述薄膜层为pvc薄膜。

优选的，所述薄膜层为pet薄膜。

优选的，所述薄膜层上设置有胶水层，薄膜层可以裁剪并通过胶水层粘贴在工件表面上。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明的增加复合材料的空气耦合超声检测信号强度的方法，第一次提出了对被检测工件进行声阻抗匹配的方法和技术；例如对于板状碳纤维工件或者玻璃纤维工件，在工件的正反两面各贴一层pvc薄膜或者pet薄膜，薄膜的厚度大致为空气耦合超声检测频率时的波长的四分之一左右，这层薄膜的声阻抗介于被测工件与空气的声阻抗之间，这样可以极大地提高穿透进入工件的超声能量以及穿透出工件的超声能量；薄膜厚度选为超声波在该薄膜中传播波长的四分之一，可以保证在该薄膜层中来回反射的超声波透射出薄膜时保持相同相位，从而实现类似共振的增强能量传出效应。

贴上薄膜层以后，超声波无论是从空气中进入到工件还是从工件中透射出空气都要经过薄膜层对声阻抗严重不匹配的现象进行改良，从而提高从空气中透射到工件中的声能以及提高从工件中透射出空气中的声能，极大地提高了整个检测系统的检测灵敏度。

贴上薄膜层以后，系统可以更加方便地激发出超声导波对工件进行检测；没有贴上该薄膜层时，系统对激发一种特定模式的超声导波的入射角度非常严格；贴上该层薄膜以后，系统可以在更宽松的入射角度范围内在工件中激发出一种特定模式的超声导波；这极大地提高了空气耦合超声导波方法检测工件的工程实用性。

薄膜可以做成一系列的厚度，对应一系列的检测频率；薄膜可以做成单面贴纸的形式，根据需求任意裁剪大小；薄膜材料可以为pvc或者pet，都是非常常见和经济的原材料；检测完以后薄膜可以很方便地撕掉，而且在大多数的情况下，该薄膜材料还可以重复利用。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

附图1为本发明所述的一种增加复合材料的空气耦合超声检测信号强度的方法的示意图；

附图2为本发明的空气耦合超声400khz穿透法对贴膜区域的c扫描以及贴膜周边一个点的典型a扫信号图；

附图3为本发明的空气耦合超声400khz穿透法对贴膜区域的c扫描以及贴膜区域中的一个点的典型a扫信号图。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明。

如附图1所示，本发明所述的一种增加复合材料的空气耦合超声检测信号强度的方法，包含以下步骤：

第一步，将工件3置于第一空气耦合换能器1与第二空气耦合换能器2之间；

第二步，在工件3的上下表面上均贴上薄膜层4；

第三步，激发第一空气耦合换能器1，使其发出的超声波依次穿过上侧空气、上侧的薄膜层4、工件3、下侧的薄膜层4和下侧空气，并到达第二空气耦合换能器2；

第四步，将第二空气耦合换能器2接收到的信号反馈至计算机，并生成图像和数据。

其中，第一空气耦合换能器1和第二空气耦合换能器2可以分别为发射器和接收器，当然也可以反过来设置；所述薄膜层4的厚度为超声波在薄膜层4中传播波长的1/4左右，薄膜层4为pvc或者pet薄膜，薄膜层4制作成一面涂有胶水的标准纸贴形式，并且可以根据需要裁剪适当大小方便地粘贴于工件3的表面。

以超声波从工件中透射到空气为例，如果在工件上贴上一层厚度为四分之一波长的薄膜，在工件与薄膜界面的反射率r1与透射率t1为：

薄膜层与空气界面的反射率r2与透射率t2为：

其中，z工件、z薄膜和z空气是工件、薄膜层以及空气的声阻抗。如果超声波从工件中传播到空气中，透射的波幅比例为t1*t2；如果超声波在薄膜层中发生一次来回反射，从工件进入到空气中的波幅比例为：t1r2r1t2；如此类推，如果超声波在薄膜层中发生n次来回反射，从工件进入到空气中的波幅比例为：t1(r2r1)ⁿt2；直接透射波以及所有经过反射后的透射波相加后的总透射率ttot为

薄膜层参数为空气参数时就是没有对工件进行匹配的情况，假设这种无匹配的透射率为t0，则：

加薄膜层比不加薄膜层信号强度倍数为：

以玻璃纤维板工件上贴pvc薄膜为例：实验中测得pvc薄膜沿垂直薄膜方向的声速为730m/s，密度取名义上的材料参数1.4g/cm³，由此得出pcv薄膜的声阻抗为1.22mrayl。玻璃纤维沿垂直表面的声速一般低于沿玻璃纤维长度方向的声速，本实验中取玻璃纤维声速为：3500m/s，密度取名义上的材料密度：2.5g/cm³，由此得出声阻抗为：8.75mrayl；空气声阻抗为常数420rayl。由此式(7)可以简化为：

式中z玻纤是玻璃纤维板的声阻抗。如果在玻璃纤维板的另一面贴同样的薄膜，整体信号理论上还可以再提高17db，总共提高34db。

现以一块厚30mm的玻璃纤维蜂窝板作为工件举例，蒙皮为玻璃纤维，蒙皮厚度0.5mm，蜂窝结构材料为铝合金；用400khz的空气耦合超声检测该蜂窝板时，信噪比比较差。为了说明本发明的效果，在该蜂窝板相对的两面各贴4层厚度为0.125mm的pvc贴膜，由图2、3可知，贴膜后显著增强了信噪比，蒙皮下面的蜂窝结构变得清晰可见。

其中，图2是贴膜周边区域的一个点的典型a扫描信号，由图可见，不贴膜区域信号强度不超过250mv，信噪比大概在3∶1左右；图3是贴膜区域内一个点的典型a扫描信号，由图可知，信号强度超过750mv，提高约10db，信噪比提高到大概9∶1。

理论计算的34db的信号幅度提升是理想的情况，实际上多层贴膜界面之间也存在有超声能量的衰减，虽然如此，实验中还是录得10db的信号幅度提升。理论计算贴膜的四分之一波长厚度为0.46mm，实际上最佳匹配在4层膜即0.5mm时效果最好，与理论值非常接近。本实例用实验说明本发明带来的效果，用多层薄膜叠加只是为了证明四分之一波长厚度的最佳匹配效果，在实际的商业应用中，本发明提到的贴膜是制成各种厚度的，不需要把多层膜组合起来，从而可以在实际中最大限度地消除本实验带来的各层薄膜界面对超声波能量的损耗，更显著地提高信号强度以及信噪比。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。