在无损检测行业中,X射线和电磁用于非接触无损检查,而超声波一般用于接触式或水浸法的无损检查。虽然超声波检测方法中也有少量方法使用电磁超声波探头(EMAT)和激光超声波来进行非接触测量,但是由于超声波集束的指向性和焦点很难控制,而且在激励和接收超声波时需要特殊装置,因而限制了它们的应用范围。另外,目前的激光超声波法和电磁超声波法不适合检查微小缺陷。由于激光超声波和X射线对人体有一定的危害,在生产现场需采取**措施,如穿戴X射线防护服及遮光眼镜等以保护工作人员。因此,实现如X射线和电磁检测那样的完全非接触超声波检测是从事无损检测人员多年来的梦想。
空气耦合超声波法(air-coupledultrasonics)用空气代替水浸法中的水,除了可以实现与水浸法同样的功能外,还由于低频超声波在空气中的波长比水中小,因此具有更容易聚焦的特点。2002年SecondWaveSystems公司的Bhardwaj出版了题为Non-contactUltra-sound:theFinalFrontierinNon-destructiveAnalysis的空气传播超声波法宣传手册[1],该手册虽然提出了非接触空气传播超声波法的有效性,但是并没有突破传统超声波法的范畴。常用的空气耦合超声波检测法,多使用穿透式异侧检测模式(透射法),且被限制在复合材料、木材、绿色陶瓷等传统超声波法很难检测的致密度稀的多孔隙材料检测[2-5],其主要原因是:a)由于空气和被检测材料声阻抗的巨大差异使得气固界面耦合过程中能量损失极大,因而进入被检测材料内的超声波能量低、振幅小;h)超声波在传播过程中,其衰减与频率有关,尤其在空气中衰减系数极大,其适用的频率范围被限制在1MHz以下;c)空气耦合超声波检测适用频率范围低,其脉冲余振较长,且在检测过程中获得的信号幅值极低,所以不能使用反射回波法。为了更好地发挥空气耦合超声波检测法的作用,针对上面三方面的问题,提出了解决对策:对于**个缺点,可以通过高灵敏度空气耦合探头与合适的带通滤波前置放大器相组合,将接收信号增幅100～120dB(10万倍～100万倍),以实现使用传统的超声波发射接收器进行空气耦合超声波检测;对于**个缺点,可以活用低频超声,以检测出传统超声波法不能检测或很难检测的软质材料以及高衰减材料的声速及内部缺陷;对于第三个缺点,可以通过使用2个探头的V透射法的检测模式,即将2个探头设置在检测材料的同侧进行非接触检测,以代替传统的反射回波法。本文首先简要地介绍了空气耦合超声波检测技术的基础知识,其次介绍了利用2个探头从检测材料同侧进行非接触检测的V透射法检测模式,并对钢筋混凝土、树脂涂层材料、复合材料进行声速测定和损伤成像,以验证非接触空气耦合超声波V透射法检测模式的有效性和实用性。
利用同侧检测法(V透射法)的非接触空气耦合超声波检测技术,对钢筋与混凝土界面、模拟树脂薄层损伤、冲击损伤的CFRP复合材料厚度方向的损失分布进行了成像测试。证实了传统的接触法或水浸法不能测量的比楔块树脂中纵波声速或水中声速低的材料的表面波或导波波速,可以利用空气耦合超声波法进行测量。因此利用空气耦合超声波可广泛进行各种树脂板、积层板的损伤检查及各种波速测量。空气耦合超声波法虽然与接触式或水浸超声波法相比操作复杂,但由于其非接触无损无害且可以定量评价,正逐渐地应用于工业制品的无损检查与评价。为了降低**率导入非接触无损检测与评价的��业正在渐渐增加,空气耦合超声波检测法将可能成为某些材料检测的有力武器。
