在目前的超聲波無(wú)損檢查評(píng)價(jià)中，是用耦合劑的接觸式和水浸式檢查方法仍占主導(dǎo)地位。如同放射線及電磁檢測(cè)一樣，不使用接觸法的耦合劑和水浸法的水，能實(shí)現(xiàn)非接觸式超聲波檢查技術(shù)是超聲波技術(shù)者們的常年夢(mèng)想。
為實(shí)現(xiàn)非接觸式超聲波檢查，必須使超聲波效的發(fā)射到空氣中，穿過(guò)檢測(cè)工件，將接收信號(hào)進(jìn)行成像處理，所以必須解決三個(gè)問(wèn)題：
1.研制聲阻抗匹配層材料，實(shí)現(xiàn)探頭和空氣的最佳耦合；
2.研制超高功率發(fā)射接收器，實(shí)現(xiàn)向空中發(fā)射高功率的超聲波；
3.研制前置放大器，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的增幅。筆者通過(guò)多年的努力，終于成功的研制成了“高靈敏度非接觸空體耦合超聲波檢測(cè)系統(tǒng)(NonNon-Contact Air Coupled Ultrasonic Testing，簡(jiǎn)稱(chēng)NAUT21)，此系統(tǒng)是由超高功率超聲波發(fā)射接收器、高靈敏度空氣耦合探頭和前置放大器組成，開(kāi)創(chuàng)了超聲波無(wú)損檢測(cè)行業(yè)在21世紀(jì)的新紀(jì)元，實(shí)現(xiàn)了超聲波非接觸式各種材料的音速測(cè)定及缺陷檢出。
本文介紹了NAUT21的構(gòu)成，闡述了在非接觸空氣耦合超聲波檢測(cè)時(shí)的最適實(shí)驗(yàn)條件、最適頻率和探頭形式，并詳細(xì)的介紹了NAUT21系統(tǒng)在碳纖維強(qiáng)化復(fù)合材料(CFRP)、玻璃纖維強(qiáng)化復(fù)合材料(GFRP)、鋰電池、剎車(chē)片、鋼筋混凝土、橡膠材料及膠接材料等的檢測(cè)應(yīng)用。
二.空氣耦合超聲波檢測(cè)方法
超聲波從空氣向固體材料中入射時(shí)，超聲波的往返透射率可用下面的公式來(lái)表示。
（1）
上式中，Aa,和As是空氣和固體材料的聲阻抗。
在室溫、一個(gè)大氣壓下,空氣的聲阻抗是Za=420Rayl(1Rayl=1kg/m2s)，鋼鐵的聲阻抗是Za=45MRayl，將Aa和As帶入式(1)，空氣和鋼的往返透射率為3.7×10-5。
另外，超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)伴隨著很大的衰減，往返透射率僅為接觸法或水浸法的1/10000。
超聲波從空氣入射到金屬中時(shí)，在空氣與金屬界面幾乎都能維持發(fā)射到金屬中；而超聲波從金屬入射到空氣中時(shí)，在金屬與空氣界面處幾乎全部反射。
所以用脈沖回波法幾乎不能檢測(cè)出材料內(nèi)部缺陷的反射及散亂波形。
而且接收信號(hào)需要100dB的增幅，又由于生波形的振玲(linging time)較長(zhǎng)，缺陷的反射及散亂被表面反射波遮蓋。
但是，用專(zhuān)用探頭來(lái)接收從金屬內(nèi)部到達(dá)表面的超聲波波動(dòng)是很容易。
所以，空氣耦合超聲波法利用發(fā)信和收信的探頭的透射法或同側(cè)V透射法可以實(shí)現(xiàn)各種目的的檢測(cè)，如圖1所示。
圖2是高靈敏度非接觸空氣耦合超聲波檢測(cè)系統(tǒng)的外觀圖。
此系統(tǒng)是由軟件為裝有LabVIEW的電腦、超高功率超聲波發(fā)射接收器、高速編碼器和安裝有空氣耦合探頭的自動(dòng)掃描儀、控制系統(tǒng)(如圖4)和存儲(chǔ)系統(tǒng)組成。
圖5是利用NAUT21系統(tǒng)，分別使用平探頭(左圖)和點(diǎn)聚焦探頭(右圖)對(duì)CFRP復(fù)合材料檢測(cè)成像比較結(jié)果。
藍(lán)色表示超聲波在損傷部位不透過(guò)。
從圖示可知，平探頭的成像在材料邊界處和人工損傷處的界限很不清楚，且色度比點(diǎn)聚焦探頭淡；而點(diǎn)聚焦探頭的檢測(cè)結(jié)果是邊界處非常清楚。由此可知，在進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，需根據(jù)檢測(cè)精度來(lái)選擇不同的探頭形式。
圖6是利用NAUT21系統(tǒng)，不同頻率的探頭的檢測(cè)結(jié)果比較.上圖是帶有打痕的CFRP試驗(yàn)樣本（t=3mm），在此CFRP上的打痕上方放置直徑不同的樹(shù)脂薄片（φ10, φ7, φ5, φ3, φ2, φ1）制造模擬空氣層。下左圖和下右圖分別是使用400kHz和800kHz點(diǎn)聚焦探頭對(duì)上圖CFRP檢測(cè)成像的結(jié)果。
從下圖可知，400kHz點(diǎn)聚焦探頭的檢測(cè)最小損傷為2mm，1mm的模擬空氣層的成像不清楚。而800kHz點(diǎn)聚焦探頭對(duì)1mm的模擬空氣層的成像非常清楚，從而可知，在進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，不僅需根據(jù)檢測(cè)精度來(lái)選擇不同形式的探頭，還需要選擇最佳頻率的探頭。
三.空氣耦合超聲波非接觸檢測(cè)的應(yīng)用
3.1 CFRPCFRP平板的探傷成像
3.1.1 CFRP(VaRTM材料材料)壓縮破壞后的探傷成像
眾所周知，復(fù)合材料的制造成本是非常高的，為了降低復(fù)合材料的制造成本，科學(xué)家們正在研制一種叫做真空樹(shù)脂含浸制造法的VaRTM成型技術(shù)。
圖7就是利用這種新技術(shù)制造的VaRTM成型CFRP平板的探傷成像結(jié)果。左圖（上、中、下）是用三種不同的工藝制造成型的VaRTM成型CFRP（厚度：20mm）平板，可以用肉眼清楚地看到3圖的中央處沿豎方向，存在縫合線，對(duì)這3種VaRTM成型CFRP平板進(jìn)行相同外力的壓縮破壞后，利用NAUT進(jìn)行掃描成像，觀察其破壞程度，右圖（上、中、下）分別是對(duì)應(yīng)左圖（上、中、下）的檢查成像結(jié)果。
從右圖中可知，3種試驗(yàn)片均在中央處豎方向發(fā)生損傷，與試驗(yàn)片的縫合方向相同，藍(lán)色表示損傷部位。左下圖藍(lán)色部分最小，強(qiáng)度最強(qiáng)，又下圖的藍(lán)色面積最大，強(qiáng)度最弱。從而，可確定左上圖的試驗(yàn)片的制造工藝最好。
3.1.2 槍擊孔平板的探傷成像
圖8是槍擊孔CFRP平板的探傷成像結(jié)果。用槍擊法將直徑φ1mm的鋼球以相同的速度(4km/sec)沿試件表面垂直方向擊穿聚碳酸酯樹(shù)脂CFRP平板和環(huán)氧樹(shù)脂CFRP平板(厚度均為2mm)，使他們產(chǎn)生通孔，上左圖是聚碳酸酯樹(shù)脂的CFRP平板，下左圖環(huán)氧樹(shù)脂CFRP平板。分別和上左圖與下左圖對(duì)應(yīng)的上右圖與下右圖是他們的探傷掃描后的C-顯示，藍(lán)色部分是損傷剝離部分。
由左圖(上、下)可看出在中心部(槍擊孔周?chē)?有微小的凹陷。
由右圖(上、下)可知，環(huán)氧樹(shù)脂CFRP的通孔部位顯紅色，且周?chē)鷵p傷剝離大；而聚碳酸酯樹(shù)脂CFRP顯黃色，周?chē)膿p傷剝離小。
由此可知，聚碳酸酯樹(shù)脂CFRP的強(qiáng)度比環(huán)氧樹(shù)脂CFRP的強(qiáng)度高。
3.1.3 落雷損傷后的CFRP探傷成像
圖9是承受落雷損傷后的CFRP探傷成像結(jié)果。
我們準(zhǔn)備了兩種CFRP平板，一種是裸體CFRP平板；另一種是覆蓋金屬皮膜的CFRP平板(抗落雷損傷處理)分別對(duì)兩種試驗(yàn)片進(jìn)行相同的落雷損傷處理，上左圖是裸體CFRP平板損傷后的照片，下左圖是覆蓋金屬皮膜的CFRP平板的照片。
和上左圖與下左圖對(duì)應(yīng)的上右圖與下右圖是對(duì)他們的探傷掃描后的C-顯示成像，藍(lán)色部分是損傷剝離部分。
由左圖(上、下)可看，兩種損傷的進(jìn)展方向不同，裸體CFRP平板的損傷是沿斜方向擴(kuò)張進(jìn)展，且損傷界面不規(guī)則；而覆蓋金屬皮膜的CFRP平板損傷是圓形的，損傷界面呈規(guī)則。
其色感也有所不同，說(shuō)明損傷程度不同。裸體CFRP的損傷比覆蓋金屬皮膜的CFRP的損傷大。
3.1.4 CFRP聯(lián)接件的拉伸疲勞試驗(yàn)的探傷
在進(jìn)行CFRP板的聯(lián)接件結(jié)構(gòu)的拉伸疲勞試驗(yàn)時(shí)，我們用NAUT21系統(tǒng)進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)塊的掃描跟蹤。
圖10的左圖是實(shí)行了一定拉力的拉伸試驗(yàn)后取掉緊固件后的CFRP板，在CFRP板上安裝有應(yīng)力計(jì)，用肉眼可以確認(rèn)在復(fù)數(shù)孔的周?chē)鷽](méi)有任何損壞。
圖10的右圖是利用NAUT進(jìn)行探傷掃瞄后的C-顯示成像，紅色是超聲波在復(fù)數(shù)孔的透射波，藍(lán)色表示由于存在空氣層超聲波不透射。從右圖可知，在所有安裝緊固件孔的周?chē)及l(fā)生了沿斜方向進(jìn)展的剝離損傷。
3.2 GFRP平板的剝離損傷成像
圖11是對(duì)風(fēng)力發(fā)電用的風(fēng)車(chē)用玻璃纖維強(qiáng)化復(fù)合材料GFRP平板進(jìn)行探傷掃描成像的舉例。左圖是空氣耦合點(diǎn)聚焦探頭(400kHz，聚焦半徑38mm)和GFRP平板的放置圖，上方為發(fā)射信號(hào)探頭，下方為接收信號(hào)攤頭。
GFRP平板的厚度為10mm。
從左圖可以看出，在GFRP平板的中央部位存在白色部分(損傷部位)，右圖是對(duì)其進(jìn)行探傷掃描后的成像，與左圖呈白色對(duì)應(yīng)的中央部位呈藍(lán)色，從而可以確認(rèn)其白色部分是損傷部位。
3.3 蜂窩構(gòu)造復(fù)合材料的成像
圖12是鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的掃描成像。左圖是檢測(cè)的試驗(yàn)片，右圖是對(duì)左圖試驗(yàn)片的C-顯示掃描成像，從右圖可看出鋁蜂窩夾層復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
3.4 橡膠橡膠板的探傷成像
此高靈敏度非接觸空氣耦合檢測(cè)系統(tǒng)的穿透能力非常強(qiáng)，即使是平板橡膠也能穿透。
圖12是橡膠板的探傷成像。
左圖是厚度為10mm的橡膠板，用肉眼觀看沒(méi)有異常，右圖是對(duì)其進(jìn)行C-顯示掃描探傷成像結(jié)果，通過(guò)掃描成像可以確認(rèn)在中央部位存在斜方向的損傷。
3.5 剎車(chē)片的探傷成像
此高靈敏度非接觸空氣耦合超聲波檢查系統(tǒng)對(duì)剎車(chē)片（汽車(chē)、機(jī)車(chē)及動(dòng)車(chē)）的檢查也非常適用。如圖13的右圖所示，剎車(chē)片是由金屬板和抗磨耗的復(fù)合材料膠接構(gòu)成。
其膠接損傷檢查至今還沒(méi)有找到合適的檢測(cè)方法?，F(xiàn)在用敲擊聽(tīng)診法來(lái)檢查膠接處是否存在空氣層。我們分別對(duì)汽車(chē)，火車(chē)及新干線的剎車(chē)片進(jìn)行了空氣耦合超聲透射檢查，其效果非常有效。
圖13是利用此NAUT檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)剎車(chē)片的探傷成像結(jié)果。
右圖汽車(chē)剎車(chē)片的照片，右上圖是良好品，右中圖和右下圖是不良品（分別在中央處和右側(cè)放置四方形紙片，形成模擬空氣層），左圖（上、中、下）是分別與他們對(duì)應(yīng)的掃描成像，制造的空氣層位置均得到了確認(rèn)。
3.6 異種材膠接的脫膠損傷成像
圖14是異種材接合材料的結(jié)合狀態(tài)探傷成像結(jié)果。
為了確認(rèn)黏結(jié)部的良好性，用2液反應(yīng)型環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑將2張丙烯酸(類(lèi))樹(shù)脂薄板貼合起來(lái)制成試驗(yàn)片，左圖是粘貼起來(lái)的樹(shù)脂薄片和空氣耦合探頭的設(shè)置照片。
右圖是其進(jìn)行C-顯示掃描探傷成像結(jié)果，通過(guò)掃描成像可以確認(rèn)多處存在粘結(jié)不良，最小直徑為φ1.2mm。
3.7 鋼筋混凝土的探傷成像
圖15是利用V透射法對(duì)鋼筋混凝土的掃描探傷成像檢查例。
左圖是鋼筋混凝土試驗(yàn)體，在混凝土的中心部埋有模擬損傷的鋼筋，前半部分為完好鋼筋，后半部分的鋼筋包有膠帶以制造鋼筋與混凝土的不完全結(jié)合。
右圖是左圖的掃描成像，可以清楚的看到鋼筋的存在位置和不完全結(jié)合部的位置。
3.8 鋰電池的探傷成像
此高靈敏度非接觸空氣耦合檢測(cè)系統(tǒng)在對(duì)鋰電池的檢測(cè)行業(yè)得到了很好的應(yīng)用。
在制造鋰電池時(shí)，由于制造工藝等的種種原因，會(huì)產(chǎn)生電解液的分布不均，出現(xiàn)空氣層或異物等缺陷，好多生產(chǎn)廠家只能用多次充電放電的方法進(jìn)行檢測(cè)，次檢測(cè)方法周期長(zhǎng)成本高，我們對(duì)多種鋰電池包括汽車(chē)用，筆記本電腦用，手機(jī)用等多種鋰電池進(jìn)行了檢測(cè)，其效果非常有效。
圖16是對(duì)汽車(chē)用鋰電池探傷成像舉例。
左圖是汽車(chē)鋰電池照片，在鋰電池上放置直徑不同（φ10, φ7, φ5, φ3, φ2）的樹(shù)脂薄片制造模擬空氣層，右圖是左圖的掃描成像結(jié)果，從右圖可知，可以檢出φ2的空氣層。
圖16是鋰電池的空氣耦合超聲波透射成像與X線透射成像比較。
上圖是空氣耦合超聲波掃描法的透射成像結(jié)果，下面兩圖是分別進(jìn)行X射線透射成像的結(jié)果。
左上圖的畫(huà)像中可以看出，在中央左與上部左右超聲波透射良好的部位得到確認(rèn)。
右上圖的畫(huà)像中可以看出，在右上部超聲波透射良好的部位也得到確認(rèn)。
從下圖的X射線透射成像結(jié)果可知，兩個(gè)圖的顏色濃度都沒(méi)有變化，不能確認(rèn)完好和損傷部位。
結(jié)論
高靈敏度非接觸空氣耦合檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研制，徹底突破了傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)方法，使不能用于多孔滲水材料、對(duì)水或其他耦合劑敏感的材料、禁止接觸的工件等檢測(cè)成為現(xiàn)實(shí)。并得到很好的實(shí)際應(yīng)用。
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