郭占玲 沈 斌 趙志鋼 劉 瑤

(1 浙江清華長三角研究院海納精密加工中心 嘉興 314000)

(2 中北大學機械工程學院 太原 030051)

0 引言

復合材料普遍具有高比強度、高比剛度、高模量、耐腐蝕等優(yōu)異性能。常見的典型復合材料有玻璃纖維復合材料、碳纖維增強樹脂復合材料、玻璃纖維增強鋁合金層板、碳纖維增韌碳化硅陶瓷(Cf/SiC)基復合材料、多層蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)復合材料等。這些復合材料廣泛應用于飛機機翼、導彈外殼、航空發(fā)動機殼體等部位(圖1(a))。同時其夾芯、多孔、蜂窩、輕質(zhì)的型面組織結(jié)構(gòu)導致其材料屬性復雜。在制造和服役過程中，復合材料受氣泡、振動、應力、沖擊和撞擊等影響，易產(chǎn)生孔隙、分層、夾雜、基體裂紋、基體脫粘、纖維曲屈、纖維斷裂等多種類型的缺陷(圖1(b))，影響復合材料的力學性能和服役性能。因此，必須采用有效的方法準確檢測和評估復合材料中各類缺陷。

圖1 復合材料的應用及復合材料中常見缺陷Fig.1 Application of composite materials and common defects in composite materials

超聲檢測技術(shù)因其穿透能力強、檢測精度高、設備成本低、結(jié)構(gòu)輕便，被廣泛應用于材料缺陷檢測。傳統(tǒng)接觸式檢測需要水、油類等耦合劑，但這些耦合劑會使復合材料構(gòu)件受潮或變污，甚至會沿缺陷滲入構(gòu)件內(nèi)部，影響構(gòu)件的機械性能。因此，傳統(tǒng)接觸式超聲檢測不適用于復合材料的檢測?？諝怦詈铣暀z測是一種以空氣作為耦合劑的新型非接觸無損檢測方法，具有完全無損、非浸入、高效率、適合原位檢測等技術(shù)優(yōu)勢，適用于檢測禁用液體耦合劑的結(jié)構(gòu)件(如蜂窩夾芯材料)、在役部件(如直升機尾桁)、多孔材料、吸水材料及溶解材料，尤其適合板類工件的大面積快速無損檢測，在復合材料缺陷的檢測方面具有良好應用前景。

本文結(jié)合空氣耦合超聲檢測的研究熱點，從技術(shù)應用現(xiàn)狀，換能器類型，信號處理技術(shù)，相控聚焦式空氣耦合超聲檢測、超聲在復合材料的傳播特性及其與缺陷交互作用的研究現(xiàn)狀，檢測儀器發(fā)展現(xiàn)狀，概述了空氣耦合超聲檢測的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)，最后展望了空氣耦合超聲檢測的發(fā)展趨勢和應用前景。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

1.1 空氣耦合超聲檢測技術(shù)應用研究現(xiàn)狀

如圖2 所示，空氣耦合超聲檢測技術(shù)由于其非接觸式、空氣作為耦合劑的優(yōu)勢，用于復合材料在位檢測(如熱固性樹脂固化過程檢測)，制造過程在線質(zhì)量控制，彈性常數(shù)測量，以及孔隙、分層、脫粘、纖維彎曲、蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)脫粘等缺陷的檢測。

圖2 空氣耦合超聲檢測工業(yè)應用Fig.2 Air coupled ultrasonic inspection for industrial applications

Bustamante 等[5]采用點聚焦式壓電空氣耦合傳感器對鋁、碳纖維復合材料板和環(huán)氧樹脂板中人工缺陷進行了C 掃檢測，成功地識別出1～2 mm 直徑范圍的孔缺陷。Dobie 等[6]采用點聚焦式空氣耦合超聲換能器產(chǎn)生聚焦橫波，實現(xiàn)對厚層壓板中的分層和脫粘兩種缺陷的成像檢測。Zhang等[7]采用一種精確且快速的波數(shù)成像算法，實現(xiàn)玻璃-碳纖維增強復合材料板離面方向上較小角度偏差的纖維波紋度成像檢測。?？〗艿萚8]采用空氣耦合Lamb波技術(shù)對復合材料夾芯結(jié)構(gòu)蒙皮與蜂窩芯的脫粘缺陷進行了檢測。由此可見空氣耦合超聲能夠較好地識別復合材料中的各類缺陷，但是空氣耦合檢測技術(shù)和核心設備的開發(fā)還有待進一步完善。

1.2 空氣耦合超聲換能器研究現(xiàn)狀

空氣耦合超聲換能器作為空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)的重要組成部分，其換能效率、整體性能及激發(fā)出的超聲波模式直接影響檢測效果?？諝怦詈铣晸Q能器按照換能原理主要分為壓電式、鐵電駐極體式和電容式；按照幾何結(jié)構(gòu)可分為平板型、線聚焦型和點聚焦型換能器，其中點聚焦換能器又可分為物理自聚焦和相控陣列聚焦。

壓電式平板型空氣耦合超聲換能器由于制備工藝簡單、制作成本低，靈敏度較高、信噪比較好，適用于不同材料、不同缺陷的無損檢測。但平板型換能器存在檢測分辨率低、能量弱的缺點，檢測精度較低，無法實現(xiàn)小缺陷的檢測。Bovtun等[9]使用蜂窩狀聚丙烯鐵駐極體薄膜，研制了鐵電駐極體式空氣耦合超聲換能器。張慧等[10]研制出電容式微機械空氣耦合超聲換能器，如圖3(a)所示。安志鴻等[11]使用FEP/PTFE 復合膜壓電駐極體研發(fā)出熱穩(wěn)定性優(yōu)良的空耦換能器，如圖3(b)所示結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)。但電容式、鐵電駐極體式空氣耦合超聲換能器固有頻率較高，難以應用于低頻段，以及制造工藝復雜，制造難度和成本較高，導致其在應用中受到一定限制。

圖3 電容式、鐵電駐極式換能器Fig.3 Capacitive and ferroelectric electret transducers

為了增強檢測中超聲波能量，幾何自聚焦式探頭開始逐步發(fā)展。如圖4(a)所示，Woodacre 等[12]研究了聲透鏡聚焦式空氣耦合探頭。但焦點固定、入射角度無法調(diào)節(jié)，限制了其應用。He[13]、劉智穎等[14]設計、制作的線聚焦空氣耦合超聲探頭具有信噪比好、頻帶寬、波形清晰、聚焦面反射波峰峰值大等優(yōu)點，但因其聚焦效果受檢測深度的影響，且換能器制作成本較高、對操作環(huán)境要求高等限制因素，在實際檢測應用中具有一定的局限性。Wang等[15]將壓電復合材料陣元及其匹配層材料分布在球面結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示，獲得較好的點聚焦效果，但聚焦效果易受各基元裝配位姿精度的影響且存在焦點固定不便于調(diào)節(jié)的缺點。圖5 為文獻[13–14]中兩種不同形式的線聚焦換能器，分別為PDFV 復合膜壓電駐極式和1-3 型壓電復合材料。

圖4 幾何自聚焦式超聲換能器Fig.4 Geometric self-focusing ultrasonic transducer

圖5 兩種不同形式的線聚焦式換能器Fig.5 Two different forms of line-focused transducers

1.3 相控聚焦式空氣耦合超聲檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的采用耦合劑的超聲相控陣理論、探頭及裝備發(fā)展比較成熟，在厚航空復合材料纖維波紋度和孔隙檢測[16]、多層梯度材料缺陷檢測[17]、復合材料分層缺陷定量評估[18]、管道缺陷[19]等方面應用較多。圖6 為4 種缺陷檢測試驗。與其相比，相控聚焦式空氣耦合超聲檢測技術(shù)總體發(fā)展不成熟，但與普通平板式、幾何式自聚焦空氣耦合超聲換能器相比，其具有不更換探頭即可靈活控制孔徑大小、根據(jù)檢測需求調(diào)整焦距、有效調(diào)整聲速寬度、更快的線性掃查速度、更銳利的聚焦聲速、激勵的超聲信號帶寬更大等眾多優(yōu)勢。

圖6 傳統(tǒng)超聲相控陣在缺陷檢測中的研究Fig.6 Research of traditional ultrasonic phased array in defect detection

Kazys 等[20]模擬驗證了空氣耦合超聲相控陣在塑料薄膜(厚度約0.1 mm)中激發(fā)A0、S0 導波模態(tài)，但無法控制激發(fā)較為單一的A0、S0 模態(tài)，使得檢測結(jié)果分析困難。同時用直接作用于薄膜表面上的力模擬超聲波作用于薄膜表面的情況，忽略了各陣元之間、陣元與結(jié)構(gòu)件之間空氣隙的影響，導致計算結(jié)果存在較大誤差，使得聚焦檢測達不到預期的效果。Kazys 等[21]還研究了相控線陣傳感器，實現(xiàn)了20 kHz 低頻超聲導波的激發(fā)，如圖7 所示，但所激發(fā)的波在板內(nèi)部傳播，需要激光測振儀激發(fā)表面振動，不便于工程應用。Zou 等[22]研究了相控線陣空耦超聲的計算方法，但未考慮聲波在空氣中的衰減，雖實現(xiàn)了A0、S0 模態(tài)的激發(fā)，但無法控制模態(tài)的單一性，導致后續(xù)檢測信號分析困難，且只能實現(xiàn)磁帶等薄片檢測(0.1 mm 厚)。相控陣列激發(fā)式空氣耦合超聲Lamb波單一模態(tài)激發(fā)方式及實際應用的研究有助于推動相控陣列超聲的應用，是重要的研究熱點。

圖7 Kazys 等相控陣低頻導波激發(fā)試驗[21]Fig.7 Low-frequency guided wave excitation test of phased array studied by Kazys et al.[21]

1.4 超聲在復合材料的傳播特性及其與缺陷交互作用研究現(xiàn)狀

在超聲在復合材料的傳播特性研究中，Biwa等[23]采用多重散射模擬方法對復合材料中超聲波的相速度與衰減系數(shù)特性進行數(shù)值模擬，分析結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。Duan 等[24]采用半解析有限元法模擬復合材料層壓板各層任意纖維取向，利用該方法與正向波解析解、數(shù)值解具有極好一致性。

在超聲與材料缺陷交互作用研究中，解析表達式適用于研究某些簡單幾何形狀缺陷的散射特性，如裂紋、矩形缺陷。圖8(a)是解析法研究矩形缺陷的散射特性。對于更復雜的缺陷，需采用各種近似方法。如圖8(b)所示，Darmon 等[25]提出了一種玻恩近似法(Doubly distorted wave Born approximation,DDBA)用于模擬和預測鋼中不同形狀的(圓柱形、球形、橢球形)氧化鋁夾雜物的超聲響應。Huang 等[26]提出修正Born 近似法(Modified Born approximation,MBA)研究了各向同性和各向異性彈性固體中缺陷的散射特性，并預測了各向同性固體中球形夾雜物的超聲回波信號。Zhang 等[27]基于超聲非互易性與散射相結(jié)合對厚復合材料中孔隙缺陷和纖維波紋進行了識別。結(jié)果表明，孔隙和纖維波紋都會由于波散射而導致傳輸信號振幅的降低；在優(yōu)化的頻率下，互換激勵和接收探頭位置、孔隙不會導致接收信號時間上的差異，但由于纖維波紋區(qū)域的方向相關(guān)頻率濾波特性，纖維波紋會導致兩個傳輸信號之間存在差異。

圖8 超聲與復合材料缺陷交互特性研究[24]Fig.8 Ultrasonic and composite material defect interaction characteristics research[24]

對于超聲導波而言，散射過程還會發(fā)生更為復雜的模態(tài)轉(zhuǎn)換。對于各向同性材料，A0或S0模態(tài)與簡單缺陷(如圓孔)交互作用，可采用解析法求解其散射特性。在實際工程中，復合材料的缺陷基本上為非規(guī)則缺陷，材料各向異性，使得散射問題的解析求解更加復雜，甚至難以實施，從而催生了各種有限元仿真方法的應用。

鄭陽等[28]對各向同性板中Lamb 波與裂紋缺陷的交互作用時的模態(tài)轉(zhuǎn)換及二維散射特性進行了系統(tǒng)研究。Hervin 等[29]采用有限元模擬和實驗測量研究了準各向同性碳纖維增強復合材料層壓板橢圓形分層缺陷處的導波傳播及散射特性。結(jié)果表明分層缺陷形狀的微小變化對分層頂部的干涉圖像有顯著影響，但對離缺陷一定距離的散射波的指向性影響有限；由于子層壓板的不同疊層，分層缺陷的深度對散射波的周向分布規(guī)律和幅值有很大影響。Murat 等[30]利用三維有限元模型研究了復合材料平板分層缺陷對A0 模態(tài)Lamb 波的散射特性。結(jié)果表明，分層缺陷的形狀對整個散射聲場分布規(guī)律的影響不大；分層缺陷的寬度對散射指向性有很大的影響；散射聲場的周向分布幾乎與分層長度無關(guān)，而分層深度對散射聲場幅值有顯著影響。Pain等[31]提出了一種從空間特定區(qū)域內(nèi)陣列接收的數(shù)據(jù)中提取散射矩陣的方法，采用平均散射矩陣法研究了由不同波紋度引起的散射變化，顯示了檢測和量化碳纖維復合材料部件中小尺度離面方向纖維波紋度的潛力。

1.5 壓電式空氣耦合超聲換能器制造技術(shù)研究現(xiàn)狀

壓電式空氣耦合超聲換能器中壓電晶片與空氣的巨大聲阻抗差異(約30 Mrayl vs.0.000425 MRyal)導致極少的超聲能量進入空氣中，不利于信號的檢測。制備壓電復合材料減小晶片的聲阻抗以及制備匹配層進行聲阻抗匹配，可以增強入射到空氣中的超聲能量。1-3 型壓電復合材料可以顯著提高其厚度機電耦合系數(shù)，同時降低機械品質(zhì)因素和聲阻抗，在實驗研究和實踐運用較廣泛。

如圖9所示，1-3型壓電復合材料的制備方法主要有排列填充法、切割填充法、失模鑄造法、激光切割法、水射流切割法、注塑法和3D 打印法。切割填充法相對簡單，成本低且加工一致性好，被廣泛應用到商用1-3 型壓電復合材料的生產(chǎn)上。然而壓電陶瓷在切割過程中因砂輪磨損嚴重、摩擦和振動導致槽寬變化、切槽兩側(cè)崩邊現(xiàn)象、切口表面材料退極化、切割表面裂紋多，甚至出現(xiàn)切割過程中壓電柱的斷裂。槽寬變化會影響壓電柱的一致性，使壓電晶片的品質(zhì)因數(shù)變差以及在共振頻率附近的相位變化，最終導致發(fā)射和聚焦后的聲波發(fā)散，影響檢測精度和效果。孫敏等[32]開展實驗與仿真結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)主瓣寬度與理論計算結(jié)果存在誤差，認為陣元的分布不均勻、相鄰陣元的中心間距存在誤差和單個陣元表面的振動狀態(tài)不同是引起振動幅度一致性誤差的原因。而表面裂紋則易在振動過程中出現(xiàn)裂紋擴展加速老化最終導致壓電柱斷裂失效。目前針對壓電陶瓷切割機理的研究及其對壓電復合材料性能的研究相對較少。對壓電陶瓷的切割機理進行研究，抑制切割產(chǎn)生的損傷，提高加工質(zhì)量及壓電柱的一致性，對提高其性能具有重要意義。

圖9 1-3 型壓電復合材料常用的制備方法Fig.9 Common preparation methods of type 1-3 piezoelectric composites

壓電復合材料的填充材料性能也會顯著影響其性能。如圖10 所示，Della 等[36]通過在1-3 型壓電復合材料上添加空氣柱提高了機電耦合系數(shù)并降低其聲阻抗。He 等[37]通過采用3D 打印的方法在1-3 型壓電復合材料的樹脂基體上打印了30%體積的空氣實現(xiàn)了聲阻抗的降低與匹配。Sun 等[38]通過對1-3 型壓電復合材料的樹脂相的上下面采用硅橡膠替換，使其聲阻抗相對1-3 型的壓電陶瓷/樹脂材料減小52.8%。Zhang 等[39]通過在1-3 型壓電陶瓷/聚合物復合材料上采用硅橡膠替代部分聚合物相，使得機械品質(zhì)因數(shù)顯著提高。研究填充用的復合材料配方和性能及其對壓電復合材料的性能的影響將具有重大的意義。

如圖11 所示，通過在敏感元件與空氣之間添加匹配層進行聲阻抗匹配，可以增大聲波發(fā)射至空氣中的能量。Alvarez-Arenas 等[40]通過研究聚醚砜的聲阻抗特性給出一種的新的匹配層設置方法，得到了靈敏度和帶寬更好的換能器。Saito等[41]利用傳輸線模型優(yōu)化了硅橡膠和熱塑性中空微珠混合的匹配層的聲阻抗，使得靈敏度增加了20 dB。Bovtun 等[9]采用蜂窩聚丙烯鐵駐極體薄膜作為匹配層顯著提高了換能器的靈敏度。Kazys 等[42]使用低阻抗的聚苯乙烯泡沫作為匹配層提高了耦合效率、帶寬、輻射脈沖波形。Guo 等[43]分析了匹配層的振動模態(tài)形狀，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂能夠提升換能器的發(fā)射率。Wang等[15]通過采用2種低聲阻抗匹配層提高了換能器的靈敏度，進而可以檢測微孔。Wu等[44]采用聚合物微珠/環(huán)氧樹脂混合物匹配層，使傳感器的靈敏度提高了20.9 dB。上述研究表明低聲阻抗匹配層能夠提高換能器的靈敏度，但匹配層的制備工藝與其聲阻抗之間的關(guān)系并不清晰，無法準確獲取所需的匹配層。

圖11 敏感元件與空氣之間聲阻抗匹配[15]Fig.11 Acoustic impedance matching between sensor and air[15]

1.6 空氣耦合超聲檢測信號處理方法研究現(xiàn)狀

為了提高空氣耦合超聲信號在復合材料缺陷檢測中的信噪比，Li 等[45]提出了脈沖壓縮和小波濾波混合信號處理方法，如圖12(c)所示，相比原始接收信號，信噪比提高了18.81 dB，同時基于混合方法的C 掃描圖像缺陷定量精度也很高，可以很容易地識別?5 mm 的缺陷。Marhenke 等[46]優(yōu)化了空耦超聲的時間反轉(zhuǎn)檢測，如圖12(b)所示，顯著提高了空氣耦合超聲成像的缺陷分辨率，可以檢測復合板的表面缺陷和內(nèi)部缺陷。Liu等[47]提出了一種空氣耦合蘭姆波掃描與基于虛擬時間反轉(zhuǎn)的概率成像算法相結(jié)合的復合材料板材分層檢測方法，如圖12(d)所示。對不同形狀和尺寸分層的碳纖維增強復合材料板進行了試驗研究。Zhao[48]提出了一種基于經(jīng)驗模態(tài)分解和深度置信網(wǎng)絡的5 mm 厚度鋼制油罐液位智能檢測方法。實驗結(jié)果表明，在10 mm 范圍內(nèi)可以準確識別油箱內(nèi)不同介質(zhì)的液位并進一步分類，檢出率可達99%，檢測范圍滿足油箱的實際測試要求。Tang等[49]提出了相位編碼激勵和脈沖壓縮技術(shù)應用于空氣耦合超聲檢測與超聲蘭姆波相結(jié)合，如圖12(f)所示，使接收信號的信噪比提高10 dB以上。

圖12 信號處理方法Fig.12 Signal processing method

為了提高空氣耦合超聲檢測接收信號的信噪比和輸出功率，Zhou 等[50]提出了一種小波濾波和相位編碼脈沖壓縮的混合方法，有效提高信號的信噪比和信號強度。Epp 等[51]提出了一種新的沖擊回波分析方法，采用分辨率為20 kHz的雙換能器小波變換來提高損傷檢測能力。為了驗證所提方法的性能，將小波變換和傳統(tǒng)的快速傅里葉變換信號處理結(jié)果進行了比較，該方法在覆蓋范圍更廣的情況下具有較高的精度，可大大縮短大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測的測試時間。Fierro 等[52]提出了一種同時聚焦多個位置的柵格時間反轉(zhuǎn)方法，減少了可能的空氣耦合技術(shù)失真，減少了檢測時間，與原始基本響應和標準時間反轉(zhuǎn)相比，損傷成像明顯增強。信號處理技術(shù)是目前超聲檢測方面提高信噪比及分辨率的重要手段之一，將現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)應到超聲無損檢測領(lǐng)域是目前的重要發(fā)展方向。

1.7 空氣耦合超聲檢測儀器發(fā)展現(xiàn)狀

隨著航空航天領(lǐng)域?qū)秃喜牧蠙z測技術(shù)發(fā)展的需求，近三十年來國外公司已投入大量的人力、物力和財力對空氣耦合超聲檢測儀器進行了持續(xù)的研究。迄今為止，國內(nèi)外研制的空氣耦合超聲檢測儀器已達10 余種，表1 給出了其中代表性空耦超聲檢測儀器的關(guān)鍵技術(shù)對比。何存富等[53]開發(fā)了具有千伏級高壓任意波形激發(fā)功能的單通道KOCS0025-S 型、多通道KOCS0025-M 型空氣耦合超聲檢測儀器。GE 公司推出了便攜式相控陣探傷儀Phasor XS。該儀器將相控陣技術(shù)用于便攜式超聲探傷儀，使其能適用于各類環(huán)境。GE 檢測科技專門針對腐蝕層和復合材料檢測研發(fā)了一款新型的相控陣超聲波探傷儀Phasor DM[54]，將相控陣超聲成像設備和傳統(tǒng)超聲波探傷儀集于一體，對腐蝕層和復合材料近表面缺陷具有較高的檢測靈敏度，檢測效率高，檢測數(shù)據(jù)可靠。姜盼盼等[55]選用HSPA20 超聲相控陣主機，7.5L16-0.5×10A16-P 型探頭，該探頭為頻率7.5 MHz、16晶片專用探頭，驗證超聲相控陣檢測設備對于鍋爐小徑管焊縫缺陷的檢測靈敏度，結(jié)果表明超聲相控陣檢測無論對于表面缺陷、焊縫根部成型還是埋藏型陷檢測具有靈敏度高、成像位置準確、檢測結(jié)果直觀、易于判斷等優(yōu)勢。?？〗艿萚56]研制了一種高功率、高信噪比的空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)，并對航天工業(yè)常用的碳纖維增強型復合材料進行了檢測，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠很好地識別缺陷的位置和大小，最小缺陷分辨直徑達到了1 mm，能夠完成一般航天用復合材料的無損探傷任務。

表1 代表性儀器關(guān)鍵技術(shù)指標對照表Table 1 Comparison table of key technical indicators of representative instruments

目前，波音、空客等飛機制造商已普遍采用大型噴水超聲C 掃描技術(shù)對大型復合材料構(gòu)件進行快速自動檢測；波音已將相控陣超聲技術(shù)用于復雜型面構(gòu)件的快速檢測，實現(xiàn)特殊部位的全覆蓋掃描；空客已使用空氣耦合超聲技術(shù)檢測蜂窩夾芯構(gòu)件，檢測過程中不再使用超聲耦合劑。周正干等[57]設計了一套空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)用于檢測飛機蜂窩夾芯復合材料結(jié)構(gòu)在制造、使用中的脫粘缺陷，通過新型超聲換能器技術(shù)和信號處理技術(shù)提高空氣耦合超聲信號的信噪比。Hillger 等[58]所研制的單側(cè)陣列式的空氣耦合檢測系統(tǒng)能在4 min 內(nèi)實現(xiàn)1 m2飛機構(gòu)件的檢測。

綜合而言，國外在空氣耦合超聲波探頭的研制方面起步較早，優(yōu)勢明顯；國內(nèi)取得了長足的進步。但是不論國外還是國內(nèi)，研制的空氣耦合超聲波探頭都可以滿足基本的使用需求，但在具體的應用研究方面還比較欠缺，缺少自主研制的實物成果，而是更傾向于理論層面的探究。該情況在國內(nèi)尤為明顯，這也導致了當前這種類型的成熟系統(tǒng)價格非常的昂貴。因此，推動復合材料空耦超聲檢測技術(shù)的實際應用研究具有重大意義，對于推動國內(nèi)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展有積極的作用。

2 結(jié)論

綜上所述，空氣耦合超聲在復合材料檢測中已有較為廣泛的應用，但壓電復合晶片-空氣-復合材料之間固有的巨大聲阻抗差異，會使聲波在固-氣-固界面?zhèn)鞑ミ^程中能量損失巨大，導致只有較小的聲波能量能進入復合材料內(nèi)部對其缺陷進行檢測。且由于航空復合材料種類多樣、結(jié)構(gòu)復雜、尺寸有厚有薄，實際使用中需根據(jù)檢測要求分別使用超聲及導波進行檢測。

目前無論采用空氣耦合超聲或?qū)Р夹g(shù)檢測復合材料缺陷時，都比常規(guī)采用耦合劑檢測時的精度、分辨率低很多，限制了該技術(shù)的推廣應用。但水、油等耦合劑會對航空復合材料造成污染、甚至影響其性能，在某些場合使用極其不方便，甚至無法使用。因此，增強空氣耦合入射至復合材料內(nèi)部聲波的能量，提高無需耦合劑的非接觸式空氣耦合超聲檢測的能力，是解決目前航空復合材料高精度檢測難題的有效途徑。

針對空氣耦合超聲聚焦檢測的研究，目前主要集中在利用換能器幾何結(jié)構(gòu)實現(xiàn)自聚焦，如線聚焦、點聚焦、多基元聚焦等，但存在焦距固定、孔徑角無法調(diào)節(jié)、制作困難等問題，限制了其應用。相控陣技術(shù)作為聲場能量聚焦的有效方法，能改變陣列超聲的聚焦點位置，使陣列超聲越過氣-固界面聚集于復合材料中的缺陷位置，增強小缺陷反射回波能量。另外，靈活的聲束控制功能還能改變陣列孔徑提高檢測分辨率，提高檢測精度。目前關(guān)于較厚復合材料板的空氣耦合超聲相控陣檢測的研究較少，需要進一步探索如何實現(xiàn)通過空氣中陣列換能器的相控激發(fā)在復合材料中各點實現(xiàn)聚焦的方法。目前文獻只報道了超薄板(～0.1 mm)中慢Lamb波的相控激發(fā)且未能實現(xiàn)單一模態(tài)的激發(fā)，對于實際使用的較薄(1～8 mm)航空復合材料板的檢測，需進一步研究板內(nèi)中頻段(80～500 kHz)單一模態(tài)Lamb 的控制激發(fā)，增強缺陷反射的漏Lamb 能量，提高其檢測能力。因此，針對航空復合材料缺陷空氣耦合超聲聚焦檢測技術(shù)的研究，尚需重點解決如下關(guān)鍵問題：

(1) 聚焦檢測方法、Lamb 波激發(fā)機理、聚焦超聲及導波與航空領(lǐng)域不同構(gòu)件中典型缺陷交互作用等基礎研究，提高檢測精度與可靠性。

(2) 空氣耦合超聲相控陣檢測技術(shù)應用于工程實踐，實現(xiàn)對不同構(gòu)件全生命周期各類缺陷的檢測，形成穩(wěn)定高質(zhì)量的檢測系統(tǒng)，探索檢測方法、信號處理、硬件設備選型、軟件開發(fā)等方面的最佳組合方式。