本發(fā)明涉及工業(yè)自動(dòng)化檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種空氣耦合超聲波高能檢測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

空氣耦合超聲波檢測是以空氣作為耦合介質(zhì)的新型無損檢測技術(shù)，相較于無損檢測領(lǐng)域中常規(guī)的超聲檢測技術(shù)(如水浸法及接觸法)，空氣耦合式超聲波檢測最大的優(yōu)勢在于非接觸和免耦合劑，該技術(shù)除了將空氣作為耦合介質(zhì)之外，在聲學(xué)的傳播特性等方面沒有本質(zhì)區(qū)別。另外，對于不適用耦合劑的缺陷檢測方面(如運(yùn)動(dòng)件、陶瓷、微芯片、多孔夾芯、復(fù)合材料、耦合劑過敏等)，空氣耦合超聲波檢測具有良好的應(yīng)用。由于其完全不接觸被測件的特點(diǎn)，以及近年來換能器效率方面的突飛猛進(jìn)，空氣耦合超聲波檢測為工業(yè)，醫(yī)療及食品等領(lǐng)域，提供了先進(jìn)技術(shù)支持，如高效在線檢測，過程管理及產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管等。

在無損檢測中，板狀結(jié)構(gòu)是最常見的被測件。而利用Lamb波和“一收一發(fā)式”的換能器布局是實(shí)現(xiàn)針對該結(jié)構(gòu)的有效檢測手段，但是在現(xiàn)有技術(shù)中，當(dāng)前空氣耦合超聲波檢測仍然受制于由于氣–固交互界面巨大的阻抗差異所導(dǎo)致的能量損耗，因此在板狀結(jié)構(gòu)中激勵(lì)出高能Lamb波，如何以及在接收端獲取高能信號至關(guān)重要。能量大，辨識度高的信號是準(zhǔn)確檢測被測件的先決條件。

目前，大部分相關(guān)工作是提高輸入電源能量，或者研制換能效率更高的器件等。此外，換能器的指向角對于信號的激勵(lì)和接收有較大影響，特別對于發(fā)射端換能器，指向角決定了超聲波的入射角，而不同入射角將在板狀結(jié)構(gòu)的被測件中，激勵(lì)出不同能量的Lamb波。即存在較為理想的入射角，可以激勵(lì)出高 能Lamb波。并且不同材料及尺寸的被測件，理想入射角也不同。同時(shí)，對于接收端換能器，需要調(diào)節(jié)合適指向角，來盡可能的正對從被測件中釋放的超聲波，從而獲得明顯的檢測信號。在實(shí)際操作過程中，需要在檢測之前仔細(xì)確定指向角，由此會帶來一系列的繁雜準(zhǔn)備工作，如果沒有這些復(fù)雜的準(zhǔn)備工作，會得不到較為理想的信號。因此，亟需一種新的檢測技術(shù)，以克服上述技術(shù)困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供一種空氣耦合超聲波高能檢測方法，以解決上述問題。

本發(fā)明提供的空氣耦合超聲波高能檢測方法，包括

a.發(fā)射端換能器發(fā)出的超聲波以指向角α入射到被測件，并依次經(jīng)過被測件表面和發(fā)射端換能器的表面進(jìn)行反射，以不同入射角重新入射至被測件，所述被測件為板狀結(jié)構(gòu)；

b.接收端換能器以指向角θ設(shè)置于被測件，超聲波信號依次在接收端換能器的表面和被測件的表面進(jìn)行反射，以新的角度被換能器接收。

進(jìn)一步，超聲波經(jīng)過被測件表面和發(fā)射端換能器的表面的反射后，以不同入射角度在被測件中的激勵(lì)出不同強(qiáng)度的信號，得到激勵(lì)強(qiáng)度最高的lamb波信號，反射次數(shù)為一次或多次；

超聲波經(jīng)過接收端換能器的表面和被測件的表面的反射后，接收端換能器接收不同入射角度的信號以及經(jīng)過反射后的信號，得到激勵(lì)強(qiáng)度最高的lamb波信號，反射次數(shù)為一次或多次。

進(jìn)一步，發(fā)射端換能器的表面中心與被測件的最大法向距離為：

R_{tr_max}＝(0.5tanα+cot 2α)D，

其中，D為發(fā)射端換能器的表面直徑；

發(fā)射端換能器發(fā)出的超聲波以指向角α入射到被測件，并依次在被測件的表面和發(fā)射端換能器的表面進(jìn)行反射，然后再次入射到被測件，經(jīng)過發(fā)射端換 能器的一次反射后，新的入射角為α′＝3α。

進(jìn)一步，還包括在所述發(fā)射端換能器的一次反射后，在發(fā)射端換能器與被測件之間進(jìn)行二次反射。

進(jìn)一步，接收端換能器的表面中心和被測件的法向距離最大值為：

$R_{re\_\max }=(\frac{\tan \mathrm{\θ}+\cot (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})}{1+\tan (\mathrm{\β}-3\mathrm{\θ})\cot (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})}-0.5\tan \mathrm{\θ})D^t$

其中，D′為接收端換能器的表面直徑，β是超聲波信號從被測件向空氣中傳播的角度。

本發(fā)明還提供一種空氣耦合超聲波高能檢測系統(tǒng)，包括發(fā)射端換能器和接收端換能器，發(fā)射端換能器發(fā)出的超聲波以指向角α入射到被測件，并依次經(jīng)過被測件表面和發(fā)射端換能器的表面進(jìn)行反射，重新入射至被測件，所述被測件為板狀結(jié)構(gòu)；接收端換能器以指向角θ設(shè)置于被測件，超聲波信號依次在接收端換能器的表面和被測件的表面進(jìn)行反射，以新的角度被換能器接收。

進(jìn)一步，超聲波經(jīng)過被測件表面和發(fā)射端換能器的表面的反射后，以不同入射角度在被測件中的激勵(lì)出不同強(qiáng)度的信號，得到激勵(lì)強(qiáng)度最高的lamb波信號，反射次數(shù)為一次或多次；

超聲波經(jīng)過接收端換能器的表面和被測件的表面的反射后，接收端換能器接收不同入射角度的信號以及經(jīng)過反射后的信號，得到激勵(lì)強(qiáng)度最高的lamb波信號，反射次數(shù)為一次或多次。

進(jìn)一步，發(fā)射端換能器的表面中心與被測件的最大法向距離為：

R_{tr_max}＝(0.5tanα+cot 2α)D，

其中，D為發(fā)射端換能器的表面直徑；

發(fā)射端換能器發(fā)出的超聲波以指向角α入射到被測件，并依次在被測件的表面和發(fā)射端換能器的表面進(jìn)行反射，然后再次入射到被測件，經(jīng)過發(fā)射端換能器的一次反射后，新的入射角為α′＝3α。

進(jìn)一步，在所述發(fā)射端換能器的一次反射后，在發(fā)射端換能器與被測件之間進(jìn)行二次反射。

進(jìn)一步，接收端換能器的表面中心和被測件的法向距離最大值為：

$R_{re\_\max }=(\frac{\tan \mathrm{\θ}+\cot (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})}{1+\tan (\mathrm{\β}-3\mathrm{\θ})\cot (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})}-0.5\tan \mathrm{\θ})D^t$

其中，D′為接收端換能器的表面直徑，β是超聲波信號從被測件向空氣中傳播的角度

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明中的空氣耦合超聲波高能檢測方法及系統(tǒng)，可以在無需更多電源能量的條件下，使得激勵(lì)的信號和拾取的信號均有較大的能量，有效的抑制了環(huán)境噪聲的影響，提高了檢測的準(zhǔn)確性，同時(shí)無需刻意精確調(diào)節(jié)換能器的位置，提高了檢測過程中的的容錯(cuò)能力，具有良好的適應(yīng)性。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

圖1是本發(fā)明的原理示意圖。

圖2是發(fā)射端換能器的反射原理圖。

圖3是接收端換能器的反射原理圖。

圖4是不同入射角度下的激勵(lì)Lamb波強(qiáng)度分布圖。

圖5是發(fā)射端換能器反射所獲取的信號圖。

圖6是發(fā)射端換能器發(fā)射信號路徑圖。

圖7是接收端換能器反射所獲取的信號圖。

圖8是接收端換能器反射信號路徑圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述：圖1是本發(fā)明的原理示意圖。

如圖1所示，本實(shí)施例中的空氣耦合超聲波高能檢測方法，包括

a.發(fā)射端換能器發(fā)出的超聲波以指向角α入射到被測件，并依次經(jīng)過被測件表面和發(fā)射端換能器的表面進(jìn)行反射，以不同入射角重新入射至被測件，所述被測件為板狀結(jié)構(gòu)；

b.接收端換能器以指向角θ設(shè)置于被測件，超聲波信號依次在接收端換能器的表面和被測件的表面進(jìn)行反射，以新的角度被換能器接收。

超聲波經(jīng)過被測件表面和發(fā)射端換能器的表面的反射后，以不同入射角度在被測件中的激勵(lì)出不同強(qiáng)度的信號，得到激勵(lì)強(qiáng)度最高的lamb波信號，反射次數(shù)為一次或多次；

超聲波經(jīng)過接收端換能器的表面和被測件的表面的反射后，接收端換能器接收不同入射角度的信號以及經(jīng)過反射后的信號，得到激勵(lì)強(qiáng)度最高的lamb波信號，反射次數(shù)為一次或多次。

在本實(shí)施例中，對于發(fā)射端換能器1，以指向角α放置,α的范圍可以從0度到90度調(diào)節(jié)。其中，發(fā)射端換能器1的表面中心和板狀結(jié)構(gòu)的被測件3的法向距離不超過

R_{tr_max}＝(0.5tanα+cot2α)D，

其中，D為發(fā)射端換能器1的表面直徑。

如圖1所示，射端換能器1發(fā)出的超聲波初次以指向角α入射到被測件，指向角為發(fā)射端發(fā)射的超聲波與板狀被測件表面垂直方向的夾角，并依次在被測件3的表面和發(fā)射端換能器1的表面反射，最后再次入射到被測件3。通常情況下，當(dāng)被測件3和空氣的聲阻抗具有較大差異時(shí)，超過90％的能量會被反射。經(jīng)過反射后，新的入射角α′＝3α，若初始的入射角α比較小，比如15度左右，則經(jīng)過發(fā)射端換能器1的一次反射后，可以達(dá)到45度。由于被測件中的激勵(lì)Lamb波的能量決定于入射角的大小，并且不同材料及尺寸的被測件，最優(yōu)入射角也不同。例如圖4所示的不同入射角度下的激勵(lì)Lamb波強(qiáng)度分布，可以看到入射角度在10度到40度之間時(shí)，激發(fā)的激勵(lì)Lamb波能量較低，即在低能激發(fā)區(qū)4；而在45度到55度左右時(shí)(理想入射角50度)，高能激發(fā)區(qū)5，可以激發(fā)高能Lamb波。如圖4所示，圖4為1mm厚度的聚碳酸酯材料對于100kHz超聲波的激發(fā)強(qiáng)度分布，若為其他材料，可以通過仿真或者經(jīng)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，得到不同入射角度下的激勵(lì)Lamb波強(qiáng)度分布，由于Lamb波的傳播衰減很小，傳播距離甚至可以達(dá)到幾公里，因此在本實(shí)施例中并未對換能器之間的位置進(jìn)行限定，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉并根據(jù)實(shí)際的測量過程中選擇合適的位置進(jìn)行測量，在此不再贅述。

在本實(shí)施例中，當(dāng)原先的入射角為α在15度左右時(shí)，若遠(yuǎn)離理想入射角，即在低能激發(fā)區(qū)4，則不容易激發(fā)出較為理想的高能Lamb波，但是當(dāng)兩次反射 后，新的入射角變?yōu)?α＝45度，入射角的范圍得到拓展，到達(dá)高能激發(fā)區(qū)5，容易覆蓋到理想的入射角，即將在板狀結(jié)構(gòu)的被測件中激勵(lì)出更高能的Lamb波，從而提高了空氣耦合超聲波檢測中，有用信號的辨識程度。另外，若初始的入射角更小，考慮更多的反射(如經(jīng)過發(fā)射器換能器二次反射后)，即在上述一次反射之后，在發(fā)射端換能器1與被測件3之間進(jìn)行二次反射，即發(fā)射端換能器1以指向角3α將信號入射到被測件3，并依次在測件3的表面和發(fā)射端換能器1的表面反射，最后再次入射到被測件3，入射角將再次改變?yōu)棣痢澹?α，入射角的范圍再次得到拓展，更容易覆蓋到理想的入射角，本實(shí)施例中的發(fā)射端換能器發(fā)出的超聲波為一束平行波，因此，當(dāng)入射角較小時(shí)，可以通過多次反射產(chǎn)生出多個(gè)不同入射角的信號，因此，可以忽略被測件的材料與入射角的關(guān)系，通過接收端的頻譜圖各個(gè)不同入射角產(chǎn)生的信號的幅值，直觀的得出那些信號處于高能激發(fā)區(qū)域，大大減少了準(zhǔn)備工作，提高了檢測的效率。

如圖5所示，表示三種激勵(lì)所獲得的信號，其中直接激勵(lì)信號AT0 6來源于15度的入射，屬于低能激發(fā)區(qū)4；而發(fā)射端換能器反射一次后激勵(lì)信號AT1 7來源于經(jīng)發(fā)射端換能器1反射一次后的激勵(lì)，屬于高能激發(fā)區(qū)5，明顯高于直接激勵(lì)信號AT0 6；最后發(fā)射端換能器反射二次后激勵(lì)信號AT2 8屬于經(jīng)發(fā)射端換能器1反射二次后的激勵(lì)，由于超過了高能激發(fā)區(qū)5，因此，能量不高。以上信號的路徑如圖6所示。

在本實(shí)施例中，對于接收端換能器2，以指向角θ放置，θ角度的范圍可以從0度到90度調(diào)節(jié)，例如可以固定為15度。接收端換能器2的表面中心和被測件3的法向距離不超過：

$R_{re\_\max }=(\frac{\tan \mathrm{\θ}+\cot (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})}{1+\tan (\mathrm{\β}-3\mathrm{\θ})\cot (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})}-0.5\tan \mathrm{\θ})D^t$

其中，D′為接收端換能器的表面直徑，β是超聲波信號從被測件3向空氣中傳播的角度，例如，若對于1mm厚度的聚碳酸酯材料中，100kHz的Lamb波，其傳播的角度為β＝50度。

超聲波信號到達(dá)接收端換能器2的初始角度是β-θ，本例子為50度-15 度＝35度。隨后超聲波在接收端換能器2和被測件3的表面依次發(fā)生反射，將以新的角度被接收端換能器2接收，到達(dá)接收端換能器的角度改變成了β-3θ＝5度，小于最初的角度β-θ＝35度，即更加正對接收端換能器2。因此，將有更多的能量投射入接收端換能器2，從而檢測到更高能的信號。如圖7所示，圖7展示了三種接收信號，其中直接接收信號AR0 9來源于第一次接收，超聲波傳播方向與接收端換能器2的角度為35度；而接收端換能器2反射一次后接收信號AR110來源于經(jīng)接收端換能器2反射一次后的激勵(lì)，超聲波傳播方向與接收端換能器2的角度為5度，表示更正對的接收，明顯高于直接接收信號AR09；最后接收端換能器反射二次后接收信號AR2 11屬于經(jīng)接收端換能器2反射二次后的信號，由于反射后偏斜，能量不高。以上信號的路徑如圖8所示。

相應(yīng)地，本實(shí)施例還提供了一種空氣耦合超聲波高能檢測系統(tǒng)，發(fā)射端換能器發(fā)出的超聲波以指向角α入射到被測件，并依次經(jīng)過被測件表面和發(fā)射端換能器的表面進(jìn)行反射，以不同入射角重新入射至被測件，所述被測件為板狀結(jié)構(gòu)；接收端換能器以指向角θ設(shè)置于被測件，超聲波信號依次在接收端換能器的表面和被測件的表面進(jìn)行反射，以新的角度被換能器接收。超聲波經(jīng)過被測件表面和發(fā)射端換能器的表面的反射后，以不同入射角度在被測件中的激勵(lì)出不同強(qiáng)度的信號，得到激勵(lì)強(qiáng)度最高的lamb波信號，反射次數(shù)為一次或多次；超聲波經(jīng)過接收端換能器的表面和被測件的表面的反射后，接收端換能器接收不同入射角度的信號以及經(jīng)過反射后的信號，得到激勵(lì)強(qiáng)度最高的lamb波信號，反射次數(shù)為一次或多次。

發(fā)射端換能器的表面中心與被測件的最大法向距離為：

R_{tr_max}＝(0.5tanα+cot2α)D，

其中，D為發(fā)射端換能器的表面直徑；

發(fā)射端換能器發(fā)出的超聲波以指向角α入射到被測件，并依次在被測件的表面和發(fā)射端換能器的表面進(jìn)行反射，然后再次入射到被測件，經(jīng)過發(fā)射端換能器的一次反射后，新的入射角為α′＝3α。

在所述發(fā)射端換能器的一次反射后，在發(fā)射端換能器與被測件之間進(jìn)行二次反射。

接收端換能器的表面中心和被測件的法向距離最大值為：

$R_{re\_\max }=(\frac{\tan \mathrm{\θ}+\cot (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})}{1+\tan (\mathrm{\β}-3\mathrm{\θ})\cot (\mathrm{\β}-\mathrm{\θ})}-0.5\tan \mathrm{\θ})D^t$

其中，D′為接收端換能器的表面直徑，β是超聲波信號從被測件向空氣中傳播的角度。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。