导语
复合材料普遍具有高比强度、高比刚度、高模量、耐腐蚀等优异性能，广泛应用于飞机机翼、导弹外壳、航空发动机壳体等部位。同时其夹芯、多孔、蜂窝、轻质的型面组织结构导致其材料属性复杂。
图2 复合材料常见缺陷
超声检测技术因其穿透能力强、检测精度高、设备成本低、结构轻便，被广泛应用于材料缺陷检测。传统接触式检测需要水、油类等耦合剂，但这些耦合剂会使复合材料构件受潮或变污，甚至会沿缺陷渗入构件内部，影响构件的机械性能。因此，传统接触式超声检测不适用于复合材料的检测。
空气耦合超声检测是一种以空气作为耦合剂的新型非接触无损检测方法，具有完全无损、非浸入、高效率、适合原位检测等技术优势，适用于检测禁用液体耦合剂的结构件（如蜂窝夹芯材料）、在役部件（如直升机尾桁）、多孔材料、吸水材料及溶解材料，尤其适合板类工件的大面积快速无损检测，在复合材料缺陷检测方面具有良好的应用前景。
国内外研究现状及发展动态
空气耦合超声检测技术应用研究现状
空气耦合超声检测技术由于其非接触式、空气作为耦合剂的优势，可用于复合材料在位检测（如热固性树脂固化过程检测），制造过程在线质量控制，弹性常数测量，以及孔隙、分层、脱粘、纤维弯曲、蜂窝夹芯结构脱粘等缺陷的检测，如图3所示。
(a) 相控超声C扫描应用于航空飞机部件制造检测
(b) 意大利航空发动机公司自动化阵列超声管道检测
空气耦合超声换能器研究现状
图4 张慧等设计研究电容式微型换能器
图5 安志鸿等设计研究压电驻极体式换能器
为了增强检测中超声波能量，几何自聚焦式探头开始逐步发展。如图6所示，Woodacre等研究了声透镜聚焦式空气耦合探头。但焦点固定、入射角度无法调节，限制了其应用。
图6 Woodacra等设计声透镜式点聚焦换能器
Wang等将压电复合材料阵元及其匹配层材料分布在球面结构上，结构如图7所示，获得较好的点聚焦效果，但聚焦效果易受各基元装配位姿精度的影响且存在焦点固定不便于调节的缺点。
图7 压电复合材料阵元分布在球面结构
(a) PVDF膜线聚焦换能器
(b) 柱面压电复合材料线聚焦换能器
图8 两种不同形式的线聚焦式换能器
相控聚焦式空气耦合超声检测技术研究现状
传统的采用耦合剂的超声相控阵理论、探头及装备发展比较成熟，在厚航空复合材料纤维波纹度和孔隙检测、多层梯度材料缺陷检测、复合材料分层缺陷定量评估、管道缺陷等方面应用较多。图9为4种缺陷检测试验。
Zou等研究了相控线阵空耦超声的计算方法，但未考虑声波在空气中的衰减，虽实现了A0、S0模态的激发，但无法控制模态的单一性，导致后续检测信号分析困难，且只能实现磁带等薄片检测（0.1 mm厚）。
相控阵列激发式空气耦合超声Lamb波单一模态激发方式及实际应用的研究有助于推动相控阵列超声的应用，是重要的研究热点。
超声在复合材料的传播特性及其与缺陷交互作用研究现状
在超声在复合材料的传播特性研究中，Biwa等采用多重散射模拟方法对复合材料中超声波的相速度与衰减系数特性进行数值模拟，分析结果与实验结果吻合较好。
Duan等采用半解析有限元法模拟复合材料层压板各层任意纤维取向，利用该方法与正向波解析解、数值解具有极好一致性。
在超声与材料缺陷交互作用研究中，解析表达式适用于研究某些简单几何形状缺陷的散射特性，如裂纹、矩形缺陷。图11是解析法研究矩形缺陷的散射特性。
图11 解析法研究矩形缺陷散射特性
对于更复杂的缺陷，需采用各种近似方法。如图12所示，Darmon等提出了一种玻恩近似法（DDBA）用于模拟和预测钢中不同形状的（圆柱形、球形、椭球形）氧化铝夹杂物的超声响应。
压电式空气耦合超声换能器制造技术研究现状
压电式空气耦合超声换能器中压电晶片与空气的巨大声阻抗差异（约30 Mrayl vs. 0.000425 MRyal）导致极少的超声能量进入空气中，不利于信号的检测。制备压电复合材料减小晶片的声阻抗以及制备匹配层进行声阻抗匹配，可以增强入射到空气中的超声能量。1-3型压电复合材料可以显著提高其厚度机电耦合系数，同时降低机械品质因素和声阻抗，在实验研究和实践运用较广泛。
(c) 切割填充法
图13 1-3型压电复合材料常用的制备方法
切割填充法相对简单，成本低且加工一致性好，被广泛应用到商用1-3型压电复合材料的生产上。然而压电陶瓷在切割过程中因砂轮磨损严重、摩擦和振动导致槽宽变化、切槽两侧崩边现象、切口表面材料退极化、切割表面裂纹多，甚至出现切割过程中压电柱的断裂。槽宽变化会影响压电柱的一致性，使压电晶片的品质因数变差以及在共振频率附近的相位变化，最终导致发射和聚焦后的声波发散，影响检测精度和效果。
目前针对压电陶瓷切割机理的研究及其对压电复合材料性能的研究相对较少。对压电陶瓷的切割机理进行研究，抑制切割产生的损伤，提高加工质量及压电柱的一致性，对提高其性能具有重要意义。
(a) 1-3复合材料中设计空气柱
图14 压电复合材料聚合物改良方法
He等通过采用3D打印的方法在1-3型压电复合材料的树脂基体上打印了30%体积的空气实现了声阻抗的降低与匹配。
Sun等通过对1-3型压电复合材料的树脂相的上下面采用硅橡胶替换，使其声阻抗相对1-3型的压电陶瓷/树脂材料减小52.8%。
Zhang等通过在1-3型压电陶瓷/聚合物复合材料上采用硅橡胶替代部分聚合物相，使得机械品质因数显著提高。
如图15所示，通过在敏感元件与空气之间添加匹配层进行声阻抗匹配，可以增大声波发射至空气中的能量。
Alvarez-Arenas等通过研究聚醚砜的声阻抗特性给出一种的新的匹配层设置方法，得到了灵敏度和带宽更好的换能器。
Saito等利用传输线模型优化了硅橡胶和热塑性中空微珠混合的匹配层的声阻抗，使得灵敏度增加了20 dB。
Bovtun等采用蜂窝聚丙烯铁驻极体薄膜作为匹配层显著提高了换能器的灵敏度。
Kazys等使用低阻抗的聚苯乙烯泡沫作为匹配层提高了耦合效率、带宽、辐射脉冲波形。
Guo等分析了匹配层的振动模态形状，发现环氧树脂能够提升换能器的发射率。
Wang等通过采用两种低声阻抗匹配层提高了换能器的灵敏度，进而可以检测微孔。
Wu等采用聚合物微珠/环氧树脂混合物匹配层，使传感器的灵敏度提高了20.9 dB。
上述研究表明，低声阻抗匹配层能够提高换能器的灵敏度，但匹配层的制备工艺与其声阻抗之间的关系并不清晰，无法准确获取所需的匹配层。
空气耦合超声检测信号处理方法研究现状
为了提高空气耦合超声信号在复合材料缺陷检测中的信噪比，Li等提出了脉冲压缩和小波滤波混合信号处理方法，如图17所示，相比原始接收信号，信噪比提高了18.81 dB，同时基于混合方法的C扫描图像缺陷定量精度也很高，可以很容易地识别ϕ5 mm的缺陷。
图17 脉冲压缩与小波滤波混合处理
Marhenke等优化了空耦超声的时间反转检测，如图18所示，显著提高了空气耦合超声成像的缺陷分辨率，可以检测复合板的表面缺陷和内部缺陷。
Liu等提出了一种空气耦合兰姆波扫描与基于虚拟时间反转的概率成像算法相结合的复合材料板材分层检测方法，如图19所示。对不同形状和尺寸分层的碳纤维增强复合材料板进行了试验研究。
Zhao提出了一种基于经验模态分解和深度置信网络的5 mm厚度钢制油罐液位智能检测方法。实验结果表明，在10 mm范围内可以准确识别油箱内不同介质的液位并进一步分类，检出率可达99%，检测范围满足油箱的实际测试要求。
Tang等提出了相位编码激励和脉冲压缩技术应用于空气耦合超声检测与超声兰姆波相结合，如图20所示，使接收信号的信噪比提高10dB以上。
为了提高空气耦合超声检测接收信号的信噪比和输出功率，Zhou等提出了一种小波滤波和相位编码脉冲压缩的混合方法，有效提高信号的信噪比和信号强度。
Epp等提出了一种新的冲击回波分析方法，采用分辨率为20 kHz的双换能器小波变换来提高损伤检测能力。为了验证所提方法的性能，将小波变换和传统的快速傅里叶变换信号处理结果进行了比较，该方法在覆盖范围更广的情况下具有较高的精度，可大大缩短大型钢筋混凝土结构监测的测试时间。
Fierro等提出了一种同时聚焦多个位置的栅格时间反转方法，减少了可能的空气耦合技术失真，减少了检测时间，与原始基本响应和标准时间反转相比，损伤成像明显增强。
信号处理技术是目前超声检测方面提高信噪比及分辨率的重要手段之一，将现代数字信号处理技术应用到超声无损检测领域是目前的重要发展方向。
空气耦合超声检测仪器发展现状
随着航空航天领域对复合材料检测技术发展的需求，近三十年来国外公司已投入大量的人力、物力和财力对空气耦合超声检测仪器进行了持续的研究。迄今为止，国内外研制的空气耦合超声检测仪器已达10余种，表1给出了其中代表性空耦超声检测仪器的关键技术对比。
表1 代表性仪器关键技术指标对照表
目前，波音、空客等飞机制造商已普遍采用大型喷水超声C扫描技术对大型复合材料构件进行快速自动检测；波音已将相控阵超声技术用于复杂型面构件的快速检测，实现特殊部位的全覆盖扫描；空客已使用空气耦合超声技术检测蜂窝夹芯构件，检测过程中不再使用超声耦合剂。
周正干等设计了一套空气耦合超声检测系统用于检测飞机蜂窝夹芯复合材料结构在制造、使用中的脱粘缺陷，通过新型超声换能器技术和信号处理技术提高空气耦合超声信号的信噪比。
Hillger等所研制的单侧阵列式的空气耦合检测系统能在4 min内实现1 m2飞机构件的检测。
综合而言，国外在空气耦合超声波探头的研制方面起步较早，优势明显；国内取得了长足的进步。但是不论国外还是国内，研制的空气耦合超声波探头都可以满足基本的使用需求，但在具体的应用研究方面还比较欠缺，缺少自主研制的实物成果，而是更倾向于理论层面的探究。该情况在国内尤为明显，这也导致了当前这种类型的成熟系统价格非常的昂贵。因此，推动复合材料空耦超声检测技术的实际应用研究具有重大意义，对于推动国内相关行业的发展有积极的作用。
结论
目前无论采用空气耦合超声或导波技术检测复合材料缺陷时，都比常规采用耦合剂检测时的精度、分辨率低很多，限制了该技术的推广应用。但水、油等耦合剂会对航空复合材料造成污染、甚至影响其性能，在某些场合使用极其不方便，甚至无法使用。因此，增强空气耦合入射至复合材料内部声波的能量，提高无需耦合剂的非接触式空气耦合超声检测的能力，是解决目前航空复合材料高精度检测难题的有效途径。
（2）空气耦合超声相控阵检测技术应用于工程实践，实现对不同构件全生命周期各类缺陷的检测，形成稳定高质量的检测系统，探索检测方法、信号处理、硬件设备选型、软件开发等方面的最佳组合方式。
