摘要：常规空气耦合超声探头一般采用压电材料作为换能材料，并通过高压脉冲串信号进行激励和低频低噪前置放大进行接收，以达到提高换能效率实现非接触式空气耦合超声检测。本文介绍一种全新的换能技术：通过电-热-声换能技术实现信号激励，通过声-光-电换能技术实现信号接收。通过对比压电换能技术发现新的方法具有一定的优势。最后介绍一种创新的热声-压电结合环能技术，可以实现单侧回波法成像检测，而无需像传统非接触的空气耦合成像检测必须从双侧进行透射法成像。

关键字：非接触空气耦合超声，热声传感器，光声接收

介绍

    常规超声检测必须使用水，油等介质作为耦合剂使得超声信号可以往返于材料和探头之间传播。在某些特殊场合，比如航空航天蜂窝粘接结构，锂电池检测等常规超声无法穿透实现检测，更重要的是被测体不能泡水或者不能被耦合剂污染。因此，非接触式空气耦合超声检测技术应运而生。常规空气耦合超声探头一般采用压电材料作为换能材料，并通过高压脉冲串信号进行激励和低频低噪前置放大进行接收，以达到提高换能效率实现非接触式空气耦合超声检测,如下图所示：

本文介绍一种全新的换能技术：通过电-热-声换能技术实现信号激励，通过声-光-电换能技术实现信号接收。通过对比压电换能技术发现新的方法具有一定的优势。最后介绍一种创新的热声-压电结合环能技术，可以实现单侧回波法成像检测，而无需像传统非接触的空气耦合成像检测必须从双侧进行透射法成像。

电-热-声换能技术用于非接触激励窄脉宽超声信号

     电热声空气耦合超声激励探头内置导电薄膜，当激励装置加载电流到探头内的薄膜上，热能传递到薄膜相邻的气体产生脉冲膨胀，当电流停止加载时，薄膜冷却，相邻气体返回初始状态，如下图a所示。利用激光多普勒测振仪测量距离电热声探头4 cm处聚乙烯薄膜上的声压，如下图b所示，可见其声压响应几乎与激励信号波形一致，且无尾振。通过进一步与常规压电空气耦合超声探头激励信号对比，如图3所示，可见电热声激励信号脉宽窄，波形干净且无尾振。

图2.a 电热声空气耦合激励探头原理图 b.电热声探头激励信号与声压响应图


图3.电热声激励信号（左）VS 压电空气耦合超声激励信号（右）

图4.电热声激励信号的声场表征（左），聚焦型电热声非接触式空气耦合激励探头（右）

声-光-电传感 技术用于非接触式高灵敏度接收宽带超声波信号

    声光电传感技术作为一种新型的非接触空气耦合超声信号接收装置，利用宽带光声传感器接收激超声波信号。因为光的在媒介中的波长取决于其折射率，是一个局部密度函数。超声波在空气中传播引起空气的密度变化，导致光的波长变化。光的发射强度取决于反射镜之间媒介的波长，利用一种精密的法布里-珀罗（Fabry-Perot）校准器，通过光电二极管测量反射光强度实现声光传感。这种接收方式与样品表面特性和光学参数无关。且不受传感器和信号线的电磁干扰影响。因此，特别适合纤维加强复合材料，尤其像三明治结构材料。也便于检测系统集成。

图5.声光电传感技术原理图

图6.声光接收系统

带宽：50 KHz-2 MHz,增益：100 dB,灵敏度：100 mV/Pa@1 KHz（0 dB@50Ω）

图7.CFRP复合材料板上铁氟龙胶带方形脱粘处（左）常规350 KHz压电空耦成像（中）VS 光声空耦接收成像（右）

热声-压电二合一检测技术 技术用于非接触式单面回波法进行空气耦合超声成像检测

    非接触式空气耦合超声已经广泛用于航空航天等领域用于复合材料等特殊工件的质量控制和评估。这种方式必须使用一发一收两个探头分别布置与被测体两侧进行检测。在很多应用场景下，我们却无法将探头布置到被测体的两侧。比如工件形状复杂，汽车车体，混凝土结构等。为实现单面实现非接触空气耦合超声成像检测。将前文介绍的热声换能激励技术和常规的压电传感技术合二为一，在单个探头上实现热声激励，同时实现压电接收。

图8.热声激励-压电接收空气耦合超声收发二合一探头，带前置放大器

图9.带平底空的阶梯试样

图10.a TOF成像,b C扫描成像

结论

    本文介绍了一种全新的非接触式空气耦合超声激励和接收方式。通过电-热-声方式激励超声信号不仅可以实现非接触，且信号带宽更广，波形更干净，没有常规压电空耦的长尾振效应。通过声-光-电接收技术可以实现非接触式接收信号同时避免了样品表面特性和外部电磁干扰的影响。最后通过集成热声-压电技术于一体实现了单面非接触空气耦合超声成像检测。为某些特殊应用场合提供了可以借鉴参考的方向。

References：

Mate Gaal，Novel air-coupled ultrasonic transducer combining the thermoacoustic with the piezoelectric effect，WCNDT2016

Janez Rus，Air-Coupled Ultrasonic Inspection of Fiber-Reinforced Plates Using an Optical Microphone，DAGA 2019 Rostock