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空气耦合超声无损检测技术是一种以空气为传输媒质的新型超声无损检测技术,己经广泛应用于航空航天复合材料检测、食品和药品检测等领域。高性能的空气耦合超声换能器是空气耦合超声无损检测技术得以快速发展的关键,直接影响空气耦合超声无损检测设备的整体性能。因此,研究高性能的空气耦合超声换能器及相对应的检测应用方案具有重要的现实意义。本文以研究高性能空气耦合超声换能器及其在表面缺陷检测中的应用为目标,开展了以下三个方面的研究工作:1、平板型空气耦合超声换能器的优化设计与制作。根据空气耦合超声换能器的技术难点,自制了 1-3型压电复合材料及低声阻抗匹配材料,并且通过实验完成双匹配层结构空气耦合超声换能器匹配层厚度的优化设计。所研制的200 kHz和440 kHz平板型空气耦合超声换能器,灵敏度和带宽分别为-23 dB、11.4%和-33.5 dB、23.4%。2、多基元聚焦空气耦合超声换能器的优化设计与制作。为了获得更好的检测精度,文中设计了多基元聚焦空气耦合超声换能器。首先,研究了多基元聚焦空气耦合超声换能器的声场分布特性,并通过数值仿真分析了不同参数对多基元聚焦空气耦合超声换能器聚焦特性的影响。其次,根据仿真结果制作了 440kHz六基元聚焦空气耦合超声换能器,其实测焦距、焦宽及焦深分别为41.44 mm、1.14 mm和20.30 mm,灵敏度和带宽分别为-50 dB和20.2%。3、空气耦合超声无损检测技术在材料表面缺陷检测中的应用。首先,利用脉冲反射法成功检测了不同宽度及不同深度的人工表面缺陷;其次,针对材料表面裂纹缺陷,文中提出将空气耦合超声无损检测技术与超声波散射法相结合对此类缺陷进行检测,并通过多组实验加以评估。超声波散射法评估实验中,通过调整超声波入射方向与裂纹方向的夹角,可以成功检测到材料表面裂纹缺陷。在本文实验条件下,可以成功检测到深度0.08 mm、宽度0.03 mm的表面裂纹缺陷,整体检测分辨率为1.2 mm。研究结果表明将空气耦合超声无损检测技术与超声波散射法相结合可以有效地检测材料表面裂纹缺陷。本文研发的空气耦合超声换能器具有高的灵敏度,聚焦空气耦合换能器具有较小的焦斑从而可以获得较高的检测分辨率,在无损检测方面有着潜在的应用价值。