如何优化SH波检测中的耦合剂？

从探头发射的超声波经中间介质进入试件，探头与试件的这种耦合可就如下方式选择。

1.液体耦合

通过在探头和试件之间涂敷液体以排除空气隙实现声能的传递，这种液体称为耦合剂。在液浸法检测时，将试件、探头一并浸入液体（常为水），这时的液体也就是耦合剂。

从声传递的角度来考虑，要求液体耦合剂具备如下性能：①容易附着在试件的表面上，有足够的浸润性以排除探头与试件之间由于表面粗糙造成的空气隙；②声特性阻抗尽量与试件材料的声特性阻抗接近，以利声能尽可能多地进入试件；③从实用角度还要求对人体无害、对试件无腐蚀，容易清除、来源方便、价格低廉。表3.5-12列出了几种最常用液体耦合剂的特性。

液体耦合剂的声特性阻抗小于大多数试件材料的声特性阻抗，如钢的纵波声特性阻抗高达45×10⁶kg/（m²·s），所以靠耦合剂很难补偿曲面和粗糙面对检测灵敏度的影响。对于大多数接触法检测来说，耦合剂膜应是薄的，大致在0.5λ～1.5λ之间，为使检测效果不应有大的变化。使用SH波检测时应采用高黏度树脂或蜂蜜作为耦合剂。

表3.5-12 几种最常用液体耦合剂的特性

2.干压耦合

在不适合采用液体耦合剂的情况下，如疏松多孔的试件表面，可采用干压耦合，即在探头下方附以软橡胶或塑料垫（或在滚动探头上加上轮胎）压向试件，如图3.5-25所示，实际上是用这一软材料取代液体耦合剂。此时，灵敏度会有若干分贝的损失，声在软材料中的混响也会使检测的近表面分辨力下降，损失的大小取决于垫的声性能、厚度、超声波的频率以及压力。在采用穿透方式工作时混响无大紧要。为使损失较小，所用超声波的频率常较低，例如对于薄截面的木材，在1～2MHz，而对于厚的混凝土结构，则可低至15～40kHz。

图3.5-25 干压耦合示意图(https://www.xing528.com)

干压耦合的局限性有：①扫查速度较低，常限于6～10cm/s；②某些薄材料常不能承受轮探头所施加的压力；③干接触轮探头不够耐用需定期整修；④轮探头的灵敏度沿轮的圆周方向不是均匀的，这可产生不相关指示。

3.空气耦合

由于空气与一般试件声特性阻抗有很大不同（如空气，20°时z=0.43×10³kg/（m²·s）；铝，z=17.2×10⁶kg/（m²·s）），这导致大部分声能在界面处被反射而很少进入试件，使大多数空气耦合检测的应用范围缩小到外部测量，如距离测量等。用于内部检测则仅限于低密度材料，如木材、橡胶或非金属复合材料，它们的声特性阻抗较低，如硅橡胶z=1.04～10⁶kg/（m²·s），因而声的透射系数比较大。

空气耦合超声检测通常采用的频率范围是25～250kHz，但在许多实际应用中也有扩展到500kHz～2.25MHz的。空气耦合换能器常设计成将声束聚焦。用于距离测量时，工作频率为500kHz、直径25mm、在75mm处聚焦的空气耦合换能器测量从换能器到被测物表面40～155mm的距离平均偏差可在0.05mm以内。厚度测量可通过将两个换能器分别置于被测物的相对两侧面来测量，将两换能器之间的距离减去换能器与反射面之间的距离即可得到被测物体的厚度。影响这些测量结果的因素有被测物体的温度、空气的扰动以及周围气压、气温和湿度的波动。

近年来由于高强度猝发纯音发生器、带低噪声放大器的灵敏接收器及带声匹配层探头的发展，传输损失已被部分补偿，系统的简化方框图如图3.5-26所示，图3.5-27则为纵波斜入射时波型的转换。

4.高温耦合剂

随着温度的提高，声在油耦合剂中的传播速度会明显下降，衰减会增大。为避免油耦合剂的上述缺点，可采用低熔点合金，如一种熔点在70℃的共晶合金，其化学成分（质量分数）为：铋50.00%，铅10%～26%，锡13%～30%和镉10%。合金熔化后直至150℃可作为耦合剂，接收回波幅度非常稳定，不随时间而变，声在其中的传播速度也可保持不变。超过150℃时信号幅度的下跌是由于在此耦合剂中衰减的增大所致。

图3.5-26 空气耦合检测系统的简化方框图