柔性蒙皮材料微孔气耦超声无损检测技术及其亚波长分辨率研究

　　本文创新性地将气耦超声（ACU）技术应用于柔性蒙皮材料微孔检测，通过理论建模与数值模拟揭示了超声聚焦与衰减效应对亚波长级微孔（30?μm）检测的影响，结合空间滤波和对比度增强技术实现高分辨率成像，为航空航天等高气密性要求领域提供了新型无损检测（NDT）解决方案。

　　

Highlights

材料特性

蒙皮材料需应对循环温度载荷与降水等挑战，兼具轻量化与高气密性，通常采用多层聚合物薄膜功能材料（高强度质量比与低泄漏特性）。典型结构如图1(a)所示：外部环境防护层（如聚氨酯涂层）负责耐候性与防紫外线，中间承重层（如聚酯纤维编织物）提供机械强度，内部气密层（如聚氨酯薄膜）确保密封性。本研究对象为某型商用飞艇蒙皮材料，其总厚度约0.5?mm，微孔通过激光打孔制备（直径30–500?μm）。

微孔气耦超声检测原理

微孔直径远小于ACU常用超声波波长（约686?μm @500?kHz），但凭借孔道与固体路径的声传输差异及孔径共振效应，仍可实现亚波长尺度检测。因蒙皮材料声阻抗复杂（与空气失配），声波透过率低，但微孔的存在显著改变局部声场分布：当超声波聚焦于微孔时，孔内共振增强透射声压，而周围区域因阻抗失配导致声能衰减。通过扫描接收声压信号，可构建反映微孔分布的C扫描图像。

频率依赖性聚焦与衰减

超声聚焦能力与频率正相关：高频声波（如500?kHz）聚焦斑更小，空间分辨率更高，但空气衰减也更显著（衰减系数α∝f²）。低频声波（如200?kHz）传播距离更远但聚焦斑增大。通过理论模型推导最佳检测频率，平衡分辨率与穿透深度。

数值模拟与实验系统

采用简化的线性声学模型进行仿真：样品尺寸100?mm×0.2?mm，微孔直径500?μm，材料参数杨氏模量E=1.4?GPa、密度ρ=1034.8?kg/m3、泊松比ν=0.34。微孔置于蒙皮中心，两侧设置60?mm空气域。实验系统包含聚焦发射器、光学麦克风（基于声光效应）与压电接收器对比模块，通过扫描平台实现二维声场成像。

结论与讨论

1）超声聚焦与衰减效应均呈现显著频率依赖性，高频提升分辨率但限制探测距离；

2）孔径共振效应使亚波长微孔产生声传输增强，验证了ACU检测30?μm微孔的可行性；

3）光学麦克风相比传统压电接收器展现更高信噪比与空间分辨率，适用于柔性材料无损检测。