本发明涉及一种空气耦合超声导波阵列换能器及其变模态激励方法，属于超声导波无损检测。该方法通过空气耦合阵列换能器实现超声导波变模态激励，解决了传统空气耦合超声导波换能器在检测时，受限于单一特定中心频率限制的问题。
背景技术：
1、高声阻差、强衰减是空气耦合超声检测技术面临的问题，而传统的pzt材料声阻抗较大(>30mrayl) , 使其很难实现与轻负载材料（如水、人体等）的声阻抗匹配，更不易与空气耦合。压电复合材料克服了单相压电材料的缺点，保留了pzt材料的高压电性, 同时具有较低的声阻抗和较低的q值(约3～10)，从而适合于空气耦合超声传感器的制作。
2、超声导波的多模态特性、频散特性使得导波信号难于分析，且不同的导波模态对损伤具有不同的敏感性，因此选择激励出不同类单一导波模态是超声导波检测的关键。传统空气耦合超声导波换能器多采用单晶元激励超声波，其缺点是只能激励单一中心频率的超声导波。在需要应用不同超声导波模态的场合下，需要频繁更换不同中心频率的探头或者转动探头入射角来达到要求，适应性较差，且成本也大大提高。由于多基元阵列换能器，与传统的单个换能器相比，具有灵活的波束控制、较高的信号增益、极强的抗干扰抑制能力及较高的空间分辨能力等优点，因此基于压电复合材料的多基元阵列有望成为提高空气耦合超声换能器的效率和灵敏度的有利工具。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种空气耦合超声导波阵列换能器及其变模态激励方法，用以满足非接触超声导波检测的需求。
2、针对背景技术所提到的问题，本发明采用以下方案来解决和完善：选择使用1-3型压电复合材料制作压电晶片，该材料能降低压电元件声阻抗与空气声阻抗的差值，以提高信号能量的传输效率。
3、作为本发明的进一步改进；所述的压电晶片为1-3型压电复合材料切割成条状体，其中每个单一压电晶片之间采用绝缘材料间隔连接来提高整体的稳定性，并且绝缘元件采用低密度低声阻抗泡沫材料，极大程度降低阵元之间的声串扰。
4、作为本发明的进一步改进；所述的压电元件的匹配层为条状，厚度取约为波长的四分之一，提高换能器的带宽和传输效率，且每个阵元各自粘贴匹配层，减小阵列元件之间产生的强烈串扰。
5、进一步的，本发明还提供一种基于空气耦合超声导波阵列换能器及其变模态激励方法，所述方法包括：
6、(1)对于空气耦合换能器阵列，模式n的振幅为：
7、
8、其中，为质点位移， f( ω)是换能器阵元在给定输入信号下频率相应， cn( x)是波导表面牵引力与导波模式之间的耦合系数，表示所有阵元频率响应的叠加因子，每个阵元的耦合系数或频率响应是无法控制的，因此唯有通过改变 h( ω)才能调控导波模态的幅度：
9、
10、其中±对应沿x轴的传播方向；p为阵元间距，n为单元数，k为波数，λ为谐波模n的波长，为换能器阵列的中心位置；
11、当时，达到最大值，其中m是任意整数，此时谐波模式n的波长为，通过选择特定的时延t0，即可增强特定导波模态；
12、取阵元间距远小于波长，即p≪ λ，此时 m=0，阵列换能器的激励不再取决于频率，并且只与相速度有关：
13、
14、(2)空气耦合换能器阵列激发特定相速度的超声导波，可根据snell定律得：
15、
16、其中，为激励超声波的入射角，为空气波速，为导波目标相速度，空气波速不变，根据导波目标相速度求得入射角；
17、进一步的，使用相位延迟技术来激励超声波沿着特定角度入射，在每个阵元上均引入时间延迟：
18、
19、其中为第i个阵元所对应的延迟时间，为阵元间距且，换能器垂直放置，调控压电阵元的延迟时间激励导波沿特定方向的特定角度形成波阵面，从而激励特定相速度来调控导波模态；
20、(3)选择换能器频带范围下的特定频率作为中心频率，激励信号采用窄带升余弦(hanning)窗函数调制的正弦信号：
21、
22、其中，t为时间，为激励信号中心频率，为调制周期数，通过周期数调控带宽，保持在带宽范围内只存在所需激励的模态，实现该中心频率下的特定导波模态激励。
23、采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：
24、本发明所述的一种用于空气耦合超声导波检测的阵列换能器，通过压电复合材料、匹配层、绝缘元件等设计提高了信号传输效率。同时，基于此换能器还提供了一种变模态激励方法，该方法解决了传统空气耦合超声导波换能器在检测时，只能激发单一特定中心频率所对应模态的问题，实现了在传感器不同的“频道”范围内激励不同的超声导波模态，包络低阶模态和高阶模态，为实现结构不同部位不同类型缺陷的定量检测提供了方向。
1.一种空气耦合超声导波阵列换能器，其特征在于：该换能器包括匹配层(1)、压电晶片(2)、塑料绝缘体(3)、玻璃纤维板(4)、背衬层(5)、外壳(6)、下电极(7)、上电极(8)、导线(9)、bnc接头(10)；
2.一种基于空气耦合超声导波阵列换能器的变模态激励方法，其特征在于，所述方法是根据权利要求1所述的空气耦合超声导波阵列换能器来实现的，所述方法包括：
3.根据权利要求2所述的一种基于空气耦合超声导波阵列换能器的变模态激励方法，其特征在于：
4.根据权利要求2或3所述的一种基于空气耦合超声导波阵列换能器的变模态激励方法，其特征在于：
