崔西明,王　哲,張　卓,康宜華

(1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 無(wú)錫研究院， 無(wú)錫 214000)

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表面粗糙度對(duì)壓電超聲測(cè)厚的影響

崔西明1,王哲1,張卓2,康宜華1

(1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 無(wú)錫研究院， 無(wú)錫 214000)

摘要：從理論上分析了工件表面粗糙度影響超聲波反射和折射的機(jī)理；使用COMSOL有限元仿真分析，證明了表面粗糙度是產(chǎn)生超聲幅值衰減和背景噪聲增強(qiáng)的原因；最后，通過(guò)不同粗糙度試樣及不同直徑超聲探頭的試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了工件表面粗糙度對(duì)壓電超聲測(cè)厚的影響。

關(guān)鍵詞：壓電超聲；表面粗糙度；測(cè)厚；散射；回波

工件厚度測(cè)量，例如大型儲(chǔ)油罐底板厚度、船舶船體厚度和輸油管壁厚等的測(cè)量，直接關(guān)系到這些構(gòu)件的使用安全性[1]。目前，壓電超聲測(cè)厚方法廣泛應(yīng)用于鋼板等工件的厚度測(cè)量，具有操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)[2]。由于生產(chǎn)工藝的影響，鋼板等工件表面可能粗糙不平，產(chǎn)生的背景噪聲和回波幅值衰減會(huì)對(duì)超聲測(cè)厚的信號(hào)造成一定的影響，不利于對(duì)壓電超聲測(cè)厚信號(hào)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

當(dāng)前，有關(guān)表面粗糙度對(duì)超聲測(cè)厚影響的研究，主要集中在利用超聲測(cè)量表面粗糙度[3]和表面粗糙度的聲衰減補(bǔ)償兩方面[4-6]。

筆者探討了表面粗糙度和表面紋理對(duì)壓電超聲測(cè)厚的影響，分析了不同表面粗糙度和不同表面紋理下檢測(cè)回波信號(hào)的變化，并從理論分析和試驗(yàn)方面定性地分析了表面粗糙度對(duì)壓電超聲測(cè)厚的影響。

1表面粗糙度對(duì)入射波的影響

1.1聲波的反射和折射路徑分析

壓電超聲測(cè)厚的模型如圖1所示。不平整工件表面上的各點(diǎn)到壓電探頭表面的距離不同，形成區(qū)別于光滑表面的聲場(chǎng)特性；而測(cè)厚計(jì)算中基于聲程差的飛行時(shí)間計(jì)量是基于光滑表面進(jìn)行的[7-8]。因此，表面粗糙度對(duì)厚度測(cè)量結(jié)果的評(píng)定會(huì)造成一定的困難。為此，引入超聲波傳播理論加以分析。

圖1　壓電超聲測(cè)厚模型示意

在分界面滿(mǎn)足聲壓及法向質(zhì)點(diǎn)速度連續(xù)，由此聲場(chǎng)在兩介質(zhì)分界面處的關(guān)系如下：

(1)

式中:pi、pr和pt分別為介質(zhì)1中的入射波聲壓、反射波聲壓和介質(zhì)2中的透射波聲壓;vi、vr和vt分別為介質(zhì)1中的入射波聲速、反射波聲速和介質(zhì)2中的透射波聲速。

在圖2中可以認(rèn)為耦合劑為介質(zhì)1、工件為介質(zhì)2，在介質(zhì)1中超聲波以平面波的形式傳播，同一波陣面上的質(zhì)點(diǎn)均滿(mǎn)足式(1)。如圖3所示，介質(zhì)1內(nèi)聲場(chǎng)方向與分界面法向之間的夾角稱(chēng)為入射角，記為θ。在如圖4所示的具有一定表面粗糙度的工件表面，入射波波陣面上的不同點(diǎn)的入射角也不同。介質(zhì)2中聲場(chǎng)的方向與分界面法向之間的夾角稱(chēng)為折射角，記為γ，它們間有下列關(guān)系：

(2)

式中:k1為介質(zhì)1中折射率;k2為介質(zhì)2中折射率;c1為介質(zhì)1中聲速;c2為介質(zhì)2中聲速。

圖2　超聲波在分界面處的反射和折射示意

圖3　超聲波波束入射示意

圖4　工件的表面紋理模型

由圖3可知，入射波波陣面上的各點(diǎn)的入射角可以分為兩種情況：垂直入射和斜入射。因此，入射波的平面波波型被介質(zhì)分界面的表面紋理改變，一部分折射波折射角偏離較小,入射波到達(dá)工件底面后,大部分波沿原路徑返回，再次經(jīng)過(guò)介質(zhì)分界面的折射，產(chǎn)生沿探頭軸線方向傳播的底面回波；另一部分入射波由于折射角偏離較大而無(wú)法經(jīng)反射回到壓電探頭成為散射波。

由上述分析可知，散射波的存在使得回到壓電探頭的底面回波能量減小，因而一次底面回波的信號(hào)幅值會(huì)減弱。探頭面積較小時(shí)，接收的回波能量較小，表面粗糙度對(duì)小尺寸探頭的影響會(huì)更大。表面越粗糙，入射波同一波陣面上的各點(diǎn)到達(dá)介質(zhì)分界面的時(shí)間差就越大，對(duì)入射波的散射越大，對(duì)入射波的波陣面的改變也越大，一次底面回波的幅值就越小。不同表面紋理對(duì)入射波同一波陣面上各點(diǎn)到達(dá)介質(zhì)分界面的時(shí)間差影響較小，因此對(duì)一次底面回波的信號(hào)幅值影響較小。

1.2不同粗糙表面聲場(chǎng)仿真分析為了進(jìn)一步觀察表面粗糙度對(duì)超聲聲場(chǎng)的影響，在COMSOL軟件中建立一個(gè)表面粗糙度的有限元模型,研究表面粗糙度對(duì)超聲在鋼板中的聲場(chǎng)影響。建立如圖5(a)所示的簡(jiǎn)化的鋼板表面粗糙度模型,兩種模型代表了鋼板的不同表面紋理，研究表面粗糙度和表面紋理對(duì)超聲測(cè)厚中超聲傳播過(guò)程的影響。

圖5　各種粗糙表面模型及其聲場(chǎng)示意

由圖5(b)和圖5(c)透射波聲場(chǎng)可知，粗糙表面的鋼板內(nèi)部背景聲場(chǎng)較強(qiáng)，形成超聲測(cè)厚的背景噪聲。進(jìn)一步由圖5(b)和圖5(c)反射波聲場(chǎng)可以看出表面粗糙的鋼板的底面回波變得雜亂，說(shuō)明了表面粗糙度對(duì)底面回波形成了干擾。

由圖5(c)和圖5(d)的仿真結(jié)果可以看到，兩種粗糙度模型對(duì)超聲聲場(chǎng)的影響是類(lèi)似的，都增加了干擾背景聲場(chǎng)。

圖6為仿真結(jié)果中光滑表面和粗糙表面的鋼板中的透射聲壓，由圖觀察可知透射聲壓的主聲束幅值減弱較為明顯。

圖6　光滑和粗糙表面鋼板中的透射波聲壓

綜上所述，表面粗糙度對(duì)工件超聲測(cè)厚的影響特性主要包括兩點(diǎn)：一是造成入射界面不均勻，產(chǎn)生聲波的散射，形成背景噪聲；二是透射波的聲強(qiáng)減弱。

2試驗(yàn)方法和結(jié)果分析

2.1試驗(yàn)試樣

圖7(a)是采用平磨加工方式的鋼板表面,圖7(b)～(d)是采用立刀銑加工方法獲得的三種表面粗糙度的鋼板。

圖7　不同粗糙度的鋼板表面

圖8　標(biāo)準(zhǔn)粗糙度試塊

試驗(yàn)采用如圖8所示的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度對(duì)比試塊進(jìn)行測(cè)厚試驗(yàn)，驗(yàn)證表面粗糙度對(duì)測(cè)厚信號(hào)的衰減及表面紋理的影響。試驗(yàn)中采用的標(biāo)準(zhǔn)試塊的表面粗糙度如表1所示。

表1　標(biāo)準(zhǔn)試塊的表面粗糙度　μm

研究探頭與鋼板耦合面的表面粗糙度和底面的表面粗糙度對(duì)鋼板超聲測(cè)厚信號(hào)的影響，圖7所示的鋼板底面保持相同的表面粗糙度，并且認(rèn)為底面是接近光滑的。

考慮到實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中可能會(huì)使用不同規(guī)格的壓電探頭，文中采用壓電晶片直徑為φ13 mm、中心頻率為5 MHz和壓電晶片直徑為φ6 mm、中心頻率為5 MHz的兩種規(guī)格的壓電探頭，以觀察探頭規(guī)格對(duì)檢測(cè)信號(hào)可能產(chǎn)生的影響。

2.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

在實(shí)際的測(cè)厚過(guò)程中，由于一次回波信號(hào)的幅值最大，并且回波在工件內(nèi)部的傳播路徑越長(zhǎng)，回波幅值越小。因此將一次回波信號(hào)的幅值作為評(píng)價(jià)表面粗糙度對(duì)超聲測(cè)厚信號(hào)的影響大小的特征量。

2.2.1表面粗糙度對(duì)信號(hào)一次回波幅值的影響

由圖9可知，當(dāng)表面粗糙度Ra<1 μm時(shí)，一次回波信號(hào)的幅值變化小于2 dB，也就是說(shuō)當(dāng)Ra<1 μm時(shí)，表面粗糙度對(duì)壓電超聲測(cè)厚的影響可以忽略。當(dāng)Ra>1 μm時(shí)，隨著表面粗糙度的增大，一次回波信號(hào)的幅值明顯減小。當(dāng)表面粗糙度Ra<0.1 μm時(shí)，一次回波幅值幾乎沒(méi)有變化，說(shuō)明當(dāng)表面粗糙度Ra<0.1 μm時(shí)，可以認(rèn)為工件表面是光滑的。

圖 9　不同表面粗糙度的一次回波信號(hào)幅值變化

圖10　不同表面紋理的一次回波信號(hào)幅值變化

2.2.2表面紋理對(duì)信號(hào)一次回波幅值的影響

由圖10可知，同一表面粗糙度下，不同表面紋理對(duì)一次回波信號(hào)幅值的影響小于2 dB，因此，表面紋理對(duì)一次回波信號(hào)幅值的影響較小，可以忽略。

2.2.3耦合面和底面的表面粗糙度對(duì)一次回波信號(hào)幅值的影響

由圖11可知耦合面和底面表面粗糙度對(duì)測(cè)厚信號(hào)一次回波幅值的差別小于2 dB。因此，耦合面的表面粗糙度和底面的表面粗糙度對(duì)測(cè)厚信號(hào)的影響是相近的。

圖11　耦合面和底面的表面粗糙度的一次回波信號(hào)幅值變化

2.2.4探頭壓電晶片面積的影響

由圖12可知,壓電探頭晶片面積不同，表面粗糙度對(duì)測(cè)厚信號(hào)的影響也不同。對(duì)于晶片面積較小的壓電探頭，隨著表面粗糙度的增大，其回波信號(hào)的幅值衰減速度更快。

圖12　不同規(guī)格探頭的一次回波信號(hào)幅值變化

3結(jié)語(yǔ)

(1) 同一尺寸規(guī)格晶片的探頭，表面越粗糙，回波信號(hào)的衰減越大，超聲信號(hào)的信噪比越小。當(dāng)實(shí)際工作表面(如腐蝕)粗糙程度嚴(yán)重時(shí)，回波信號(hào)不能有效獲取，超聲測(cè)厚將無(wú)法進(jìn)行。

(2) 表面粗糙度相同時(shí)，表面紋理對(duì)回波信號(hào)的影響很微弱。

(3) 耦合面和底面的表面粗糙度對(duì)超聲測(cè)厚信號(hào)的影響是相近的，可以認(rèn)為其影響效果相同。

(4) 探頭中心頻率相同時(shí)，表面粗糙度對(duì)超聲測(cè)厚信號(hào)的影響與壓電探頭的晶片面積有關(guān)。

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The Impact of Surface Roughness on the Piezoelectric Ultrasonic Thickness Measurement

CUI Xi-ming1, WANG Zhe1, ZHANG Zhuo2, KANG Yi-hua1

(1.School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science &Technology, Wuhan 430074, China;2.HUST-Wuxi Research Institute, Wuxi 214000, China)

Abstract：This paper theoretically analyzes the influence of the surface roughness on the ultrasonic reflection and refraction mechanism; COMSOL finite element simulation analysis is used to prove that the surface roughness is the cause of ultrasonic amplitude attenuation and enhanced background noise; Finally, through experiments on different roughness experimental samples of different diameters and ultrasound probe, we further validate the effects of surface roughness on ultrasonic thickness measurement.

Key words:Piezoelectric ultrasonic; Surface roughness; Thickness measurement; Scattering; Echo

收稿日期：2015-12-31

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475194，51275193)

作者簡(jiǎn)介：崔西明(1989-)，男，博士研究生，主要從事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及儀器方面的研究。通信作者:康宜華(1965-),男,博士生導(dǎo)師,主要人事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)及儀器方面的研究,E-mail: yhkang@263.net。

DOI:10.11973/wsjc201605001

中圖分類(lèi)號(hào)：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-6656(2016)05-0001-04