劉春青

(貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550008)

基于Matlab的船舶外板超聲波測(cè)厚數(shù)據(jù)分析研究

劉春青

(貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550008)

摘要：船舶作為水上主要交通工具，受海水腐蝕和波流沖擊影響，其使用環(huán)境惡劣。海水腐蝕使船板厚度減小、強(qiáng)度降低、導(dǎo)致船舶使用壽命縮短、航行性能下降。使用科學(xué)的方法對(duì)船板厚度定期、精確的檢測(cè)，對(duì)保證船舶航行安全有著重要的意義。本文根據(jù)船體測(cè)厚規(guī)范要求，以超聲波測(cè)厚理論知識(shí)為基礎(chǔ)，基于Matlab軟件分析研究測(cè)厚數(shù)據(jù)情況，形成形象直觀的船板厚度圖像。船體測(cè)厚數(shù)據(jù)的分析為驗(yàn)船師對(duì)船舶強(qiáng)度的可靠性進(jìn)行評(píng)估及對(duì)船舶結(jié)構(gòu)修理與換新提供依據(jù)，測(cè)厚結(jié)果為船東制定船舶維護(hù)與管理提供有效的參考。

關(guān)鍵詞：Matlab；超聲波測(cè)厚；超聲波衰減

引言

船舶是一種復(fù)雜的水上工程建筑物，其使用環(huán)境惡劣，受到復(fù)雜的外力和海水腐蝕、沖擊。海水腐蝕使船體及設(shè)備的強(qiáng)度降低，船舶的使用壽命縮短、航行性能下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成海損事故。在役船舶處于復(fù)雜的使用環(huán)境，其腐蝕問(wèn)題越來(lái)越受到人們的關(guān)注，防止船板腐蝕、及時(shí)檢測(cè)船板厚度是保障船舶安全航行的重要手段[1]。因海水對(duì)船板的腐蝕危害，船體各金屬構(gòu)件有效幾何尺寸逐年減小，船板厚度隨著使用時(shí)間的增加而變小。

本文根據(jù)超聲波測(cè)厚原理、傳播特性、衰減規(guī)律、垂直及傾斜入射定律等方面的理論研究，具體分析超聲波衰減對(duì)測(cè)厚精度的影響。利用MATLAB軟件對(duì)測(cè)厚數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制三維視圖使其更直觀、形象的反映船體各部分的腐蝕情況。

1中國(guó)船級(jí)社船體測(cè)厚規(guī)范

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社船體測(cè)厚規(guī)范(Ver.4.0)，摘錄部分船體測(cè)厚規(guī)范如下[2]：

1.1顯著腐蝕區(qū)域測(cè)量點(diǎn)，在測(cè)厚報(bào)告中應(yīng)單獨(dú)列出并根據(jù)船體圖紙準(zhǔn)確地繪制測(cè)厚圖，詳細(xì)標(biāo)注測(cè)厚點(diǎn)及顯著腐蝕區(qū)域的范圍，圖上應(yīng)反映出顯著腐蝕區(qū)域縱向和橫向位置。

1.2測(cè)量范圍：強(qiáng)制性測(cè)厚范圍；接受近觀檢驗(yàn)的區(qū)域和之前的顯著腐蝕區(qū)域。

1.3精度要求：板材厚度<10mm，精度±0.1mm；板材厚度≥10mm，精度±0.2mm。

1.4腐蝕超差時(shí)，驗(yàn)船師應(yīng)確定附加測(cè)厚范圍，該范圍應(yīng)準(zhǔn)確界定出顯著腐蝕區(qū)域及需修理或換新的構(gòu)件。

2超聲波衰減系數(shù)

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨傳播距離增加而聲波能量減小的現(xiàn)象稱為超聲波衰減，超聲波衰減取決于超聲波頻率、聲速和介質(zhì)的粘滯系數(shù)、導(dǎo)熱性、不均勻性及晶粒大小等因素[3]。

2.1液體衰減系數(shù)

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)將發(fā)生衰減，隨著距離的增加，其聲壓量逐漸減弱，超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)的衰減系數(shù)α為[5]：

(2.5)

2.2固體衰減系數(shù)

在役船舶測(cè)厚時(shí)，超聲波通過(guò)耦合層進(jìn)入船體鋼板，在液固界面發(fā)生透射衰減[6]。測(cè)厚探頭發(fā)射聲勢(shì)為：

(2.6)

式中

(2.7)

液體介質(zhì)中點(diǎn)(x,z)的聲勢(shì)為：

(2.8)

為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，把波矢k轉(zhuǎn)換為慢度矢量s，則液體介質(zhì)中任一點(diǎn)(x,z)的聲勢(shì)為[7]：

(2.9)

(2.10)

(2.11)

超聲波在固體介質(zhì)中傳播時(shí)的衰減系數(shù)α為：

(2.12)

2.3耦合層衰減計(jì)算

超聲波在水、甘油中的衰減系數(shù)為[9]：1.04和47.2，計(jì)算超聲波在液體中的衰減如下：

表1　超聲波在水中衰減

表2　超聲波在甘油薄膜中衰減

通常甘油耦合層的厚度僅為0.2mm，對(duì)超聲波在不同耦合層的衰減量計(jì)算，其結(jié)果顯示超聲波在甘油薄膜中的衰減量隨著傳播距離的增加而增大，但總體衰減量較小完全可以滿足裝置的測(cè)厚要求。

3Matlab 數(shù)據(jù)擬合

Matlab是一種功能強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算軟件，它集數(shù)值分析、矩陣計(jì)算和圖形處理等功能于一體，封裝了大量的數(shù)學(xué)函數(shù)，極大地減少了用戶編寫復(fù)雜函數(shù)的難度[10]。本節(jié)基于Matlab便捷強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和繪圖功能對(duì)測(cè)厚數(shù)據(jù)進(jìn)行三維圖形繪制，下表為船用智能測(cè)厚裝置對(duì)某散貨船左舷船體外板的測(cè)厚數(shù)據(jù)，該測(cè)厚區(qū)域高30m、長(zhǎng)80m，建造厚度為20mm的船板，測(cè)厚完成后并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，使用Matlab繪制三維視圖，以便船舶使用者更直觀、形象的了解船板厚度情況。測(cè)厚數(shù)據(jù)如表3：

表3　船用智能測(cè)厚裝置對(duì)船體外板局部區(qū)域測(cè)厚數(shù)據(jù)(部分)

表4　船用智能測(cè)厚裝置對(duì)船體外板局部區(qū)域測(cè)厚數(shù)據(jù)(部分)

表3/4中x表示測(cè)厚區(qū)域高度；y表示測(cè)厚區(qū)域長(zhǎng)度；z表示測(cè)厚點(diǎn)厚度。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合繪圖如下：

圖1　測(cè)厚數(shù)據(jù)三維視圖

圖1表示船體測(cè)厚區(qū)域的厚度三維視圖，圖中船體高度和長(zhǎng)度與實(shí)際船體尺寸一一對(duì)應(yīng)，三維視圖可直觀反映船體鋼板不同位置的厚度情況。對(duì)于厚度小于船板腐蝕極限的點(diǎn)及附近區(qū)域再次進(jìn)行厚度測(cè)量，確定船板進(jìn)行換新維修區(qū)域。

4結(jié)論

根據(jù)超聲波測(cè)厚原理、衰減、傳播規(guī)律等特點(diǎn)，分析船板曲度和表面粗糙度對(duì)超聲波測(cè)厚精度的影響。船體粗糙度和曲度對(duì)測(cè)厚精度的影響分析。根據(jù)超聲波測(cè)厚原理及傳播特性，通過(guò)對(duì)船體表面粗糙度、船板曲度、傳感器動(dòng)態(tài)特性等因素分析，計(jì)算超聲波衰減、反射率、透射率、往返透射率對(duì)聲壓再分配，測(cè)厚耦合層混入空氣使測(cè)厚工作失敗，船板內(nèi)部夾渣使測(cè)厚值不能反映船板真實(shí)厚度，提出解決方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn):

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作者簡(jiǎn)介：劉春青(1984-)，男，山東菏澤，研究生，研究方向:機(jī)電一體化。

中圖分類號(hào):U672

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-1602(2016)12-0290-02