鐘建偉，宋海洋，高 翔，王祥達(dá)，3*，滕世國

（1.乳源東陽光機(jī)械有限公司，廣東 韶關(guān) 512721；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124；3.乳源瑤族自治縣東陽光實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 韶關(guān) 512721）

鋁電解電容器是一種用鋁材料制成的電性能好、適用范圍寬、可靠性高的通用型電解電容器［1］.陽極腐蝕箔是鋁電解電容器的核心部件，其獨(dú)特的表面結(jié)構(gòu)使得鋁電解電容器具有較大的比容量［2］.對于此類電容器要提高比電容的有效途徑就是增大陽極腐蝕箔的表面積.提高陽極箔的表面積的方法有機(jī)械方法［3］、物理方法［4］、化學(xué)方法以及電化學(xué)方法［5］.目前生產(chǎn)中最常用的是直流電解腐蝕電化學(xué)法.但是，在電化學(xué)腐蝕過程中，由于鋁箔的厚度較小，鋁箔上可能會形成穿孔，造成陽極鋁箔的報(bào)廢［6］.因此，除了不斷改進(jìn)電化學(xué)腐蝕工藝來降低鋁箔穿孔風(fēng)險(xiǎn)外，對鋁箔上微穿孔的檢測也極為重要，這有助于降低鋁箔出廠后的不良品率.目前，陽極腐蝕箔微穿孔的檢測方法較少，鮮有報(bào)道.傳統(tǒng)的檢測手段是采用光測法，即通過透光程度對陽極鋁箔進(jìn)行判斷.但該方法操作復(fù)雜，且依賴人工判斷，存在較大的不確定性和一定的誤檢率.因此需要尋找一種新的可用于陽極腐蝕箔微穿孔檢測的方法.

超聲檢測是常見的無損檢測方法［7］，其原理是利用聲波遇到缺陷時(shí)產(chǎn)生的反射及散射信號進(jìn)行檢測，該方法對試件材質(zhì)無特殊要求，且具有穿透能力強(qiáng)、缺陷定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn).傳統(tǒng)的超聲體波檢測技術(shù)屬于逐點(diǎn)檢測，檢測效率較低［8］.超聲導(dǎo)波則是一種新的超聲檢測方法，其具有能量衰減慢、傳播距離長、對結(jié)構(gòu)中的隱性損傷和復(fù)雜損傷敏感、檢測效率和精度高等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于薄壁結(jié)構(gòu)的無損檢測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測［9-12］.超聲導(dǎo)波是沿著整個(gè)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)傳播的特殊的超聲波模態(tài)，由縱波和橫波在介質(zhì)的邊界發(fā)生來回反射形成.超聲導(dǎo)波的傳播介質(zhì)為有邊界物體，稱為波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如板、管、桿及層狀的彈性體，都是典型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)［13］.Victorov 對 Lamb 波的波動(dòng)理論和基本物理特性做了深入的研究［14］，Ball 等在這套理論的基礎(chǔ)上順利地利用Lamb波檢出了碳纖維薄板中的缺陷［15］.劉瑜等利用基于非接觸式激光測振儀（SLDV）檢測了各向異性復(fù)合材料板中超聲導(dǎo)波，驗(yàn)證了各向異性復(fù)合材料板中導(dǎo)波的傳播特征，進(jìn)而利用分布式傳感單元對板中的損傷進(jìn)行定位［16］；吳秉正對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板中的導(dǎo)波激發(fā)與傳播規(guī)律進(jìn)行了研究并模擬了導(dǎo)波與碳纖維復(fù)合板（CFRP）中缺陷的相互作用［17］.何存富等利用軸對稱縱向模態(tài)超聲導(dǎo)波得出高階且衰減較小的L（0，n）模態(tài)的超聲導(dǎo)波，能夠用來檢測全錨錨桿的長度及確定錨桿中缺陷位置［18-21］.

陽極腐蝕箔恰好屬于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的一種.由于導(dǎo)波自身模態(tài)豐富，且在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中接收信號包含了直達(dá)波、缺陷回波、邊界回波等多個(gè)波包，這使得導(dǎo)波信號變得復(fù)雜，增加了識別缺陷散射信號的難度［22］.直達(dá)波衰減法是一種簡單直接的方法，可以規(guī)避散射信號分析的困難.當(dāng)超聲導(dǎo)波在陽極鋁箔中傳播時(shí)，如果傳播路徑上存在穿孔缺陷，將直接破壞接收源接收到的超聲導(dǎo)波信號，主要表現(xiàn)為能量的泄露以及幅值的快速衰減［23］.因此，運(yùn)用超聲導(dǎo)波的這一特性可以很好的檢測出陽極鋁箔中的穿孔缺陷.

本文開展了超聲導(dǎo)波對陽極鋁箔的檢測實(shí)驗(yàn)研究.利用多普勒激光測振儀對超聲導(dǎo)波在陽極鋁箔中的傳播衰減進(jìn)行了標(biāo)定，同時(shí)通過對不同直徑的穿孔缺陷進(jìn)行檢測，建立了波譜峰值比與不同穿孔缺陷直徑大小的回歸關(guān)系.通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了超聲導(dǎo)波對陽極鋁箔微穿孔檢測的可行性，為此法后續(xù)的工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)原理和步驟

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向不同，板結(jié)構(gòu)中的超聲導(dǎo)波分為兩大類，一類是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向在波的傳播方向與板的厚度方向所組成的平面內(nèi)，稱為蘭姆波（Lamb波）［24］，是由橫波（S波）和縱波（L波）耦合成的板中導(dǎo)波，如圖1所示，Lamb波的質(zhì)點(diǎn)位移表達(dá)式中與該平面垂直的位移分量為零（u3=0）；另一類是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與該平面垂直，稱為水平剪切波（SH波），這類導(dǎo)波的質(zhì)點(diǎn)位移表達(dá)式中在該平面內(nèi)的兩個(gè)位移分量為零（u1=u2=0）［25］.

Lamb波由于其更容易被激勵(lì)，所以應(yīng)用廣泛.根據(jù)板中Lamb波的結(jié)構(gòu)特性，Lamb波可以劃分為對稱模態(tài)（S模態(tài)）和反對稱模態(tài)（A模態(tài)），如圖2所示.S模態(tài)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)形式關(guān)于板中面完全對稱，沿著波的傳播方向不斷拉伸和壓縮，而A模態(tài)則相反，其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)關(guān)于板中面相同.Lamb 波按模態(tài)的階數(shù)不同，又可細(xì)分成多個(gè)模態(tài)，如A0、S0、A1、S1等.不同模態(tài)的導(dǎo)波由于其波結(jié)構(gòu)和能量分布不同，對不同類型缺陷的敏感程度也不同，如S0模態(tài)對板厚方向的缺陷比較敏感，而A0模態(tài)對分層和橫向鋪層裂紋等缺陷比較敏感［13］.并且在同一頻率點(diǎn)處，S0模態(tài)的傳播速度最快、頻散小，有利于缺陷信號的識別，而A0模態(tài)以離面位移為主且波長遠(yuǎn)小于S0模態(tài)，所以對結(jié)構(gòu)中的微小缺陷更為敏感.

圖2 Lamb波的兩種模態(tài)

板結(jié)構(gòu)中超聲導(dǎo)波質(zhì)點(diǎn)傳播與振動(dòng)方向如圖1所示，假設(shè)超聲導(dǎo)波沿x1方向傳播，則板中Lamb波沿x3方向的位移分量為零，而沿x1和x2方向位移僅與坐標(biāo)x1、x2有關(guān)，與坐標(biāo)x3無關(guān)；板中SH波沿x1方向和x2方向的位移分量為零，而沿x3方向位移僅與坐標(biāo)x1、x2有關(guān)，與坐標(biāo)x3無關(guān).

圖1 板結(jié)構(gòu)中的超聲導(dǎo)波

Lamb波位移的矢量表達(dá)形式為：

取φ=φ（x1，x2，t），Ψ=｛0，0，Ψ3（x1，x2，t）｝，則位移和應(yīng)力的表達(dá)式為：

波動(dòng)控制方程可表示為：

得到通解為：

由此，幅度為A0超聲導(dǎo)波A0S0（t）在帶有穿孔缺陷的陽極鋁箔中傳播時(shí)，t0時(shí)間后將衰減為A1St0（t），其中A1為t0時(shí)間后的超聲導(dǎo)波幅度，衰減部分為A0S0（t）-A1St0（t）=B1Rt0（t）+B2P（t）.其中，B1Rt0（t）為超聲導(dǎo)波在陽極鋁箔傳播t0時(shí)間后的固有衰減，B1是其幅度，B2P（t）為超聲導(dǎo)波在遇到穿孔缺陷時(shí)的衰減量，B2是其幅度.因此，在本實(shí)驗(yàn)中首先建立了超聲導(dǎo)波在陽極鋁箔中傳播的固有衰減量的數(shù)據(jù)庫，并在此基礎(chǔ)上對計(jì)算出的直達(dá)波的幅值A(chǔ)1進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而可以計(jì)算出超聲導(dǎo)波在陽極鋁箔穿孔缺陷中的衰減，并建立“穿孔-衰減比”對應(yīng)關(guān)系，可以根據(jù)實(shí)際測量的衰減確定穿孔大小.

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）計(jì)算超聲導(dǎo)波在無穿孔缺陷的陽極鋁箔中對應(yīng)位置的衰減比例；

（2）給出無穿孔缺陷情況下衰減標(biāo)定曲線；

（3）建立衰減標(biāo)定數(shù)據(jù)庫；

（4）計(jì)算相同位置不同直徑穿孔缺陷的幅值衰減量；

（5）對相同位置不同直徑穿孔缺陷的幅值衰減量數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償；

（6）計(jì)算出不同直徑穿孔缺陷對應(yīng)的衰減比；

（7）建立穿孔缺陷直徑與衰減比的數(shù)據(jù)庫；

（8）給出波譜峰值比與穿孔缺陷直徑尺寸的回歸曲線；

（9）計(jì)算不同位置不同直徑穿孔缺陷的幅值衰減量，并重復(fù)步驟（5）~（7）；

（10）檢查掃查結(jié)果并對穿孔缺陷直徑與衰減比的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行校準(zhǔn).

2 檢測實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用尺寸為長 700 mm，寬 500 mm，厚度為 120 μm 的陽極鋁箔（見圖3、圖4）.將預(yù)處理后的陽極鋁箔試樣平鋪在實(shí)驗(yàn)臺上，選用中心頻率為100 kHz壓電超聲傳感器作為激勵(lì)聲源，將壓電超聲傳感器與陽極鋁箔某點(diǎn)位進(jìn)行耦合，并將耦合點(diǎn)位設(shè)定為坐標(biāo)原點(diǎn).耦合完成后將壓電超聲傳感器接線端與信號發(fā)生器相連，對信號發(fā)生器設(shè)置三周期頻率為100 kHz漢寧窗調(diào)制的正弦信號作為激勵(lì)信號，設(shè)定峰峰值為3 V，對壓電超聲傳感器進(jìn)行激勵(lì).用多普勒激光測振儀進(jìn)行信號接收，多普勒激光測振儀控制器型號為 Polytec OFV-5000，探頭型號為 Polytec OFV-505，設(shè)定采樣頻率為 300 MHz進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

圖3 超聲導(dǎo)波實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

圖4 超聲導(dǎo)波檢測裝置示意圖

2.1 無穿孔缺陷的陽極鋁箔超聲導(dǎo)波幅值衰減標(biāo)定

首先，對無穿孔缺陷的陽極鋁箔進(jìn)行超聲導(dǎo)波衰減標(biāo)定.衰減標(biāo)定掃查范圍為400 mm，選定距離聲源20 mm處作為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)，其后各點(diǎn)接收信號與該點(diǎn)所得信號幅值進(jìn)行比較，得出超聲導(dǎo)波在陽極鋁箔中的衰減規(guī)律，并得出衰減標(biāo)定曲線.對所測樣本點(diǎn)運(yùn)用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出各點(diǎn)相對于標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的最大幅值衰減.計(jì)算公式為：

NA：衰減倍數(shù)，單位dB；uA：接收點(diǎn)信號幅值；u0A：標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)信號幅值.

圖5為無穿孔缺陷下對陽極鋁箔試樣進(jìn)行400 mm超聲導(dǎo)波衰減標(biāo)定的曲線圖.擬合曲線表達(dá)式為y=1.982×10-7x3-6.436×10-5x2-0.04777x+0.5297，其中y、x分別為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo).由圖5中曲線可以看出，隨著距離的增大，衰減倍數(shù)不斷增加，400 mm處衰減倍數(shù)超過了15 dB.說明隨著超聲導(dǎo)波在陽極鋁箔中的傳播距離的增大，超聲導(dǎo)波的幅值迅速衰減，且衰減倍數(shù)隨著超聲導(dǎo)波傳播距離的增大也不斷增大，因此最大幅值的衰減越來越快，與理論預(yù)期一致.需要說明的是，在每一次的測試中，如果所選用的換能器頻率和模態(tài)有變化，都需要對衰減曲線重新進(jìn)行標(biāo)定.

圖5 衰減標(biāo)定曲線

2.2 相同位置不同直徑穿孔缺陷的檢測

如圖6所示，選定距離坐標(biāo)原點(diǎn)為200 mm的直線上一點(diǎn)，按穿孔缺陷尺寸從小到大依次檢測0.1 ~ 0.7 mm的穿孔缺陷，掃查位置為距離坐標(biāo)原點(diǎn)400 mm的直線，得出穿孔缺陷的波列圖如圖7所示.

圖6 相同位置不同穿孔直徑檢測實(shí)驗(yàn)示意圖

圖7 相同位置不同穿孔直徑檢測實(shí)驗(yàn)波列圖

圖7為同一位置不同穿孔缺陷尺寸下超聲導(dǎo)波信號的波列圖，可以看出在有無缺陷情況下相同位置不同穿孔缺陷直徑信號的衰減關(guān)系.由圖中信號波形可以看出，隨著穿孔缺陷尺寸的增大，信號的幅值出現(xiàn)了不同幅度的衰減，且穿孔直徑越大，信號衰減越大.

根據(jù)以上樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)，規(guī)定無穿孔缺陷情況下信號最大峰值為A0，存在穿孔缺陷情況下信號的最大峰值為A1，按照波譜峰值比計(jì)算公式：

得出波譜峰值比與孔洞直徑尺寸的回歸關(guān)系如圖8所示，其表達(dá)式為：y=-0.2902x+0.2877.對穿孔缺陷所在傳播路徑與掃查直線交點(diǎn)及附近20個(gè)樣本點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)取峰值并進(jìn)行平均，得出在有無穿孔缺陷情況下相同位置不同直徑的穿孔缺陷信號的衰減關(guān)系.由圖8可以看出，當(dāng)穿孔缺陷直徑為0.1 mm時(shí)，最大峰值比約為0.27，說明在有穿孔缺陷的情況下，超聲導(dǎo)波的峰值損失超過70%.這表明了這種方法對缺陷的很敏感，在即使穿孔比較小，也可檢出.當(dāng)穿孔缺陷直徑在0.5 mm以下時(shí)，最大峰值比小于0.1，且隨著穿孔缺陷直徑達(dá)到0.7 mm時(shí)，最大峰值比遠(yuǎn)小于0.1.在對距離引起的衰減進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償，排除與穿孔距離相關(guān)的信號衰減后，超聲導(dǎo)波信號衰減與缺陷大小有關(guān)，穿孔缺陷越大，信號的衰減比例越大.

圖8 波譜峰值比與穿孔直徑尺寸的回歸曲線

2.3 不同位置不同直徑的穿孔缺陷檢測

在前述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在原本的缺陷所在直線不同位置上，設(shè)置不同直徑的穿孔缺陷.再一次在距離坐標(biāo)原點(diǎn)400 mm處直線進(jìn)行掃查.通過這次實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證此方法的有效性.

如圖9所示，在距離坐標(biāo)原點(diǎn)400 mm處對距離坐標(biāo)原點(diǎn)200 mm處直線上不同直徑的穿孔缺陷進(jìn)行掃查，缺陷直徑分別為1.0、0.5、0.3、0.1、0.1 mm.并與無穿孔缺陷情況下的掃查數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計(jì)算出最大峰值比.

圖9 不同位置不同穿孔直徑檢測實(shí)驗(yàn)圖

樣本點(diǎn)的信號波形在圖10中所示.對穿孔缺陷所在傳播路徑與掃查直線交點(diǎn)及附近20個(gè)樣本點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)取峰值并進(jìn)行陽極鋁箔中超聲導(dǎo)波固有衰減補(bǔ)償與位置相關(guān)補(bǔ)償，計(jì)算出在有無穿孔缺陷情況下不同位置不同直徑的穿孔缺陷信號的衰減關(guān)系.

圖10 不同位置不同穿孔直徑檢測實(shí)驗(yàn)波列圖

經(jīng)計(jì)算，坐標(biāo)分別為（200，-85）mm和（200，-100）mm的直徑0.1 mm的穿孔缺陷對應(yīng)的波譜峰值比分別為0.292 3和 0.274 7，直徑 0.5 mm 穿孔缺陷幅值衰減為 0.154 2，直徑接近1 mm的穿孔缺陷，波譜峰值比0.092 4，小于0.1.結(jié)果經(jīng)過查對“衰減標(biāo)定數(shù)據(jù)庫”和“穿孔缺陷直徑與衰減比回歸曲線”，可以確定穿孔缺陷的直徑與大致位置，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文運(yùn)用超聲導(dǎo)波檢測陽極腐蝕箔穿孔缺陷的可行性.

3 結(jié)論與展望

本文建立了一種基于超聲導(dǎo)波的陽極鋁箔進(jìn)行穿孔缺陷檢測方法，運(yùn)用此方法在陽極腐蝕箔上開展了一系列的檢測實(shí)驗(yàn)研究.首先對超聲導(dǎo)波在陽極鋁箔傳播中的衰減進(jìn)行了標(biāo)定，繪制了鋁箔中的超聲導(dǎo)波幅值衰減曲線，并建立了距離相關(guān)幅值衰減補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫.其次對陽極鋁箔上相同位置不同直徑穿孔缺陷進(jìn)行檢測，計(jì)算出不同穿孔缺陷直徑對應(yīng)的超聲導(dǎo)波衰減值，建立不同直徑穿孔缺陷于超聲導(dǎo)波衰減值的回歸關(guān)系.最后，對陽極鋁箔上不同位置不同直徑的穿孔缺陷進(jìn)行檢測，成功檢測出了缺陷，并判斷了缺陷大小.

本文首次將超聲導(dǎo)波應(yīng)用到陽極鋁箔微穿孔的缺陷檢測中，并取得了較好的效果，為此方法后續(xù)的工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ).由于條件的限制仍然有些問題需要進(jìn)一步研究，后續(xù)將繼續(xù)研究不同激勵(lì)模態(tài)、不同激發(fā)頻率等影響因素對檢測結(jié)果的影響.