(1.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南昌 330063;2.日本探頭株式會(huì)社,橫濱 2320033)

超聲諧振法是超聲檢測(cè)中一種常用的測(cè)厚方法，超聲測(cè)厚不僅局限于測(cè)量出物體厚度這種簡(jiǎn)單的幾何問(wèn)題，還能通過(guò)所測(cè)厚度的變化，及時(shí)分析材料內(nèi)部的變化。超聲諧振法因?yàn)榫哂锌蓽y(cè)量下限小，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于厚度的檢測(cè)中[1-3]。傳統(tǒng)的接觸式檢測(cè)時(shí)使用的液體或固體耦合劑會(huì)給試件帶來(lái)二次污染與損傷，而空氣耦合超聲檢測(cè)具有非接觸、非浸入、非破壞以及易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)。因此，空氣耦合超聲在復(fù)合材料、鋼筋混凝土、鋼板以及鋰電池等材料的檢測(cè)中得到了很好的研究和應(yīng)用[4-8]。筆者提出了非接觸空氣耦合諧振測(cè)厚技術(shù)，簡(jiǎn)單地介紹了非接觸式空氣耦合超聲諧振法測(cè)厚的優(yōu)點(diǎn)、原理以及檢測(cè)方式，使用不同厚度的測(cè)試體驗(yàn)證了諧振頻率與測(cè)試體厚度的關(guān)系，并對(duì)由鋁板制作的三角形凹槽、平行凹槽以及圓形凹槽等不同形狀的凹凸表面進(jìn)行諧振測(cè)厚試驗(yàn)，驗(yàn)證了空氣耦合超聲諧振法測(cè)厚的有效性和實(shí)用性。

1 諧振法測(cè)厚原理

在空氣耦合超聲檢測(cè)中，超聲波在試件中的往返透射率僅有接觸法或者水浸法的1/10000[8]。當(dāng)試件的厚度為λ/2(λ為波長(zhǎng))的整數(shù)倍時(shí)，試件下界面的反射波與入射波互相疊加而形成駐波時(shí)，試件會(huì)在厚度方向產(chǎn)生諧振(見(jiàn)圖1)，聲波能量的透射率從而發(fā)生很大變化，這就是非接觸式空氣耦合超聲諧振法測(cè)厚的原理，測(cè)厚公式見(jiàn)式(1)，(2)。檢測(cè)時(shí)，通過(guò)對(duì)接收到的聲波諧振信號(hào)進(jìn)行FFT(快速傅里葉變換)便可獲得諧振頻率，這樣就可以計(jì)算出發(fā)生諧振的聲波波長(zhǎng)以及檢測(cè)試件的厚度。

(1)

c=fλ

(2)

式中：c為被檢測(cè)材料的聲速；f為聲波諧振頻率；T為試件的厚度；n為半波長(zhǎng)的倍數(shù)。

當(dāng)n=1時(shí)，所得的f1為基本諧振頻率，即諧振發(fā)生在半波長(zhǎng)的時(shí)候；當(dāng)n=2,3,4，…時(shí)，諧振發(fā)生在半波長(zhǎng)的n倍，fn為諧振發(fā)生在半波長(zhǎng)的n倍時(shí)的諧振頻率。相鄰2個(gè)諧波共振頻率之差等于基本諧振頻率，即

fn+1-fn=f1

(3)

當(dāng)知道任意2個(gè)相鄰諧波諧振頻率之后，厚度為

(4)

圖1 聲波在試件內(nèi)的諧振示意(聲波波長(zhǎng)等于測(cè)試體厚度的一半時(shí))

2 測(cè)厚試驗(yàn)方法

圖2 非接觸空氣耦合超聲諧振法測(cè)厚原理示意及檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖3 5 mm厚鋼板諧振試驗(yàn)接收到的時(shí)域波形和頻譜分布

采用型號(hào)為JPR-600C的超聲發(fā)射接收器和高靈敏度空氣耦合專用超聲探頭，探頭的中心頻率為600 kHz，晶片直徑為20 mm。使用探頭架將探頭垂直安裝在厚度為5 mm鋼板的表面，并保持一定距離，最后使用JPR-600C發(fā)射的電壓為100 V，波數(shù)為30，中心頻率為600 kHz以及調(diào)頻比為1.2的線性調(diào)頻波，讓聲波垂直入射到試件中，檢測(cè)原理示意及檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。對(duì)5 mm厚鋼板進(jìn)行諧振試驗(yàn)后接收到的時(shí)域波形如圖3(a)所示，對(duì)波形中來(lái)自鋼板內(nèi)部發(fā)生若干次反射產(chǎn)生的反射回波進(jìn)行傅里葉變換，得到的頻譜分布如圖3(b)所示。從圖3(b)中可以看到頻率為589.6 kHz和1.191 MHz的2個(gè)諧振峰，其中頻率589.6 kHz與根據(jù)測(cè)試體厚度計(jì)算出的一階基本諧振頻率590 kHz接近，所以可以確認(rèn)589.6 kHz為基本諧振頻率，1.191 MHz為二階諧振頻率。分別對(duì)厚度為10，11，12，13，14，15 mm的鋼板進(jìn)行試驗(yàn)，得到其實(shí)際諧振頻率、理論諧振頻率以及根據(jù)式(4)計(jì)算出的厚度，如表1所示。由表1可知，其諧振頻率隨厚度的不同而變化，且根據(jù)檢測(cè)出來(lái)的諧振頻率可以計(jì)算出試件的厚度，誤差在0.2 mm以內(nèi)。接下來(lái)使用中心頻率為500 kHz的探頭測(cè)量了厚度為6 mm的鋼板，使用頻率為750，960 kHz的探頭分別測(cè)量厚度為3，4，6 mm的鋼板，結(jié)果如表2所示，試件厚度誤差都在0.2 mm以內(nèi)。

表1 不同厚度鋼板的實(shí)際諧振頻率、理論諧振頻率以及計(jì)算出的厚度

表2 厚度為3,4，6 mm鋼板的測(cè)量結(jié)果

3 多種厚度及多種形狀試件的測(cè)厚試驗(yàn)

在實(shí)際工程中，如果管道內(nèi)部發(fā)生了壁厚減薄的情況，那么其表面不會(huì)是平坦的規(guī)則形狀，而是存在凹凸不平的不規(guī)則形狀。所以在鋁板(聲速為6 320 m·s-1)上制作了平行凹槽、三角形凹槽和圓形凹槽測(cè)試體，為了對(duì)比，測(cè)試體上留有厚度為5.5 mm的平面部分，三種凹槽的厚度結(jié)構(gòu)示意如圖4所示，以0.5 mm的深度設(shè)定了各自的凹槽，平行凹槽和圓形凹槽的間距為20 mm，三角形凹槽的間距為3 mm。使用超聲發(fā)射接收器發(fā)射了電壓為100 V，波數(shù)為10，頻率為800 kHz，調(diào)頻比為1.2的線性調(diào)頻脈沖串信號(hào)。探頭使用中心頻率為800 kHz，晶片直徑為20 mm，振動(dòng)面為平面的高靈敏度空氣耦合超聲專用探頭，使用諧振法對(duì)測(cè)試體進(jìn)行厚度測(cè)量試驗(yàn)，測(cè)試體的整體結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖4 不同凹槽形狀測(cè)試體的結(jié)構(gòu)示意

圖5 測(cè)試體的整體結(jié)構(gòu)示意

3.1 對(duì)平面凹槽測(cè)厚

對(duì)圖4所示測(cè)試體的平面凹槽(厚度為5.5 mm)進(jìn)行諧振法測(cè)厚試驗(yàn)，并對(duì)來(lái)自測(cè)試體內(nèi)的波形進(jìn)行FFT變換，圖6為平面凹槽諧振法測(cè)厚試驗(yàn)得到的頻譜分布?？梢钥吹剑瑘D6中存在2處頻率分別為0.563 MHz和1.151 MHz的諧振波峰，其中0.583 MHz處為聲波產(chǎn)生的一階諧振基本頻率，1.151 MHz為聲波產(chǎn)生的二階諧振頻率。根據(jù)式(4)對(duì)應(yīng)計(jì)算出測(cè)試體的厚度為5.53 mm，厚度測(cè)量正確。

圖6 平面凹槽諧振波形的頻譜分布

3.2 對(duì)平行凹槽測(cè)厚

圖7 平行凹槽厚度a1處的頻譜分布

圖8 平行凹槽厚度b1處的頻譜分布

對(duì)圖4中平行凹槽測(cè)試體進(jìn)行諧振試驗(yàn)，從測(cè)試體的背面發(fā)射聲波，探頭從背面正對(duì)凹槽最低點(diǎn)厚度a1處(厚度5.0 mm)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)在平行凹槽厚度a1處發(fā)生諧振的接收波形進(jìn)行FFT變換后得到的頻譜分布如圖7所示。從圖7可以看到頻率分別為0.628 9 MHz和1.194 MHz的諧振峰，由諧振基本頻率正確地計(jì)算出測(cè)試體的厚度為4.95 mm。再移動(dòng)探頭來(lái)測(cè)量凹槽最高點(diǎn)的厚度b1(厚度5.5 mm)，對(duì)凹槽厚度b1處發(fā)生諧振的接收波形進(jìn)行FFT變換后得到的頻譜分布如圖8所示，從圖8可以看到頻率分別為0.570 3 MHz和1.14 MHz的諧振峰，根據(jù)諧振頻率計(jì)算出對(duì)應(yīng)的厚度為5.46 mm，分別正確地檢測(cè)出了圖4中的厚度a1和b1。

3.3 對(duì)三角形凹槽測(cè)厚

對(duì)三角形凹槽進(jìn)行諧振試驗(yàn),超聲波的發(fā)射也是從測(cè)試體的背面進(jìn)行的。對(duì)三角形凹槽最低點(diǎn)厚度a2(厚度5.0 mm)處進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)發(fā)生諧振的接收波形進(jìn)行FFT變換得到的頻譜如圖9所示，從圖中可以明顯看到頻率分別為0.635 MHz和1.263 MHz的諧振峰。根據(jù)諧振頻率計(jì)算出對(duì)應(yīng)的厚度為4.90 mm，誤差為0.1 mm。然后再次改變探頭的位置，對(duì)凹槽的最高點(diǎn)厚度b2處(厚度5.5 mm)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)發(fā)生諧振的接收波形進(jìn)行FFT變換得到的頻譜如圖10所示。從圖10中可以看到頻率分別為0.570 9 MHz和1.14 MHz的諧振峰，根據(jù)諧振頻率計(jì)算出對(duì)應(yīng)的厚度為5.45 mm，誤差為0.05 mm。

圖9 三角形溝槽厚度a2處的頻譜分布

圖10 三角形溝槽厚度b2處的頻譜分布

3.4 對(duì)圓形凹槽測(cè)厚

對(duì)圓形凹槽進(jìn)行諧振測(cè)厚試驗(yàn)。從測(cè)試體的背面發(fā)射超聲波對(duì)圓形凹槽最低點(diǎn)厚度a3處(厚度5.0 mm)進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)發(fā)生諧振的接收波形進(jìn)行FFT變換得到的頻譜分布如圖11所示，從中可以得到頻率為0.636 4 MHz和1.27 MHz的諧振峰。根據(jù)諧振頻率計(jì)算出對(duì)應(yīng)的厚度為4.89 mm，誤差在0.2 mm以內(nèi)。再次改變探頭的位置，在正對(duì)凹槽的最高點(diǎn)厚度b3處(厚度5.5 mm)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)發(fā)生諧振的接收波形進(jìn)行FFT變換，得到的頻譜分布如圖12所示，從圖中可以看到頻率分別為0.563 2 MHz和1.151 MHz的諧振峰，根據(jù)諧振頻率計(jì)算出對(duì)應(yīng)的厚度為5.53 mm，誤差在0.1 mm以內(nèi)。

圖11 圓形溝槽厚度a3處的頻譜分布

圖12 圓形溝槽厚度b3處的諧振頻率

3.5 技術(shù)應(yīng)用

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，如果在測(cè)試體上出現(xiàn)了厚度的減薄，就會(huì)存在與底面平行的地方，聲波就會(huì)在此處發(fā)生多次反射疊加產(chǎn)生諧振。此次試驗(yàn)是在已知厚度為5.5 mm和5.0 mm的情況下，檢測(cè)出其對(duì)應(yīng)諧振頻率的。但是在實(shí)際的厚度減薄中，由于減薄部分的厚度并不一定是恒定的，所以會(huì)檢測(cè)出多個(gè)頻率。當(dāng)測(cè)試體存在如圖13所示的復(fù)雜形狀時(shí)，會(huì)檢測(cè)到不同厚度與各底面的平行部分厚度相對(duì)應(yīng)的諧振頻率。在試驗(yàn)中，檢測(cè)出厚度最薄的位置才是最安全的。由于厚度薄的測(cè)試體的諧振頻率高，因此如果在厚度減少部分觀測(cè)到多個(gè)諧振頻率，判斷出哪個(gè)位置對(duì)應(yīng)的一階基本諧振頻率最大，就能判斷哪個(gè)位置是厚度最薄的部分。

圖13 復(fù)雜形狀測(cè)試體的結(jié)構(gòu)示意

4 結(jié)語(yǔ)

使用非接觸式空氣耦合超聲諧振法測(cè)量技術(shù)對(duì)測(cè)試體進(jìn)行了厚度測(cè)量，對(duì)產(chǎn)生的諧振信號(hào)進(jìn)行了傅里葉變換，檢出了與測(cè)試體厚度相對(duì)應(yīng)的一階與二階諧振頻率。改變探頭與測(cè)試體之間的位置，諧振信號(hào)的狀態(tài)也發(fā)生變化，厚度越薄處對(duì)應(yīng)的諧振頻率越大。用諧振法分別對(duì)平行凹槽、三角形凹槽和圓形凹槽測(cè)試體的厚度進(jìn)行了檢測(cè)，如果有與底面平行的部分，就會(huì)在此處檢測(cè)到諧振信號(hào)，檢測(cè)出與各種厚度相對(duì)應(yīng)的諧振頻率，最后計(jì)算出各種厚度。