羅 文 ，張 偉 ，赫麗華 ，林 莉 ，劉平桂 ，張有為 ，王智勇

（1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.大連理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

0 引言

隨著制導(dǎo)技術(shù)和探測(cè)技術(shù)的高速發(fā)展，為了提高武器裝備生存能力和突防能力，世界軍事發(fā)達(dá)國(guó)家在其先進(jìn)武器裝備上不斷提升隱身結(jié)構(gòu)與隱身材料的應(yīng)用范圍[1-3]。其中，涂覆型雷達(dá)吸波涂層由于其較好的工藝性能、能在對(duì)武器裝備氣動(dòng)外形影響較小的情況下提升武器裝備的隱身性能[4]，受到了世界各國(guó)的重視。

雷達(dá)吸波涂層的雷達(dá)反射率主要取決于材料的電磁參數(shù)、層結(jié)構(gòu)和厚度等[5]。對(duì)于單層均質(zhì)雷達(dá)吸波涂層，當(dāng)材料的厚度等于介質(zhì)波長(zhǎng)的1/4 時(shí)，吸波性能最佳，當(dāng)材料的電磁參數(shù)確定后，影響涂層吸波性能的唯一因素就是涂層厚度[6]。為了保證雷達(dá)吸波涂層的反射率達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，其厚度應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)；因此，雷達(dá)吸波涂層的厚度檢測(cè)技術(shù)是保證涂層施工質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對(duì)雷達(dá)吸波涂層厚度的無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，開發(fā)了渦流測(cè)厚技術(shù)[6]、超聲測(cè)厚技術(shù)[7]與射頻測(cè)厚技術(shù)[8]。目前，最成熟的雷達(dá)吸波涂層厚度無損檢測(cè)技術(shù)為渦流測(cè)厚技術(shù)，但是該技術(shù)僅能測(cè)試非磁性金屬基底表面雷達(dá)吸波涂層厚度，而目前先進(jìn)武器裝備上碳纖維等復(fù)合材料的應(yīng)用比例越來越高[9]，不能利用渦流測(cè)厚法測(cè)試碳纖維等復(fù)合材料表面雷達(dá)吸波涂層厚度。

超聲測(cè)厚技術(shù)中，主要有2 種信號(hào)處理方法：1）時(shí)域信號(hào)處理，該方法簡(jiǎn)單直觀，但由于涂層與碳纖維等復(fù)合材料基底聲阻抗接近導(dǎo)致回波信號(hào)弱，測(cè)厚軟件容易將其識(shí)別為噪聲，難以準(zhǔn)確讀取涂層上下表面回波信號(hào)的聲程差；2）頻域信號(hào)處理，該方法主要解決超聲波在涂層中傳播時(shí)間小于其脈沖寬度導(dǎo)致涂層上下表面回波信號(hào)發(fā)生混疊的問題，目前報(bào)道較多的是聲壓反射系數(shù)幅度譜分析方法，但由于碳纖維等復(fù)合材料表面的回波信號(hào)強(qiáng)度較低，難以準(zhǔn)確選取諧振頻率和諧振頻率階數(shù)；因此這2 種信號(hào)處理方法在測(cè)試碳纖維等復(fù)合材料表面雷達(dá)吸波涂層厚度時(shí)準(zhǔn)確度較低。為了保證雷達(dá)吸波涂層具備一定的吸波性能，其厚度通常不低于300 μm，此時(shí)超聲波在雷達(dá)吸波涂層中的傳播時(shí)間大于其脈沖寬度，可以通過時(shí)域信號(hào)處理確定超聲波在雷達(dá)吸波涂層中的傳播時(shí)間，然后結(jié)合超聲波在雷達(dá)吸波涂層中的傳播速度計(jì)算雷達(dá)吸波涂層厚度。在信號(hào)處理過程中將超聲信號(hào)數(shù)據(jù)繪制成二維圖像，然后結(jié)合二維圖像與超聲信號(hào)數(shù)據(jù)分別確定超聲波在吸波涂層上、下界面的時(shí)域值，計(jì)算回波聲程差，最后計(jì)算吸波涂層厚度；但該數(shù)據(jù)處理方式效率低下。本研究提出一種基于理論分析結(jié)合Matlab 批量信號(hào)處理技術(shù)測(cè)量碳纖維復(fù)合材料表面雷達(dá)吸波涂層厚度的方法，在滿足涂層測(cè)厚精度要求的同時(shí)，可以達(dá)到顯著提升檢測(cè)效率的目的。

1 原理與方法

1.1 基本原理

超聲脈沖回波技術(shù)是應(yīng)用最早、檢測(cè)手段相對(duì)簡(jiǎn)單的一項(xiàng)超聲檢測(cè)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于各種涂層厚度的測(cè)量。已有學(xué)者開發(fā)了波形相關(guān)性算法[10]、小波變換法[11]、聲壓反射系數(shù)信號(hào)分析[7]等不同的超聲信號(hào)處理方式，來獲取涂層厚度和其他超聲特征參量。其中，利用涂層上、下表面回波信號(hào)聲程差和涂層材料的聲速來獲取涂層的厚度是最簡(jiǎn)單直觀的一種方法。

利用超聲脈沖回波技術(shù)測(cè)量碳纖維表面雷達(dá)吸波涂層厚度時(shí)，超聲脈沖信號(hào)經(jīng)超聲延遲塊探頭發(fā)出后入射到雷達(dá)吸波涂層中，分別在雷達(dá)吸波涂層上表面與上表面各產(chǎn)生一個(gè)回波信號(hào)（圖1），相應(yīng)的超聲脈沖信號(hào)時(shí)域圖見圖2。通過確定涂層上、下表面回波信號(hào)的位置并計(jì)算聲程差，然后根據(jù)公式（1）計(jì)算涂層厚度。

圖1 超聲信號(hào)在各層介質(zhì)中的透射與反射Fig.1 Transmission and reflection of ultrasonic signals in various layers

圖2 碳纖維表面雷達(dá)吸波涂層的超聲脈沖時(shí)域信號(hào)Fig.2 Ultrasonic pulse time domain signal of radar wave absorbing coating on carbon fiber surface

式中：d為涂層厚度；c為超聲波在涂層中傳播速度；Δt為涂層上、下表面超聲脈沖回波信號(hào)聲程差。

1.2 超聲脈沖回波信號(hào)位置確定

根據(jù)超聲脈沖信號(hào)特點(diǎn)，圖2 中雷達(dá)吸波涂層上表面回波信號(hào)選取脈沖信號(hào)波峰位置，下面對(duì)雷達(dá)吸波涂層下表面回波信號(hào)的選取做詳細(xì)分析。

超聲波在兩層介質(zhì)界面的透射與反射強(qiáng)度與兩層介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)，聲阻抗在數(shù)值上等于介質(zhì)密度和聲速的乘積，即：

式中：Z為介質(zhì)聲阻抗；ρ為介質(zhì)密度；c為超聲波在介質(zhì)中傳播速率。

超聲測(cè)厚時(shí)，超聲波在碳纖維復(fù)合材料表面雷達(dá)吸波涂層下表面聲壓反射系數(shù)與透射系數(shù)分別為：

式中：R為聲壓反射系數(shù)；T為聲壓透射系數(shù)；Pr,32為超聲波在雷達(dá)吸波涂層下表面的反射聲壓；Pt,12為超聲波由耦合介質(zhì)透射入雷達(dá)吸波涂層的透射聲壓；Pt,23為超聲波由雷達(dá)吸波涂層透射入碳纖維復(fù)合材料的透射聲壓；Z2為雷達(dá)吸波涂層聲阻抗；Z3為碳纖維復(fù)合材料聲阻抗。

根據(jù)超聲檢測(cè)基本原理，分3 種情況討論Z2、Z3的關(guān)系對(duì)聲壓反射系數(shù)與透射系數(shù)的影響[12]：

1）Z3=Z2。由式（3）可得R=0，T=1。超聲波沒有反射，全部透射。

2）Z3＞Z2。由式（3）可得R＞0，T＞0，反射波聲壓與入射波聲壓同相位。雷達(dá)吸波涂層下表面回波信號(hào)仍選取脈沖信號(hào)波峰位置。

3）Z3＜Z2。由式（3）可得R＜0，T＞0，反射波的聲壓與入射波的聲壓相位相比改變了180°。雷達(dá)吸波涂層下表面回波信號(hào)選取脈沖信號(hào)波谷位置。

本研究中2 種雷達(dá)吸波涂層和碳纖維復(fù)合材料的聲阻抗見表1，2 種雷達(dá)吸波涂層聲阻抗均大于碳纖維復(fù)合材料的聲阻抗；因此，2 種雷達(dá)吸波涂層下表面回波信號(hào)都選取脈沖信號(hào)波谷位置。

表1 超聲測(cè)厚試樣材料屬性Table 1 Material properties of thickness measurement sample by ultrasonic

1.3 Matlab 腳本批處理超聲時(shí)域信號(hào)

利用Matlab 腳本讀取采集的超聲時(shí)域信號(hào)文件并繪制二維圖，利用Matlab 自帶的ginput 函數(shù)分別手動(dòng)確定涂層上、下表面回波信號(hào)所處時(shí)域范圍，然后分別查找選定時(shí)域范圍內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的極大值與極小值，確定涂層上、下表面回波信號(hào)的位置并計(jì)算聲程差，然后根據(jù)式（1）計(jì)算涂層厚度，并在圖上標(biāo)注上、下表面回波信號(hào)位置、使用的文件名稱及計(jì)算的涂層厚度，將繪制的圖形導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)中，方便后期查看。Matlab 腳本批處理超聲時(shí)域信號(hào)的流程圖見圖3。

圖3 Matlab 腳本批處理超聲時(shí)域信號(hào)的流程圖Fig.3 Flow chart of batch processing of ultrasonic time-domain signal by Matlab script

2 試驗(yàn)過程

2.1 試樣制備

試驗(yàn)選用的樣品為利用壓縮空氣噴涂法制備的雷達(dá)吸波涂層，吸收劑為羰基鐵粉，粘結(jié)劑主要組分為改性環(huán)氧樹脂，基底為碳纖維與鋁合金，利用千分尺測(cè)試基底噴涂雷達(dá)吸波涂層前厚度與噴涂后涂層與基底總厚度，兩者相減得到雷達(dá)吸波涂層厚度。試驗(yàn)中采用2 種雷達(dá)吸波涂層，設(shè)計(jì)厚度分別為0.40、0.50 mm，分別記為A 雷達(dá)吸波涂層（RAC A）、B 雷達(dá)吸波涂層（RAC B）。由于雷達(dá)吸波涂層和鋁合金的聲阻抗相差較大，根據(jù)式（3）可知，超聲信號(hào)在鋁合金表面反射強(qiáng)度較高，因此利用鋁合金基底表面雷達(dá)吸波涂層校準(zhǔn)超聲波在雷達(dá)吸波涂層中傳播速度。超聲測(cè)厚試樣的材料屬性見表1。

2.2 超聲測(cè)厚系統(tǒng)與信號(hào)采集

使用USIP40 超聲波探傷儀激發(fā)探頭與DPO4032 數(shù)字示波器以及計(jì)算機(jī)，采集2 種雷達(dá)吸波涂層的超聲信號(hào)，根據(jù)待測(cè)試的雷達(dá)吸波涂層厚度范圍選擇中心頻率15 MHz 的延遲塊探頭作為超聲信號(hào)的收發(fā)裝置，探頭晶片直徑為6 mm，延遲塊材料為有機(jī)玻璃，縱波聲速為2330 m/s，密度為1050 kg/m3，帶寬（-6 dB）為11.5～18.9 MHz，增益為+7 dB。

試驗(yàn)過程中先將探頭耦合到鋁合金基底表面雷達(dá)吸波涂層上，校準(zhǔn)超聲波在2 種雷達(dá)吸波涂層中的傳播速度，然后將探頭耦合到碳纖維基底表面雷達(dá)吸波涂層上，采集超聲信號(hào)，并導(dǎo)出csv格式文件。

3 結(jié)果與分析

3.1 信號(hào)處理

圖4 為利用Matlab 腳本處理的碳纖維復(fù)合材料表面A 雷達(dá)吸波涂層的超聲脈沖時(shí)域信號(hào)，由于碳纖維的聲阻抗小于雷達(dá)吸波涂層的聲阻抗，反射波的聲壓與入射波的聲壓相位相比改變了180°；因此涂層上表面回波信號(hào)選取波峰時(shí)，下表面回波信號(hào)選取波谷。處理過程中手動(dòng)確定涂層上、下表面回波信號(hào)的時(shí)域范圍；因此，Matlab 腳本能準(zhǔn)確并迅速找出涂層上下表面回波信號(hào)位置并在圖中做標(biāo)注，進(jìn)而計(jì)算涂層厚度。

圖4 Matlab 腳本處理的超聲脈沖時(shí)域信號(hào)Fig.4 Ultrasonic pulse time domain signal processed by Matlab script

3.2 雷達(dá)吸波涂層超聲測(cè)厚結(jié)果

利用Matlab 腳本處理超聲測(cè)厚軟件采集的碳纖維復(fù)合材料表面A 雷達(dá)吸波涂層、B 雷達(dá)吸波涂層的超聲時(shí)域信號(hào)，并通過與千分尺測(cè)厚法得到的厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)（表2、表3）。A 雷達(dá)吸波涂層的Matlab 腳本計(jì)算厚度與千分尺測(cè)試的厚度絕對(duì)誤差為-0.019～0.029 mm，相對(duì)誤差為-4.69%～7.67%；B 雷達(dá)吸波涂層的Matlab 腳本計(jì)算厚度與千分尺測(cè)試的厚度絕對(duì)誤差為-0.029～0.028 mm，相對(duì)誤差為-5.92%～6.35%。由結(jié)果可以看出，由Matlab 腳本計(jì)算吸波涂層厚度可以滿足工程檢測(cè)要求。

表2 A 雷達(dá)吸波涂層厚度測(cè)量結(jié)果及厚度誤差Table 2 Thickness measurement results and error of RAC A

表3 B 雷達(dá)吸吸波涂層厚度測(cè)量結(jié)果及厚度誤差Table 3 Thickness measurement results and error of RAC B

對(duì)于Matlab 腳本計(jì)算的涂層厚度與千分尺測(cè)厚法測(cè)試的厚度值之間的差異，分析原因?yàn)椋?）Matlab 腳本計(jì)算涂層厚度時(shí)使用的涂層聲速是涂層試樣整體平均結(jié)果，而實(shí)際上雷達(dá)吸波涂層中吸收劑存在一定粒徑分布，而且不是均勻分布在粘接劑中，因此涂層聲速存在一定波動(dòng)，造成Matlab 腳本計(jì)算涂層厚度結(jié)果與實(shí)際值有一定偏差；2）超聲探頭晶片直徑為6 mm，因此采集的超聲信號(hào)為探頭接觸涂層區(qū)域內(nèi)涂層的平均信號(hào)，千分尺測(cè)試的涂層厚度也是該區(qū)域內(nèi)厚度的平均值，而碳纖維試板內(nèi)部由于存在碳纖維的交織，表面平整度不高，這也給測(cè)試結(jié)果帶來一定誤差。

4 結(jié)論

1）提出一種基于理論分析結(jié)合Matlab 批量處理超聲脈沖時(shí)域信號(hào)測(cè)量碳纖維復(fù)合材料表面雷達(dá)吸波涂層厚度的方法。

2）利用Matlab 腳本計(jì)算的涂層厚度與實(shí)際厚度值間最大絕對(duì)誤差為0.029 mm，最大相對(duì)誤差為7.67%。