表面粗糙度對壓電超聲測厚的影響

崔西明,王　哲,張　卓,康宜華

(1.華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 無錫研究院， 無錫 214000)

?

表面粗糙度對壓電超聲測厚的影響

崔西明1,王哲1,張卓2,康宜華1

(1.華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 無錫研究院， 無錫 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的原因；最后，通過不同粗糙度試樣及不同直徑超聲探頭的試驗，進一步驗證了工件表面粗糙度對壓電超聲測厚的影響。

關(guān)鍵詞：壓電超聲；表面粗糙度；測厚；散射；回波

工件厚度測量，例如大型儲油罐底板厚度、船舶船體厚度和輸油管壁厚等的測量，直接關(guān)系到這些構(gòu)件的使用安全性[1]。目前，壓電超聲測厚方法廣泛應(yīng)用于鋼板等工件的厚度測量，具有操作簡便等優(yōu)點[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對超聲測厚的信號造成一定的影響，不利于對壓電超聲測厚信號進行評價。

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

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

1表面粗糙度對入射波的影響

1.1聲波的反射和折射路徑分析

壓電超聲測厚的模型如圖1所示。不平整工件表面上的各點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特性；而測厚計算中基于聲程差的飛行時間計量是基于光滑表面進行的[7-8]。因此，表面粗糙度對厚度測量結(jié)果的評定會造成一定的困難。為此，引入超聲波傳播理論加以分析。

圖1　壓電超聲測厚模型示意

在分界面滿足聲壓及法向質(zhì)點速度連續(xù)，由此聲場在兩介質(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)點均滿足式(1)。如圖3所示，介質(zhì)1內(nèi)聲場方向與分界面法向之間的夾角稱為入射角，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的入射角也不同。介質(zhì)2中聲場的方向與分界面法向之間的夾角稱為折射角，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幅值會減弱。探頭面積較小時，接收的回波能量較小，表面粗糙度對小尺寸探頭的影響會更大。表面越粗糙，入射波同一波陣面上的各點到達(dá)介質(zhì)分界面的時間差就越大，對入射波的散射越大，對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。不同表面紋理對入射波同一波陣面上各點到達(dá)介質(zhì)分界面的時間差影響較小，因此對一次底面回波的信號幅值影響較小。

1.2不同粗糙表面聲場仿真分析為了進一步觀察表面粗糙度對超聲聲場的影響，在COMSOL軟件中建立一個表面粗糙度的有限元模型,研究表面粗糙度對超聲在鋼板中的聲場影響。建立如圖5(a)所示的簡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超聲測厚中超聲傳播過程的影響。

圖5　各種粗糙表面模型及其聲場示意

由圖5(b)和圖5(c)透射波聲場可知，粗糙表面的鋼板內(nèi)部背景聲場較強，形成超聲測厚的背景噪聲。進一步由圖5(b)和圖5(c)反射波聲場可以看出表面粗糙的鋼板的底面回波變得雜亂，說明了表面粗糙度對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，兩種粗糙度模型對超聲聲場的影響是類似的，都增加了干擾背景聲場。

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，表面粗糙度對工件超聲測厚的影響特性主要包括兩點：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；二是透射波的聲強減弱。

2試驗方法和結(jié)果分析

2.1試驗試樣

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

試驗采用如圖8所示的標(biāo)準(zhǔn)粗糙度對比試塊進行測厚試驗，驗證表面粗糙度對測厚信號的衰減及表面紋理的影響。試驗中采用的標(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鋼板超聲測厚信號的影響，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。

考慮到實際檢測過程中可能會使用不同規(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)格對檢測信號可能產(chǎn)生的影響。

2.2試驗結(jié)果及分析

在實際的測厚過程中，由于一次回波信號的幅值最大，并且回波在工件內(nèi)部的傳播路徑越長，回波幅值越小。因此將一次回波信號的幅值作為評價表面粗糙度對超聲測厚信號的影響大小的特征量。

2.2.1表面粗糙度對信號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，一次回波信號的幅值變化小于2 dB，也就是說當(dāng)Ra<1 μm時，表面粗糙度對壓電超聲測厚的影響可以忽略。當(dāng)Ra>1 μm時，隨著表面粗糙度的增大，一次回波信號的幅值明顯減小。當(dāng)表面粗糙度Ra<0.1 μm時，一次回波幅值幾乎沒有變化，說明當(dāng)表面粗糙度Ra<0.1 μm時，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幅值變化

圖10　不同表面紋理的一次回波信號幅值變化

2.2.2表面紋理對信號一次回波幅值的影響

由圖10可知，同一表面粗糙度下，不同表面紋理對一次回波信號幅值的影響小于2 dB，因此，表面紋理對一次回波信號幅值的影響較小，可以忽略。

2.2.3耦合面和底面的表面粗糙度對一次回波信號幅值的影響

由圖11可知耦合面和底面表面粗糙度對測厚信號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測厚信號的影響是相近的。

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，表面粗糙度對測厚信號的影響也不同。對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幅值變化

3結(jié)語

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

(2) 表面粗糙度相同時，表面紋理對回波信號的影響很微弱。

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

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

參考文獻：

[1]陳俊哲.電磁超聲鋼板測厚技術(shù)研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2015：1-71.

[2]王旻玥，康宜華，葉志堅,等.多通道電磁超聲測厚系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015(6):75-76.

[3]盧超，鄔冠華，馬國威.航空鈦合金板膠接表面粗糙度的超聲測量[J].測試技術(shù)學(xué)報，2008,22(1):59-65.

[4]劉貴民，張昭光.超聲檢測中表面粗糙度引起的聲衰減補償[J].無損檢測，2007，29(4):206-208.

[5]PETER B N, LASZLO A. Surface roughness induced attenuation of reflected and transmitted ultrasonic waves[J].Acoustical Society of America,1987,82(1):193-197.

[6]KOMARAIAH M, VICTOR S.Investigation of surface roughness and accuracy in ultrasonic machining[J].Precision Engineering, 1988,10(2):59-65.

[7]曹建海，嚴(yán)拱標(biāo)，韓曉楓.電磁超聲測厚方法及其應(yīng)用[J].浙江大學(xué)學(xué)報,2002,36(1):89-91.

[8]劉天華，喬學(xué)亮，陳建國.EMAT 測距測厚的系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)[J].測控技術(shù)，2005，24(4):20-22.

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

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51475194，51275193)

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

DOI:10.11973/wsjc201605001

中圖分類號：TG115.28

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)05-0001-04