鋁質(zhì)高壓電瓷的超聲頻譜分析技術(shù)

李磊

（江西省工業(yè)陶瓷質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站 江西萍鄉(xiāng) 337000）

超聲頻譜分析具有一定的難度，需要以超聲頻譜理論作為依據(jù)，通過(guò)超聲測(cè)距對(duì)頻譜進(jìn)行分析，促進(jìn)超聲測(cè)距精度的提升。鋁質(zhì)電瓷材料的組成較為復(fù)雜，在燒結(jié)過(guò)程中，將會(huì)引起聲速發(fā)生變化，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性下降。頻譜測(cè)量需要注重溫度的控制，使電瓷具有良好的燒結(jié)狀態(tài)，使頻譜測(cè)量能夠基于介質(zhì)結(jié)構(gòu)考慮，進(jìn)而提高鋁質(zhì)電瓷材料的性能。

1 鋁質(zhì)高壓電瓷的超聲頻譜理論基礎(chǔ)

1.1 傳播特性

超聲波傳播過(guò)程中，將會(huì)發(fā)生反射、折射現(xiàn)象，使聲波逐漸發(fā)生衰減，對(duì)聲波傳遞過(guò)程造成阻礙。聲波經(jīng)過(guò)介質(zhì)表面或通過(guò)內(nèi)部時(shí)，將會(huì)發(fā)生一定程度的反射，通過(guò)對(duì)反射波的檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)的分析，判斷介質(zhì)的表征狀態(tài)。同時(shí)，聲波將會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象，對(duì)介質(zhì)形成入射作用，增強(qiáng)聲波對(duì)介質(zhì)的滲透能力，并且會(huì)造成聲波的衰減。介質(zhì)對(duì)聲波的阻礙作用可以用聲阻抗表示，具體求解公式如下：

Z=ρc

式中，Z為聲阻抗（kg/s），ρ為介質(zhì)密度（kg/m），c為聲速（m/s）。通過(guò)聲阻抗，可以對(duì)聲波的衰減狀態(tài)進(jìn)行分析，聲阻抗越大，聲波的衰減程度越大。超聲波入射角度在0～90°之間，其中，垂直入射時(shí)，聲波的穿透性最強(qiáng)；切斜入射時(shí)，聲波將伴隨著折射情況出現(xiàn)，導(dǎo)致聲波的穿透能力下降［1］。

1.2 介質(zhì)聲速

超聲波的種類較多，選擇不同的波形，將會(huì)影響到在介質(zhì)中的傳播速度，需要對(duì)不同波形特征展開分析，使超聲波得到合理運(yùn)用。超聲波主要分為橫波和縱波兩種形式，應(yīng)通過(guò)公式對(duì)聲波速度展開計(jì)算，對(duì)超聲波頻譜分析進(jìn)行深入掌握。橫波和縱波的計(jì)算公式如下。

縱波聲速：

橫波聲速：

式中，E為彈性模量（Pa），σ為泊松比，ρ為介質(zhì)密度（m/s）。不同聲波條件下，聲波的速度是不同的，在超聲頻譜分析中需要引起重視，精準(zhǔn)對(duì)聲波速度進(jìn)行選擇。在介質(zhì)檢測(cè)過(guò)程中，需要注重橫波、縱波的綜合運(yùn)用，采用頻率為2MHz的橫波和縱波對(duì)鋁質(zhì)介質(zhì)進(jìn)行分析，提高對(duì)介質(zhì)的檢測(cè)能力，確定晶體的排布情況，對(duì)頻譜信息進(jìn)行詳盡分析，保障介質(zhì)材料的加工質(zhì)量［2］。

1.3 介質(zhì)散射

超聲波在介質(zhì)中存在散射現(xiàn)象，聲波將會(huì)偏離原有的傳播方向，導(dǎo)致聲波在介質(zhì)中發(fā)生衰減。散射現(xiàn)象對(duì)聲波的衰減影響較大，在分析散射現(xiàn)象時(shí)，需要與介質(zhì)的材質(zhì)相結(jié)合，確保介質(zhì)的各向異性特征，確定聲阻抗在介質(zhì)中的分布情況，對(duì)聲波的衰減過(guò)程進(jìn)行評(píng)估。介質(zhì)散射受到彈性常數(shù)、介質(zhì)密度的影響，需要對(duì)介質(zhì)特征進(jìn)行深入解析，對(duì)入射幅度的變化進(jìn)行控制，構(gòu)建完善的入射參數(shù)形式，對(duì)聲波的散射現(xiàn)象進(jìn)行抑制，提高聲波對(duì)介質(zhì)的穿透作用。引起聲波發(fā)生散射的因素較多，需要對(duì)散射體進(jìn)行充分分析，確保介質(zhì)表征的影響，提高介質(zhì)結(jié)構(gòu)檢測(cè)的精準(zhǔn)性，使表征效果得到有效展現(xiàn)。介質(zhì)中，周邊質(zhì)點(diǎn)存在一定的差異性，超聲檢測(cè)過(guò)程中，需要注重探頭靈敏度的調(diào)節(jié)，確保聲波反射的檢測(cè)能力，降低介質(zhì)散射對(duì)頻譜分析的影響。

2 鋁質(zhì)高壓電瓷的超聲頻譜分析運(yùn)用

2.1 數(shù)學(xué)特征

超聲頻譜分析應(yīng)注重?cái)?shù)學(xué)方法的應(yīng)用，通過(guò)傅里葉變換，進(jìn)行時(shí)域方面的轉(zhuǎn)換，對(duì)頻譜進(jìn)行平滑過(guò)渡。頻譜分析過(guò)程中，需要注重?cái)?shù)字技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)影響頻譜的變量進(jìn)行考察，掌握超聲信號(hào)分析的有效成分。超聲頻譜具有時(shí)域和頻域特征，屬于正弦交變信號(hào)的疊加狀態(tài)，應(yīng)與數(shù)學(xué)分析方法相結(jié)合，確保超聲頻譜分析的準(zhǔn)確性。周期信號(hào)為x（t），周期為T，傅里葉變換表示形式如下：

式中，a0、b0、bn為傅里葉系數(shù)，fn為諧頻頻率。通過(guò)上述公式，能夠?qū)時(shí)刻的信號(hào)時(shí)域展開分析，提高對(duì)聲波信號(hào)的檢測(cè)效率，保證超聲頻率在時(shí)域上的辨識(shí)能力，降低信號(hào)對(duì)時(shí)域狀態(tài)的影響。同時(shí)，需要對(duì)上述公式向頻域轉(zhuǎn)化，具體轉(zhuǎn)化形式如下：

通過(guò)上述公式，可以對(duì)復(fù)雜的時(shí)域問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化，在頻域上對(duì)超聲頻譜的特征進(jìn)行了解，便于對(duì)頻譜的諧波層次進(jìn)行了解、對(duì)超聲頻譜展開動(dòng)態(tài)分析。

2.2 材料表征

通過(guò)頻譜分析技術(shù)，能夠確定材料表征的變化情況，對(duì)鋁質(zhì)高壓電瓷的特征參數(shù)進(jìn)行分析，提高對(duì)參數(shù)的分析效率。超聲頻譜分析過(guò)程中，需要確保材料表征的變化，并且采用無(wú)損檢測(cè)的方式，使材料表征能夠明顯展現(xiàn)，對(duì)電瓷材料進(jìn)行充分了解。在超聲功率譜方面，40%～50% 脈沖回波能量集中在8.2～8.5MHz 之間，需要對(duì)能量分布狀況進(jìn)行分析，排除鋁質(zhì)電瓷加工回火過(guò)程的影響，進(jìn)而提高頻率檢測(cè)精度。材料表征受到材質(zhì)厚度的影響，當(dāng)電瓷材料的厚度增加后，峰值頻率將會(huì)發(fā)生偏移現(xiàn)象，需要做好超聲探頭的調(diào)整工作，對(duì)聲波頻率的變化進(jìn)行控制。當(dāng)電瓷材料厚度由3mm 擴(kuò)大至8mm 后，超聲探頭的頻率由80Hz 調(diào)整到100Hz，使峰值頻率逐漸向高頻偏移，保障頻率峰值檢測(cè)的穩(wěn)定性，對(duì)表征頻譜進(jìn)行精準(zhǔn)檢驗(yàn)。

2.3 模式識(shí)別

超聲頻譜分析過(guò)程中，需要注重模式識(shí)別的應(yīng)用，構(gòu)建完善的分析算法，得到頻譜分析的數(shù)學(xué)模型。頻譜分析具有不確定性，需要將模糊數(shù)學(xué)理論應(yīng)用其中，確定頻譜的特征，對(duì)頻譜進(jìn)行分類與過(guò)渡，提高對(duì)頻譜的識(shí)別作用。模糊數(shù)學(xué)是實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)的有效方法，需要采用等價(jià)模糊的分析形式對(duì)頻譜進(jìn)行聚類化處理，保證頻譜之間具有良好的銜接關(guān)系。模糊數(shù)學(xué)分析時(shí)，應(yīng)確保頻譜之間隸屬關(guān)系，提高對(duì)頻譜的認(rèn)知能力，做好模糊子集的構(gòu)建工作，使超聲頻譜具有良好的歸屬關(guān)系。超聲頻譜標(biāo)準(zhǔn)模糊形式如下：

Ai=（ai1,ai2,…,aim,…,ain）（i=1,2,…,k；m=1,2,…,n）

式中，Ai為超聲模糊頻譜，ain表示第i個(gè)模糊子集的第n個(gè)特征值。在超聲頻譜標(biāo)準(zhǔn)子集的作用下，能夠使頻譜的結(jié)構(gòu)更加清晰，便于對(duì)超聲頻譜的特征進(jìn)行掌握，確保模糊子集能夠被同一種模式識(shí)別［3］。

2.4 顯微組織

超聲頻譜分析過(guò)程中，需要結(jié)合電瓷顯微組織的變化情況，對(duì)鋁質(zhì)電瓷特性進(jìn)行深入研究，明確組織中的礦物材料組成。電瓷材料可以看成負(fù)荷材料，通常由粘土、長(zhǎng)石、剛玉等材料組成，應(yīng)對(duì)各個(gè)材料特性展開分析，并且結(jié)合超聲頻譜的變化情況，確定頻譜的具體構(gòu)成。粘土是構(gòu)成電瓷的重要材料，能夠賦予材料陶瓷的特性，使材料能夠更好地投入使用，而且在燒制過(guò)程中，可以使電瓷具有玻璃相，提高電瓷材料的物理性能。長(zhǎng)石材料可以熔于電瓷的液相中，煅燒溫度在1000～1500℃之間，使電瓷能夠迅速處于熔融狀態(tài)，便于對(duì)電瓷材料進(jìn)行加工，提高電瓷材料的生產(chǎn)質(zhì)量。剛玉具有提升電瓷材料強(qiáng)度的作用，主要成分為Al2O3，有助于電瓷材料結(jié)構(gòu)的形成。鋁質(zhì)高壓電瓷煅燒后的結(jié)構(gòu)特征如表1所示，電瓷材料可以看作是復(fù)合材料，能夠保證性能的穩(wěn)定性。

表1 鋁質(zhì)高壓電瓷煅燒后結(jié)構(gòu)特征

2.5 性能分析

2.5.1 晶相性能

鋁質(zhì)電瓷材料的晶相差異較大，需要對(duì)晶相的排布特征進(jìn)行分析，明確晶相的具體組成，提高晶相排布的合理性。為了保證鋁質(zhì)電瓷的質(zhì)量，一方面，需要對(duì)晶相的種類進(jìn)行控制，使剛玉、莫來(lái)石等成為主要晶相，確保電瓷結(jié)構(gòu)的完整性，對(duì)晶相性能進(jìn)行全面分析；另一方面，需要對(duì)晶相的含量進(jìn)行控制，確定晶相含量對(duì)強(qiáng)度的影響，提高鋁質(zhì)電瓷材料的性能。將剛玉作為主晶相，可以提高電瓷的強(qiáng)度，能夠避免斷裂現(xiàn)象的發(fā)生，確保剛玉在電瓷中的含量充足，對(duì)晶相性能進(jìn)行嚴(yán)格控制。另外，需要注重莫來(lái)石的運(yùn)用，提高電瓷材料中Al 元素的含量，提高電瓷材料的熱穩(wěn)定性，使鋁質(zhì)電瓷的特性能夠展開出來(lái)，促進(jìn)電瓷材料的強(qiáng)度的提升［4］。

2.5.2 玻璃相性能

玻璃相對(duì)鋁質(zhì)電瓷性能具有一定的影響，需要確定玻璃相的組成，使玻璃相能夠發(fā)揮作用。玻璃相的運(yùn)用過(guò)程如下。第一，需要確保玻璃相的連續(xù)性，提高顆粒之間的銜接作用，使電瓷組織能夠牢固連接，使玻璃相具有良好的內(nèi)部特征。第二，需要避免玻璃熔體中產(chǎn)生空隙，確保組織材料之間的密度，保障材質(zhì)性能的穩(wěn)定性，將燒結(jié)氣體及時(shí)進(jìn)行排出。第三，提高玻璃相對(duì)晶粒的包裹作用，提高對(duì)晶體粒度的控制作用，保障晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。第四，需要處理好玻璃相的冷卻過(guò)程，將玻璃相進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化，使莫來(lái)石能夠融入玻璃相中，保障電瓷材料強(qiáng)度的穩(wěn)定性。玻璃相是產(chǎn)生氣孔的重要部位，為了降低氣孔的產(chǎn)生，需要降低玻璃相的含量，提高對(duì)氣孔的抑制作用。

2.5.3 氣相性能

氣相在電瓷材料中的構(gòu)成較為薄弱，對(duì)材料性能具有不利作用，需要加強(qiáng)對(duì)氣相的限制，降低電瓷材料內(nèi)氣孔的形成。莫來(lái)石能夠抑制氣相的生成，對(duì)鋁質(zhì)電瓷的絕緣強(qiáng)度進(jìn)行控制，防止電瓷產(chǎn)生彎曲強(qiáng)度，加大對(duì)氣相性能的管理力度。一旦出現(xiàn)氣相性能不穩(wěn)定的情況，將會(huì)導(dǎo)致殘余氣孔率的增加，在玻璃相內(nèi)殘余氣體存儲(chǔ)的空間，影響氣相性能的穩(wěn)定控制。氣孔率是衡量氣相性能的重要指標(biāo)，需要對(duì)鋁質(zhì)電瓷的氣孔情況進(jìn)行關(guān)注，逐漸降低氣孔率的影響，保障氣相性能的穩(wěn)定性。

2.5.4 微裂紋性能

鋁質(zhì)電瓷材料有粘土、長(zhǎng)石等原料燒制而成，內(nèi)部容易造成裂紋的形成，導(dǎo)致電瓷材料的品質(zhì)下降，無(wú)法正常投入使用。微裂紋對(duì)鋁質(zhì)電瓷的影響較大，需要對(duì)鋁質(zhì)電瓷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解，通過(guò)超聲頻譜進(jìn)行分析，判斷電瓷內(nèi)部是否存在裂紋。在石英結(jié)構(gòu)附近一般會(huì)出現(xiàn)環(huán)狀裂紋，主要受到熱穩(wěn)定性的影響，在電瓷燒結(jié)過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致原材料發(fā)生受熱膨脹，進(jìn)而激發(fā)微裂紋的產(chǎn)生。鋁質(zhì)電瓷需要避免石英相的產(chǎn)生，提高原材料使用的合理性，對(duì)電瓷材料的組成進(jìn)行優(yōu)化。

2.6 燒結(jié)溫度

燒結(jié)溫度對(duì)鋁質(zhì)電瓷超聲頻譜具有影響，需要對(duì)不同溫度下的頻譜特征展開分析，確保溫度設(shè)置的合理性，降低電瓷內(nèi)部氣孔的生成。燒結(jié)溫度的影響主要圍繞3 個(gè)溫度點(diǎn)展開分析，分別為1220℃、1260℃、1300℃。當(dāng)溫度為1220℃時(shí)，組織結(jié)構(gòu)中莫來(lái)石含量較高，玻璃相含量要低一些，超聲頻譜特征如圖1（a）所示；當(dāng)溫度為1260℃時(shí)，玻璃相的含量開始增加，同時(shí)莫來(lái)石的含量降低，氣孔率也隨之降低，鋁質(zhì)電瓷材料的品質(zhì)得到提升，超聲頻譜特征如圖1（b）所示；當(dāng)溫度為1300℃時(shí)，玻璃相將持續(xù)增加，組織結(jié)構(gòu)的平衡被打破，將會(huì)對(duì)鋁質(zhì)電瓷的品質(zhì)造成影響，超聲頻譜特征如圖1（c）所示。由此可見，1260℃為適宜的燒成溫度，需要確保燒成溫度穩(wěn)定性，保障電瓷材料的煅燒質(zhì)量［5］。

圖1 鋁質(zhì)高壓電瓷不同燒結(jié)溫度下的頻譜

2.7 參數(shù)設(shè)定

超聲頻譜分析過(guò)程中，需要合理對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，對(duì)超聲頻譜設(shè)備的使用進(jìn)行分析，保證設(shè)備使用的規(guī)范性。超聲頻譜主要利用聲波反射原理，根據(jù)反射條件來(lái)形成頻譜，進(jìn)而生成鋁質(zhì)高壓電瓷對(duì)應(yīng)的頻譜圖像。超聲回波信號(hào)由探頭進(jìn)行檢測(cè)，采集到的信號(hào)具有連續(xù)性，需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化處理，將回波信號(hào)導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)中，對(duì)超聲頻率的特征進(jìn)行自動(dòng)分析。開展電瓷頻譜檢測(cè)時(shí)，需要采用標(biāo)稱頻率形式，將頻率控制為2.5MHz，探頭晶片直徑為20mm，提高對(duì)回聲信號(hào)的捕捉效果，保證參數(shù)設(shè)定的合理性。同時(shí)，需要注重曲率半徑的設(shè)置，曲率半徑調(diào)整為12.5mm，提高對(duì)超聲頻譜圖像的聚焦作用，降低散射現(xiàn)象對(duì)聲波衰減的影響，保障回收波形的精準(zhǔn)識(shí)別［6］。

2.8 表征測(cè)量

聲速與材料特性具有一定的關(guān)系，需要結(jié)合材料對(duì)聲速展開計(jì)算，對(duì)鋁質(zhì)電瓷的表征進(jìn)行確定。表征測(cè)量采用水浸法聲速測(cè)量技術(shù)，通過(guò)水層，構(gòu)建聲波的延時(shí)段，使聲波傳遞具有良好的取向，提高對(duì)聲波的控制作用。通過(guò)兩次回波時(shí)間，能夠?qū)﹄姶杀碚鬟M(jìn)行推測(cè)，對(duì)鋁質(zhì)電瓷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)。兩次回波檢測(cè)采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中，c介質(zhì)聲速（m/s），△x為底面回波間距（m），△t為回波時(shí)間（s）。表征測(cè)量是分析電瓷質(zhì)量的關(guān)鍵，能夠在無(wú)傷的情況下對(duì)電瓷材料進(jìn)行分析，確保超聲測(cè)距原理應(yīng)用的規(guī)范性，使每次超聲測(cè)距能夠連續(xù)進(jìn)行，促進(jìn)超聲頻譜圖像的順利生成。

2.9 結(jié)果分析

燒結(jié)溫度對(duì)超聲頻譜具有一定的影響，需要對(duì)燒結(jié)溫度展開控制，將溫度穩(wěn)定在1260℃附近，同時(shí)做好數(shù)據(jù)的檢測(cè)工作。為了提高聲波的穿透性，需要注重縱波聲速的應(yīng)用，對(duì)波形進(jìn)行嚴(yán)格的分析。在1220℃燒結(jié)溫度下，波速范圍在6180～6400m/s 之間，對(duì)波速范圍的影響較大，不利于鋁質(zhì)電瓷生產(chǎn)過(guò)程的進(jìn)行；在1260℃燒結(jié)溫度下，波速范圍在6630～6650m/s之間，能夠?qū)Σㄋ俜秶M(jìn)行控制，提高超聲頻譜檢測(cè)的準(zhǔn)確性；在1300℃燒結(jié)溫度下，波速范圍在6680～6820m/s 之間，波速范圍重新進(jìn)行延伸。溫度控制是實(shí)現(xiàn)波速控制的關(guān)鍵，需要做好溫度的控制工作，將1260℃作為燒結(jié)溫度，防止聲速發(fā)生較大的變化，影響超聲頻譜的穩(wěn)定生成。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，超聲頻譜分析是提高鋁質(zhì)電瓷質(zhì)量的關(guān)鍵，需要確保超聲頻譜技術(shù)的合理性，促進(jìn)頻譜質(zhì)量的提升，對(duì)電瓷結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面地檢驗(yàn)，保障鋁質(zhì)電瓷能夠順利完成生產(chǎn)。燒結(jié)溫度是電瓷質(zhì)量控制的重要步驟，需要對(duì)電瓷特征進(jìn)行分析，對(duì)鋁質(zhì)電瓷的強(qiáng)度進(jìn)行控制，保障鋁質(zhì)電瓷的性能符合要求。