空氣耦合超聲隱身涂層脫粘缺陷檢測(cè)技術(shù)

關(guān)鍵詞： 空氣耦合超聲; 隱身涂層; 數(shù)值模擬; 脫粘缺陷

中圖分類號(hào)： TB9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674–5124（2025）02–0148–07

0引言

雷達(dá)隱身涂層在軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，通過在飛機(jī)鋁合金表面噴涂特定的吸波涂層材料，可以吸收雷達(dá)波并減少自身紅外輻射，從而最大限度地減少被敵方雷達(dá)偵察設(shè)備發(fā)現(xiàn)的可能性。在長期服役過程中，會(huì)導(dǎo)致涂層出現(xiàn)厚度減薄、界面脫粘等隱患，進(jìn)而導(dǎo)致涂層無法有效地吸收電磁波，從而降低飛機(jī)的隱身能力[1-4]。

目前，對(duì)于涂層測(cè)厚及缺陷檢測(cè)主要采用太赫茲法、渦流檢測(cè)法和紅外熱成像法等方法[5]。如何普等人針對(duì)熱障涂層內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、太赫茲波在熱障涂層內(nèi)傳播衰減嚴(yán)重等問題，提出利用太赫茲波強(qiáng)度關(guān)系的熱障涂層厚度測(cè)量方法；何濤提出一種基于表面溫度峰值時(shí)刻的不透明涂層厚度測(cè)量方法，研究不同激勵(lì)方式下涂層結(jié)構(gòu)表面溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，探究涂層厚度與涂層結(jié)構(gòu)表面溫度場(chǎng)的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)涂層厚度的非接觸式測(cè)量[6-7]。然而，這些方法都存在一定的局限性。例如，太赫茲法設(shè)備昂貴且檢測(cè)精度受環(huán)境限制[8]；渦流檢測(cè)法對(duì)基體的導(dǎo)電性敏感，同時(shí)存在邊緣效應(yīng)[9]；紅外熱成像法容易受到環(huán)境影響，在戶外等檢測(cè)環(huán)境中易受溫度干擾[10]。

因此，在工業(yè)生產(chǎn)中，需要一種可靠簡(jiǎn)便的方法來對(duì)涂層進(jìn)行缺陷檢測(cè)，以確保涂層的質(zhì)量。本文基于非接觸式空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)非接觸、非破壞、非浸入和安全無害的特點(diǎn)[11-12]，結(jié)合COMSOL有限元仿真模型，構(gòu)建與樣品材料屬性、樣品幾何、預(yù)置缺陷和聲學(xué)特性一致的有限元模型，提出一種超聲檢測(cè)數(shù)值模擬方法，分析超聲波在被檢樣品內(nèi)部的傳播特性。接著利用python對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域處理分析，基于小波變換模極大值的方法，在多尺度下采用均值化處理，消除模極大值在單一尺度上的誤差。根據(jù)極大值平均值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)、能量關(guān)系對(duì)照材料屬性、樣品幾何、預(yù)置缺陷和聲學(xué)特性，識(shí)別出每一個(gè)極大值平均值對(duì)應(yīng)的異質(zhì)界面，并計(jì)算聲時(shí)差，實(shí)現(xiàn)涂層內(nèi)弱粘結(jié)缺陷的識(shí)別和定位功能。最后搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面著手對(duì)隱身涂層脫粘缺陷進(jìn)行了檢測(cè)，驗(yàn)證空氣耦合超聲檢測(cè)方法的可行性和可靠性。

1原理

1.1隱身涂層厚度超聲檢測(cè)原理

涂層缺陷檢測(cè)的難點(diǎn)在于涂層的密度、泊松比、楊氏模量等參數(shù)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，且通常涂層厚度在幾十至幾百納米之間，大多都與基體、粘接層形成三層甚至多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖1中，p₁為入射超聲信號(hào)，在介質(zhì)一與介質(zhì)二界面發(fā)生反射和透射，反射波形成第1次回波即p_r1；透射波在界面二發(fā)生反射傳播至介質(zhì)一與介質(zhì)二界面，透射部分形成第2次回波即p_r2，反射部分重新傳播至介質(zhì)三重復(fù)上述過程，形成第3次回波p_r3及后續(xù)更高次回波。

本文采用超聲垂直入射式檢測(cè)方法，在超聲波垂直入射條件下，隱身涂層厚度計(jì)算的數(shù)學(xué)模型為：

由式（1）可知，若介質(zhì)二與介質(zhì)三之間存在脫粘缺陷，則會(huì)導(dǎo)致其p_r1 與p_r2 聲程差減小，進(jìn)而計(jì)算得涂層厚度會(huì)隨聲程差減小而減小，由此可根據(jù)隱身涂層厚度變化判定是否存在脫粘缺陷，此即為隱身涂層脫粘缺陷檢測(cè)原理。

1.2涂層超聲反射信號(hào)處理原理

然而，這種多界面異質(zhì)薄層結(jié)構(gòu)通常會(huì)導(dǎo)致分層缺陷反射回波信號(hào)互相混疊、難以區(qū)分[13]。而超聲信號(hào)由于突變點(diǎn)多，頻譜隨時(shí)間變化大，因此需要能夠反映信號(hào)的局部時(shí)頻譜特征的分析方法。

針對(duì)上述問題，利用基于小波變換模極大值的方法對(duì)涂層超聲信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，并在模極大值的基礎(chǔ)上提取模極大值的平均幅值，以實(shí)現(xiàn)良好的時(shí)間定位性和實(shí)時(shí)性。

2數(shù)值模擬與仿真分析

2.1模型建立

為驗(yàn)證此方法可行性，使用COMSOL建立仿真模型，如圖2 所示，超聲陣列換能器參數(shù)見表1。

為與實(shí)驗(yàn)設(shè)備互相匹配，發(fā)射和接收探頭的寬度設(shè)置為8mm，探頭的激勵(lì)函數(shù)設(shè)置為頻率為3MHz的3個(gè)周期的漢寧窗函數(shù)，采樣頻率設(shè)置為100MHz，根據(jù)模型的深度，采集信號(hào)的總時(shí)長為10μs。

2.2仿真結(jié)果

通過觀察不同時(shí)刻的聲場(chǎng)快照?qǐng)D可以看到超聲波在基體和涂層中傳播規(guī)律，顏色深淺表示超聲波能量的大小，在COMSOL中用固體的總位移表示，顏色越深則能量越大。

在圖3和圖4中，可以觀察到：隨著傳播時(shí)間的推移，超聲波傳播到空氣和涂層的接觸面時(shí)，一部分超聲波發(fā)生反射，一部分超聲波發(fā)生透射。

當(dāng)超聲波傳播時(shí)間為7μs時(shí)，如圖5所示，經(jīng)涂層上表面和下底面反射的超聲波出現(xiàn)位置上的差異，接收到的超聲波在時(shí)間上會(huì)出現(xiàn)差異。若已知超聲波在涂層中的速度，則可根據(jù)速度乘以時(shí)間求得涂層的厚度。

而由于模極大值的平均值基于小波變換，小波基函數(shù)會(huì)對(duì)小波變換的結(jié)果產(chǎn)生影響，不同的小波基函數(shù)在處理突變信號(hào)時(shí)的精度也會(huì)差異，所以需要優(yōu)選小波基函數(shù)使得獲取的時(shí)間差誤差最小。

本文選用Cgau8小波基函數(shù)對(duì)圖6 中的信號(hào)進(jìn)行小波變換，尺度均使用120，結(jié)果如圖7 所示，小波時(shí)頻分析結(jié)果能分辨出信號(hào)中的波包，且能大概判斷出不同頻率下的極大值點(diǎn)，即顏色較深的地方為信號(hào)的拐點(diǎn)。

為了能更清楚地得出時(shí)間差，可以求出模極大值的平均值，如圖8所示。

為驗(yàn)證存在缺陷時(shí)本方法的可行性，在模型中預(yù)制了缺陷用于驗(yàn)證，如圖9所示。缺陷寬度設(shè)置為10mm，缺陷厚度設(shè)置為50μm，此時(shí)涂層理論厚度約為430μm。

通過對(duì)涂層進(jìn)行信號(hào)分析找到信號(hào)的突變點(diǎn)，找出時(shí)間差并計(jì)算厚度，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的定位。如圖10所示，存在缺陷時(shí)已經(jīng)不能通過時(shí)域信號(hào)判斷時(shí)間差進(jìn)而對(duì)缺陷進(jìn)行定位。于是計(jì)算這兩個(gè)缺陷回波的模極大值的平均值，如圖11所示。

3實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)使用日本探頭株式會(huì)社生產(chǎn)的高靈敏度非接觸式空氣耦合超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，型號(hào)NAUT21-I，軟件基于LabVIEW開發(fā)。由控制軟件、脈沖發(fā)射接收器JPR600C、信號(hào)采集器、PC、顯示器構(gòu)成五軸掃查系統(tǒng)，如圖12所示。實(shí)驗(yàn)采用中心頻率3MHz的空氣耦合聚焦換能器，探頭直徑8mm，采樣頻率100MHz。實(shí)驗(yàn)使用計(jì)算機(jī)控制掃查架進(jìn)行檢測(cè)，探頭擺放位置如圖13所示。

如圖14所示，試驗(yàn)樣品為在鈦合金基體上利用等離子噴涂方法噴涂ZrO₂涂層制作而成，基材為 T300，厚度約5mm。涂層由底漆層、中間層和面層組成，底漆層厚度約50μm，面層厚度約為30μm，中間層厚約450μm，涂層總厚度約為530μm，尺寸大小為180mmx180mm。缺陷采取噴清漆的方法制作（清漆聲阻抗與空氣接近，可視為缺陷），在基體（鈦合金）和底漆層預(yù)埋圓形缺陷，預(yù)埋缺陷均分布于試塊上。

圖15與圖16為實(shí)驗(yàn)采集到的試件預(yù)制缺陷處的歸一化時(shí)域波形圖與其小波變換時(shí)頻圖。

為分析涂層預(yù)制缺陷處與無缺陷處的超聲回波信號(hào)差異，根據(jù)模極大值平均值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)、能量關(guān)系對(duì)照材料屬性、樣品幾何和聲學(xué)特性，識(shí)別出每一個(gè)極大值平均值對(duì)應(yīng)的異質(zhì)界面，并計(jì)算聲時(shí)差，實(shí)現(xiàn)涂層缺陷的識(shí)別和定位?，F(xiàn)將無缺陷處與預(yù)制缺陷處小波變換模極大值的平均幅值圖作對(duì)照分析，結(jié)果如圖17所示。

4結(jié)束語

針對(duì)隱身涂層脫粘缺陷檢測(cè)需求，本文提出了基于小波變換多尺度模極大值的隱身涂層缺陷檢測(cè)方法，并對(duì)本方法的可行性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。