基于Matlab的船舶外板超聲波測厚數據分析研究

劉春青

(貴州交通職業技術學院，貴州 貴陽 550008)

基于Matlab的船舶外板超聲波測厚數據分析研究

劉春青

(貴州交通職業技術學院，貴州 貴陽 550008)

摘要：船舶作為水上主要交通工具，受海水腐蝕和波流沖擊影響，其使用環境惡劣。海水腐蝕使船板厚度減小、強度降低、導致船舶使用壽命縮短、航行性能下降。使用科學的方法對船板厚度定期、精確的檢測，對保證船舶航行安全有著重要的意義。本文根據船體測厚規范要求，以超聲波測厚理論知識為基礎，基于Matlab軟件分析研究測厚數據情況，形成形象直觀的船板厚度圖像。船體測厚數據的分析為驗船師對船舶強度的可靠性進行評估及對船舶結構修理與換新提供依據，測厚結果為船東制定船舶維護與管理提供有效的參考。

關鍵詞：Matlab；超聲波測厚；超聲波衰減

引言

船舶是一種復雜的水上工程建筑物，其使用環境惡劣，受到復雜的外力和海水腐蝕、沖擊。海水腐蝕使船體及設備的強度降低，船舶的使用壽命縮短、航行性能下降，嚴重時還會造成海損事故。在役船舶處于復雜的使用環境，其腐蝕問題越來越受到人們的關注，防止船板腐蝕、及時檢測船板厚度是保障船舶安全航行的重要手段[1]。因海水對船板的腐蝕危害，船體各金屬構件有效幾何尺寸逐年減小，船板厚度隨著使用時間的增加而變小。

本文根據超聲波測厚原理、傳播特性、衰減規律、垂直及傾斜入射定律等方面的理論研究，具體分析超聲波衰減對測厚精度的影響。利用MATLAB軟件對測厚數據進行分析，繪制三維視圖使其更直觀、形象的反映船體各部分的腐蝕情況。

1中國船級社船體測厚規范

根據中國船級社船體測厚規范(Ver.4.0)，摘錄部分船體測厚規范如下[2]：

1.1顯著腐蝕區域測量點，在測厚報告中應單獨列出并根據船體圖紙準確地繪制測厚圖，詳細標注測厚點及顯著腐蝕區域的范圍，圖上應反映出顯著腐蝕區域縱向和橫向位置。

1.2測量范圍：強制性測厚范圍；接受近觀檢驗的區域和之前的顯著腐蝕區域。

1.3精度要求：板材厚度<10mm，精度±0.1mm；板材厚度≥10mm，精度±0.2mm。

1.4腐蝕超差時，驗船師應確定附加測厚范圍，該范圍應準確界定出顯著腐蝕區域及需修理或換新的構件。

2超聲波衰減系數

超聲波在介質中傳播時，隨傳播距離增加而聲波能量減小的現象稱為超聲波衰減，超聲波衰減取決于超聲波頻率、聲速和介質的粘滯系數、導熱性、不均勻性及晶粒大小等因素[3]。

2.1液體衰減系數

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

超聲波在液體介質中傳播時將發生衰減，隨著距離的增加，其聲壓量逐漸減弱，超聲波在液體介質中傳播時的衰減系數α為[5]：

(2.5)

2.2固體衰減系數

在役船舶測厚時，超聲波通過耦合層進入船體鋼板，在液固界面發生透射衰減[6]。測厚探頭發射聲勢為：

(2.6)

式中

(2.7)

液體介質中點(x,z)的聲勢為：

(2.8)

為簡化計算過程，把波矢k轉換為慢度矢量s，則液體介質中任一點(x,z)的聲勢為[7]：

(2.9)

(2.10)

(2.11)

超聲波在固體介質中傳播時的衰減系數α為：

(2.12)

2.3耦合層衰減計算

超聲波在水、甘油中的衰減系數為[9]：1.04和47.2，計算超聲波在液體中的衰減如下：

表1　超聲波在水中衰減

表2　超聲波在甘油薄膜中衰減

通常甘油耦合層的厚度僅為0.2mm，對超聲波在不同耦合層的衰減量計算，其結果顯示超聲波在甘油薄膜中的衰減量隨著傳播距離的增加而增大，但總體衰減量較小完全可以滿足裝置的測厚要求。

3Matlab 數據擬合

Matlab是一種功能強大的數值計算軟件，它集數值分析、矩陣計算和圖形處理等功能于一體，封裝了大量的數學函數，極大地減少了用戶編寫復雜函數的難度[10]。本節基于Matlab便捷強大的數據處理和繪圖功能對測厚數據進行三維圖形繪制，下表為船用智能測厚裝置對某散貨船左舷船體外板的測厚數據，該測厚區域高30m、長80m，建造厚度為20mm的船板，測厚完成后并對數據進行整理，使用Matlab繪制三維視圖，以便船舶使用者更直觀、形象的了解船板厚度情況。測厚數據如表3：

表3　船用智能測厚裝置對船體外板局部區域測厚數據(部分)

表4　船用智能測厚裝置對船體外板局部區域測厚數據(部分)

表3/4中x表示測厚區域高度；y表示測厚區域長度；z表示測厚點厚度。對數據進行擬合繪圖如下：

圖1　測厚數據三維視圖

圖1表示船體測厚區域的厚度三維視圖，圖中船體高度和長度與實際船體尺寸一一對應，三維視圖可直觀反映船體鋼板不同位置的厚度情況。對于厚度小于船板腐蝕極限的點及附近區域再次進行厚度測量，確定船板進行換新維修區域。

4結論

根據超聲波測厚原理、衰減、傳播規律等特點，分析船板曲度和表面粗糙度對超聲波測厚精度的影響。船體粗糙度和曲度對測厚精度的影響分析。根據超聲波測厚原理及傳播特性，通過對船體表面粗糙度、船板曲度、傳感器動態特性等因素分析，計算超聲波衰減、反射率、透射率、往返透射率對聲壓再分配，測厚耦合層混入空氣使測厚工作失敗，船板內部夾渣使測厚值不能反映船板真實厚度，提出解決方案并進行實驗驗證。

參考文獻:

[1]許友林，姚智剛，熊玲.船舶防腐蝕技術應用及其發展[J].中國修船，2008(6)：17-19.

[2]王啟友，牟小光.船體腐蝕對船舶強度的影響[J].船舶工程，2007，29(3)：37-40.

[3]董自永.鋼質營運漁船外板測厚方法[J].江蘇船舶，2007，24(6)：30-31.

[4]宋子強.超聲波檢測技術研究與工程實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

[5]崇應福.超聲學[M].北京：科學技術出版社，1990.

[6]杜建華.基于超聲波管材壁厚連續測量系統的應用與研究[D].天津：河北工業大學，2008.

[7]藤召勝，羅隆福，童調生.智能檢測系統與數據融合[M].北京：機械工業出版社，2000.

[8]丁輝.計算超聲學——聲場分析及應用[M].北京：科學出版社，2010.

[9]鄧輝，林樹青.超聲波檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2008.

作者簡介：劉春青(1984-)，男，山東菏澤，研究生，研究方向:機電一體化。

中圖分類號:U672

文獻標志碼：A

文章編號：1671-1602(2016)12-0290-02