非接觸空氣耦合超聲諧振法測厚

(1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室,南昌 330063;2.日本探頭株式會社,橫濱 2320033)

超聲諧振法是超聲檢測中一種常用的測厚方法，超聲測厚不僅局限于測量出物體厚度這種簡單的幾何問題，還能通過所測厚度的變化，及時分析材料內部的變化。超聲諧振法因為具有可測量下限小，測量精度高等優點，被廣泛應用于厚度的檢測中[1-3]。傳統的接觸式檢測時使用的液體或固體耦合劑會給試件帶來二次污染與損傷，而空氣耦合超聲檢測具有非接觸、非浸入、非破壞以及易實現自動化等特點。因此，空氣耦合超聲在復合材料、鋼筋混凝土、鋼板以及鋰電池等材料的檢測中得到了很好的研究和應用[4-8]。筆者提出了非接觸空氣耦合諧振測厚技術，簡單地介紹了非接觸式空氣耦合超聲諧振法測厚的優點、原理以及檢測方式，使用不同厚度的測試體驗證了諧振頻率與測試體厚度的關系，并對由鋁板制作的三角形凹槽、平行凹槽以及圓形凹槽等不同形狀的凹凸表面進行諧振測厚試驗，驗證了空氣耦合超聲諧振法測厚的有效性和實用性。

1 諧振法測厚原理

在空氣耦合超聲檢測中，超聲波在試件中的往返透射率僅有接觸法或者水浸法的1/10000[8]。當試件的厚度為λ/2(λ為波長)的整數倍時，試件下界面的反射波與入射波互相疊加而形成駐波時，試件會在厚度方向產生諧振(見圖1)，聲波能量的透射率從而發生很大變化，這就是非接觸式空氣耦合超聲諧振法測厚的原理，測厚公式見式(1)，(2)。檢測時，通過對接收到的聲波諧振信號進行FFT(快速傅里葉變換)便可獲得諧振頻率，這樣就可以計算出發生諧振的聲波波長以及檢測試件的厚度。

(1)

c=fλ

(2)

式中：c為被檢測材料的聲速；f為聲波諧振頻率；T為試件的厚度；n為半波長的倍數。

當n=1時，所得的f1為基本諧振頻率，即諧振發生在半波長的時候；當n=2,3,4，…時，諧振發生在半波長的n倍，fn為諧振發生在半波長的n倍時的諧振頻率。相鄰2個諧波共振頻率之差等于基本諧振頻率，即

fn+1-fn=f1

(3)

當知道任意2個相鄰諧波諧振頻率之后，厚度為

(4)

圖1 聲波在試件內的諧振示意(聲波波長等于測試體厚度的一半時)

2 測厚試驗方法

圖2 非接觸空氣耦合超聲諧振法測厚原理示意及檢測現場

圖3 5 mm厚鋼板諧振試驗接收到的時域波形和頻譜分布

采用型號為JPR-600C的超聲發射接收器和高靈敏度空氣耦合專用超聲探頭，探頭的中心頻率為600 kHz，晶片直徑為20 mm。使用探頭架將探頭垂直安裝在厚度為5 mm鋼板的表面，并保持一定距離，最后使用JPR-600C發射的電壓為100 V，波數為30，中心頻率為600 kHz以及調頻比為1.2的線性調頻波，讓聲波垂直入射到試件中，檢測原理示意及檢測現場如圖2所示。對5 mm厚鋼板進行諧振試驗后接收到的時域波形如圖3(a)所示，對波形中來自鋼板內部發生若干次反射產生的反射回波進行傅里葉變換，得到的頻譜分布如圖3(b)所示。從圖3(b)中可以看到頻率為589.6 kHz和1.191 MHz的2個諧振峰，其中頻率589.6 kHz與根據測試體厚度計算出的一階基本諧振頻率590 kHz接近，所以可以確認589.6 kHz為基本諧振頻率，1.191 MHz為二階諧振頻率。分別對厚度為10，11，12，13，14，15 mm的鋼板進行試驗，得到其實際諧振頻率、理論諧振頻率以及根據式(4)計算出的厚度，如表1所示。由表1可知，其諧振頻率隨厚度的不同而變化，且根據檢測出來的諧振頻率可以計算出試件的厚度，誤差在0.2 mm以內。接下來使用中心頻率為500 kHz的探頭測量了厚度為6 mm的鋼板，使用頻率為750，960 kHz的探頭分別測量厚度為3，4，6 mm的鋼板，結果如表2所示，試件厚度誤差都在0.2 mm以內。

表1 不同厚度鋼板的實際諧振頻率、理論諧振頻率以及計算出的厚度

表2 厚度為3,4，6 mm鋼板的測量結果

3 多種厚度及多種形狀試件的測厚試驗

在實際工程中，如果管道內部發生了壁厚減薄的情況，那么其表面不會是平坦的規則形狀，而是存在凹凸不平的不規則形狀。所以在鋁板(聲速為6 320 m·s-1)上制作了平行凹槽、三角形凹槽和圓形凹槽測試體，為了對比，測試體上留有厚度為5.5 mm的平面部分，三種凹槽的厚度結構示意如圖4所示，以0.5 mm的深度設定了各自的凹槽，平行凹槽和圓形凹槽的間距為20 mm，三角形凹槽的間距為3 mm。使用超聲發射接收器發射了電壓為100 V，波數為10，頻率為800 kHz，調頻比為1.2的線性調頻脈沖串信號。探頭使用中心頻率為800 kHz，晶片直徑為20 mm，振動面為平面的高靈敏度空氣耦合超聲專用探頭，使用諧振法對測試體進行厚度測量試驗，測試體的整體結構示意如圖5所示。

圖4 不同凹槽形狀測試體的結構示意

圖5 測試體的整體結構示意

3.1 對平面凹槽測厚

對圖4所示測試體的平面凹槽(厚度為5.5 mm)進行諧振法測厚試驗，并對來自測試體內的波形進行FFT變換，圖6為平面凹槽諧振法測厚試驗得到的頻譜分布。可以看到，圖6中存在2處頻率分別為0.563 MHz和1.151 MHz的諧振波峰，其中0.583 MHz處為聲波產生的一階諧振基本頻率，1.151 MHz為聲波產生的二階諧振頻率。根據式(4)對應計算出測試體的厚度為5.53 mm，厚度測量正確。

圖6 平面凹槽諧振波形的頻譜分布

3.2 對平行凹槽測厚

圖7 平行凹槽厚度a1處的頻譜分布

圖8 平行凹槽厚度b1處的頻譜分布

對圖4中平行凹槽測試體進行諧振試驗，從測試體的背面發射聲波，探頭從背面正對凹槽最低點厚度a1處(厚度5.0 mm)進行試驗，對在平行凹槽厚度a1處發生諧振的接收波形進行FFT變換后得到的頻譜分布如圖7所示。從圖7可以看到頻率分別為0.628 9 MHz和1.194 MHz的諧振峰，由諧振基本頻率正確地計算出測試體的厚度為4.95 mm。再移動探頭來測量凹槽最高點的厚度b1(厚度5.5 mm)，對凹槽厚度b1處發生諧振的接收波形進行FFT變換后得到的頻譜分布如圖8所示，從圖8可以看到頻率分別為0.570 3 MHz和1.14 MHz的諧振峰，根據諧振頻率計算出對應的厚度為5.46 mm，分別正確地檢測出了圖4中的厚度a1和b1。

3.3 對三角形凹槽測厚

對三角形凹槽進行諧振試驗,超聲波的發射也是從測試體的背面進行的。對三角形凹槽最低點厚度a2(厚度5.0 mm)處進行試驗，并對發生諧振的接收波形進行FFT變換得到的頻譜如圖9所示，從圖中可以明顯看到頻率分別為0.635 MHz和1.263 MHz的諧振峰。根據諧振頻率計算出對應的厚度為4.90 mm，誤差為0.1 mm。然后再次改變探頭的位置，對凹槽的最高點厚度b2處(厚度5.5 mm)進行試驗，對發生諧振的接收波形進行FFT變換得到的頻譜如圖10所示。從圖10中可以看到頻率分別為0.570 9 MHz和1.14 MHz的諧振峰，根據諧振頻率計算出對應的厚度為5.45 mm，誤差為0.05 mm。

圖9 三角形溝槽厚度a2處的頻譜分布

圖10 三角形溝槽厚度b2處的頻譜分布

3.4 對圓形凹槽測厚

對圓形凹槽進行諧振測厚試驗。從測試體的背面發射超聲波對圓形凹槽最低點厚度a3處(厚度5.0 mm)進行試驗，并對發生諧振的接收波形進行FFT變換得到的頻譜分布如圖11所示，從中可以得到頻率為0.636 4 MHz和1.27 MHz的諧振峰。根據諧振頻率計算出對應的厚度為4.89 mm，誤差在0.2 mm以內。再次改變探頭的位置，在正對凹槽的最高點厚度b3處(厚度5.5 mm)進行試驗，對發生諧振的接收波形進行FFT變換，得到的頻譜分布如圖12所示，從圖中可以看到頻率分別為0.563 2 MHz和1.151 MHz的諧振峰，根據諧振頻率計算出對應的厚度為5.53 mm，誤差在0.1 mm以內。

圖11 圓形溝槽厚度a3處的頻譜分布

圖12 圓形溝槽厚度b3處的諧振頻率

3.5 技術應用

從試驗結果來看，如果在測試體上出現了厚度的減薄，就會存在與底面平行的地方，聲波就會在此處發生多次反射疊加產生諧振。此次試驗是在已知厚度為5.5 mm和5.0 mm的情況下，檢測出其對應諧振頻率的。但是在實際的厚度減薄中，由于減薄部分的厚度并不一定是恒定的，所以會檢測出多個頻率。當測試體存在如圖13所示的復雜形狀時，會檢測到不同厚度與各底面的平行部分厚度相對應的諧振頻率。在試驗中，檢測出厚度最薄的位置才是最安全的。由于厚度薄的測試體的諧振頻率高，因此如果在厚度減少部分觀測到多個諧振頻率，判斷出哪個位置對應的一階基本諧振頻率最大，就能判斷哪個位置是厚度最薄的部分。

圖13 復雜形狀測試體的結構示意

4 結語

使用非接觸式空氣耦合超聲諧振法測量技術對測試體進行了厚度測量，對產生的諧振信號進行了傅里葉變換，檢出了與測試體厚度相對應的一階與二階諧振頻率。改變探頭與測試體之間的位置，諧振信號的狀態也發生變化，厚度越薄處對應的諧振頻率越大。用諧振法分別對平行凹槽、三角形凹槽和圓形凹槽測試體的厚度進行了檢測，如果有與底面平行的部分，就會在此處檢測到諧振信號，檢測出與各種厚度相對應的諧振頻率，最后計算出各種厚度。