空氣耦合超聲隱身涂層脫粘缺陷檢測技術

關鍵詞： 空氣耦合超聲; 隱身涂層; 數值模擬; 脫粘缺陷

中圖分類號： TB9 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）02–0148–07

0引言

雷達隱身涂層在軍事領域應用廣泛，通過在飛機鋁合金表面噴涂特定的吸波涂層材料，可以吸收雷達波并減少自身紅外輻射，從而最大限度地減少被敵方雷達偵察設備發現的可能性。在長期服役過程中，會導致涂層出現厚度減薄、界面脫粘等隱患，進而導致涂層無法有效地吸收電磁波，從而降低飛機的隱身能力[1-4]。

目前，對于涂層測厚及缺陷檢測主要采用太赫茲法、渦流檢測法和紅外熱成像法等方法[5]。如何普等人針對熱障涂層內部結構復雜、太赫茲波在熱障涂層內傳播衰減嚴重等問題，提出利用太赫茲波強度關系的熱障涂層厚度測量方法；何濤提出一種基于表面溫度峰值時刻的不透明涂層厚度測量方法，研究不同激勵方式下涂層結構表面溫度場的變化規律，探究涂層厚度與涂層結構表面溫度場的關系，實現了對涂層厚度的非接觸式測量[6-7]。然而，這些方法都存在一定的局限性。例如，太赫茲法設備昂貴且檢測精度受環境限制[8]；渦流檢測法對基體的導電性敏感，同時存在邊緣效應[9]；紅外熱成像法容易受到環境影響，在戶外等檢測環境中易受溫度干擾[10]。

因此，在工業生產中，需要一種可靠簡便的方法來對涂層進行缺陷檢測，以確保涂層的質量。本文基于非接觸式空氣耦合超聲檢測技術非接觸、非破壞、非浸入和安全無害的特點[11-12]，結合COMSOL有限元仿真模型，構建與樣品材料屬性、樣品幾何、預置缺陷和聲學特性一致的有限元模型，提出一種超聲檢測數值模擬方法，分析超聲波在被檢樣品內部的傳播特性。接著利用python對仿真信號進行時頻域處理分析，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。根據極大值平均值出現的時間點、能量關系對照材料屬性、樣品幾何、預置缺陷和聲學特性，識別出每一個極大值平均值對應的異質界面，并計算聲時差，實現涂層內弱粘結缺陷的識別和定位功能。最后搭建實驗系統，從理論和實驗兩方面著手對隱身涂層脫粘缺陷進行了檢測，驗證空氣耦合超聲檢測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原理

涂層缺陷檢測的難點在于涂層的密度、泊松比、楊氏模量等參數缺乏統一的標準，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結構。

圖1中，p₁為入射超聲信號，在介質一與介質二界面發生反射和透射，反射波形成第1次回波即p_r1；透射波在界面二發生反射傳播至介質一與介質二界面，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三重復上述過程，形成第3次回波p_r3及后續更高次回波。

本文采用超聲垂直入射式檢測方法，在超聲波垂直入射條件下，隱身涂層厚度計算的數學模型為：

由式（1）可知，若介質二與介質三之間存在脫粘缺陷，則會導致其p_r1 與p_r2 聲程差減小，進而計算得涂層厚度會隨聲程差減小而減小，由此可根據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原理。

1.2涂層超聲反射信號處理原理

然而，這種多界面異質薄層結構通常會導致分層缺陷反射回波信號互相混疊、難以區分[13]。而超聲信號由于突變點多，頻譜隨時間變化大，因此需要能夠反映信號的局部時頻譜特征的分析方法。

針對上述問題，利用基于小波變換模極大值的方法對涂層超聲信號進行信號處理，并在模極大值的基礎上提取模極大值的平均幅值，以實現良好的時間定位性和實時性。

2數值模擬與仿真分析

2.1模型建立

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

為與實驗設備互相匹配，發射和接收探頭的寬度設置為8mm，探頭的激勵函數設置為頻率為3MHz的3個周期的漢寧窗函數，采樣頻率設置為100MHz，根據模型的深度，采集信號的總時長為10μs。

2.2仿真結果

通過觀察不同時刻的聲場快照圖可以看到超聲波在基體和涂層中傳播規律，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：隨著傳播時間的推移，超聲波傳播到空氣和涂層的接觸面時，一部分超聲波發生反射，一部分超聲波發生透射。

當超聲波傳播時間為7μs時，如圖5所示，經涂層上表面和下底面反射的超聲波出現位置上的差異，接收到的超聲波在時間上會出現差異。若已知超聲波在涂層中的速度，則可根據速度乘以時間求得涂層的厚度。

而由于模極大值的平均值基于小波變換，小波基函數會對小波變換的結果產生影響，不同的小波基函數在處理突變信號時的精度也會差異，所以需要優選小波基函數使得獲取的時間差誤差最小。

本文選用Cgau8小波基函數對圖6 中的信號進行小波變換，尺度均使用120，結果如圖7 所示，小波時頻分析結果能分辨出信號中的波包，且能大概判斷出不同頻率下的極大值點，即顏色較深的地方為信號的拐點。

為了能更清楚地得出時間差，可以求出模極大值的平均值，如圖8所示。

為驗證存在缺陷時本方法的可行性，在模型中預制了缺陷用于驗證，如圖9所示。缺陷寬度設置為10mm，缺陷厚度設置為50μm，此時涂層理論厚度約為430μm。

通過對涂層進行信號分析找到信號的突變點，找出時間差并計算厚度，進而可實現對缺陷的定位。如圖10所示，存在缺陷時已經不能通過時域信號判斷時間差進而對缺陷進行定位。于是計算這兩個缺陷回波的模極大值的平均值，如圖11所示。

3實驗

3.1實驗平臺搭建與實驗設置

實驗使用日本探頭株式會社生產的高靈敏度非接觸式空氣耦合超聲波檢測系統，型號NAUT21-I，軟件基于LabVIEW開發。由控制軟件、脈沖發射接收器JPR600C、信號采集器、PC、顯示器構成五軸掃查系統，如圖12所示。實驗采用中心頻率3MHz的空氣耦合聚焦換能器，探頭直徑8mm，采樣頻率100MHz。實驗使用計算機控制掃查架進行檢測，探頭擺放位置如圖13所示。

如圖14所示，試驗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）和底漆層預埋圓形缺陷，預埋缺陷均分布于試塊上。

圖15與圖16為實驗采集到的試件預制缺陷處的歸一化時域波形圖與其小波變換時頻圖。

為分析涂層預制缺陷處與無缺陷處的超聲回波信號差異，根據模極大值平均值出現的時間點、能量關系對照材料屬性、樣品幾何和聲學特性，識別出每一個極大值平均值對應的異質界面，并計算聲時差，實現涂層缺陷的識別和定位。現將無缺陷處與預制缺陷處小波變換模極大值的平均幅值圖作對照分析，結果如圖17所示。

4結束語

針對隱身涂層脫粘缺陷檢測需求，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方法，并對本方法的可行性和準確性進行了實驗驗證。