[论文解读] Air-coupled thickness measurements of stainless steel

Grunde Waag, Lars Hoff+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2012

Optical measurement and interference techniques参考文献 4被引用 8

一句话总结

本研究展示了使用中心频率在200–600 kHz范围内的超宽带脉冲，通过空气耦合透射超声技术实现对不锈钢板的非接触式厚度测量。该方法成功分辨出10.0 mm、9.8 mm和9.6 mm区域之间0.2 mm（2%）的厚度差异，二次谐振频率与预期值吻合良好，而一次谐振频率的偏差则归因于有限换能器孔径效应。

ABSTRACT

A method of measuring the thickness of steel plates using through transmission of an acoustic pulse is demonstrated. This study has been done on a stainless steel plate with regions of thickness 10:0 mm, 9:8 mm, and 9:6 mm, using broadband pulses with energy in 200 kHz to 600 kHz band. Ultimately the goal is to perform similar air-coupled thickness measurements in a single sided pitch-catch measurement setup. The spectra of the transmitted pulses show the first and second harmonics of the compressional waves in the plate. When compared to a plane wave model of a fluid layer embedded in air, the second harmonic of the plate resonance fits well with the expected value. However, the first harmonic deviates such that the plate appears thicker at this resonance. This is believed to be caused by the finite aperture of the transmitting transducer, causing deviations from a plane wave. Thickness differences of 0:2 mm between the different regions of the plate were shown to be resolved. A third peak was found in the spectra. The origin of this peaks has not been verified, but is believed to come from the third harmonic of the shear wave in the steel plate.

研究动机与目标

• 开发一种无需液体耦合剂的非接触式空气耦合超声方法，用于测量钢板厚度。
• 通过使用超宽带脉冲和信号平均技术，克服空气与钢之间约-45 dB的高传输损耗。
• 在单侧插值-接收配置中，利用共振频率分析分辨出最小达0.2 mm的厚度差异。
• 研究实测与预期共振频率之间的差异，特别是对一次谐振频率的偏差进行分析。
• 探讨在透射谱中观测到的未验证第三峰值的成因，可能与剪切波谐波有关。

提出的方法

• 采用透射超声技术，以空气作为两组换能器之间的耦合介质，两换能器距不锈钢板100 mm。
• 使用自研540 kHz换能器（直径18 mm）进行发射，以及NCT500-D6 500 kHz接收器（6 mm有效元件），两者均采用平面结构。
• 施加200–600 kHz的线性 chirp 脉冲，通过200次记录的平均以提高信噪比。
• 对接收信号进行时间门控处理（130 ms窗口），以隔离透射脉冲，减少电磁耦合和多次反射的干扰。
• 从时间门控信号中估计功率谱，并应用流体层透射模型（公式2）将共振频率与板厚关联。
• 利用区域A（10.0 mm）的二次谐振峰估算钢中声速为5720 m/s，用于后续的厚度计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 空气耦合超声能否在透射模式下分辨出不锈钢板中0.2 mm的厚度差异？
• RQ2 为何一次谐振频率导致的厚度估算值比标称值高出约7%，与平面波模型存在偏差？
• RQ3 在约460 kHz处观测到的第三峰值是由何原因引起？是否可能与剪切波谐波有关？
• RQ4 有限换能器孔径效应对空气耦合超声系统中共振频率测量有何影响？
• RQ5 若引入剪切波模式和非平面波效应，能否提高厚度估算的准确性？

主要发现

• 在透射谱中，10.0 mm、9.8 mm和9.6 mm区域之间的0.2 mm（2%）厚度差异被清晰分辨。
• 二次谐振频率（约570–590 kHz）的测量结果与标称值偏差在1%以内，证实与流体层模型具有良好的一致性。
• 一次谐振频率（约270 kHz）的测量结果导致厚度估算值比标称值高出约7%，归因于有限换能器孔径引起的非平面波效应。
• 约460 kHz处的第三峰值无法用纵波模型解释，但可能对应于剪切波的第三次谐波，其估算厚度分别为区域A：10.16 mm，区域B：9.93 mm，区域C：9.84 mm。
• 通过区域A的二次谐振峰估算出钢中声速为5720 m/s，该值被用于所有区域的一致厚度计算。
• 该方法证明了在单侧非接触式超声测量中具有可行性，通过引入剪切波模式和孔径修正模型，有望进一步提升测量精度。