空气耦合超声散射表征表面轮廓的新非接触方法

苏克玛纳和伊仓英夫

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AZojomo（ISSN 1833-122X）第2卷2006年11月

涵盖的主题

摘要

关键词

介绍

结果与讨论

结论

确认

参考

联系方式

摘要

本文提出了一种新型的非接触式结构方法用于材料表面轮廓的表征亚博网站下载通过空气耦合超声散射．采用中心频率为0.5 MHz的宽带空气耦合电容传感器对10个表面粗糙度不同的试样进行了超声测量。试样表面轮廓的两个统计参数，均方根粗糙度中移动和表面相关长度λ._o，范围从0.04到244.1μ.从29到445μ.m,分别。在不同的散射角度下测量了样品的散射超声。散射波的振幅与参数之间的关系，中移动和λ._o，是然后检查。已经证明得到了非相干分量的振幅非镜面反射角两者都有显著变化中移动和λ._o,而相干分量在镜面反射角处的振幅仅对其敏感中移动.实验结果通过使用基于Kirchhoff的散射模型。

关键词

电性能，composite-conductive,N容易油，PercolationThreshold,carbonb缺乏．

介绍

表面粗糙度是一个重要的评价材料表面质量的参数，因为它直接影响材料的摩擦学和光学性能[1-3]。亚博网站下载尽管手写轮廓法和光学散射法这两种方法被广泛应用于表面粗糙度的测量[4-6]，但这两种方法都存在不适合实际应用的缺点。例如，触控笔法由于其机械接触测量，当要评估的表面是脆弱的或易碎的时，会损坏材料表面。光学方法可以提供基于光束辐照的非接触测量。但由于光的波长较短，粗糙度参数的测量范围上限小于1 μm。因此，需要一种替代的非接触技术来测量相对较大范围的粗糙度，例如从1 μm到100 μm。使用波长通常比光学电磁波长大得多的声波来测量表面粗糙度已经引起了相当大的注意。虽然在超声粗糙度测量方面已经有过几次实验尝试[8-15]，但大多数都是利用水或任何液体作为耦合介质的浸泡技术。在许多情况下，使用水或任何液体往往是不合适的，因为它们可能会导致具有低水阻的材料表面的严重退化。因此，非接触式测量在许多工业应用中更为可取。 Air-coupled ultrasound [16-18] which can provide noncontact measurement without any liquid couplant can be a promising candidate for surface roughness evaluation. Although some ultrasonic measurements using air-coupled ultrasound have been performed [19-21], the application to surface roughness evaluation has never been studied. In our previous work [22], we had used an air-coupled ultrasound with broadband capacitance transducers [17] for characterizing specimen surfaces with a relative large range of roughnesses, root-mean-square roughness中移动，高达244微米。我们在那个工作中表明了中移动可以通过粗糙表面散射超声波的相干分量来表征中移动主要反映了表面几何的高度信息，因此侧向信息很难得到中移动．为了获得更详细的曲面几何描述，需要另一个与曲面几何横向信息密切相关的参数。因为我们知道散射波的非相干分量与表面相关长度有关λ._o它描述了表面几何的横向信息[7]，它是有趣的检查使用非相干分量来表征表面相关长度λ._o．本文从理论和实验两方面对两者之间的关系进行了研究λ._o以及散射波的非相干分量。一对宽带电容传感器已用于反射配置，以测量从样品表面不同散射角度的散射波。散射波振幅与表面剖面两个统计参数的关系，中移动和λ._o，已被审查。将实测结果与kirchhoff散射模型的理论计算结果进行了比较。

粗糙表面的散射超声波

摘要将粗糙表面的散射超声波看作是在镜面反射角反射的相干分量和在非镜面反射角[22]反射的非相干分量的叠加。散射波中这些分量的组成取决于粗糙度的程度。粗糙表面增加了非相干分量，减少了相干分量。利用基尔霍夫理论，在平面波入射、单次散射事件、表面高度高斯分布、表面高度高斯相关函数和远场条件的假设下，整体散射场强度可表示为[23]

（1)

散射场的相干分量是规则的，并与入射波相一致，散射几何图如图1所示

(2）

在哪里我_o是从光滑表面反射的能量， ，K为波数，中移动是均方根粗糙度，以及θ._我和θ._R分别为入射角和反射角。非相干分量是不规则的，与入射波缺乏相位匹配，由[23]给出

(3)

wh再保险F = (1 + cosθ_我+θ_R) / (cosθ_我+θ_R) = sinθ_我-sinθ_R，R散射点远离表面的距离，一个M是表面平均平面的面积，且λ._o为表面相关长度。由式(2)和(3)可知，相干分量主要依赖于中移动，而非相干部分则依赖于两者中移动和表面相关长度λ._o．因此，相干分量和非相干分量都可以用来定量地评价参数中移动和λ._o．

图1．实验中使用的散射几何。

实验的程序

一对宽频带空气耦合电容传感器(微声公司，BAT，加拿大)的中心频率为0.5 MHz，用于pitch-catch配置[22]。每个传感器的直径为10 mm。换能器和样本表面之间的工作距离是35毫米．采用方波脉冲发生器(Ritec, SP-801A, USA)和宽带接收机(Ritec, BR-640A, USA)发射和接收宽带超声脉冲波。超声信号由串行采集板以100 MHz的采样率采集，然后在运行LabView的个人计算机上进行信号处理和数据分析^TM软件使用以重复率为0.5kHz的换能器进行脉冲回波测量。T超声以60°的入射角入射到样品表面，以0°~ 80°的角度，间隔5°测量散射波。为了降低被测信号的背景噪声，在每个散射角对100个采集信号进行平均值计算。对每个样品在不同的位置进行了五次独立的测量，并用测量信号的峰-峰幅值的平均值进行讨论。对于本工作中使用的测量条件，评估区域(超声在样品表面的声波区)被认为直径约为10毫米。

标本

用9种不同粒度的砂纸进行了试验。砂纸被粘在钢板上使其变平。采用表面光滑的抛光不锈钢板作为参考试样。图2显示了用尖笔轮廓仪(Tokyo Seimitsu, SURFCOM3000A, Japan)测量试样的表面轮廓。尖笔半径为2 μm，尖笔载荷为0.7 mN，在表面上描出长度为40 mm。虽然有我们有几个参数评估表面粗糙度,如平均粗糙度类风湿性关节炎，最大peak-to-valley高度变化中和其他参数（JIS B0601）设计为量化通过触针方法获得的表面轮廓数据的信息，与本作工作中使用的超声波的散射现象密切相关的参数是根均方粗糙度中移动和表面相关长度λ._o如等式（2）和（3）所示，平均粗糙度之间的经验关系类风湿性关节炎和均方根粗糙度中移动可以找到一个表面轮廓的高斯高度分布，即类风湿性关节炎≅0．8中移动[24].的中移动，类风湿性关节炎或变化中与表面轮廓的高度特征有关。但是，表面相关长度λ._o与表面轮廓的横向特征有关。因为两个不同的面可能有相同的值类风湿性关节炎或中移动[25]，侧位资料λ._o对于区分这样的表面很有用。

图2．用触针法测量每个样品的表面轮廓。

均方根粗糙度中移动是作为表面高度的垂直尺寸的方差计算的吗h (x)．对于离散情况，中移动由[26]给出

(4)

在哪里N为数据点的个数，h_我是曲面轮廓中每个点的高度，以及 为表面轮廓线的平均高度。由的自相关函数得到表面相关长度h (x)．空间位移的自相关函数x '= nΔx由[26]给出

(5)

在哪里h_{我+ n}是一个从该点具有空间位移的点h_我，N为≥0的整数。表面相关长度λ._ο定义为距离x '在这C (x ')等于1/e[26]。表面相关长度λ._ο提供关于粗糙表面的峰值之间的平均横向距离的信息。根据Takafuji等. [24],λ._ο等于优势数量的倒数峰值每单位长度(PPI)，λ.o≅1/PPI。因此，可以认为表面相关长度是表面轮廓的主导空间频率。的中移动和λ._o所用砂纸的范围从9.8到244.1μ.从29到445μ.m,分别如图2所示．图3显示高度的自相关函数C（x′）对于有中移动= 42.6μ.M的理论高斯相关函数也在图3中进行了描述。统计特性（如高度分布[22]和试样表面高度的相关函数）如下所示：很好地近似于高斯分布。

图3。样品高度的自相关函数Rq=42.6µM．

结果与讨论

图4显示了每个样品的散射波振幅随散射角的变化。这里使用的是被测脉冲信号的峰值幅值。我们可以看到，每条振幅变化曲线在反射角为60°时都有一个峰值，随着散射角的偏离60°，峰值的振幅逐渐减小。由于入射角为60°，所以60°的反射角即为超声被试样表面强烈反射的镜面角度。对于镜面角度，入射区域的反射波分量是同相的，因此这些分量之间的相位匹配产生了强振幅反射。这样的分量称为相干分量。这种相干分量与表面粗糙度之间的关系已在前面的工作[22]中讨论过。图5(a)给出了不同值时相干分量的波形中移动图5(b)为它们的频谱图。图6给出了相干分量振幅与归一化粗糙度之间的关系Rq∙f[22]表示图5(b)中0.25、0.5和0.75 MHz的频率分量。实线是由式(2)计算得到的理论结果Rq∙f小于50毫秒^－1．范围内的测量值和理论值之间的不一致Rq∙f大于50毫秒^－1可能是由在测量信号中产生不可忽略的联锁组件引起的。我们可以在图6中看到，幅度显着降低Rq∙f小于100毫秒^－1.由于对于不同的镜面反射角（如30°[22]）也获得了如图6所示的类似结果，因此在本工作中，入射角的选择可能是相干分量粗糙度测量的一个不重要因素。

图4．具有不同粗糙度的散射角度的振幅的变化中移动．

(一)

(b)

图5．从具有不同粗糙度的样本反射的相干组分的波形（A）及其频谱（B）中移动（θ._我＝θ._R= 60°)．

图6．振幅和归一化粗糙度之间的关系Rq∙f（θ._我＝θ._R= 60°)．

对于非镜面反射角，如图4所示<50°或>70°，认为不存在更多的相干分量，只存在非相干分量。由于非相干分量在同相情况下分散到各个方向，因此其振幅相对于相干分量来说很小。图7显示了每个试样在30°散射角下测得的波形。我们可以看到波形随时间的变化中移动与图5(a)所示的相干分量有很大的不同。自振幅随中移动在振幅变化期间，波形不保持规则，在30°角的测量波中，非相干分量占主导地位。从方程（3）可以看出，非相干分量的振幅不仅取决于中移动也与表面相关长度有关λ._o.了解两者的影响中移动和λ._o因此，非相干分量的振幅是从散射波评估表面粗糙度的一个重要方面。图8显示了根据方程（3）计算的振幅随时间的变化中移动和λ._o入射角为60°，散射角为30°。计算所用的其他参数与上述实验所用参数相同。需要注意的是，非相干分量的振幅对这两种情况都非常敏感中移动和λ._o．由图8可以看出，表面相关长度λ._o当中移动图9显示了λ._o和每个样本的相连部件的幅度，其中通过除以样本的幅度来标准化幅度中移动=244.1 μmλ._o是用手写轮廓仪测量的。测得的振幅和λ._o与理论结果基本一致。实验结果与理论结果有出入中移动小于52.3 μm。这是因为非相干分量的振幅对于这样小的值是相当小的中移动因此，它被认为与被测信号中的噪声具有可比性。这种噪声造成了理论和实验结果之间的差异。

图8．计算的振幅分布的非相干分量作为粗糙度的函数中移动和表面相关长度λ.o（θ.我= 60°,θ.R= 30°)。 图9．表面相关长度与温度的关系λ.o和非相干分量的振幅(θ.我= 60°,θ.R= 30°)。 实验结果表明，空气耦合超声可用于非接触测量较大范围的粗糙度，如50 μm及以上的粗糙度，这些粗糙度不能用光学方法测量。为建立提出的表面轮廓评价技术，需要对其灵敏度和测量误差进行进一步的研究。 结论 我们使用中心频率为0.5 MHz的宽带电容换能器进行了表面轮廓的非接触表征。以均方根粗糙度为统计参数的试样中移动和表面相关长度λ.o，范围为0.04 ~ 244 μm29 - 445μ.M。散射波与两个参数之间的关系中移动和λ.ο已被确认。实验证明带有表面粗糙度的散射波的非相干分量与相干分量的行为有很大的不同． 非相干分量的振幅与系统参数之间的测量关系中移动和λ.ο已获得和使用基于基尔霍夫散射模型进行验证。自非相干分量的振幅取决于两者中移动和λ.ο,我T已经被证明是可以估计的λ.o由非相干分量的振幅中移动是已知的。 致谢树人 感谢日本科学研究计划(JSPS)和教育、文化、体育、科技部21世纪卓越中心(COE)项目的资助。亚博老虎机网登录 参考s 1.陶琪，李宏平，林少平，“表面粗糙度模型的接触力学”，磨损，卷。249，539-545.，2001. 2.李国华，G.W.Kattawar和杨平，“表面粗糙度对小颗粒光散射的影响”，J.定量光谱学与辐射传输，yabo214卷。89，123-131，2004. 3.D. J. Whitehouse，《表面计量学》，Meas出版社。科学。抛光工艺。卷。8，955-972，1997. 4.K.Mitsui，“用于表面粗糙度的过程中传感器及其应用”，精密工程。，卷。8，212 - 2201.986. 5.J. M. Bennet，“表面粗糙度表征的最新进展”，Meas。科学。抛光工艺。卷。3.，1119 - 1127，1992年。 6.T.V.Vorburger，E.Marx和T.R.Lettieri，“用光散射测量表面粗糙度的状态”，应用。选择。，卷。32，3401 - 3408，1993年。 7.J. A. Ogilvy，“随机粗糙表面散射理论”，IOP, Bristol(1991) 32。 8.“基于超声传感的表面粗糙度测量方法”，《工程技术》。在工业上,卷。117，439 - 447，1995年。 9.王志强，王志强，“表面粗糙度的超声测量方法”，应用声学技术。选择。卷。32，3433-3437，1993年。 10.吴淑珍，“基于超声散射的表面粗糙度评估”，电子学报。UFFC,卷。41，863-871，1994. 11.M.deBilly，F.C.Tenoudji，G.Quentin，K.Lewis和L.Adler，“固体中粗糙缺陷几何和表面参数的超声波评估”，J.无损评估。，卷。1，249-261，1980年。 12.P. C. Pedersen和A. Grebe，“时间延迟光谱法在粗糙表面表征中的应用”，超声波，卷。39，101 - 108，2001. 13.王志强，“平面界面的粗糙度、角度、距离和传感器类型对回波信号的影响”，机械工程学报。UFFC,卷。48，511 - 521，2001. 14.M. de Billy, F. C. Tenoudji, a . Jungman和G. J. Quentin，“利用超声后向散射图分配粗糙表面特征的可能性”，IEEE Trans。UFFC,卷。23，356 - 363，1976 15.P.F.Smith和M. A.球员，“使用超声波脉冲的体熵信号处理增强了表面参数化”，MEA。科学。抛光工艺。2(1991) 419 - 429。 16.H.Nagahara，T.Hashida，M.Suzuki和M.Hashimoto，“使用纳米泡沫材料在空气中开发高灵敏度超声换能器”，日本。J. Appl。物理。，卷。44，4485-4489，2005 17.陈志伟，“微机械空气耦合电容传感器的设计与特性”，电子与电子工程学报。UFFC,卷。42，42-51，1995年。 18.D. A. Hutchins, D. W. Schindel, A. G. Bashford和W. M. D. Wright，“超声静电换能法的进展”，超声波，卷。36，1 - 6，1998. 19.K. Sasaki, M. Nishihara和K. Imano，“引入最大相位灵敏度调谐的空气耦合超声波纳米级分辨率位移测量系统”，日本。J. Appl。物理。，卷。44，4411 - 4416，2005 20.R. Stoessel, N. Krohn, K. Pfleiderer和G. Busse，“各种材料的空气耦合超声检测”，超声波，亚博网站下载卷。40，159 - 163，2002. 21.D. W. Schindel和D. A. Hutchins，“微机械电容换能器在空气耦合超声和无损评估中的应用”，电气工程学报。UFFC,卷。42，51-58，1995年。 22.D. D. Sukmana和I.Ihara，“将空气耦合超声在非接触表面粗糙度评估中的应用”，JPN。J. Appl。物理。，卷。44，4417 - 4420，2005 23.参考文献7)第88-89页。 24.“表面粗糙度的一种新的定量表征及其在钢板表面光散射分析中的应用”，译。ISIJ,卷。62，75 - 83，1976，（日语）。 25.参考7)第13页。 26.D. J. Whitehouse，“表面计量手册”，物理研究所出版，伦敦(1994)第15页和第53页。 联系方式

Deden殿Sukmana.＊和ikuo.井原 长冈工业大学机械工程系 长冈,940 - 2188 日本 ＊电邮：(电子邮件保护)

T这篇论文也发表在《科技进步》上亚博网站下载材料与材料加工学报，8[2](2006)248 - 255“。