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铝表面环氧树脂涂层厚度密度声速超声反演及误差传递机理研究

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随着涂层技术的发展和广泛应用，其制造质量、服役性能的检测逐渐成为研究人员关注的重点。由于制备工艺稳定性等因素影响，即使是同一零部件其不同位置涂层参数也存在一定波动，因此必须对涂层的多个参数同时检测以保证涂层参数无损表征的准确性。现有无损检测方法多局限于单个参数的测量，难以实现涂层多个参数同时表征。本研究提出一种基于超声声压反射系数幅度谱与相位谱的涂层声速、密度、厚度三参数反演方法，从理论方面研究了声压反射系数谱对参数的响应，提出基于相关系数和声阻抗约束构造反演目标函数的思路，研究了声压反射系数谱对参数的灵敏度，在此基础上分析了反演过程中的误差传递机理。对铝板和铝表面环氧树脂涂层样品进行实验测试，验证了反演方法的有效性。主要研究内容如下： （1）根据超声波在层状介质中的传播模型，推导出声压反射系数幅度谱和相位谱表达式，为表征涂层参数奠定理论基础，结合相关系数匹配法建立反演算法。基于面向材料的正则化方法减轻反问题的不适定性，提出利用声阻抗约束反演目标函数。 （2）讨论了超声在粘弹性介质中的吸收衰减机制以及在非均匀介质中的散射机制，分析涂层材料中衰减的原因为环氧树脂基料的吸收衰减以及第二相颗粒的瑞利散射衰减。提出两种测量声衰减系数的方法：拟合法与URCPS反演法，测量了涂层的声衰减系数，测量结果验证了涂层中存在的声衰减机制。 （3）在铝合金薄板上进行校准实验，获得检测系统测量幅度谱和相位谱的精度和准度，随着检测主频的提高，幅度谱和相位谱的精度逐渐提高，分别从5 MHz时的0.036和0.046提高到10 MHz的0.021和0.016。研究厚度、声速、密度和衰减系数波动引起声压反射系数幅度谱和相位谱变化的规律，为反演奠定基础。 （4）计算声压反射系数谱对铝和涂层参数的灵敏度和反演误差，随着检测主频升高，幅度谱和相位谱的灵敏度增大，反演误差减小。介质无衰减时，灵敏度极值随着频率升高单调增加；当介质衰减较大时，灵敏度曲线极值先随频率升高，随后逐渐衰减到零。采集铝板的超声时域波形，得到声压反射系数幅度谱与相位谱，反演得到声速、密度和厚度，利用幅度谱反演时，10 MHz探头的反演误差小于7.5 MHz和5 MHz，而相位谱反演误差基本不随频率变化。根据涂层灵敏度分析结果，选择主频7.5 MHz的探头对涂层样品进行检测，反演得到涂层的声速、密度和厚度，误差不超过5.58%。

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