铝质高压电瓷的超声频谱分析技术

2022-04-14李磊

科技创新导报 2022年25期

李磊

（江西省工业陶瓷质量监督检验站江西萍乡 337000）

超声频谱分析具有一定的难度，需要以超声频谱理论作为依据，通过超声测距对频谱进行分析，促进超声测距精度的提升。铝质电瓷材料的组成较为复杂，在烧结过程中，将会引起声速发生变化，导致测量结果的准确性下降。频谱测量需要注重温度的控制，使电瓷具有良好的烧结状态，使频谱测量能够基于介质结构考虑，进而提高铝质电瓷材料的性能。

1 铝质高压电瓷的超声频谱理论基础

1.1 传播特性

超声波传播过程中，将会发生反射、折射现象，使声波逐渐发生衰减，对声波传递过程造成阻碍。声波经过介质表面或通过内部时，将会发生一定程度的反射，通过对反射波的检测，可以实现对介质的分析，判断介质的表征状态。同时，声波将会发生折射现象，对介质形成入射作用，增强声波对介质的渗透能力，并且会造成声波的衰减。介质对声波的阻碍作用可以用声阻抗表示，具体求解公式如下：

Z=ρc

式中，Z为声阻抗（kg/s），ρ为介质密度（kg/m），c为声速（m/s）。通过声阻抗，可以对声波的衰减状态进行分析，声阻抗越大，声波的衰减程度越大。超声波入射角度在0～90°之间，其中，垂直入射时，声波的穿透性最强；切斜入射时，声波将伴随着折射情况出现，导致声波的穿透能力下降［1］。

1.2 介质声速

超声波的种类较多，选择不同的波形，将会影响到在介质中的传播速度，需要对不同波形特征展开分析，使超声波得到合理运用。超声波主要分为横波和纵波两种形式，应通过公式对声波速度展开计算，对超声波频谱分析进行深入掌握。横波和纵波的计算公式如下。

纵波声速：

横波声速：

式中，E为弹性模量（Pa），σ为泊松比，ρ为介质密度（m/s）。不同声波条件下，声波的速度是不同的，在超声频谱分析中需要引起重视，精准对声波速度进行选择。在介质检测过程中，需要注重横波、纵波的综合运用，采用频率为2MHz的横波和纵波对铝质介质进行分析，提高对介质的检测能力，确定晶体的排布情况，对频谱信息进行详尽分析，保障介质材料的加工质量［2］。

1.3 介质散射

超声波在介质中存在散射现象，声波将会偏离原有的传播方向，导致声波在介质中发生衰减。散射现象对声波的衰减影响较大，在分析散射现象时，需要与介质的材质相结合，确保介质的各向异性特征，确定声阻抗在介质中的分布情况，对声波的衰减过程进行评估。介质散射受到弹性常数、介质密度的影响，需要对介质特征进行深入解析，对入射幅度的变化进行控制，构建完善的入射参数形式，对声波的散射现象进行抑制，提高声波对介质的穿透作用。引起声波发生散射的因素较多，需要对散射体进行充分分析，确保介质表征的影响，提高介质结构检测的精准性，使表征效果得到有效展现。介质中，周边质点存在一定的差异性，超声检测过程中，需要注重探头灵敏度的调节，确保声波反射的检测能力，降低介质散射对频谱分析的影响。

2 铝质高压电瓷的超声频谱分析运用

2.1 数学特征

超声频谱分析应注重数学方法的应用，通过傅里叶变换，进行时域方面的转换，对频谱进行平滑过渡。频谱分析过程中，需要注重数字技术的应用，对影响频谱的变量进行考察，掌握超声信号分析的有效成分。超声频谱具有时域和频域特征，属于正弦交变信号的叠加状态，应与数学分析方法相结合，确保超声频谱分析的准确性。周期信号为x（t），周期为T，傅里叶变换表示形式如下：

式中，a0、b0、bn为傅里叶系数，fn为谐频频率。通过上述公式，能够对t时刻的信号时域展开分析，提高对声波信号的检测效率，保证超声频率在时域上的辨识能力，降低信号对时域状态的影响。同时，需要对上述公式向频域转化，具体转化形式如下：

通过上述公式，可以对复杂的时域问题进行简化，在频域上对超声频谱的特征进行了解，便于对频谱的谐波层次进行了解、对超声频谱展开动态分析。

2.2 材料表征

通过频谱分析技术，能够确定材料表征的变化情况，对铝质高压电瓷的特征参数进行分析，提高对参数的分析效率。超声频谱分析过程中，需要确保材料表征的变化，并且采用无损检测的方式，使材料表征能够明显展现，对电瓷材料进行充分了解。在超声功率谱方面，40%～50% 脉冲回波能量集中在8.2～8.5MHz 之间，需要对能量分布状况进行分析，排除铝质电瓷加工回火过程的影响，进而提高频率检测精度。材料表征受到材质厚度的影响，当电瓷材料的厚度增加后，峰值频率将会发生偏移现象，需要做好超声探头的调整工作，对声波频率的变化进行控制。当电瓷材料厚度由3mm 扩大至8mm 后，超声探头的频率由80Hz 调整到100Hz，使峰值频率逐渐向高频偏移，保障频率峰值检测的稳定性，对表征频谱进行精准检验。

2.3 模式识别

超声频谱分析过程中，需要注重模式识别的应用，构建完善的分析算法，得到频谱分析的数学模型。频谱分析具有不确定性，需要将模糊数学理论应用其中，确定频谱的特征，对频谱进行分类与过渡，提高对频谱的识别作用。模糊数学是实现无损检测的有效方法，需要采用等价模糊的分析形式对频谱进行聚类化处理，保证频谱之间具有良好的衔接关系。模糊数学分析时，应确保频谱之间隶属关系，提高对频谱的认知能力，做好模糊子集的构建工作，使超声频谱具有良好的归属关系。超声频谱标准模糊形式如下：

Ai=（ai1,ai2,…,aim,…,ain）（i=1,2,…,k；m=1,2,…,n）

式中，Ai为超声模糊频谱，ain表示第i个模糊子集的第n个特征值。在超声频谱标准子集的作用下，能够使频谱的结构更加清晰，便于对超声频谱的特征进行掌握，确保模糊子集能够被同一种模式识别［3］。

2.4 显微组织

超声频谱分析过程中，需要结合电瓷显微组织的变化情况，对铝质电瓷特性进行深入研究，明确组织中的矿物材料组成。电瓷材料可以看成负荷材料，通常由粘土、长石、刚玉等材料组成，应对各个材料特性展开分析，并且结合超声频谱的变化情况，确定频谱的具体构成。粘土是构成电瓷的重要材料，能够赋予材料陶瓷的特性，使材料能够更好地投入使用，而且在烧制过程中，可以使电瓷具有玻璃相，提高电瓷材料的物理性能。长石材料可以熔于电瓷的液相中，煅烧温度在1000～1500℃之间，使电瓷能够迅速处于熔融状态，便于对电瓷材料进行加工，提高电瓷材料的生产质量。刚玉具有提升电瓷材料强度的作用，主要成分为Al2O3，有助于电瓷材料结构的形成。铝质高压电瓷煅烧后的结构特征如表1所示，电瓷材料可以看作是复合材料，能够保证性能的稳定性。

表1 铝质高压电瓷煅烧后结构特征

2.5 性能分析

2.5.1 晶相性能

铝质电瓷材料的晶相差异较大，需要对晶相的排布特征进行分析，明确晶相的具体组成，提高晶相排布的合理性。为了保证铝质电瓷的质量，一方面，需要对晶相的种类进行控制，使刚玉、莫来石等成为主要晶相，确保电瓷结构的完整性，对晶相性能进行全面分析；另一方面，需要对晶相的含量进行控制，确定晶相含量对强度的影响，提高铝质电瓷材料的性能。将刚玉作为主晶相，可以提高电瓷的强度，能够避免断裂现象的发生，确保刚玉在电瓷中的含量充足，对晶相性能进行严格控制。另外，需要注重莫来石的运用，提高电瓷材料中Al 元素的含量，提高电瓷材料的热稳定性，使铝质电瓷的特性能够展开出来，促进电瓷材料的强度的提升［4］。

2.5.2 玻璃相性能

玻璃相对铝质电瓷性能具有一定的影响，需要确定玻璃相的组成，使玻璃相能够发挥作用。玻璃相的运用过程如下。第一，需要确保玻璃相的连续性，提高颗粒之间的衔接作用，使电瓷组织能够牢固连接，使玻璃相具有良好的内部特征。第二，需要避免玻璃熔体中产生空隙，确保组织材料之间的密度，保障材质性能的稳定性，将烧结气体及时进行排出。第三，提高玻璃相对晶粒的包裹作用，提高对晶体粒度的控制作用，保障晶体结构的稳定性。第四，需要处理好玻璃相的冷却过程，将玻璃相进行网络化，使莫来石能够融入玻璃相中，保障电瓷材料强度的稳定性。玻璃相是产生气孔的重要部位，为了降低气孔的产生，需要降低玻璃相的含量，提高对气孔的抑制作用。

2.5.3 气相性能

气相在电瓷材料中的构成较为薄弱，对材料性能具有不利作用，需要加强对气相的限制，降低电瓷材料内气孔的形成。莫来石能够抑制气相的生成，对铝质电瓷的绝缘强度进行控制，防止电瓷产生弯曲强度，加大对气相性能的管理力度。一旦出现气相性能不稳定的情况，将会导致残余气孔率的增加，在玻璃相内残余气体存储的空间，影响气相性能的稳定控制。气孔率是衡量气相性能的重要指标，需要对铝质电瓷的气孔情况进行关注，逐渐降低气孔率的影响，保障气相性能的稳定性。

2.5.4 微裂纹性能

铝质电瓷材料有粘土、长石等原料烧制而成，内部容易造成裂纹的形成，导致电瓷材料的品质下降，无法正常投入使用。微裂纹对铝质电瓷的影响较大，需要对铝质电瓷的结构进行了解，通过超声频谱进行分析，判断电瓷内部是否存在裂纹。在石英结构附近一般会出现环状裂纹，主要受到热稳定性的影响，在电瓷烧结过程中容易产生裂纹，导致原材料发生受热膨胀，进而激发微裂纹的产生。铝质电瓷需要避免石英相的产生，提高原材料使用的合理性，对电瓷材料的组成进行优化。

2.6 烧结温度

烧结温度对铝质电瓷超声频谱具有影响，需要对不同温度下的频谱特征展开分析，确保温度设置的合理性，降低电瓷内部气孔的生成。烧结温度的影响主要围绕3 个温度点展开分析，分别为1220℃、1260℃、1300℃。当温度为1220℃时，组织结构中莫来石含量较高，玻璃相含量要低一些，超声频谱特征如图1（a）所示；当温度为1260℃时，玻璃相的含量开始增加，同时莫来石的含量降低，气孔率也随之降低，铝质电瓷材料的品质得到提升，超声频谱特征如图1（b）所示；当温度为1300℃时，玻璃相将持续增加，组织结构的平衡被打破，将会对铝质电瓷的品质造成影响，超声频谱特征如图1（c）所示。由此可见，1260℃为适宜的烧成温度，需要确保烧成温度稳定性，保障电瓷材料的煅烧质量［5］。

图1 铝质高压电瓷不同烧结温度下的频谱

2.7 参数设定

超声频谱分析过程中，需要合理对参数进行设定，对超声频谱设备的使用进行分析，保证设备使用的规范性。超声频谱主要利用声波反射原理，根据反射条件来形成频谱，进而生成铝质高压电瓷对应的频谱图像。超声回波信号由探头进行检测，采集到的信号具有连续性，需要对其进行数字化处理，将回波信号导入到计算机中，对超声频率的特征进行自动分析。开展电瓷频谱检测时，需要采用标称频率形式，将频率控制为2.5MHz，探头晶片直径为20mm，提高对回声信号的捕捉效果，保证参数设定的合理性。同时，需要注重曲率半径的设置，曲率半径调整为12.5mm，提高对超声频谱图像的聚焦作用，降低散射现象对声波衰减的影响，保障回收波形的精准识别［6］。

2.8 表征测量

声速与材料特性具有一定的关系，需要结合材料对声速展开计算，对铝质电瓷的表征进行确定。表征测量采用水浸法声速测量技术，通过水层，构建声波的延时段，使声波传递具有良好的取向，提高对声波的控制作用。通过两次回波时间，能够对电瓷表征进行推测，对铝质电瓷的结构进行检验。两次回波检测采用如下公式进行计算：

式中，c介质声速（m/s），△x为底面回波间距（m），△t为回波时间（s）。表征测量是分析电瓷质量的关键，能够在无伤的情况下对电瓷材料进行分析，确保超声测距原理应用的规范性，使每次超声测距能够连续进行，促进超声频谱图像的顺利生成。

2.9 结果分析

烧结温度对超声频谱具有一定的影响，需要对烧结温度展开控制，将温度稳定在1260℃附近，同时做好数据的检测工作。为了提高声波的穿透性，需要注重纵波声速的应用，对波形进行严格的分析。在1220℃烧结温度下，波速范围在6180～6400m/s 之间，对波速范围的影响较大，不利于铝质电瓷生产过程的进行；在1260℃烧结温度下，波速范围在6630～6650m/s之间，能够对波速范围进行控制，提高超声频谱检测的准确性；在1300℃烧结温度下，波速范围在6680～6820m/s 之间，波速范围重新进行延伸。温度控制是实现波速控制的关键，需要做好温度的控制工作，将1260℃作为烧结温度，防止声速发生较大的变化，影响超声频谱的稳定生成。