鋁質高壓電瓷的超聲頻譜分析技術

李磊

（江西省工業陶瓷質量監督檢驗站 江西萍鄉 337000）

超聲頻譜分析具有一定的難度，需要以超聲頻譜理論作為依據，通過超聲測距對頻譜進行分析，促進超聲測距精度的提升。鋁質電瓷材料的組成較為復雜，在燒結過程中，將會引起聲速發生變化，導致測量結果的準確性下降。頻譜測量需要注重溫度的控制，使電瓷具有良好的燒結狀態，使頻譜測量能夠基于介質結構考慮，進而提高鋁質電瓷材料的性能。

1 鋁質高壓電瓷的超聲頻譜理論基礎

1.1 傳播特性

超聲波傳播過程中，將會發生反射、折射現象，使聲波逐漸發生衰減，對聲波傳遞過程造成阻礙。聲波經過介質表面或通過內部時，將會發生一定程度的反射，通過對反射波的檢測，可以實現對介質的分析，判斷介質的表征狀態。同時，聲波將會發生折射現象，對介質形成入射作用，增強聲波對介質的滲透能力，并且會造成聲波的衰減。介質對聲波的阻礙作用可以用聲阻抗表示，具體求解公式如下：

Z=ρc

式中，Z為聲阻抗（kg/s），ρ為介質密度（kg/m），c為聲速（m/s）。通過聲阻抗，可以對聲波的衰減狀態進行分析，聲阻抗越大，聲波的衰減程度越大。超聲波入射角度在0～90°之間，其中，垂直入射時，聲波的穿透性最強；切斜入射時，聲波將伴隨著折射情況出現，導致聲波的穿透能力下降［1］。

1.2 介質聲速

超聲波的種類較多，選擇不同的波形，將會影響到在介質中的傳播速度，需要對不同波形特征展開分析，使超聲波得到合理運用。超聲波主要分為橫波和縱波兩種形式，應通過公式對聲波速度展開計算，對超聲波頻譜分析進行深入掌握。橫波和縱波的計算公式如下。

縱波聲速：

橫波聲速：

式中，E為彈性模量（Pa），σ為泊松比，ρ為介質密度（m/s）。不同聲波條件下，聲波的速度是不同的，在超聲頻譜分析中需要引起重視，精準對聲波速度進行選擇。在介質檢測過程中，需要注重橫波、縱波的綜合運用，采用頻率為2MHz的橫波和縱波對鋁質介質進行分析，提高對介質的檢測能力，確定晶體的排布情況，對頻譜信息進行詳盡分析，保障介質材料的加工質量［2］。

1.3 介質散射

超聲波在介質中存在散射現象，聲波將會偏離原有的傳播方向，導致聲波在介質中發生衰減。散射現象對聲波的衰減影響較大，在分析散射現象時，需要與介質的材質相結合，確保介質的各向異性特征，確定聲阻抗在介質中的分布情況，對聲波的衰減過程進行評估。介質散射受到彈性常數、介質密度的影響，需要對介質特征進行深入解析，對入射幅度的變化進行控制，構建完善的入射參數形式，對聲波的散射現象進行抑制，提高聲波對介質的穿透作用。引起聲波發生散射的因素較多，需要對散射體進行充分分析，確保介質表征的影響，提高介質結構檢測的精準性，使表征效果得到有效展現。介質中，周邊質點存在一定的差異性，超聲檢測過程中，需要注重探頭靈敏度的調節，確保聲波反射的檢測能力，降低介質散射對頻譜分析的影響。

2 鋁質高壓電瓷的超聲頻譜分析運用

2.1 數學特征

超聲頻譜分析應注重數學方法的應用，通過傅里葉變換，進行時域方面的轉換，對頻譜進行平滑過渡。頻譜分析過程中，需要注重數字技術的應用，對影響頻譜的變量進行考察，掌握超聲信號分析的有效成分。超聲頻譜具有時域和頻域特征，屬于正弦交變信號的疊加狀態，應與數學分析方法相結合，確保超聲頻譜分析的準確性。周期信號為x（t），周期為T，傅里葉變換表示形式如下：

式中，a0、b0、bn為傅里葉系數，fn為諧頻頻率。通過上述公式，能夠對t時刻的信號時域展開分析，提高對聲波信號的檢測效率，保證超聲頻率在時域上的辨識能力，降低信號對時域狀態的影響。同時，需要對上述公式向頻域轉化，具體轉化形式如下：

通過上述公式，可以對復雜的時域問題進行簡化，在頻域上對超聲頻譜的特征進行了解，便于對頻譜的諧波層次進行了解、對超聲頻譜展開動態分析。

2.2 材料表征

通過頻譜分析技術，能夠確定材料表征的變化情況，對鋁質高壓電瓷的特征參數進行分析，提高對參數的分析效率。超聲頻譜分析過程中，需要確保材料表征的變化，并且采用無損檢測的方式，使材料表征能夠明顯展現，對電瓷材料進行充分了解。在超聲功率譜方面，40%～50% 脈沖回波能量集中在8.2～8.5MHz 之間，需要對能量分布狀況進行分析，排除鋁質電瓷加工回火過程的影響，進而提高頻率檢測精度。材料表征受到材質厚度的影響，當電瓷材料的厚度增加后，峰值頻率將會發生偏移現象，需要做好超聲探頭的調整工作，對聲波頻率的變化進行控制。當電瓷材料厚度由3mm 擴大至8mm 后，超聲探頭的頻率由80Hz 調整到100Hz，使峰值頻率逐漸向高頻偏移，保障頻率峰值檢測的穩定性，對表征頻譜進行精準檢驗。

2.3 模式識別

超聲頻譜分析過程中，需要注重模式識別的應用，構建完善的分析算法，得到頻譜分析的數學模型。頻譜分析具有不確定性，需要將模糊數學理論應用其中，確定頻譜的特征，對頻譜進行分類與過渡，提高對頻譜的識別作用。模糊數學是實現無損檢測的有效方法，需要采用等價模糊的分析形式對頻譜進行聚類化處理，保證頻譜之間具有良好的銜接關系。模糊數學分析時，應確保頻譜之間隸屬關系，提高對頻譜的認知能力，做好模糊子集的構建工作，使超聲頻譜具有良好的歸屬關系。超聲頻譜標準模糊形式如下：

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

式中，Ai為超聲模糊頻譜，ain表示第i個模糊子集的第n個特征值。在超聲頻譜標準子集的作用下，能夠使頻譜的結構更加清晰，便于對超聲頻譜的特征進行掌握，確保模糊子集能夠被同一種模式識別［3］。

2.4 顯微組織

超聲頻譜分析過程中，需要結合電瓷顯微組織的變化情況，對鋁質電瓷特性進行深入研究，明確組織中的礦物材料組成。電瓷材料可以看成負荷材料，通常由粘土、長石、剛玉等材料組成，應對各個材料特性展開分析，并且結合超聲頻譜的變化情況，確定頻譜的具體構成。粘土是構成電瓷的重要材料，能夠賦予材料陶瓷的特性，使材料能夠更好地投入使用，而且在燒制過程中，可以使電瓷具有玻璃相，提高電瓷材料的物理性能。長石材料可以熔于電瓷的液相中，煅燒溫度在1000～1500℃之間，使電瓷能夠迅速處于熔融狀態，便于對電瓷材料進行加工，提高電瓷材料的生產質量。剛玉具有提升電瓷材料強度的作用，主要成分為Al2O3，有助于電瓷材料結構的形成。鋁質高壓電瓷煅燒后的結構特征如表1所示，電瓷材料可以看作是復合材料，能夠保證性能的穩定性。

表1 鋁質高壓電瓷煅燒后結構特征

2.5 性能分析

2.5.1 晶相性能

鋁質電瓷材料的晶相差異較大，需要對晶相的排布特征進行分析，明確晶相的具體組成，提高晶相排布的合理性。為了保證鋁質電瓷的質量，一方面，需要對晶相的種類進行控制，使剛玉、莫來石等成為主要晶相，確保電瓷結構的完整性，對晶相性能進行全面分析；另一方面，需要對晶相的含量進行控制，確定晶相含量對強度的影響，提高鋁質電瓷材料的性能。將剛玉作為主晶相，可以提高電瓷的強度，能夠避免斷裂現象的發生，確保剛玉在電瓷中的含量充足，對晶相性能進行嚴格控制。另外，需要注重莫來石的運用，提高電瓷材料中Al 元素的含量，提高電瓷材料的熱穩定性，使鋁質電瓷的特性能夠展開出來，促進電瓷材料的強度的提升［4］。

2.5.2 玻璃相性能

玻璃相對鋁質電瓷性能具有一定的影響，需要確定玻璃相的組成，使玻璃相能夠發揮作用。玻璃相的運用過程如下。第一，需要確保玻璃相的連續性，提高顆粒之間的銜接作用，使電瓷組織能夠牢固連接，使玻璃相具有良好的內部特征。第二，需要避免玻璃熔體中產生空隙，確保組織材料之間的密度，保障材質性能的穩定性，將燒結氣體及時進行排出。第三，提高玻璃相對晶粒的包裹作用，提高對晶體粒度的控制作用，保障晶體結構的穩定性。第四，需要處理好玻璃相的冷卻過程，將玻璃相進行網絡化，使莫來石能夠融入玻璃相中，保障電瓷材料強度的穩定性。玻璃相是產生氣孔的重要部位，為了降低氣孔的產生，需要降低玻璃相的含量，提高對氣孔的抑制作用。

2.5.3 氣相性能

氣相在電瓷材料中的構成較為薄弱，對材料性能具有不利作用，需要加強對氣相的限制，降低電瓷材料內氣孔的形成。莫來石能夠抑制氣相的生成，對鋁質電瓷的絕緣強度進行控制，防止電瓷產生彎曲強度，加大對氣相性能的管理力度。一旦出現氣相性能不穩定的情況，將會導致殘余氣孔率的增加，在玻璃相內殘余氣體存儲的空間，影響氣相性能的穩定控制。氣孔率是衡量氣相性能的重要指標，需要對鋁質電瓷的氣孔情況進行關注，逐漸降低氣孔率的影響，保障氣相性能的穩定性。

2.5.4 微裂紋性能

鋁質電瓷材料有粘土、長石等原料燒制而成，內部容易造成裂紋的形成，導致電瓷材料的品質下降，無法正常投入使用。微裂紋對鋁質電瓷的影響較大，需要對鋁質電瓷的結構進行了解，通過超聲頻譜進行分析，判斷電瓷內部是否存在裂紋。在石英結構附近一般會出現環狀裂紋，主要受到熱穩定性的影響，在電瓷燒結過程中容易產生裂紋，導致原材料發生受熱膨脹，進而激發微裂紋的產生。鋁質電瓷需要避免石英相的產生，提高原材料使用的合理性，對電瓷材料的組成進行優化。

2.6 燒結溫度

燒結溫度對鋁質電瓷超聲頻譜具有影響，需要對不同溫度下的頻譜特征展開分析，確保溫度設置的合理性，降低電瓷內部氣孔的生成。燒結溫度的影響主要圍繞3 個溫度點展開分析，分別為1220℃、1260℃、1300℃。當溫度為1220℃時，組織結構中莫來石含量較高，玻璃相含量要低一些，超聲頻譜特征如圖1（a）所示；當溫度為1260℃時，玻璃相的含量開始增加，同時莫來石的含量降低，氣孔率也隨之降低，鋁質電瓷材料的品質得到提升，超聲頻譜特征如圖1（b）所示；當溫度為1300℃時，玻璃相將持續增加，組織結構的平衡被打破，將會對鋁質電瓷的品質造成影響，超聲頻譜特征如圖1（c）所示。由此可見，1260℃為適宜的燒成溫度，需要確保燒成溫度穩定性，保障電瓷材料的煅燒質量［5］。

圖1 鋁質高壓電瓷不同燒結溫度下的頻譜

2.7 參數設定

超聲頻譜分析過程中，需要合理對參數進行設定，對超聲頻譜設備的使用進行分析，保證設備使用的規范性。超聲頻譜主要利用聲波反射原理，根據反射條件來形成頻譜，進而生成鋁質高壓電瓷對應的頻譜圖像。超聲回波信號由探頭進行檢測，采集到的信號具有連續性，需要對其進行數字化處理，將回波信號導入到計算機中，對超聲頻率的特征進行自動分析。開展電瓷頻譜檢測時，需要采用標稱頻率形式，將頻率控制為2.5MHz，探頭晶片直徑為20mm，提高對回聲信號的捕捉效果，保證參數設定的合理性。同時，需要注重曲率半徑的設置，曲率半徑調整為12.5mm，提高對超聲頻譜圖像的聚焦作用，降低散射現象對聲波衰減的影響，保障回收波形的精準識別［6］。

2.8 表征測量

聲速與材料特性具有一定的關系，需要結合材料對聲速展開計算，對鋁質電瓷的表征進行確定。表征測量采用水浸法聲速測量技術，通過水層，構建聲波的延時段，使聲波傳遞具有良好的取向，提高對聲波的控制作用。通過兩次回波時間，能夠對電瓷表征進行推測，對鋁質電瓷的結構進行檢驗。兩次回波檢測采用如下公式進行計算：

式中，c介質聲速（m/s），△x為底面回波間距（m），△t為回波時間（s）。表征測量是分析電瓷質量的關鍵，能夠在無傷的情況下對電瓷材料進行分析，確保超聲測距原理應用的規范性，使每次超聲測距能夠連續進行，促進超聲頻譜圖像的順利生成。

2.9 結果分析

燒結溫度對超聲頻譜具有一定的影響，需要對燒結溫度展開控制，將溫度穩定在1260℃附近，同時做好數據的檢測工作。為了提高聲波的穿透性，需要注重縱波聲速的應用，對波形進行嚴格的分析。在1220℃燒結溫度下，波速范圍在6180～6400m/s 之間，對波速范圍的影響較大，不利于鋁質電瓷生產過程的進行；在1260℃燒結溫度下，波速范圍在6630～6650m/s之間，能夠對波速范圍進行控制，提高超聲頻譜檢測的準確性；在1300℃燒結溫度下，波速范圍在6680～6820m/s 之間，波速范圍重新進行延伸。溫度控制是實現波速控制的關鍵，需要做好溫度的控制工作，將1260℃作為燒結溫度，防止聲速發生較大的變化，影響超聲頻譜的穩定生成。

3 結語

綜上所述，超聲頻譜分析是提高鋁質電瓷質量的關鍵，需要確保超聲頻譜技術的合理性，促進頻譜質量的提升，對電瓷結構進行全面地檢驗，保障鋁質電瓷能夠順利完成生產。燒結溫度是電瓷質量控制的重要步驟，需要對電瓷特征進行分析，對鋁質電瓷的強度進行控制，保障鋁質電瓷的性能符合要求。