超声干涉法薄层厚度测量声阻抗匹配判据及其应用

　　超声干涉法薄层厚度测量技术已得到广泛应用[1~3]。但由于基体及涂覆层种类繁多,基体与薄层之间的性质可能彼此接近,也可能相差悬殊,某些情况下会导致干涉信号幅度变化过小、反射系数谱极值位置难以判断等等,造成薄层厚度测量误差偏大甚至无法进行厚度测量。M1Houze等研究了薄层及与其相邻介质声阻抗匹配情况对超声回波干涉增强或减弱信号幅度之间相对变化的影响,以及薄层厚度测量时的极值选取原则[4],但未能对信号幅度相对变化与界面声压反射系数的关系式等基本原理给出准确的描述。

　　针对上述问题,本研究以含有薄层的多界面结构中超声波传播模型为基础,进一步对薄层及与其相邻介质不同声阻抗匹配情况下的信号变化规律及特征进行了理论分析,得出了干涉法薄层厚度测量时回波信号及声压反射系数谱极值的选取原则。并针对声阻抗匹配情况不同的两类样品进行了薄层厚度测量实验验证,表明声阻抗匹配判据在干涉法薄层厚度测量中具有很好的实际应用价值。

　　1 基本原理

　　1.1 干涉法测量薄层厚度原理

　　图1为超声波垂直入射到由水、薄层和基体组成的多界面结构时的声波传播模型。当超声波在薄层中的往返传播时间大于探头发射脉冲的持续时间时,通过读取I1,I2界面回波之间的时间间隔Δt,并根据薄层中的声速v,利用d=(Δt/2)xv即可测定薄层厚度d。反之,当时间间隔Δt小于脉冲持续时间时,水/薄层及薄层/基体的界面回波发生重叠,需采用超声干涉技术进行薄层厚度测量。

　　对于图1所示的多界面结构,薄层的声压反射系数Rn为:

　　其中分别为界面I1和I2的反射系数,n为由脉冲持续时间决定的反射回波个数,Φ代表超声波在厚度为d的薄层中以速度v往返一次所带来的相位滞后,Φ=4πdf/v。上式求解时没有考虑薄层中衰减的影响。Rn与Φ的微分可以表示为

　　此时的频率或厚度对应着反射系数Rn与Φ/2π关系曲线中的极值,其中k为一正整数,上述公式与叠加回波的个数n无关。由公式(3)可得:

　　式中Δfm和ΔfM为两个相邻极小值或极大值之间的频率间隔,设薄层中的声速v和薄层厚度d为恒定值,若v已知,则由公式(1)获得Rn随f的变化曲线后,通过求解两个相邻极值之间的频率间隔可以得出薄层厚度d。

　　1.2 超声回波信号选取原则

　　如图1所示,以E1,E2,E3,,分别代表I1界面一次、二次、三次,,回波,叠加后总的回波为E。

　　当回波之间满足相位相同或相反时,叠加信号会产生干涉增强或减弱现象。在样品确定的情况下,干涉增强或减弱时信号幅度之间相对变化越明显,对于信号的分析越有利,说明该测量方法对薄层厚度变化越敏感。所以干涉增强信号幅度与干涉减弱信号幅度相对变化(以下简称信号幅度相对变化)即成为选取信号的重要依据。