何 琦 歐三立

（中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029)

脈沖反射法是超聲無損檢測(cè)中最基本的方法，超聲脈沖垂直入射到聲阻抗不同的界面上，材料間聲阻抗的差異與脫粘缺陷的存在，將會(huì)產(chǎn)生不同程度的反射和透射[2]，分析自發(fā)自收的超聲換能器接收到的回波便可解讀粘接結(jié)構(gòu)內(nèi)部的信息[3]。

模糊數(shù)學(xué)方法是模式識(shí)別的主流技術(shù)之一，是基于模糊數(shù)學(xué)理論判斷模糊事物類別的方法，適用于分類識(shí)別對(duì)象本身或要求的識(shí)別結(jié)果具有模糊性且特征空間的各模式類之間沒有明確邊界的場(chǎng)合[4]。不同緊貼型脫粘缺陷的脈沖反射信號(hào)中涵蓋的特征參數(shù)可以對(duì)脫粘做出分類識(shí)別，但特征參數(shù)隨著脫粘類型變化呈現(xiàn)出的規(guī)律并不明顯且存在交叉項(xiàng)，特征量差別較小，因此引入模糊模式識(shí)別方法實(shí)現(xiàn)多層粘接結(jié)構(gòu)中緊貼型脫粘類型定位和定量[5]。

1 脫粘類型的模糊模式識(shí)別

多層粘接結(jié)構(gòu)中緊貼脫粘類型的超聲檢測(cè)，是將待檢測(cè)脈沖回波信號(hào)的時(shí)域或頻域參數(shù)與已知脫粘類型的參數(shù)進(jìn)行比較來確定脫粘類型。若所提取回波中特征參數(shù)的數(shù)量為m，同一脫粘類型多次檢測(cè)時(shí)得到的特征參數(shù)的數(shù)值在各自平均值附近波動(dòng)，因此可以認(rèn)為該類回波的m個(gè)特征參數(shù)所形成的集合是模糊集，超聲對(duì)脫粘類型的判斷可以通過模糊模式識(shí)別中間接法的擇近原則來實(shí)現(xiàn)[6]。

對(duì)緊貼脫粘進(jìn)行模糊模式識(shí)別的步驟如下：

1）將N種已知脫粘類型的脈沖回波信號(hào)特征參數(shù)定義在論域Y上，且令特征參數(shù)為論域的元素。使用向量法表示，為已知脫粘類型的參考模糊子集，即：

式中：

ci1——第i個(gè)參考模糊子集的第l個(gè)特征參數(shù)。

2）將未知脫粘類型的脈沖回波信號(hào)特征參數(shù)也定義在同一個(gè)論域Y上，且用W表示未知脫粘類型的模糊子集，記為：

式中：

wl——未知脫粘類型模糊子集中的第l個(gè)特征參數(shù)。

3）通過歐幾里德距離公式計(jì)算未知脫粘類型模糊子集與各參考模糊子集的距離分別是：

未知脫粘類型模糊子集到所有參考模糊子集的距離和為：

4）計(jì)算未知脫粘類型模糊子集與各個(gè)參考模糊子集的貼近度，衡量?jī)蓚€(gè)模糊子集之間相似程度的模糊關(guān)系，其計(jì)算公如下：

在擇近原則的基礎(chǔ)上，未知脫粘類型隸屬于與其模糊子集貼近度最大的參考模糊子集對(duì)應(yīng)的脫粘類型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)未知緊貼型缺陷深度和面積的判斷[7]。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建及信號(hào)分析

2.1 超聲脫粘檢測(cè)實(shí)驗(yàn)材料及系統(tǒng)

模擬某型號(hào)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥結(jié)構(gòu)的殼體/絕熱層/襯層粘接結(jié)構(gòu)，制作試件并預(yù)制了緊貼型脫粘缺陷[8]。試件由碳纖維復(fù)合材料、兩層三元乙丙橡膠構(gòu)成，緊貼型脫粘由聚四氟乙烯薄膜夾雜構(gòu)成，達(dá)到粘接界面失去粘接力但緊密接觸的效果。檢測(cè)試件及預(yù)制缺陷分布如圖1所示，試件的尺寸、脫粘缺陷位置、面積和分布層數(shù)均在正視圖中詳盡標(biāo)出，試件厚度及粘接界面在側(cè)視圖中標(biāo)出。

圖1 試塊及預(yù)制缺陷

如圖2所示為多層粘接結(jié)構(gòu)的超聲脈沖反射法測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)使用奧林巴斯公司提供的5077PR超聲脈沖發(fā)射/接收儀、工控機(jī)和直徑25mm、帶寬0.4dB的1M奧林巴斯縱波超聲換能器，選擇300V電壓激勵(lì)，耦合劑為蜂蜜，回波信號(hào)以100MHz的采樣頻率存入計(jì)算機(jī)并通過上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示，對(duì)不同脫粘類型的區(qū)域測(cè)量10次并計(jì)算回波信號(hào)的平均值作為該類參考模糊子集中特征參數(shù)的來源。

2.2 粘接結(jié)構(gòu)回波信號(hào)的分析

聲波垂直入射到粘接結(jié)構(gòu)內(nèi)，遇到界面發(fā)生反射和透射，造成了脈沖回波中存在多種聲程。不同聲程的回波攜帶了路徑和界面上的粘接信息，由聲波在各層粘接材料內(nèi)的傳播時(shí)間結(jié)合多種聲程，可累加計(jì)算不同聲程所對(duì)應(yīng)的特征回波位置如圖3所示。

圖2 超聲脈沖反射法測(cè)量系統(tǒng)

圖3 聲程與特征回波位置的對(duì)應(yīng)

圖3（a）以時(shí)間順序排列的聲波在多層粘接結(jié)構(gòu)內(nèi)的多種聲程，圖3（b）粘接良好回波信號(hào)中聲程對(duì)應(yīng)的波峰分布，該波峰是表征脫粘深度和面積的特征參數(shù)，因此將序號(hào)代表的波峰稱為特征回波。在激勵(lì)電壓相同、探頭一致、增益相同的條件下提取不同脫粘類型的回波信號(hào)，經(jīng)過分析可知，特征回波1作為探頭的始波幅值幾乎不變；具有復(fù)雜聲程的特征回波7、8、9在某些粘接質(zhì)量下變?nèi)跎踔料?，特征回?～6對(duì)不同粘接質(zhì)量都有明顯的響應(yīng)，因此提取多種脫粘類型中特征回波2～6的幅值作為參考模糊子集中的特征參數(shù)。

3 模糊子集的建立與算法驗(yàn)證

根據(jù)建立模糊子集時(shí)特征參數(shù)只與客體有關(guān)、同一子集中參數(shù)共性、不同子集中參數(shù)差異性的原則[9]，利用超聲脈沖反射法提取三層粘接結(jié)構(gòu)中9中脫粘類型和完全粘好處的回波信號(hào)，將特征回波2～6的幅值作為5個(gè)特征參數(shù)。這9種脫粘類型位于兩層粘接界面中，直徑從5到30mm不等，其參考模糊子集見表1。

表1 參考模糊子集

9個(gè)參考模糊子集可以看作模式識(shí)別中的9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別對(duì)5個(gè)待測(cè)缺陷D1～D5進(jìn)行檢測(cè)，重復(fù)檢測(cè)20次并求取平均值作為脈沖回波信號(hào)，提取其中的五種特征回波幅值作為待測(cè)脫粘類型的未知模糊子集中的特征參數(shù)，并與9類參考模糊子集進(jìn)行貼近度的計(jì)算。利用歐幾里德公式計(jì)算出的待測(cè)類型模糊子集與參考模糊子集的貼近度見表2 。

表2 待測(cè)類型與參考模糊子集的貼近度

根據(jù)貼近原則找出貼近度最大值對(duì)應(yīng)的脫粘類型，實(shí)現(xiàn)五種缺陷類型的判斷。其分別類屬于脫粘類型3、8、6、2、5，這與二界面8mm、一界面13mm、一界面7mm、二界面7mm和二界面18mm的實(shí)際脫粘類型相一致，分類結(jié)果正確率為100%。雖然二界面18mm理論上應(yīng)隸屬于脫粘類型4，但由于探頭的有效輻射范圍為15mm，因此實(shí)際上大于15mm的脫粘類型都與30mm模糊子集貼近度較高。

4 結(jié)論

綜上所述，本文在超聲脈沖反射法的基礎(chǔ)上，將模糊模式識(shí)別方法應(yīng)用于多層粘接結(jié)構(gòu)緊貼脫粘類型的定位和定量，使用特征回波幅值作為特征參數(shù)，構(gòu)建了多種已知缺陷類型的參考模糊子集，基于貼近度的擇近原則對(duì)未知類型的脫粘進(jìn)行分類。結(jié)果表明，模糊模式識(shí)別的方法是超聲脈沖反射法識(shí)別緊貼脫粘類型有效、準(zhǔn)確的方法。