謝鵬英，金 永

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，太原 030051)

固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥主要由殼體、絕熱層、襯層、推進(jìn)劑等組成，熱防護(hù)層(絕熱層或襯層)作為發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)黏接殼體或推進(jìn)劑的重要彈性材料，其厚度的均勻性是影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的關(guān)鍵因素，太薄或太厚均會(huì)影響其正常工作，因此在裝藥前，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)黏接熱防護(hù)層的厚度檢測(cè)具有重要意義。

超聲波因具有方向性好、穿透能力強(qiáng)、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)黏接層的厚度測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用。羅婕等[1]基于超聲波在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)傳播的信號(hào)模型,利用維納濾波解卷積技術(shù)和改進(jìn)的前后向線性預(yù)測(cè)濾波器技術(shù)從混疊信號(hào)中得到了精確的時(shí)延估計(jì)值，解決了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)薄包覆層的厚度測(cè)量問(wèn)題。劉曉蕾等[2-3]針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)殼體旋壓紋理對(duì)絕熱層測(cè)厚的影響，研究了小波變換在超聲測(cè)厚信號(hào)特征提取技術(shù)上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了旋壓殼體固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層厚度的準(zhǔn)確測(cè)量。劉祥景等[4]針對(duì)薄包覆層在超聲測(cè)厚中存在的回波信號(hào)時(shí)域混疊問(wèn)題，提出的時(shí)延估計(jì)新方法準(zhǔn)確估計(jì)出了時(shí)域混疊信號(hào)的延遲時(shí)間，提高了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包覆層厚度的測(cè)量精度。綜上所述，對(duì)于熱防護(hù)層厚度的測(cè)量均是基于傳統(tǒng)超聲進(jìn)行檢測(cè)的，且傳統(tǒng)超聲對(duì)黏接層厚度進(jìn)行測(cè)量時(shí)存在以下問(wèn)題：一方面，傳統(tǒng)超聲換能器多為壓電式的，檢測(cè)時(shí)需要借助耦合劑才能與試件表面接觸，耦合劑對(duì)待測(cè)試件產(chǎn)生影響，引起試件的測(cè)量誤差；另一方面，一般固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體厚度為2～3 mm，傳統(tǒng)超聲法只能檢測(cè)出固定頻段的超聲信號(hào)，而不同材料的黏接層頻率是不同的，這在很大程度上限制了對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)黏接層熱防護(hù)層厚度的測(cè)量。

針對(duì)大口徑的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，筆者設(shè)計(jì)了一種基于激光超聲的熱防護(hù)層厚度檢測(cè)方案。該方案中，激光從殼體一側(cè)激發(fā)超聲波，在熱防護(hù)層一側(cè)接收超聲波，利用激光輻照在材料表面進(jìn)而在材料內(nèi)部產(chǎn)生超聲波進(jìn)行檢測(cè)，其可以產(chǎn)生寬頻帶的頻率，避免了熱防護(hù)層材料的干擾；激發(fā)與接收都是通過(guò)激光束完成的，可實(shí)現(xiàn)試件的非接觸測(cè)量。同時(shí)，對(duì)采集的回波信號(hào)，利用小波變換進(jìn)行降噪處理，并采用小波變換模極大值法提取兩界面的位置信息，即可實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)層厚度的精確測(cè)量。筆者以固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層為研究對(duì)象，試驗(yàn)結(jié)果證明，利用所設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)是可行的。

1 檢測(cè)原理及測(cè)量方案

1.1 激光超聲檢測(cè)原理

激光激發(fā)超聲的模型如圖1所示，激發(fā)出的高能脈沖激光作用于材料表面，材料因吸收激光能量而迅速升溫，并出現(xiàn)局部熱膨脹，產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而在材料表面及內(nèi)部產(chǎn)生超聲波[5-6]。激光脈沖入射到固體表面時(shí)，可以同時(shí)激勵(lì)出縱波、橫波、表面波等不同模式的超聲波，其中縱波和橫波可在厚度方向上進(jìn)行傳播，當(dāng)遇到內(nèi)部缺陷或界面變化時(shí)，一部分聲波會(huì)發(fā)生反射，一部分聲波會(huì)透過(guò)缺陷或界面繼續(xù)向前傳播。對(duì)處于對(duì)心位置處的入射縱波和橫波,滿足如式(1)～(2)所示的位移方程[7]。

圖1 激光激發(fā)超聲的模型

(1)

(2)

式中：d為材料的厚度；A為用于表征縱波熱應(yīng)力源幅值大小的常數(shù)；ρ為材料密度；vs為橫波速度；vp為縱波速度；Γ為與材料本身屬性有關(guān)的常系數(shù)；Gp為縱波位移；Gs為橫波位移。

在文中主要利用縱波進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)設(shè)計(jì)合適的檢測(cè)方案實(shí)現(xiàn)對(duì)材料厚度的測(cè)量。

1.2 檢測(cè)方案

采用透射法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥前熱防護(hù)層厚度進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而驗(yàn)證激光超聲檢測(cè)熱防護(hù)層厚度的可行性，也為后續(xù)基于反射法的熱防護(hù)層厚度測(cè)量提供理論依據(jù)。

圖2為基于透射法的激光超聲測(cè)量原理示意，測(cè)量時(shí)將試件置于掃描架上，使激光發(fā)射器與激光超聲接收儀處于同一高度且處于對(duì)心位置處，脈沖激光經(jīng)柱面透鏡聚焦后輻照在試件表面上，并在試件中產(chǎn)生超聲波，超聲波在試件內(nèi)傳播之后，被激光超聲接收儀輻照在試件表面的探測(cè)點(diǎn)調(diào)制后接收，并傳輸至計(jì)算機(jī)端，完成對(duì)超聲回波信號(hào)的采集。

圖2 基于透射法的激光超聲測(cè)量原理示意

測(cè)量時(shí)，激光從殼體一側(cè)激發(fā)超聲波，在熱防護(hù)層一側(cè)接收，超聲波在試件內(nèi)部傳播時(shí)會(huì)攜帶試件的內(nèi)部信息，通過(guò)分析超聲波在試件內(nèi)的傳播特性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)熱防護(hù)層厚度的非接觸測(cè)量。圖3為超聲波在試件內(nèi)的回波傳播示意，根據(jù)接收到的第一次和第二次超聲回波信號(hào)，計(jì)算超聲波在熱防護(hù)層中的傳播時(shí)間，依據(jù)式(3)即可計(jì)算出熱防護(hù)層的厚度，圖4為根據(jù)檢測(cè)方案采集的回波信號(hào)。圖3中，A為受激光輻照后的激發(fā)點(diǎn)，B為處于對(duì)心位置處的接收點(diǎn)，L為鋼板的厚度，d為熱防護(hù)層的厚度。圖4中， a區(qū)域?yàn)榈谝淮谓邮盏匠暬夭ㄐ盘?hào)的范圍，b區(qū)域?yàn)榈诙谓邮盏匠暬夭ㄐ盘?hào)的范圍。

圖3 超聲波在試件內(nèi)的回波傳播示意

圖4 采集的回波信號(hào)

d=Δt·v/2

(3)

式中：v為熱防護(hù)層中的聲速；Δt為熱防護(hù)層回波信號(hào)的時(shí)間間隔。

2 回波信號(hào)的處理和特征提取

超聲波在試件內(nèi)傳播時(shí)，材料結(jié)構(gòu)噪聲、環(huán)境噪聲及儀器電噪聲等因素會(huì)對(duì)采集的回波信號(hào)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響對(duì)超聲回波信號(hào)的進(jìn)一步處理。

由于小波變換適合處理非穩(wěn)態(tài)識(shí)別信號(hào)，且具有在時(shí)頻域可局部化的特性，所以文章采用小波變換對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行降噪處理，這里采用wden函數(shù)產(chǎn)生的信號(hào)默認(rèn)閾值對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪處理，圖5為采用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪后的波形。從圖5可以看出，雖然降噪后的信號(hào)相比于原始信號(hào)噪聲明顯減少，波形更加平滑，易于對(duì)信號(hào)進(jìn)行讀取，但由于熱防護(hù)層的厚度較薄，超聲信號(hào)在熱防護(hù)層中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生多次反射，信號(hào)發(fā)生混疊，波形產(chǎn)生畸變，無(wú)法從時(shí)域信號(hào)中直接讀取熱防護(hù)層的回波信號(hào)。針對(duì)這一問(wèn)題，采用小波變換模極大值法對(duì)熱防護(hù)層兩界面的回波信號(hào)進(jìn)行特征提取。選擇Gaussian函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)作為母小波進(jìn)行小波變換，求取模極大值。

圖5 采用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪后的波形

(4)

設(shè)φm(t)=φ(t/s)·s-1=1，則對(duì)于一個(gè)f(t)∈L2(R)，有如式(5)所示的小波變換。

(5)

設(shè)Waf(t)為f(t)的小波變換，在尺度a=a0時(shí)，若存在(a0,t0)使?Wa0f(t0)/?t=0，則稱(chēng)點(diǎn)(a0,t0)為小波變換的極值點(diǎn)。若|Wa0f(t)|≤|Wa0f(t0)|,t為t0左、右鄰域內(nèi)的任意點(diǎn)，則稱(chēng)點(diǎn)(a0,t0)為小波變換的模極大值點(diǎn)，|Wa0f(t)|對(duì)應(yīng)超聲信號(hào)的突變點(diǎn)，此即為小波變換模極大值求取信號(hào)突變的原理。依據(jù)這一原理，對(duì)熱防護(hù)層的回波信號(hào)進(jìn)行特征提取，通過(guò)提取的熱防護(hù)層兩界面的時(shí)間差，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱防護(hù)層厚度的測(cè)量。

3 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

制作厚度為2.03 mm的絕熱層試塊，將其黏貼在厚度為10 mm的鋼板上作為待測(cè)試件。圖6為激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)外觀，采用CFR200型號(hào)的激光發(fā)射器、基于邁克爾遜干涉儀原理的QUARTET-500 mV型號(hào)的激光超聲接收儀和200 mm的柱面透鏡對(duì)待測(cè)試件上3處不同位置1#，2#，3#分別進(jìn)行檢測(cè)。

圖6 激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)外觀

對(duì)采集到的超聲回波信號(hào)采用上述方法進(jìn)行處理，并進(jìn)行特征提取，圖7為對(duì)回波信號(hào)采用小波變換模極大值法進(jìn)行特征提取的波形。若信號(hào)在某一時(shí)刻發(fā)生畸變，則|Waf(t)|上的模極大值連線將在較大尺度范圍內(nèi)發(fā)生變化，從大尺度向小尺度進(jìn)行追蹤即可得到奇異點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕熱層厚度的測(cè)量。從圖7可以看出，超聲回波信號(hào)的小波系數(shù)在較大尺度范圍內(nèi)均有模極大值連線。為了減小單一尺度引起的確定突變時(shí)間得來(lái)的誤差，對(duì)各時(shí)間點(diǎn)所有尺度上的小波系數(shù)取平均值，該平均值的能量反映了信號(hào)在各時(shí)間點(diǎn)奇異性的大小。大量的研究證明，在進(jìn)行絕熱層厚度激光超聲回波信號(hào)特征提取時(shí)，尺度應(yīng)為16以?xún)?nèi)。

圖7 小波變換模極大值法進(jìn)行特征提取的波形

圖8為小波變換模極大值的平均幅值，可以看出，在x1處信號(hào)能量達(dá)到最大值，且峰值能量超過(guò)其附近的模極大值能量，x2處為次能量極大值。由信號(hào)突變檢測(cè)原理可知，能量越大，奇異性越強(qiáng)，圖8中x1處為激光超聲接收儀第一次接收到的信號(hào)，即對(duì)應(yīng)于入射時(shí)鋼板/絕熱層界面回波到達(dá)的時(shí)間，x2對(duì)應(yīng)于反射時(shí)絕熱層/鋼板的界面回波時(shí)間，計(jì)算兩次接收到回波信號(hào)的差值，即可算出超聲波在絕熱層中的傳播時(shí)間。3處不同位置提取的兩界面采樣點(diǎn)值及差值如表1所示。

圖8 小波變換模極大值的平均幅值

表1 3處不同位置提取的兩界面采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)及差值

取絕熱層中的超聲傳播速度為1 336 m·s-1，信號(hào)的采樣頻率為50 MHz，根據(jù)兩界面的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)差值計(jì)算出時(shí)間間隔，并依據(jù)式(1)計(jì)算出絕熱層的厚度，結(jié)果如表2所示。

表2 厚度測(cè)量結(jié)果

可以看出，該方法對(duì)熱防護(hù)層超聲回波信號(hào)的處理有比較好的效果，測(cè)量的相對(duì)誤差在6.4%以?xún)?nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

采用激光超聲技術(shù)對(duì)熱防護(hù)層厚度進(jìn)行測(cè)量，不僅克服了傳統(tǒng)超聲在測(cè)量熱防護(hù)層厚度時(shí)，殼體厚度和熱防護(hù)層材料的限制，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)熱防護(hù)層的非接觸測(cè)量，提高了對(duì)熱防護(hù)層厚度的測(cè)量精度。利用小波變換模極大值法，有效地提取了熱防護(hù)層兩界面的位置特征信息，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法測(cè)量的相對(duì)誤差在6.4%以?xún)?nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱防護(hù)層的厚度測(cè)量。

文中僅對(duì)一種熱防護(hù)層厚度進(jìn)行了分析提取，未涉及多種材料的測(cè)量。從數(shù)理思路上看，該檢測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種熱防護(hù)層厚度的測(cè)量，進(jìn)而為工程應(yīng)用提供一種有效的檢測(cè)手段，具體驗(yàn)證工作有待進(jìn)一步的分析與研究。