時(shí)間反轉(zhuǎn)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)干耦合超聲檢測(cè)

艾春安，蔡笑風(fēng)，李 劍，韓兆林

(火箭軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程系，西安 710025)

時(shí)間反轉(zhuǎn)的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)干耦合超聲檢測(cè)

艾春安，蔡笑風(fēng)，李 劍，韓兆林

(火箭軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程系，西安 710025)

為解決超聲檢測(cè)過程中不能在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體粘接結(jié)構(gòu)表面涂抹耦合劑的問題，首先構(gòu)建了一套干耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了具有特殊結(jié)構(gòu)形式壓電振子和傳聲桿的干耦合探頭.然后提出基于時(shí)間反轉(zhuǎn)的干耦合超聲成像方法，分析干耦合超聲時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦原理，通過對(duì)損傷散射信號(hào)的提取、時(shí)間反轉(zhuǎn)及二次加載，建立聚焦時(shí)刻的瞬態(tài)波動(dòng)圖，最后通過對(duì)結(jié)構(gòu)微元信號(hào)幅值求和乘積兩種方式對(duì)缺陷進(jìn)行成像.試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠檢測(cè)出粘接結(jié)構(gòu)中的脫粘缺陷，基本確定缺陷的形狀及位置.

超聲波；固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；干耦合；時(shí)間反轉(zhuǎn)；缺陷成像

常規(guī)超聲波檢測(cè)過程中，需在待檢測(cè)材料表面涂抹水或油等液體耦合劑，而對(duì)于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(solid rocket motor， SRM)殼體粘接結(jié)構(gòu)，若涂抹耦合劑會(huì)造成沾染，且不易清除，長(zhǎng)期使用會(huì)影響材料的物理和化學(xué)性能，性能一旦下降就會(huì)影響結(jié)構(gòu)的完整性，從而造成難以估量的后果，因此迫切需要尋求一種無(wú)需耦合劑的超聲檢測(cè)方法，而干耦合法由于探頭和試件直接接觸，不需其他耦合介質(zhì)，檢測(cè)手段靈活，可用于外場(chǎng)檢測(cè)，適用于對(duì)SRM殼體材料的檢測(cè).

時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦理論最早由法國(guó)科學(xué)家Fink等[1-2]由光學(xué)引入到聲學(xué)領(lǐng)域，它通過將響應(yīng)信號(hào)在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，二次激發(fā)，使其在波源處實(shí)現(xiàn)時(shí)-空上的聚焦.提取聚焦后信號(hào)中特征值，結(jié)合橢圓等定位技術(shù)，將表征值分布與圖像中各個(gè)像素點(diǎn)的對(duì)比度關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而得到缺陷的圖像.目前，國(guó)外對(duì)于時(shí)間反轉(zhuǎn)方法的研究比較深入，美國(guó)南卡羅來(lái)納大學(xué) Giurgiutiu等[3]從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)導(dǎo)波的時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦原理、過程進(jìn)行了研究，表明時(shí)間反轉(zhuǎn)方法對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的檢測(cè)成像有較好研究前景.Sohn等[4]對(duì)如何增強(qiáng)復(fù)合材料中導(dǎo)波的時(shí)反特性進(jìn)行研究，重構(gòu)了激勵(lì)源發(fā)射信號(hào)，并進(jìn)行缺陷特征評(píng)價(jià).英國(guó)巴斯大學(xué)Erik等[5]從數(shù)學(xué)的角度提出了源時(shí)間反轉(zhuǎn)方法，與傳統(tǒng)的全時(shí)間反轉(zhuǎn)方法進(jìn)行了對(duì)比分析，并將其應(yīng)用于混凝土試件的聲發(fā)射檢測(cè)過程中.國(guó)內(nèi)，屈文忠等[6-7]運(yùn)用導(dǎo)波時(shí)間反轉(zhuǎn)方法對(duì)鋁板進(jìn)行了損傷識(shí)別定位實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明距離比較分開且具有相對(duì)不同損傷程度的2處損傷，導(dǎo)波時(shí)間反轉(zhuǎn)分解方法能夠有效識(shí)別并準(zhǔn)確定位.王強(qiáng)等[8-10]運(yùn)用導(dǎo)波時(shí)間反轉(zhuǎn)方法對(duì)環(huán)氧玻璃纖維板進(jìn)行了損傷識(shí)別定位研究，運(yùn)用四點(diǎn)圓弧定位法計(jì)算得到聚焦時(shí)刻，并用有限元的方法對(duì)試件劃分網(wǎng)格，建立聚焦時(shí)刻的瞬態(tài)波動(dòng)圖從而繪出圖像.周進(jìn)節(jié)[11]基于時(shí)間反轉(zhuǎn)方法研究了采用管道端面加載方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波能量在缺陷處進(jìn)行時(shí)間-空間聚焦的原理，在此基礎(chǔ)上提出了斜入射局部加載及基于壓電晶片陣列實(shí)現(xiàn)管中對(duì)缺陷兩種時(shí)反檢測(cè)方法.蔡建等[12]研究了一種基于寬帶激勵(lì)的虛擬時(shí)間反轉(zhuǎn)方法，可提高損傷波包的空間分辨率，改進(jìn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)中相鄰缺陷成像質(zhì)量.苗曉婷等[13]結(jié)合時(shí)間逆轉(zhuǎn)的導(dǎo)波與加權(quán)分布成像算法對(duì)板中多個(gè)損傷進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明該方法不依賴基準(zhǔn)信號(hào)，可精確定位鋁板中的多個(gè)缺陷.

總體來(lái)看，將時(shí)間反轉(zhuǎn)方法應(yīng)用于復(fù)合材料的成像檢測(cè)取得了良好效果，但是目前在檢測(cè)中主要采取在材料表面粘貼固定壓電晶片的方式進(jìn)行，這種方式耗時(shí)較長(zhǎng)，操作復(fù)雜，靈活性較差，不利于在外場(chǎng)進(jìn)行操作，而本文研制的干耦合探頭體積小、質(zhì)量輕、接線方便、移動(dòng)靈活，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了超聲波干耦合檢測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合時(shí)間反轉(zhuǎn)方法，對(duì)SRM殼體粘接結(jié)構(gòu)試件中缺陷進(jìn)行成像.

1 干耦合超聲的時(shí)間反轉(zhuǎn)方法

干耦合超聲時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦的過程如圖1所示，首先，干耦合發(fā)射探頭中壓電振子受逆壓電效應(yīng)影響激發(fā)產(chǎn)生超聲波，并通過傳聲桿傳入到復(fù)合材料試件中；然后，多個(gè)干耦合接收探頭在試件上不同位置接收板中的缺陷散射信號(hào)；其次，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行時(shí)間反轉(zhuǎn)、放大及延時(shí)等處理，并以原接收探頭作為發(fā)射探頭，將處理后的信號(hào)重新加載發(fā)射；最后，二次采集接收信號(hào)，信號(hào)在波源處產(chǎn)生聚焦放大效果.

圖1 干耦合超聲時(shí)間反轉(zhuǎn)過程Fig.1 Time reversal process of dry-coupled ultrasonic

假設(shè)發(fā)射探頭產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)傳播至板上任意點(diǎn)m處信號(hào)為em(t)，那么接收探頭接收到信號(hào)為

(1)

式中:?為卷積，hm(t)為脈沖響應(yīng)函數(shù).從頻域上式(1)可寫為

Fm(ω)=Hm(ω)Em(ω).

根據(jù)空間互異性原理，如

(2)

假設(shè)缺陷位置為m0，那么接收信號(hào)為

Fm0(ω)=Hm0(ω)Em0(ω).

(3)

信號(hào)在時(shí)域上的時(shí)間反轉(zhuǎn)過程等效于頻域上信號(hào)經(jīng)傅里葉變換后復(fù)數(shù)的共軛，因此式(3)可寫為

(4)

式中，*表示共軛.聯(lián)合式(2)和式(4)，m點(diǎn)的回波信號(hào)可寫為

(5)

那么

(6)

運(yùn)用時(shí)間反轉(zhuǎn)方法進(jìn)行缺陷定位原理圖如圖2所示，當(dāng)任意點(diǎn)m與缺陷點(diǎn)m0重合，即m=m0時(shí)，式(6)同樣存在最大值.

圖2 運(yùn)用時(shí)間反轉(zhuǎn)方法進(jìn)行缺陷定位原理Fig.2 Defect localization principle by time reversal method

2 干耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)

干耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要由干耦合探頭、超聲波脈沖發(fā)生接收儀、前置放大器、數(shù)字存儲(chǔ)示波卡、探頭工裝、PC機(jī)以及編譯的檢測(cè)軟件組成，工作原理如圖3所示，實(shí)物圖如圖4所示.首先由超聲波脈沖發(fā)生接收儀激勵(lì)產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號(hào)，并將其加載在干耦合探頭中壓電振子上，受逆壓電效應(yīng)影響產(chǎn)生超聲波，并以導(dǎo)波形式在板中傳播，被接收探頭接收后受壓電效應(yīng)影響超聲波又轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)前置放大器放大后由數(shù)字存儲(chǔ)示波卡進(jìn)行采集、存儲(chǔ)并通過PC機(jī)進(jìn)行顯示.

檢測(cè)系統(tǒng)的核心部件為超聲干耦合探頭，每個(gè)干耦合探頭可根據(jù)檢測(cè)需要裝載一個(gè)或多個(gè)子探頭，其實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖5所示.傳統(tǒng)的檢測(cè)探頭與試件之間多是通過耦合劑面接觸的，這種方式超聲波發(fā)射能量大，傳遞效率高；干耦合檢測(cè)由于不允許使用耦合劑，為了保證足夠的超聲波入射能量，達(dá)到檢測(cè)目的，必須設(shè)計(jì)特殊的結(jié)構(gòu)形式.本文中，將干耦合探頭設(shè)計(jì)成傳聲桿形式，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示.壓電振子上面與外部電路相連接，下部連接傳聲桿，為3層夾心結(jié)構(gòu)，上下兩層為兩片沿厚度方向極化的壓電陶瓷圓片，作為壓電振子的驅(qū)動(dòng)材料，中間一層為金屬片，其直徑略大于壓電陶瓷圓片，用于支撐和進(jìn)行電連接.傳聲桿采用透聲性能較好的材料制成，而且比較細(xì)，只有壓電振子直徑的1/4，既能夠?qū)⒊暡芰窟M(jìn)行聚焦，使超聲波更加集中地傳遞到被檢試件中.同時(shí)由于端面較小，與被檢材料之間可近似認(rèn)為是點(diǎn)接觸，可克服傳統(tǒng)檢測(cè)由于空氣的存在帶來(lái)阻抗不匹配問題.

圖3 干耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

Fig.3 The working principle of dry-coupled ultrasonic testing system

圖4 干耦合超聲檢測(cè)系統(tǒng)Fig.4 Dry-coupled ultrasonic testing system

圖5 干耦合超聲波探頭Fig.5 Dry-coupled ultrasonic probe

圖6 傳聲桿結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Transmission rod

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件主要包括：泰克AFG3052C型信號(hào)發(fā)生器、NF公司HSA4051型雙極性功率放大器及RIGOL公司MSO1104型四通道示波器，硬件系統(tǒng)如圖7所示.

圖7 硬件系統(tǒng)Fig.7 Hardware system

影響時(shí)間反轉(zhuǎn)操作的關(guān)鍵因素是超聲波信號(hào)的激勵(lì)與控制，根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)文獻(xiàn)[14-15]，本文采用5周期漢寧窗調(diào)制正弦函數(shù)作為激勵(lì)信號(hào)，頻率為70 kHz，信號(hào)重復(fù)頻率為1 kHz,電壓峰峰值為2 V，輸出阻抗為高阻600 Ω，功放倍數(shù)為20.檢測(cè)時(shí)，首先由PC機(jī)調(diào)制激勵(lì)信號(hào)，發(fā)送至信號(hào)發(fā)生器，設(shè)定好檢測(cè)參數(shù)經(jīng)功率放大后加載至發(fā)射探頭，另在試件各檢測(cè)位置布置接收探頭與示波器相連，為保持各檢測(cè)探頭耦合壓力一致，采用相同質(zhì)量鋼塊進(jìn)行加壓.同時(shí)連接示波器與信號(hào)發(fā)生器的Trigger端使兩者保持同步，并采用方波上升沿的方式進(jìn)行觸發(fā)控制.經(jīng)USB通信后，在LabVIEW環(huán)境中可實(shí)現(xiàn)示波器各通道采集數(shù)據(jù)的同步顯示與存儲(chǔ)，將存儲(chǔ)的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行截取、反轉(zhuǎn)、放大等操作，并重新發(fā)送至信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行加載，交換發(fā)射/接收探頭電纜，采集得到最終的聚焦放大信號(hào)，從而構(gòu)成了整個(gè)時(shí)間反轉(zhuǎn)操作這一閉環(huán)過程.

檢測(cè)試件為鋼殼體粘接結(jié)構(gòu)，上層為30鉻錳硅鋼板,用來(lái)模擬殼體，下層為三元乙丙橡膠配方，模擬絕熱層，在鋼和橡膠的粘接界面上預(yù)置了一個(gè)聚四氟乙烯薄膜模擬空氣夾層脫粘缺陷，試件實(shí)物如圖8所示，結(jié)構(gòu)尺寸如圖9所示，試件大小為180 mm×100 mm，殼體厚5 mm，絕熱層厚3 mm，長(zhǎng)方形區(qū)域?yàn)檎辰咏缑嫔系拿撜橙毕荩浯笮?0 mm×50 mm.檢測(cè)時(shí)，將發(fā)射探頭置于坐標(biāo)零點(diǎn)P1處，接收探頭先后分別置于P2(145，0)、P3(145，40)、P4(105，80)處，檢測(cè)區(qū)域?yàn)?60 mm×80 mm的長(zhǎng)方形區(qū)域，分別在P2、P3、P4處采集得到損傷散射信號(hào)，如圖10所示，從圖10中可以計(jì)算出導(dǎo)波到達(dá)損傷并被散射的時(shí)間td為0.1 ms，損傷散射信號(hào)被最后一個(gè)接收探頭采集完畢的時(shí)刻tm為0.4 ms.

圖8 檢測(cè)實(shí)物Fig.8 Detection object

圖9 結(jié)構(gòu)尺寸Fig.9 Structure size

取tw=0.5 ms (必須大于tm)，以tw為時(shí)間窗口，分別截取各損傷散射信號(hào)，并在時(shí)域內(nèi)反轉(zhuǎn)得到時(shí)反信號(hào)fn(n=1,2,3,…)，如圖11所示.提取時(shí)反信號(hào)包絡(luò)，首先將波形數(shù)據(jù)取絕對(duì)值，然后分成等寬度的小段，每段取一個(gè)最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，寬度過大會(huì)導(dǎo)致信號(hào)變化的連續(xù)性較差，造成失真，寬度過小達(dá)不到提取目的，由于截取的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為30 000，可以將寬度設(shè)為25，共1 200段，重新調(diào)整波形數(shù)據(jù)的行數(shù)、列數(shù)、維數(shù)，將每列中的最大值作為包絡(luò)線的特征值，提取P2、P3、P4處時(shí)反后信號(hào)的包絡(luò)如圖12所示，各位置處聚焦放大信號(hào)如圖13所示.建立聚焦時(shí)刻tf的瞬態(tài)波動(dòng)圖S，S中各像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)微元，該時(shí)刻結(jié)構(gòu)各單元的波動(dòng)幅值可求得：

式中：N為信號(hào)的個(gè)數(shù)；An為補(bǔ)償?shù)趎個(gè)接收探頭性能差異及監(jiān)測(cè)信號(hào)能量衰減的放大系數(shù)，通常取歸一化系數(shù)；v為聲波在結(jié)構(gòu)中的傳播速度；f為圖像像素點(diǎn)的分辨率；xn、yn分別為第n個(gè)傳感器的坐標(biāo).各像素點(diǎn)的像素值還可以采用散射信號(hào)相乘的形式計(jì)算得出，如

圖10 損傷散射信號(hào)Fig.10 Damage scattering signals

圖11 時(shí)反信號(hào)Fig.11 Time reversal signals

圖12 信號(hào)包絡(luò)Fig.12 Signal envelopes

圖13 聚焦放大信號(hào)Fig.13 Focus amplified signals

4 結(jié)果分析

根據(jù)導(dǎo)波傳播規(guī)律，聚焦時(shí)刻tf與到達(dá)損傷時(shí)間td之間的關(guān)系為：tf=tw-td=0.4 ms.取f=0.1 mm，超聲波在鋼中的傳播速度為3 100 m/s，橫坐標(biāo)范圍為0～160 mm，縱坐標(biāo)范圍為0～80 mm.根據(jù)求和、乘積形式得到最終的損傷成像分別如圖14、15所示.運(yùn)用超聲水浸C掃描得到的圖像如圖16所示.

圖14 求和形式得到的損傷成像Fig.14 Damage image by sum

圖15 求積形式得到的損傷成像Fig.15 Damage image by quadrature

從圖14,15中可知，兩種方法均能完整地將檢測(cè)區(qū)域呈現(xiàn)出來(lái)，形狀大小相同.從圖14中可以看出導(dǎo)波能量較大區(qū)域集中在橫坐標(biāo)為100～160 mm，縱坐標(biāo)為20～70 mm范圍內(nèi)，從圖15中可以基本看出損傷的中心位置，約為(130 mm，40 mm)，這均與試件中預(yù)置缺陷的位置及大小相符，結(jié)果是可信的.同時(shí)可以看出，對(duì)于以上兩種形式定義的成像參數(shù)各有優(yōu)點(diǎn)，求和形式算法對(duì)于多個(gè)損傷共存，或者大面積損傷有較好地反映，但是成像結(jié)果中存在一些虛假損傷；求積形式算法可以準(zhǔn)確定位損傷引起散射點(diǎn)的位置，但是較難反映連續(xù)的散射區(qū)域.與常規(guī)的超聲C掃描檢測(cè)圖像相比，雖然精度和準(zhǔn)確度稍差，但干耦合成像檢測(cè)克服了超聲波需要耦合介質(zhì)的問題.

圖16 超聲水浸C掃描圖像Fig.16 Ultrasonic C-scan image by immersion method

5 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)了特別結(jié)構(gòu)形式的壓電振子及傳聲桿，構(gòu)建了干耦合檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)時(shí)既不需要涂抹耦合劑，同時(shí)也保證了較大的超聲波入射能量.

2)干耦合檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過時(shí)間反轉(zhuǎn)、二次加載及發(fā)射后會(huì)產(chǎn)生聚焦放大效果，位于缺陷處的能量最大.

3)通過對(duì)損傷散射信號(hào)進(jìn)行采集、時(shí)間反轉(zhuǎn)及提取包絡(luò)線，建立信號(hào)聚焦時(shí)刻的瞬態(tài)波動(dòng)圖，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步驗(yàn)證了干耦合的時(shí)間反轉(zhuǎn)成像檢測(cè)方法.

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Dry-coupled ultrasonic detection of solid rocket motor by time reversal method

AI Chun’an, CAI Xiaofeng, LI Jian, HAN Zhaolin

(Department of Power Engineering, Rocket Force University of Engineering, Xi’an 710025, China)

To solve the problem that the couplant can’t be used on the surface of SRM shell bonding structure in ultrasonic detection, a dry-coupled ultrasonic detection system is built, and then special-structure piezoelectric vibrator and transmission rod are designed for dry-coupled probes. Based on the time reversal, a dry-coupled ultrasonic imaging method is proposed and the time reversal principle is analyzed. The transient fluctuation chart on the focus moment is established by extracting damage scatter signals, time reversal and secondary loading. Finally, the defect images are obtained by two methods, including the sum and the product of the amplitudes of signal elements. The experiment shows that the proposed method is valid to detect the shape and the position of the defect in bonding structure.

ultrasonic; solid rocket motor; dry-coupled; time reversal; defect imaging

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.02.023

2015-12-25

國(guó)家自然科學(xué)基金(51275517)

艾春安(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

蔡笑風(fēng)，caixf@126.com

TB559

A

0367-6234(2017)02-0145-06