基于模糊模式識別的緊貼脫粘的超聲檢測

何 琦 歐三立

（中國特種設(shè)備檢測研究院 北京 100029)

脈沖反射法是超聲無損檢測中最基本的方法，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，適用于分類識別對象本身或要求的識別結(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合[4]。不同緊貼型脫粘缺陷的脈沖反射信號中涵蓋的特征參數(shù)可以對脫粘做出分類識別，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別

多層粘接結(jié)構(gòu)中緊貼脫粘類型的超聲檢測，是將待檢測脈沖回波信號的時(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時(shí)得到的特征參數(shù)的數(shù)值在各自平均值附近波動，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，超聲對脫粘類型的判斷可以通過模糊模式識別中間接法的擇近原則來實(shí)現(xiàn)[6]。

對緊貼脫粘進(jìn)行模糊模式識別的步驟如下：

1）將N種已知脫粘類型的脈沖回波信號特征參數(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，衡量兩個(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應(yīng)的脫粘類型，從而實(shí)現(xiàn)對未知緊貼型缺陷深度和面積的判斷[7]。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建及信號分析

2.1 超聲脫粘檢測實(shí)驗(yàn)材料及系統(tǒng)

模擬某型號的固體火箭發(fā)動機(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，對不同脫粘類型的區(qū)域測量10次并計(jì)算回波信號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)算不同聲程所對應(yīng)的特征回波位置如圖3所示。

圖2 超聲脈沖反射法測量系統(tǒng)

圖3 聲程與特征回波位置的對應(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）粘接良好回波信號中聲程對應(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，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，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別中的9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，分別對5個(gè)待測缺陷D1～D5進(jìn)行檢測，重復(fù)檢測20次并求取平均值作為脈沖回波信號，提取其中的五種特征回波幅值作為待測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)算出的待測類型模糊子集與參考模糊子集的貼近度見表2 。

表2 待測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未知類型的脫粘進(jìn)行分類。結(jié)果表明，模糊模式識別的方法是超聲脈沖反射法識別緊貼脫粘類型有效、準(zhǔn)確的方法。