劉曉蕾,王召巴,陳友興,金 永,趙 霞

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)絕熱層超聲測厚技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量評價(jià)研究的熱點(diǎn)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)殼體是經(jīng)過旋壓而成,所以殼體外表面留有旋壓紋理,造成超聲回波信號的噪聲較大,不易提取厚度特征,對厚度的測量帶來困難。因此,研究超聲測厚信號的特征提取具有重要意義。

1 板波誘發(fā)波測厚原理

超聲板波(蘭姆波[1])在板(殼體)中傳播時(shí),既有橫波,又有縱波。板中的質(zhì)點(diǎn)基于這兩種振動(dòng)的合成,在其平衡位置附近做橢圓形運(yùn)動(dòng),波動(dòng)前進(jìn)方向與板平行。若板的一側(cè)粘有其它材料,板波在向前傳播時(shí),其中的橫波會(huì)將部分聲波透射到周圍介質(zhì)中去。A 0,S0型板波中的橫波分量的能量集中在板的上下表面處,該特點(diǎn)可使殼體中傳播的板波最大限度地將能量透射入絕熱層中,即透射率最大,以增大絕熱層中的回波幅值。筆者基于板波的這一特性,研究了將其用于測量絕熱層的厚度,檢測原理[2]如圖1所示。

圖1 板波誘發(fā)波超聲測厚原理

為在殼體中產(chǎn)生相速度為cp的A0,S0型板波,將超聲發(fā)射探頭與接收探頭耦合于發(fā)動(dòng)機(jī)殼體的外表面,選擇探頭入射角αi,使其滿足：

式中 αi——聲波在探頭透聲楔中縱波入射角;

cl——透聲楔中縱波速度;

cp——A0,S0型板波的相速度。

該板波沿水平方向向前傳播,稱為板波Ⅰ(圖1)。由于殼體下方粘有絕熱層,板波Ⅰ在向前傳播時(shí),橫波成分將部分聲波以縱波的形式透射入絕熱層中,該縱波稱為板波誘發(fā)波。同縱波從透聲楔到殼體中滿足式(1)產(chǎn)生板波一樣,殼體中的板波透射入絕熱層時(shí)應(yīng)滿足：

式中 β——絕熱層中誘發(fā)縱波的折射角;

c2——絕熱層的縱波聲速。

由式(1)和(2)得：

可見,誘發(fā)縱波以折射角β的方向在絕熱層中傳播,其被絕熱層底面反射后,一部分聲波再次進(jìn)入殼體中,形成與板波Ⅰ模式相同的板波,稱為板波Ⅱ。當(dāng)這兩個(gè)板波到達(dá)接收探頭時(shí),就被接收?？梢宰C明,板波Ⅰ與板波Ⅱ的時(shí)差Δt與包覆層的厚度d及板波的相速度cp有如下關(guān)系：

當(dāng)被測對象確定后,cp和c2即確定,由上式可知A為常數(shù)。當(dāng)測得板波Ⅰ與板波Ⅱ的時(shí)差 Δt時(shí),便可算出包覆層的厚度d。

綜上所述,板波誘發(fā)波超聲檢測技術(shù)是一種借助于筒殼中板波在低聲阻抗材料中形成的誘發(fā)波實(shí)現(xiàn)超聲檢測的方法。誘發(fā)波形成的板波Ⅱ既攜帶了低聲阻抗材料層的厚度信息,又?jǐn)y帶了各層界面粘接信息,是一種理想的鋼質(zhì)筒殼火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部絕熱層質(zhì)量檢測技術(shù)。

圖2 原始信號

板波沿著鋼板表面?zhèn)鞑?由于表面不光滑而造成的鋼板厚度不均勻,從而造成對回波信號的影響,如圖2所示。圖中橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn),縱坐標(biāo)為振幅,從圖中可以看出一界面回波的整個(gè)波程都在鋼板中傳播,因而受到表面不光滑的影響也比較大,界面特征不容易區(qū)分,而二界面回波在整個(gè)鋼板中傳播的波程比較短,受到的影響也比較小。對此筆者采用小波變換來處理一界面回波信號,提取界面位置信息,最后根據(jù)超聲波在其中的傳播速率及其兩界面反射回波的時(shí)間差計(jì)算絕熱層厚度。

2 小波變換在絕熱層超聲測厚中的實(shí)現(xiàn)

旋壓殼體對測量絕熱層厚度的超聲回波信號造成干擾,不易確定界面回波位置。利用小波在時(shí)頻域可局部化的特性及在處理數(shù)字信號方面的優(yōu)勢,所以采用小波變換對回波信號進(jìn)行分析處理。

2.1 小波提取位置信息

首先先對原始信號進(jìn)行降噪處理。小波消噪處理方式可分為強(qiáng)制消噪處理、給定軟(或硬)閾值消噪處理和默認(rèn)閾值消噪處理。這里采用wden函數(shù)產(chǎn)生的信號默認(rèn)閾值,對絕熱層超聲原始回波信號進(jìn)行降噪處理,降噪后的信號如圖3所示。

圖3 降噪后的信號

利用小波變換的多尺度特性對降噪后的信號進(jìn)行分解,分別提取出其低頻、高頻系數(shù),并重構(gòu),重構(gòu)信號如圖4所示。

根據(jù)圖4可測出兩界面之間的采樣點(diǎn)之間的差值。為了提高測量的精確度,現(xiàn)采用不同的小波函數(shù)對信號進(jìn)行分解重構(gòu)。選取處理之后使兩層界面比較明顯的小波函數(shù),讀出兩界面峰值處的采樣點(diǎn)值,并計(jì)算出其采樣點(diǎn)之間的差(表1),分解層數(shù)保持不變,始終分解3層。

圖4 重構(gòu)信號

2.2 絕熱層厚度計(jì)算

根據(jù)介紹的測量原理及公式,需測出A0,S0型板波的相速度cp,絕熱層的縱波聲速c2。根據(jù)試驗(yàn)測得絕熱層的縱波聲速c2=1177.38m/s;板波的相速度cp=2974m/s。將c2,cp代入式(4),可求出A=1282.13m/s。根據(jù)兩界面采樣點(diǎn)之間的差值和已知的采樣頻率(100MHz),算出時(shí)間間隔,再由式(5)可計(jì)算出絕熱層的厚度,見表2。

表1 兩界面采樣點(diǎn)之間的差

表2 厚度測量結(jié)果

可以看出,db7小波對測量絕熱層超聲回波信號的分析處理有比較好的效果,能夠得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。

3 結(jié)論

針對超聲測厚信號的特征提取,采用小波技術(shù)對性質(zhì)均一的絕熱層的超聲回波信號進(jìn)行了小波降噪及提取高低頻信號重構(gòu),可有效提取出兩界面的位置特征信息,即一界面與二界面之間的采樣點(diǎn)之間的差值,再運(yùn)用相關(guān)公式,可計(jì)算出絕熱層厚度。由此可實(shí)現(xiàn)絕熱層厚度的超聲無損檢測,同時(shí)驗(yàn)證了小波分析方法在絕熱層超聲回波信號處理中的實(shí)用價(jià)值。

[1]《超聲波探傷》編寫組.超聲波探傷[M].北京：電力工業(yè)出版社,1980：235-241.

[2]王召巴,路宏年.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包覆層厚度超聲測量新技術(shù)[J].兵學(xué)學(xué)報(bào),1999,20(1)：88-90.