弹体底隙超声检测方法研究

　　1引言

　　某型号穿甲弹战斗部弹体由内锥形钢壳和锥形药柱在高温和一定压力下装配而成, 内锥面和药柱在装配过程中容易形成不均匀粘接、偏装和底隙等缺陷, 这三种缺陷都会严重影响弹体的安全性能; 不均匀粘接和偏装可通过调整装配工艺加以控制并消除, 底隙因其形成原因较为特殊, 很难用过程控制来有效地消除, 只能通过检测手段来剔除。弹体结构及底隙分布示意图如图 1。装药安全要求中对底隙的定义是: 厚度大于0.38mm,宽度大于 30mm 的空气隙为底隙。如何有效地检出此类缺陷, 确保弹体的安全性能是本文的研究核心。

　　底隙属于脱粘类缺陷, 此类缺陷常见的无损检测方法有超声法 、微波法、X 射线法 和红外法等。但由于弹体结构特殊(复杂构件), 且底隙分布在圆锥面上, 国内外尚未见到检测底隙的相关报导。本文基于超声波声通量守恒原理及弹体的特殊结构, 提出一种能够有效地分辨出底隙有无的超声检测方法, 并通过对人工弹体底隙的检测和对多种型号弹体的实测验证了该方法的可行性。

　　2 超声检测原理及系统设计

　　2.1 超声检测原理

　　在声学中, 介质是以声阻抗来划分的, 所谓声波的介质界面就是声阻抗不同的介质界面。

　　超声波产生反射或折射于:(1) 介质的声阻抗在界面处发生突变, 或者说不连续; (2)界面的线度远大于声波波长及声束的直径。反射、折射发生时, 界面两边声强、声压等物理量会发生变化, 但在界面处的声压连续, 法向速度也连续。所谓声压连续是指在界面两侧的声压相等, 法向速度连续是指质点的振动速度在垂直界面上的分量相等。这两个连续条件是研究声波传播特性的基本依据。当一束平面超声入射到两种线度比波长大许多的介质交界面时, 就会发生反射和折射现象, 如图2 所示。其中, Z1为钢的声阻抗; Z2为药柱的声阻抗; θi为入射角;θr为反射角; θt为折射角。可推导得出声强反射系数r1和声强透射系数t1分别为

　　即超声波只有在垂直入射时声强才能守恒, 其它角度入射时声强不守恒。其原因在于:如果用强度来描述超声的能量特征, 只能表示一个点上的能量性质。而在实际应用中, 超声束是投照在一个界面上, 或者说界面的几何性质对超声能量探测颇具影响。因此, 用声通量概念来描述超声波的能量传输特性更为合适, 且可证明, 超声入射到一个界面上时, 声通量是守恒的。

　　由式(3)、(4)可知, 无论入射角度如何, 都有 成立,声通量始终守恒。由此说明以声通量作为超声波能量的测量量可以全面反映超声在两种不同介质界面处的传播特征: 声阻抗越接近透射声通量越大, 反射声通量越小; 声阻抗差别越大反射声通量越大, 透射声通量越小。从而可以利用反射声通量的大小来判别两种介质界面处的粘接状态。此处, 钢中声阻抗