幅值谱在斜声束回波法多界面粘接质量检测中的应用

　　固体火箭发动机所采用的多层粘接结构的粘接质量问题直接关系到火箭发射的安全性和可靠性,因此发动机包覆质量的无损诊断一直是国际上研究的重点[1]。本文介绍了在利用斜声束水浸回波对机载固体火箭发动机的钢、绝热层、衬层多层粘接结构的粘接质量进行超声检测时,应用幅值谱极值提取特征值来消除信号混叠影响,提高检测信噪比,改善图像质量方面的研究工作。

　　1　斜声束回波法粘接质量检测中的幅值谱

　　利用倾斜声束水浸回波法对固体火箭发动机的钢层、绝热层、衬层多层粘接结构的粘接质量进行检测的原理如图1·1所示,图1·2给出了检测的典型信号。第一回波是界面Ⅰ的反射回波,第二回波是界面Ⅰ粘接,而界面Ⅱ或界面Ⅲ脱粘时界面Ⅱ或界面Ⅲ的反射回波(绝热层、衬层都是橡胶基材料声阻抗相近),波形(a)是Ⅱ界面脱粘,波形(b)是Ⅲ界面脱粘,两者的区别是第二回波与第一回波的延迟时间不同,第二回波的幅值大小也不同;若只有第一回波,说明Ⅰ界面脱粘或Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ界面全部粘接,但后一种状态由于衰减较大使第一回波幅值较小,相差10%左右。波形(c)是Ⅰ界面脱粘,波形(d)是三个界面都粘接。因此,回波信号包含了三界面粘接状态的信息。

　　从检测波形上看回波信号分为两种:一种是只包含一个回波信号,另一种是由第一回波和第二回波组成。所用检测系统可以用线性微分方程描述且其系数只与系统结构相关,是线性时不变系统。因此两个回波信号具有同源性、衰减性、延迟性。同源性是指第一回波与第二回波都是检测子波的界面反射波,它们的频率成份相同;衰减性和延迟性是指第一回波与第二回波都是检测子波经衰减并延迟后所得到的信号,它们之间的区别是衰减的程度和延迟的时间不同,即它们之间存在幅值差和时间差,而时间差与包覆层(绝热层或绝热层+衬层)的厚度相对应。从图1.1可知第二回波比第一回波延迟的时间是第二回波在包覆层中传播的距离除以声速。

　　若检测信号是x(t),第一回波是r(t),第二回波是rα(t),则x(t)= r(t)+rα(t).若第二回波与第一个回波相比其衰减系数是α,延迟时间为t0,则rα(t) =α·r(t- t0).假定有傅里叶变换R(f) =F[r(t)],根据傅里叶变换的性质可知,X(f) =F[x(t)]= R(f)+αR(f)e-j2πft0,即X(f)= R(f)(1+αe-j2πft0),而αe-j2πft0= acos 2πft0-jαsin2πft0.幅值频谱| X(f)|=| R(t)|当相位差2πft0=2nπ(n =0,1,2,3,…)时,幅值频谱取极大值,而当相位差2πft0=(2n+1)π(n =0,1,2,3,…)时,幅值频谱取极小值。前者是两回波在特定的频率成份相位相同,出现同相干涉;后者是两回波在特定的频率成份相位相反,出现反相干涉。这与谐振现象相似,因此下面借用谐振的一些概念来说明问题。实际检测时检测信号的频带宽度是固定的,因而频谱中的极大值和极小值个数是有限多个。反映在频谱上就是若没有第二回波,频谱是光滑的;若有第二回波,频谱就变为指状频谱,即频谱上存在若干极大值和极小值。图1.3是典型检测信号频谱,(a)是光滑频谱,(b)是指状频谱。