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第 38 卷 第 1 期 郑善朴等: 多层结构中脱粘缺陷的超声检测方法 135
S
0 引言
P r P P r P P
脱粘缺陷在固体火箭发动机装药结构中的位
置、大小和类型是决定其危害程度的关键参数,对 Z 1
F 15
F 12
多层装药粘接结构中脱粘缺陷的无损检测是保证
T 12 Z 5 T 21
A
发动机安全、高性能工作的重中之重 [1−2] 。随着大
Z 2
直径整体缠绕式复合材料逐渐代替高强度合金钢 F 23
作为固体火箭发动机壳体成为国际主流趋势,装药 T 23 T 32
Z 3
结构粘接质量的无损检测技术也需与时俱进 [3] 。超 F 34
声检测技术的研发和应用程度远远小于较成熟的 Z 4
高精度工业 CT 技术和激光全息检测技术,但其成 图 1 声波在不连续多层介质中的传播图
本低、无害的检测优势正是大直径发动机现场检测 Fig. 1 Propagation of ultrasonic waves in discon-
所需要的 [4] 。脉冲反射法检测金属壳体装药结构 tinuous multilayer media
时,金属产生屏蔽效应使声波能量聚集在金属层难 结合介质的衰减系数α i 可求出声波的界面i反射声
以下传。因此,以往金属壳体装药结构的超声检测 压P j 分别为
为基于板波诱发波法和聚焦探头双模式检测法的 ( ( A ) A )
2
P 1 = 1 − F 12 + F 15 P r α , (3)
螺旋 C 扫成像 [5] 。复合材料内部的结构复杂,衰减 S S 1
较大,不适合板波和横波的传播,因此选择单发单收 ( A ) 2 2
P 2 = 1 − P r T 12 F 23 T 21 α α , (4)
1 2
的大功率接触型超声纵波垂直脉冲反射法对多层 S
A 2 2 2
( )
结构的脱粘缺陷进行检测。 P 3 = 1 − P r T 12 T 23 F 34 T 32 T 21 α α α . (5)
1 2 3
S
超声脉冲反射法依靠声波在工件内的传播时 同理可知,当不连续区域位于界面 2 时,界面 i
间和回波确定缺陷位置和缺陷尺寸,但该技术缺少 反射声压P j 为
判定缺陷类型的信息源,至今为止未能实现缺陷定 2
P 1 = P r α F 12 , (6)
1
性的标准化,检测的准确与否很大程度上取决于探 ( ( A ) A )
2 2
伤工作者的经验和素质。对固体火箭发动机装药结 P 2 = 1 − F 23 + F 25 P r α α T 12 T 21 , (7)
1 2
F F
构的鼓包型、紧贴型和斑点型脱粘缺陷进行检测分 ( A )
2 2 2
P 3 = 1 − P r T 12 T 23 F 34 T 32 T 21 α α α . (8)
1 2 3
类可改进其制作工艺和贮存条件 [6−7] 。本文提出脱 S
粘缺陷的超声定性、定位和定量检测方法,并通过 由以上公式可知,理想情况下,平面波入射至
Comsol仿真和实验验证各方法的准确性和可行性。 含有不连续区域的多层介质中,相同尺寸、不同深
度的不连续区域对整体底面回波 P 3 影响不变;返回
1 声波在不连续多层介质中的传播规律 的界面 i 反射声波 P j 与不连续区域的面积、位置有
关,因此,可作为不连续区域的定性和定量依据。
图 1 为声波在不连续多层介质中的传播图,一
束直径 S、声压 P r 的平面波垂直入射至界面 1 含不 2 BP神经网络在分类中的应用
连续区域 (直径 A) 的多层介质中。依据声波在异质
界面的声压分配规律,两侧介质的声阻抗 Z i 决定了 多层粘接结构成型复杂,脱粘类型众多,超声
脉冲反射信号与脱粘类别之间存在着极为复杂的
声波在异质界面上的透射率T ij 和反射率F ij 为
非线性关系,且不同脱粘类型的信号之间具有高度
2Z j
T ij = , i, j = 1, 2, 3, 4, 5, (1) 相似性、模糊性,很难建立判定脱粘类型的标准。针
Z i + Z j
对脱粘类型的分类困难,可利用 BP(Back propaga-
Z j − Z i
F ij = , i, j = 1, 2, 3, 4, 5. (2)
tion) 神经网络区分具有模糊边界的类别。BP 神经
Z i + Z j
假设不连续区域的声阻抗远小于两侧介质, 网络是一种按误差反向传播算法训练的多层前馈
则声波入射到介质与不连续区域的界面几乎全反射。 神经网络,其可利用函数逼近功能来逼近分类边界,