基于激光超聲的固體火箭發(fā)動機(jī)熱防護(hù)層厚度測量方法

謝鵬英，金 永

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，太原 030051)

固體火箭發(fā)動機(jī)裝藥主要由殼體、絕熱層、襯層、推進(jìn)劑等組成，熱防護(hù)層(絕熱層或襯層)作為發(fā)動機(jī)內(nèi)黏接殼體或推進(jìn)劑的重要彈性材料，其厚度的均勻性是影響發(fā)動機(jī)工作性能的關(guān)鍵因素，太薄或太厚均會影響其正常工作，因此在裝藥前，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)黏接熱防護(hù)層的厚度檢測具有重要意義。

超聲波因具有方向性好、穿透能力強(qiáng)、檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)，在固體火箭發(fā)動機(jī)黏接層的厚度測量中得到了廣泛應(yīng)用。羅婕等[1]基于超聲波在發(fā)動機(jī)內(nèi)傳播的信號模型,利用維納濾波解卷積技術(shù)和改進(jìn)的前后向線性預(yù)測濾波器技術(shù)從混疊信號中得到了精確的時(shí)延估計(jì)值，解決了火箭發(fā)動機(jī)薄包覆層的厚度測量問題。劉曉蕾等[2-3]針對發(fā)動機(jī)殼體旋壓紋理對絕熱層測厚的影響，研究了小波變換在超聲測厚信號特征提取技術(shù)上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了旋壓殼體固體火箭發(fā)動機(jī)絕熱層厚度的準(zhǔn)確測量。劉祥景等[4]針對薄包覆層在超聲測厚中存在的回波信號時(shí)域混疊問題，提出的時(shí)延估計(jì)新方法準(zhǔn)確估計(jì)出了時(shí)域混疊信號的延遲時(shí)間，提高了火箭發(fā)動機(jī)包覆層厚度的測量精度。綜上所述，對于熱防護(hù)層厚度的測量均是基于傳統(tǒng)超聲進(jìn)行檢測的，且傳統(tǒng)超聲對黏接層厚度進(jìn)行測量時(shí)存在以下問題：一方面，傳統(tǒng)超聲換能器多為壓電式的，檢測時(shí)需要借助耦合劑才能與試件表面接觸，耦合劑對待測試件產(chǎn)生影響，引起試件的測量誤差；另一方面，一般固體火箭發(fā)動機(jī)殼體厚度為2～3 mm，傳統(tǒng)超聲法只能檢測出固定頻段的超聲信號，而不同材料的黏接層頻率是不同的，這在很大程度上限制了對固體火箭發(fā)動機(jī)黏接層熱防護(hù)層厚度的測量。

針對大口徑的固體火箭發(fā)動機(jī)，筆者設(shè)計(jì)了一種基于激光超聲的熱防護(hù)層厚度檢測方案。該方案中，激光從殼體一側(cè)激發(fā)超聲波，在熱防護(hù)層一側(cè)接收超聲波，利用激光輻照在材料表面進(jìn)而在材料內(nèi)部產(chǎn)生超聲波進(jìn)行檢測，其可以產(chǎn)生寬頻帶的頻率，避免了熱防護(hù)層材料的干擾；激發(fā)與接收都是通過激光束完成的，可實(shí)現(xiàn)試件的非接觸測量。同時(shí)，對采集的回波信號，利用小波變換進(jìn)行降噪處理，并采用小波變換模極大值法提取兩界面的位置信息，即可實(shí)現(xiàn)固體火箭發(fā)動機(jī)熱防護(hù)層厚度的精確測量。筆者以固體火箭發(fā)動機(jī)絕熱層為研究對象，試驗(yàn)結(jié)果證明，利用所設(shè)計(jì)的檢測方法對試件進(jìn)行檢測是可行的。

1 檢測原理及測量方案

1.1 激光超聲檢測原理

激光激發(fā)超聲的模型如圖1所示，激發(fā)出的高能脈沖激光作用于材料表面，材料因吸收激光能量而迅速升溫，并出現(xiàn)局部熱膨脹，產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而在材料表面及內(nèi)部產(chǎn)生超聲波[5-6]。激光脈沖入射到固體表面時(shí)，可以同時(shí)激勵出縱波、橫波、表面波等不同模式的超聲波，其中縱波和橫波可在厚度方向上進(jìn)行傳播，當(dāng)遇到內(nèi)部缺陷或界面變化時(shí)，一部分聲波會發(fā)生反射，一部分聲波會透過缺陷或界面繼續(xù)向前傳播。對處于對心位置處的入射縱波和橫波,滿足如式(1)～(2)所示的位移方程[7]。

圖1 激光激發(fā)超聲的模型

(1)

(2)

式中：d為材料的厚度；A為用于表征縱波熱應(yīng)力源幅值大小的常數(shù)；ρ為材料密度；vs為橫波速度；vp為縱波速度；Γ為與材料本身屬性有關(guān)的常系數(shù)；Gp為縱波位移；Gs為橫波位移。

在文中主要利用縱波進(jìn)行檢測，并通過設(shè)計(jì)合適的檢測方案實(shí)現(xiàn)對材料厚度的測量。

1.2 檢測方案

采用透射法對發(fā)動機(jī)裝藥前熱防護(hù)層厚度進(jìn)行測量，進(jìn)而驗(yàn)證激光超聲檢測熱防護(hù)層厚度的可行性，也為后續(xù)基于反射法的熱防護(hù)層厚度測量提供理論依據(jù)。

圖2為基于透射法的激光超聲測量原理示意，測量時(shí)將試件置于掃描架上，使激光發(fā)射器與激光超聲接收儀處于同一高度且處于對心位置處，脈沖激光經(jīng)柱面透鏡聚焦后輻照在試件表面上，并在試件中產(chǎn)生超聲波，超聲波在試件內(nèi)傳播之后，被激光超聲接收儀輻照在試件表面的探測點(diǎn)調(diào)制后接收，并傳輸至計(jì)算機(jī)端，完成對超聲回波信號的采集。

圖2 基于透射法的激光超聲測量原理示意

測量時(shí)，激光從殼體一側(cè)激發(fā)超聲波，在熱防護(hù)層一側(cè)接收，超聲波在試件內(nèi)部傳播時(shí)會攜帶試件的內(nèi)部信息，通過分析超聲波在試件內(nèi)的傳播特性，可實(shí)現(xiàn)對熱防護(hù)層厚度的非接觸測量。圖3為超聲波在試件內(nèi)的回波傳播示意，根據(jù)接收到的第一次和第二次超聲回波信號，計(jì)算超聲波在熱防護(hù)層中的傳播時(shí)間，依據(jù)式(3)即可計(jì)算出熱防護(hù)層的厚度，圖4為根據(jù)檢測方案采集的回波信號。圖3中，A為受激光輻照后的激發(fā)點(diǎn)，B為處于對心位置處的接收點(diǎn)，L為鋼板的厚度，d為熱防護(hù)層的厚度。圖4中， a區(qū)域?yàn)榈谝淮谓邮盏匠暬夭ㄐ盘柕姆秶琤區(qū)域?yàn)榈诙谓邮盏匠暬夭ㄐ盘柕姆秶?/p>

圖3 超聲波在試件內(nèi)的回波傳播示意

圖4 采集的回波信號

d=Δt·v/2

(3)

式中：v為熱防護(hù)層中的聲速；Δt為熱防護(hù)層回波信號的時(shí)間間隔。

2 回波信號的處理和特征提取

超聲波在試件內(nèi)傳播時(shí)，材料結(jié)構(gòu)噪聲、環(huán)境噪聲及儀器電噪聲等因素會對采集的回波信號產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響對超聲回波信號的進(jìn)一步處理。

由于小波變換適合處理非穩(wěn)態(tài)識別信號，且具有在時(shí)頻域可局部化的特性，所以文章采用小波變換對回波信號進(jìn)行降噪處理，這里采用wden函數(shù)產(chǎn)生的信號默認(rèn)閾值對信號進(jìn)行降噪處理，圖5為采用小波變換對信號進(jìn)行降噪后的波形。從圖5可以看出，雖然降噪后的信號相比于原始信號噪聲明顯減少，波形更加平滑，易于對信號進(jìn)行讀取，但由于熱防護(hù)層的厚度較薄，超聲信號在熱防護(hù)層中傳播時(shí)會發(fā)生多次反射，信號發(fā)生混疊，波形產(chǎn)生畸變，無法從時(shí)域信號中直接讀取熱防護(hù)層的回波信號。針對這一問題，采用小波變換模極大值法對熱防護(hù)層兩界面的回波信號進(jìn)行特征提取。選擇Gaussian函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)作為母小波進(jìn)行小波變換，求取模極大值。

圖5 采用小波變換對信號進(jìn)行降噪后的波形

(4)

設(shè)φm(t)=φ(t/s)·s-1=1，則對于一個f(t)∈L2(R)，有如式(5)所示的小波變換。

(5)

設(shè)Waf(t)為f(t)的小波變換，在尺度a=a0時(shí)，若存在(a0,t0)使?Wa0f(t0)/?t=0，則稱點(diǎn)(a0,t0)為小波變換的極值點(diǎn)。若|Wa0f(t)|≤|Wa0f(t0)|,t為t0左、右鄰域內(nèi)的任意點(diǎn)，則稱點(diǎn)(a0,t0)為小波變換的模極大值點(diǎn)，|Wa0f(t)|對應(yīng)超聲信號的突變點(diǎn)，此即為小波變換模極大值求取信號突變的原理。依據(jù)這一原理，對熱防護(hù)層的回波信號進(jìn)行特征提取，通過提取的熱防護(hù)層兩界面的時(shí)間差，實(shí)現(xiàn)對熱防護(hù)層厚度的測量。

3 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

制作厚度為2.03 mm的絕熱層試塊，將其黏貼在厚度為10 mm的鋼板上作為待測試件。圖6為激光超聲檢測系統(tǒng)外觀，采用CFR200型號的激光發(fā)射器、基于邁克爾遜干涉儀原理的QUARTET-500 mV型號的激光超聲接收儀和200 mm的柱面透鏡對待測試件上3處不同位置1#，2#，3#分別進(jìn)行檢測。

圖6 激光超聲檢測系統(tǒng)外觀

對采集到的超聲回波信號采用上述方法進(jìn)行處理，并進(jìn)行特征提取，圖7為對回波信號采用小波變換模極大值法進(jìn)行特征提取的波形。若信號在某一時(shí)刻發(fā)生畸變，則|Waf(t)|上的模極大值連線將在較大尺度范圍內(nèi)發(fā)生變化，從大尺度向小尺度進(jìn)行追蹤即可得到奇異點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)對絕熱層厚度的測量。從圖7可以看出，超聲回波信號的小波系數(shù)在較大尺度范圍內(nèi)均有模極大值連線。為了減小單一尺度引起的確定突變時(shí)間得來的誤差，對各時(shí)間點(diǎn)所有尺度上的小波系數(shù)取平均值，該平均值的能量反映了信號在各時(shí)間點(diǎn)奇異性的大小。大量的研究證明，在進(jìn)行絕熱層厚度激光超聲回波信號特征提取時(shí)，尺度應(yīng)為16以內(nèi)。

圖7 小波變換模極大值法進(jìn)行特征提取的波形

圖8為小波變換模極大值的平均幅值，可以看出，在x1處信號能量達(dá)到最大值，且峰值能量超過其附近的模極大值能量，x2處為次能量極大值。由信號突變檢測原理可知，能量越大，奇異性越強(qiáng)，圖8中x1處為激光超聲接收儀第一次接收到的信號，即對應(yīng)于入射時(shí)鋼板/絕熱層界面回波到達(dá)的時(shí)間，x2對應(yīng)于反射時(shí)絕熱層/鋼板的界面回波時(shí)間，計(jì)算兩次接收到回波信號的差值，即可算出超聲波在絕熱層中的傳播時(shí)間。3處不同位置提取的兩界面采樣點(diǎn)值及差值如表1所示。

圖8 小波變換模極大值的平均幅值

表1 3處不同位置提取的兩界面采樣點(diǎn)個數(shù)及差值

取絕熱層中的超聲傳播速度為1 336 m·s-1，信號的采樣頻率為50 MHz，根據(jù)兩界面的采樣點(diǎn)個數(shù)差值計(jì)算出時(shí)間間隔，并依據(jù)式(1)計(jì)算出絕熱層的厚度，結(jié)果如表2所示。

表2 厚度測量結(jié)果

可以看出，該方法對熱防護(hù)層超聲回波信號的處理有比較好的效果，測量的相對誤差在6.4%以內(nèi)。

4 結(jié)語

采用激光超聲技術(shù)對熱防護(hù)層厚度進(jìn)行測量，不僅克服了傳統(tǒng)超聲在測量熱防護(hù)層厚度時(shí)，殼體厚度和熱防護(hù)層材料的限制，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)對熱防護(hù)層的非接觸測量，提高了對熱防護(hù)層厚度的測量精度。利用小波變換模極大值法，有效地提取了熱防護(hù)層兩界面的位置特征信息，試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法測量的相對誤差在6.4%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對熱防護(hù)層的厚度測量。

文中僅對一種熱防護(hù)層厚度進(jìn)行了分析提取，未涉及多種材料的測量。從數(shù)理思路上看，該檢測方法可實(shí)現(xiàn)對多種熱防護(hù)層厚度的測量，進(jìn)而為工程應(yīng)用提供一種有效的檢測手段，具體驗(yàn)證工作有待進(jìn)一步的分析與研究。