基于空氣耦合超聲蘭姆波技術的固體火箭發(fā)動機脫粘檢測研究①

曾雪峰，?？〗?，2，萬陶磊，余 盼，吳中權，盧 超

(1.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，南昌 330063；2.日本探頭株式會社，橫濱 232-0033)

0 引言

粘接結構在航空航天、汽車制造、電子電器等領域有著廣泛的應用[1]。固體火箭發(fā)動機殼體/絕熱層之間的粘接質(zhì)量決定了發(fā)動機的安全和可靠性，該粘接結構的無損檢測尤為重要[2]。目前的實際檢測中，對于空氣脫粘多采用X射線數(shù)字成像技術、CT、傳統(tǒng)接觸式脈沖反射回波法和蘭姆波[3]。這些方法或多或少存在著不足之處，X射線精度高但是設備昂貴、復雜、操作不方便，且只能檢測空氣脫粘缺陷；而接觸式脈沖回波法常搭配信號處理技術進行檢測難以實現(xiàn)快速自動化檢測和成像；中北大學王召巴使用蘭姆波誘發(fā)波原理[4-6]，研制出適用于SRM的自動化檢測系統(tǒng)，能夠?qū)γ撜尺M行有效檢測和成像，但是換能器和殼體之間仍采用水、有機溶劑等進行耦合，檢測精度較高但檢測效率較低?？諝怦詈铣曌鳛橐环N新興的無損檢測技術，其具有非接觸、非浸潤以及無傷害的特性，且空耦蘭姆波使用信號線采集方式取代傳統(tǒng)超聲逐點采集信號方式，因此檢測效率得到大幅提升[7-8]?？振畛曊辰咏Y構質(zhì)量檢測在國內(nèi)研究尚少，江洋使用COMSOL對雙層鋁板進行蘭姆波信號仿真研究，驗證該方法對脫粘缺陷的檢測能力[9]。王興國使用空耦穿透法結合界面彈簧模型對雙層粘接結構的固化過程進行評價，其結果和非線性超聲檢測結果基本一致，效果較好[10-11]。隨著高功率檢測系統(tǒng)和高性能空氣耦合超聲換能器的研制，空氣耦合超聲逐漸在復合材料檢測、材料特性評估等方面得到應用，未來發(fā)展?jié)摿薮骩12-15]。

基于以上分析，本文提出更高檢測效率的空耦超聲蘭姆波檢測技術，使用粘接結構中漏蘭姆波(Leakage Lamb wave)對空氣脫粘缺陷進行定位、定量及成像檢測。本文以鋼/橡膠粘接結構為對象，使用同側蘭姆波通過仿真和實驗對鋼/橡膠結構中不同尺寸脫粘缺陷對接收信號的影響和不同模態(tài)的缺陷靈敏度進行研究，使用6 dB法進行缺陷定量，并使用概率損傷成像方法和異側蘭姆波自動掃查技術對缺陷進行成像。最后將仿真結果和實驗結果進行對比，驗證空氣耦合超聲對固體發(fā)動機中損傷檢測的可行性及高效性。

1 蘭姆波檢測原理

蘭姆波是超聲換能器以一定的角度傾斜入射到材料表面后，體波在材料厚度范圍內(nèi)發(fā)生相互耦合疊加而形成的一種具有多模態(tài)特性的波。傳統(tǒng)接觸式超聲通常在超聲換能器表面施加一個不同角度的楔塊來獲得具有不同入射角的超聲波。相對于傳統(tǒng)接觸式超聲蘭姆波激勵方式，空耦超聲優(yōu)勢在于可以通過連續(xù)調(diào)整換能器角度而無需配備各種角度的楔塊就能獲得不同模態(tài)的蘭姆波。

如圖1所示，T-R換能器配置方式為同側對向法(Same-side method)，也稱同側透射法，T-R′換能器配置方式為異側對向法(Opposite-side method)。

圖1 蘭姆波在粘接結構中的激發(fā)和傳播Fig.1 Excitation and propagation of Lamb waves in bonded structures

蘭姆波在鋼板傳播過程中會以一定角度往上下兩側半無限空間中泄漏，由于橡膠中體波速度與鋼板差異較大且剪切衰減較大，泄漏在橡膠中的蘭姆波并不會重新在橡膠中產(chǎn)生新的模態(tài)蘭姆波，而是以橫波或縱波的形式在橡膠中產(chǎn)生折射和反射，反射的超聲波以一定的角度重新入射至鋼板中并形成新的蘭姆波，即鋼板中的誘發(fā)波(本文稱為：類蘭姆波，Secondary Lamb wave)，橡膠里折射的蘭姆波則泄露至另一側空氣中。使用同側法當鋼板中泄漏的蘭姆波遇到空氣脫粘缺陷時，由于空氣和鋼板巨大的聲阻抗差，往空氣中泄漏的蘭姆波能量小，往橡膠中泄露的蘭姆波能量大，則泄漏介質(zhì)為空氣相對于泄漏介質(zhì)為橡膠時鋼板中蘭姆波能量增大，因此接收蘭姆波信號的能量增大。異側法檢測原理和穿透法類似，遇到缺陷時接收信號能量相應減小。依據(jù)以上理論可對該粘接結構中脫粘缺陷進行檢測。計算5 mm厚鋼板中蘭姆波相速度如圖2(a)所示，依據(jù)Snell定理計算空氣耦合超聲蘭姆波入射角頻散曲線如圖2(b)所示。

(a)5 mm steel plate phase velocity dispersion

(b)Incidence angle dispersion圖2 鋼板中相速度和入射角頻散曲線Fig.2 Phase velocity and incident angle dispersion curves in steel plate

2 粘接結構蘭姆波聲場仿真

使用WAVE2000有限差分法仿真軟件對不同缺陷尺寸的模型進行仿真研究。由于超聲在空氣中衰減劇烈，因此通常在實際檢測中空耦換能器頻率被限制在1 MHz以下。由頻散曲線可知在低頻狀態(tài)下(小于400 kHz)導波模態(tài)呈現(xiàn)單一化即只有A0或S0模態(tài)，并且空耦超聲極易激勵材料中的A0模態(tài)，相對于傳統(tǒng)接觸式高頻超聲，從某種程度上這避免了因?qū)РB(tài)過多導致信號混疊難以區(qū)分的結果。使用同側法分別建立了200、400、800 kHz頻率具有無缺陷和缺陷長度為10、20、30、40 mm的25個模型。鋼板厚5 mm，橡膠厚2 mm，粘接層厚度為0.1 mm。

圖3為800 kHz頻率時不同缺陷長度的接收信號，A0和S0模態(tài)信號幅值隨著缺陷長度的增加而增大，這與理論分析結果是一致的。從蘭姆波結構角度分析，在相同波能量情況下，800 kHz頻率下S0模態(tài)的離面位移分量稍大于A0模態(tài)，垂直于板面的振動位移更大，因此接收信號能量更大；而類蘭姆波分量的一部分和S0模態(tài)混合在一起會造成信號幅值增大的結果，當脫粘缺陷的尺寸增大時，類蘭姆波分量減小，導致S0模態(tài)的波包幅值增大的趨勢變慢，但是從宏觀幅值大小的變化可知，A0和S0模態(tài)信號幅值都隨著脫粘尺寸增大而相應增大，因此依據(jù)信號幅值的變化程度可以檢測該結構中的脫粘缺陷并定量分析，而類蘭姆波和缺陷長度對S0模態(tài)幅值的主次影響需要進一步通過實驗進行驗證。

圖3 不同尺寸脫粘缺陷接收信號Fig.3 Receive signals with different size debonding defects

圖4為不同頻率模態(tài)蘭姆波信號幅值與缺陷尺寸之間關系，可知400 kHz的S0模態(tài)幅值幾乎不變，對缺陷完全不敏感，400 kHz的A0模態(tài)靈敏度稍高于S0模態(tài)，其余模態(tài)均具有一定的檢測能力，因此在實際中應當根據(jù)實際條件和鋼板的頻厚積選擇模態(tài)進行檢測。

圖4 仿真不同頻率和模態(tài)信號幅值與缺陷尺寸之間關系Fig.4 Relationship between amplitude of different frequency and modal signals and defect size

3 實驗檢測

3.1 檢測系統(tǒng)及試樣制備

該文使用空氣耦合超聲檢測系統(tǒng)(NAUT-21)進行檢測。該系統(tǒng)由高功率復合脈沖信號發(fā)射接收器(JPR600C)、NI-PXI-5114信號采集卡、三軸步進電機、超低噪聲前置放大器(60 dB)、空氣耦合專用換能器、系統(tǒng)控制軟件組成。使用同側和異側蘭姆波法對該種缺陷類型進行檢測，即將換能器布置在試樣的同側或異側，通過調(diào)整換能器角度和距離調(diào)整接收信號的模態(tài)。

試樣基體材料為鋼和三元乙丙橡膠，鋼材厚5 mm，橡膠厚度為2 mm，粘接劑為東凱有限公司生產(chǎn)的G-322型金屬-橡膠專用粘接劑。在粘接前，使用400、800號砂紙由低至高依次對鋼板和橡膠表面進行交叉打磨，酒精擦拭并干燥2 h。在鋼材和橡膠表面均勻涂抹粘接劑，并放入模具中常溫固化72 h。在橡膠表面挖空出不同尺寸正方形空洞模擬空氣脫粘缺陷，制作具有10 mm×10 mm、20 mm×20 mm、30 mm×30 mm和40 mm×40 mm缺陷大小的試樣。

3.2 空耦蘭姆波檢測結果

使用同側法的三種頻率換能器進行檢測，入射角和仿真中角度保持一致，換能器中心相距70 mm，中心點至試樣表面高度為3 mm。圖5(a)、(b)分別為800 kHz頻率A0模態(tài)和S0模態(tài)在無缺陷和具有40 mm空氣脫粘缺陷上方時接收信號時域波形圖。從波形圖中可得出主要由A0和S0模態(tài)組成，當發(fā)射和接收換能器中間出現(xiàn)脫粘缺陷時，蘭姆波信號能量相對于無缺陷時明顯增大，這一結果與仿真結果完全一致。由于超聲在橡膠中的衰減較大加上在空氣中的劇烈衰減，空耦接收換能器并未明顯接收到由橡膠中體波反射至鋼板中產(chǎn)生的類蘭姆波，因此類蘭姆波的影響相較于缺陷長度對S0模態(tài)幅值的影響非常小。

(a)800 kHz A0 modal detection signal (b)800 kHz S0 modal detection signal (c)200 kHz A0 modal detection signal圖5 同側法800 kHz A0和S0模態(tài)及異側法200 kHz A0模態(tài)檢測信號Fig.5 800 kHz A0 and S0 modal signals on the same-side and 200 kHz A0 modal signals on the opposite-side

圖6(a)為不同頻率和模態(tài)信號幅值隨缺陷長度變化關系，依據(jù)無缺陷至40 mm缺陷時信號幅值變化量大小可判斷各種頻率和模態(tài)的檢測靈敏度，200 kHz的A0模態(tài)信號幅值變化量最大為0.75；400 kHz A0和S0模態(tài)變化量分別為0.32和0.05；800 kHz A0和S0模態(tài)幅值變化量分別為0.52和0.69；由此可知200 kHz A0模態(tài)檢測靈敏度最高，400 kHz的S0模態(tài)靈敏度最低，而800 kHz的S0模態(tài)靈敏度稍高于A0模態(tài)，該結果和仿真結果基本一致。使用異側蘭姆波法進行檢測時，將換能器配置在試樣兩側，其余參數(shù)和同側法保持一致，如圖5(c)所示為使用200 kHz頻率A0模態(tài)時10 mm缺陷和無缺陷處檢測信號，圖6(b)為幅值與脫粘尺寸之間關系。由結果可知，只要試樣中出現(xiàn)了脫粘缺陷會導致信號能量的急劇衰減，相較于同側法其幅值變化更為明顯，幅值變化靈敏度得到提高，而且由于該方法的特性各個頻率和模態(tài)蘭姆波都具備一定缺陷檢測能力。

(a)Defect length and amplitude relationship (b)Defect length and amplitude relationship

在得到檢測信號基礎上，采用信號線采集代替?zhèn)鹘y(tǒng)超聲逐點采集的方式，固定發(fā)射接收換能器間距，以蘭姆波傳播方向與缺陷垂直位置即x方向，移動發(fā)射、接收換能器從無缺陷位置至脫粘區(qū)域再至無缺陷位置，按照順序累加得到幅值趨勢曲線。同側法幅值趨勢變化如圖7(a)所示，圖中“凸”的區(qū)域為缺陷區(qū)域，異側法幅值趨勢變化如圖7(b)所示，相反的“凹”的區(qū)域為缺陷存在的區(qū)域。從圖中曲線變化可分辨出損傷區(qū)域和完好區(qū)域，并且可粗略得出在這個方向上脫粘區(qū)域的寬度大小。為實現(xiàn)更精確地定量，對該曲線使用6 dB法，從而對缺陷長度進行定量描述，結果如表1所示?？芍斆撜吵叽巛^大時，定量結果較為準確，當脫粘尺寸較小時誤差較大，200 kHz換能器定量精度低于800 kHz頻率，異側法精度高于同側法。

(a)800 kHz A0 and S0 modal amplitude trends using the same-side Lamb wave method

(b)200 kHz A0 modal amplitude trends using the opposite-side Lamb wave method圖7 同側和異側法幅值趨勢曲線Fig.7 Same-side and opposite-side method amplitude trend curves

3.3 概率損傷成像、異側蘭姆波成像以及C掃成像

常用超聲成像方法主要有超聲C掃描、蘭姆波成像等[16]?？振畛旵掃描速度快，效率高，但是其換能器頻率較低，因此檢測精度不夠高，對缺陷的形狀不敏感。蘭姆波成像主要有合成孔徑和概率損傷成像，合成孔徑方法需要采集缺陷的反射回波信號，對于該文使用的同側對向的換能器擺放方式并不合適，因此使用文獻[3]中所述概率損傷方法對缺陷進行二維成像。

表1 6 dB法定量結果Table 1 6 dB method quantitative results

在兩個垂直方向即x和y方向上以一定步進移動信號，選取信號頻譜幅度差為損傷因子，使用概率損傷算法對兩個方向上的數(shù)據(jù)進行融合并成像。頻譜幅度差損傷因子的計算公式可由式(5)表示[18]：

(5)

對信號進行傅里葉變換是在復數(shù)域展開的，其復系數(shù)模值大小表示信號的不同頻率成分的幅度，復系數(shù)的相角表示不同頻率成分之間的相位變化。因此，復系數(shù)模值大小只和檢測信號的幅度大小有關而與檢測信號的相位無關，選取信號頻譜幅度差為損傷因子能夠反映檢測信號絕對幅值的變化，從而能夠定量反映有無缺陷時檢測信號的幅值，即能量的變化。

使用同側蘭姆波發(fā)射接收換能器布置方式，換能器頻率為800 kHz，掃描區(qū)域為100 mm×100 mm，調(diào)整入射角分別激勵A0和S0模態(tài)，在x、y方向分別以1 mm步進采集信號，1 mm×1 mm即成像結果的分辨率。將數(shù)據(jù)導入Matlab中進行傅里葉變換求取信號的頻譜幅度差損傷因子，800 kHz頻率A0模態(tài)40 mm缺陷損傷因子趨勢如圖8所示，和幅值趨勢曲線類似，損傷值較大的區(qū)域即為存在損傷的區(qū)域。

使用概率損傷算法將兩個方向上的數(shù)據(jù)進行融合，使用A0模態(tài)結果如圖9(a)、(b)所示，S0模態(tài)結果如圖9(c)、(d)所示，橫軸為y方向掃描位置，縱軸為x方向掃描位置，z軸為損傷值，從結果可清晰分辨出脫粘缺陷的大小和相對位置，使用這兩種模態(tài)蘭姆波均能清晰分辨出缺陷大小和位置，損傷值的大小從側面體現(xiàn)出蘭姆波對于脫粘缺陷的敏感程度，從結果可知S0模態(tài)損傷值更大，顏色更深圖像辨識度更高，因此S0模態(tài)對空氣脫粘缺陷更敏感。概率損傷成像方法使用在同側法基礎上，而使用異側法時可以使用蘭姆波自動掃查進行缺陷成像。該方法采用C掃描方法中的回折式掃查路徑，設置時間閾值，將蘭姆波幅值作為成像特征量，由于該方法能夠在設置掃描范圍后進行自動掃查，因此該方法的檢測效率得到較大提升。如圖10所示為200 kHz頻率A0模態(tài)掃查結果，藍色部分為蘭姆波幅值較低即缺陷存在的區(qū)域，黃色和紅色為正常區(qū)域，由結果可清晰分辨出缺陷所在位置以及大小，并且成像質(zhì)量較高。作為蘭姆波成像結果的對照和驗證，使用一對400 kHz空耦換能器進行穿透C掃描成像，結果如圖11(a)、(b)所示，藍色部分為缺陷存在位置，能夠較為清晰的分辨出缺陷相對位置，但是由于信號信噪比較低造成噪點較多、成像質(zhì)量較差的結果。

(a)A0 modal,40 mm defect (b)A0 modal,10 mm defect

(c)S0 modal,40 mm defect (d)S0 modal,10 mm defect圖9 800 kHz A0和S0模態(tài)概率損傷成像結果Fig.9 800 kHz A0 and S0 modal probability damage imaging results

(a)40 mm defect (b)10 mm defect圖10 異側蘭姆波自動掃查結果Fig.10 Opposite-side Lamb wave scanning technology results

(a)40 mm defect (b)10 mm defect圖11 空耦超聲C掃描結果Fig.11 Air-coupled ultrasound C scan results

4 結論

該文針對固體火箭發(fā)動機中的鋼/橡膠粘接結構在工藝制造期間易發(fā)生脫粘等現(xiàn)象，基于漏蘭姆波檢測原理，對超聲波在該結構中傳播進行建模仿真，并使用同側和異側空耦超聲蘭姆波檢測方法對脫粘缺陷進行了檢測研究。主要結論如下：

(1)使用同側法，通過仿真和實驗定量分析脫粘尺寸和信號幅值之間關系以及不同頻率和模態(tài)的檢測能力，400 kHz S0模態(tài)幅值隨著缺陷尺寸增大幾乎不變化，200 kHz A0、400 kHz A0以及800 kHz的A0和S0模態(tài)均具有一定的檢測能力，離面位移更大的模態(tài)接收信號幅值更大，檢測靈敏度高的模態(tài)其離面位移更大，在實際檢測中在得到較好的檢測信號基礎上應該選取靈敏度高的模態(tài)進行檢測。

(2)使用異側法，通過實驗定量分析脫粘尺寸與信號幅值之間關系，出現(xiàn)缺陷時蘭姆波幅值迅速衰減，幅值變化明顯，并且使用不同頻率和模態(tài)的蘭姆波均具備較強檢測能力。

(3)通過信號線采集的方式得到幅值趨勢曲線，曲線“凸”“凹”位置為缺陷存在區(qū)域，使用6 dB法進行定量計算，當缺陷尺寸較大時，蘭姆波法結果較為準確，當缺陷尺寸較小時誤差較大；高頻蘭姆波精度更高，異側法精度更高。

(4)基于同側法使用800 kHz A0和S0模態(tài)概率損傷成像方法對脫粘缺陷進行成像定位，結果顯示這兩種模態(tài)均能對缺陷進行有效成像并且靈敏度更高的S0模態(tài)成像結果中的損傷值更大，缺陷辨識度更高；基于異側法使用蘭姆波自動掃查進行成像，結果能夠清晰顯示缺陷位置和大小，成像質(zhì)量較好，效率較高，最后使用穿透法C掃描進行對比，結果一致，但是由于信號信噪比較低造成圖像質(zhì)量較差。

(5)異側法自動成像質(zhì)量高于C掃描成像且效率較高，但是需要把換能器配置在試樣兩側，同側法對儀器要求較低，更有利于實際檢測，但是概率成像需要使用相應算法進行計算；使用6 dB法定量時可使用插值等方法進一步提高定量精度。

綜上所述，通過理論和實驗分析，使用空氣耦合超聲檢測手段能夠高效率的對脫粘缺陷進行有效的定位和定量檢測，避免了傳統(tǒng)超聲檢測中效率低等問題，為空耦的實際檢測打下基礎，為空氣耦合超聲的檢測和發(fā)展提供更廣的應用領域。