基于模糊模式识别的紧贴脱粘的超声检测

何 琦 欧三立

（中国特种设备检测研究院 北京 100029)

脉冲反射法是超声无损检测中最基本的方法，超声脉冲垂直入射到声阻抗不同的界面上，材料间声阻抗的差异与脱粘缺陷的存在，将会产生不同程度的反射和透射[2]，分析自发自收的超声换能器接收到的回波便可解读粘接结构内部的信息[3]。

模糊数学方法是模式识别的主流技术之一，是基于模糊数学理论判断模糊事物类别的方法，适用于分类识别对象本身或要求的识别结果具有模糊性且特征空间的各模式类之间没有明确边界的场合[4]。不同紧贴型脱粘缺陷的脉冲反射信号中涵盖的特征参数可以对脱粘做出分类识别，但特征参数随着脱粘类型变化呈现出的规律并不明显且存在交叉项，特征量差别较小，因此引入模糊模式识别方法实现多层粘接结构中紧贴型脱粘类型定位和定量[5]。

1 脱粘类型的模糊模式识别

多层粘接结构中紧贴脱粘类型的超声检测，是将待检测脉冲回波信号的时域或频域参数与已知脱粘类型的参数进行比较来确定脱粘类型。若所提取回波中特征参数的数量为m，同一脱粘类型多次检测时得到的特征参数的数值在各自平均值附近波动，因此可以认为该类回波的m个特征参数所形成的集合是模糊集，超声对脱粘类型的判断可以通过模糊模式识别中间接法的择近原则来实现[6]。

对紧贴脱粘进行模糊模式识别的步骤如下：

1）将N种已知脱粘类型的脉冲回波信号特征参数定义在论域Y上，且令特征参数为论域的元素。使用向量法表示，为已知脱粘类型的参考模糊子集，即：

式中：

ci1——第i个参考模糊子集的第l个特征参数。

2）将未知脱粘类型的脉冲回波信号特征参数也定义在同一个论域Y上，且用W表示未知脱粘类型的模糊子集，记为：

式中：

wl——未知脱粘类型模糊子集中的第l个特征参数。

3）通过欧几里德距离公式计算未知脱粘类型模糊子集与各参考模糊子集的距离分别是：

未知脱粘类型模糊子集到所有参考模糊子集的距离和为：

4）计算未知脱粘类型模糊子集与各个参考模糊子集的贴近度，衡量两个模糊子集之间相似程度的模糊关系，其计算公如下：

在择近原则的基础上，未知脱粘类型隶属于与其模糊子集贴近度最大的参考模糊子集对应的脱粘类型，从而实现对未知紧贴型缺陷深度和面积的判断[7]。

2 实验系统的搭建及信号分析

2.1 超声脱粘检测实验材料及系统

模拟某型号的固体火箭发动机装药结构的壳体/绝热层/衬层粘接结构，制作试件并预制了紧贴型脱粘缺陷[8]。试件由碳纤维复合材料、两层三元乙丙橡胶构成，紧贴型脱粘由聚四氟乙烯薄膜夹杂构成，达到粘接界面失去粘接力但紧密接触的效果。检测试件及预制缺陷分布如图1所示，试件的尺寸、脱粘缺陷位置、面积和分布层数均在正视图中详尽标出，试件厚度及粘接界面在侧视图中标出。

图1 试块及预制缺陷

如图2所示为多层粘接结构的超声脉冲反射法测量系统，实验使用奥林巴斯公司提供的5077PR超声脉冲发射/接收仪、工控机和直径25mm、带宽0.4dB的1M奥林巴斯纵波超声换能器，选择300V电压激励，耦合剂为蜂蜜，回波信号以100MHz的采样频率存入计算机并通过上位机软件实时显示，对不同脱粘类型的区域测量10次并计算回波信号的平均值作为该类参考模糊子集中特征参数的来源。

2.2 粘接结构回波信号的分析

声波垂直入射到粘接结构内，遇到界面发生反射和透射，造成了脉冲回波中存在多种声程。不同声程的回波携带了路径和界面上的粘接信息，由声波在各层粘接材料内的传播时间结合多种声程，可累加计算不同声程所对应的特征回波位置如图3所示。

图2 超声脉冲反射法测量系统

图3 声程与特征回波位置的对应

图3（a）以时间顺序排列的声波在多层粘接结构内的多种声程，图3（b）粘接良好回波信号中声程对应的波峰分布，该波峰是表征脱粘深度和面积的特征参数，因此将序号代表的波峰称为特征回波。在激励电压相同、探头一致、增益相同的条件下提取不同脱粘类型的回波信号，经过分析可知，特征回波1作为探头的始波幅值几乎不变；具有复杂声程的特征回波7、8、9在某些粘接质量下变弱甚至消失，特征回波2～6对不同粘接质量都有明显的响应，因此提取多种脱粘类型中特征回波2～6的幅值作为参考模糊子集中的特征参数。

3 模糊子集的建立与算法验证

根据建立模糊子集时特征参数只与客体有关、同一子集中参数共性、不同子集中参数差异性的原则[9]，利用超声脉冲反射法提取三层粘接结构中9中脱粘类型和完全粘好处的回波信号，将特征回波2～6的幅值作为5个特征参数。这9种脱粘类型位于两层粘接界面中，直径从5到30mm不等，其参考模糊子集见表1。

表1 参考模糊子集

9个参考模糊子集可以看作模式识别中的9个标准，分别对5个待测缺陷D1～D5进行检测，重复检测20次并求取平均值作为脉冲回波信号，提取其中的五种特征回波幅值作为待测脱粘类型的未知模糊子集中的特征参数，并与9类参考模糊子集进行贴近度的计算。利用欧几里德公式计算出的待测类型模糊子集与参考模糊子集的贴近度见表2 。

表2 待测类型与参考模糊子集的贴近度

根据贴近原则找出贴近度最大值对应的脱粘类型，实现五种缺陷类型的判断。其分别类属于脱粘类型3、8、6、2、5，这与二界面8mm、一界面13mm、一界面7mm、二界面7mm和二界面18mm的实际脱粘类型相一致，分类结果正确率为100%。虽然二界面18mm理论上应隶属于脱粘类型4，但由于探头的有效辐射范围为15mm，因此实际上大于15mm的脱粘类型都与30mm模糊子集贴近度较高。

4 结论

综上所述，本文在超声脉冲反射法的基础上，将模糊模式识别方法应用于多层粘接结构紧贴脱粘类型的定位和定量，使用特征回波幅值作为特征参数，构建了多种已知缺陷类型的参考模糊子集，基于贴近度的择近原则对未知类型的脱粘进行分类。结果表明，模糊模式识别的方法是超声脉冲反射法识别紧贴脱粘类型有效、准确的方法。