Способ определения акустической плотности

Использование: для ультразвукового неразрушающего контроля объектов из структурно-неоднородных материалов, преимущественно изделий из бетона. Сущность изобретения заключается в том, что во множество точек поверхности объекта контроля излучают ультразвуковые зондирующие импульсы продольных или поперечных волн, принимают из тех же точек реализации ультразвуковых колебаний, вызванных ультразвуковыми импульсами, отражёнными от неоднородностей внутренней структуры материала объекта и от любых границ раздела между средами с разной акустической плотностью, производят реконструкцию трёхмерного распределения амплитуды ультразвука, рассеянного точками структуры материала объекта, в полученном трёхмерном распределении выделяют точки с амплитудами, превышающими средний уровень эффективного значения шума в четыре и более раз, объединяют выделенные точки распределения в группы по критерию близости их расположения, определяемого расстоянием между соответствующими им точками структуры объекта, не превышающем половины длины волны ультразвука, когерентно суммируют фрагменты принятых реализаций ультразвуковых колебаний, содержащие эхо-сигналы от точек внутренней структуры объекта, которые соответствуют точкам трёхмерного распределения, принадлежащим каждой выделенной группе, и если при излучении и приёме импульсов продольных ультразвуковых волн фаза суммарного фрагмента реализаций некоторой группы точек трёхмерного распределения отличается от фазы зондирующих импульсов по модулю менее чем на 45 градусов, то это означает, что среда за границей раздела более акустически плотная, чем среда до границы раздела, если же отличие фаз находится в интервале от 135 до 225 градусов, то, наоборот, среда за границей раздела менее акустически плотная, а при излучении и приёме импульсов поперечных ультразвуковых волн соотношения акустических плотностей сред для указанных разностей фаз обратны соотношениям для продольных волн. Технический результат: расширение диапазона достоверного определения соотношения акустических плотностей сред у границы раздела в область низких отношений сигнал/шум. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к технике ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля объектов из структурно-неоднородных материалов, преимущественно изделий из бетона при контроле строительных конструкций и может использоваться для обнаружения в них различных нарушений сплошности и однородности с определением координат, размеров, пространственной ориентации и характера заполняющей среды.

Задача определения акустической плотности среды за границей раздела, точнее - её соотношения с акустической плотностью среды до границы, встречается чаще всего при контроле строительных конструкций, прежде всего из бетона. Причём, все практические случаи можно разбить на два варианта:

- определение внутреннего содержания некой полости или трещины;

- определение или хотя бы оценка того, чем является среда, которая находится за границей монолитного слоя бетона.

При ультразвуковой (УЗ) томографии бетонных изделий и конструкций эхо-методом на изображении (томограмме) любые границы раздела сред отображаются более яркими линиями, по сравнению с фоном, который вызван структурным шумом. Яркость этих линий зависит от коэффициента отражения УЗ волн от границы. Чем он больше по модулю, тем больше яркость. Коэффициент отражения равен разности волновых сопротивлений сред до и после границы раздела, делённой на их сумму. И не имеет значения, какая из сред имеет большее волновое сопротивление по отношению к другой. Яркость образа границы раздела пропорциональна модулю коэффициента отражения.

Уровень структурного шума на изображении является естественным порогом обнаружения любых неоднородностей в бетоне, как малых по размерам (соизмеримым с размерами крупного заполнителя бетона – щебня), так и больших. Обнаружение сравнительно небольших неоднородностей в бетоне (но не менее 2 – 3 размеров крупного заполнителя) зависит от коэффициента отражения, если не принимать во внимание направленность отражённых УЗ волн. Поэтому полости, заполненные воздухом или пластмассой (пластмассовые трубы) обнаруживаются достаточно надёжно. Металлическая арматура тоже обнаруживается примерно с таким же отношением сигнал/шум при равных диаметрах пластмассовых труб и арматуры. Это потому, что волновые сопротивления пластмассы и металла сильно (в несколько раз) отличаются от волнового сопротивления бетона. Так, у пластмасс волновые сопротивления в 5 - 6 раз меньше, чем у бетона, а у стали примерно в 4 раза больше, чем у бетона. Определение внутреннего содержания некой полости: воздух (пластмасса) или металл по изображению невозможно. Амплитуды (яркости) образов от этой полости с воздухом и металлом примерно одинаковы в сравнении с шумом.

Отличить воздушное заполнение полости от металлического можно по фазе эхо-сигнала от её границы в сравнении с фазой зондирующего сигнала, используемого в качестве опорного. Поскольку коэффициент отражения зависит от разности волновых сопротивлений, то при отражении УЗ импульсов от границы они могут либо поменять фазу на противоположную, либо сохранить её. Если бы структурный шум отсутствовал, определить фазу отражённого сигнала не составило бы труда. Первая полуволна эхо-сигнала, принятого от границы раздела, была бы либо положительная, либо отрицательная. Но в присутствии шума, особенно когда его уровень близок к уровню полезных сигналов, определить фазу эхо-сигнала, точнее - его полярность, практически нельзя.

Вторая отмеченная выше задача - определение, что за среда находится за границей раздела монолитного бетона, встречается при строительстве туннелей. Туннель часто выкладывают изнутри бетонными изогнутыми плитами, которые образуют тюбинг. А пространство между тюбингом и грунтом (или скальной породой) заполняют бетонным раствором. Это нужно для того, чтобы защитить тюбинг от вымывания грунтовыми водами и для дополнительного укрепления туннеля. После затвердевания бетона за тюбингом проводят неразрушающий контроль с целью обнаружения незаполненных бетоном полостей в затюбинговом пространстве. По фазе отражённого сигнала от границы между бетоном тюбинга и внешним бетоном можно было бы определить, что находится за этой границей. Однако в настоящее время только по косвенным признакам удаётся решать эту задачу.

Известен способ УЗ визуализации внутренней структуры изделий из различных материалов, главным образом - из металлов, реализуемый с помощью антенной решётки, подключённой к многоканальному дефектоскопу, в котором формируются электрические импульсы возбуждения элементов антенной решётки, излучающей в контролируемое изделие зондирующие импульсы, а колебания поверхности изделия преобразуются элементами решётки в электрические реализации, которые суммируются в приборе с определёнными взаимными временными задержками. Результирующая суммарная реализация отображается на экране прибора в положении, соответствующем заданному положению функции направленности антенной решётки для используемого в данный момент фокального закона. Быстрая смена фокальных законов при повторном зондировании изделия позволяет сканировать внутренний объём изделия УЗ пучками и формировать на экране прибора изображение внутренней структуры материала изделия. При таком алгоритме работы прибора на его экране формируются построчечные линейные или секторные изображения - J. M. Davis and M. Moles Resolving capabilities of phased array sectorial scans (S-scans) on diffracted tip signals. Insight Vol. 48. No. 4. April 2006.

Этот способ УЗ контроля не позволяет визуализировать дефекты в изделиях из крупноструктурных и неоднородных материалов, таких, как бетон или чугун из-за высокого уровня структурного шума.

Другой известный способ УЗ визуализации реализует метод полной фокусировки УЗ волн в каждую точку материала объекта контроля (ОК). Этот метод включает в себя поочерёдное излучение УЗ волн в ОК каждым отдельным элементом антенной решётки, приём реализаций УЗ колебаний всеми элементами решётки и вычисление двух- или трёхмерного распределения рассеивающих свойств каждой точки материала внутреннего объёма ОК. Метод полной фокусировки обладает повышенной разрешающей способностью, по сравнению с предыдущим методом фазирования элементов антенной решётки, а также лучшей чувствительностью и помехоустойчивостью. В результате, он обеспечивает обнаружение малых дефектов вблизи донной поверхности изделия, которая создаёт сильно мешающую помеху. Однако при контроле бетона или чугуна этим способом визуализации определять фазу УЗ волн, рассеянных точками структуры материала ОК, практически невозможно из-за мешающего действия структурного шума - Wolfram A. Karl DEUTSCH, Werner ROYE, Helge RAST and Philippe BENOIST High Resolution Phased Array Imaging using the Total Focusing Method (19th World Conference on Non-Destructive Testing, 2016).

Наиболее близким к изобретению аналогом является способ обнаружения и классификации дефектов в строительных компонентах, включающий излучение импульсных ультразвуковых волн, преобразуемых из электрических посылаемых импульсов, в несколько мест на поверхности исследуемого строительного компонента, прием отраженных ультразвуковых волн от нескольких мест указанной поверхности, чтобы создать приемные электрические сигналы, анализ и оценку высокочастотных электрических приемных сигналов с использованием положения мест излученных ультразвуковых волн и принятых отраженных звуковых волн, чтобы создать трехмерное локальное распределение рассеивающих свойств строительного компонента, в дополнение к информации об амплитуде, определяют информацию о фазе рассеивающего процесса и приписывают ее трехмерному локальному распределению рассеивающих свойств строительного компонента, причем информацию об амплитуде используют для обнаружения дефектов, а для классификации используют информацию и об амплитуде, и о фазе трехмерного локального распределения – RU 2438123 C2, 2011 г.

Главный недостаток прототипа в том, что возможность классификации дефектов, т.е. определения акустической плотности среды внутри дефекта в сравнении с акустической плотностью окружающего бетона, ограничена уровнем структурного шума бетона. Если уровень шума в трёхмерном распределении рассеивающих свойств мал в сравнении с уровнем образа дефекта, то классификация по фазе сигнала от дефекта возможна. Если эффективное значение шума достигает величины порядка минус 10 дБ по отношению к амплитуде образа дефекта, то классификация становится недостоверной. В то же время обнаружение дефектов при таком соотношении амплитуд их образов с шумом ещё вполне уверенное. При большем уровне шума классификация вообще невозможна.

В связи с этим, техническая задача, решаемая изобретением, состоит в расширении диапазона достоверного определения соотношения акустических плотностей сред внутри и вне границы раздела в область низких отношений сигнал/шум, т.е. в расширении функциональных возможностей системы неразрушающего контроля с одновременным улучшением её дефектоскопических и эксплуатационных характеристик.

Эта задача решена в способе определения акустической плотности, при котором во множество точек поверхности объекта контроля излучают ультразвуковые зондирующие импульсы продольных или поперечных волн, принимают из тех же точек реализации ультразвуковых колебаний, вызванных ультразвуковыми импульсами, отражёнными от неоднородностей внутренней структуры материала объекта и от любых границ раздела между средами с разной акустической плотностью, производят реконструкцию трёхмерного распределения амплитуды ультразвука, рассеянного точками структуры материала объекта, в полученном трёхмерном распределении выделяют точки с амплитудами, превышающими средний уровень эффективного значения шума в четыре и более раз, объединяют выделенные точки распределения в группы по критерию близости их расположения, определяемого расстоянием между соответствующими им точками структуры объекта, не превышающем половины длины волны ультразвука, когерентно суммируют фрагменты принятых реализаций ультразвуковых колебаний, содержащие эхо-сигналы от точек внутренней структуры объекта, которые соответствуют точкам трёхмерного распределения, принадлежащим каждой выделенной группе и если при излучении и приёме импульсов продольных ультразвуковых волн фаза суммарного фрагмента реализаций некоторой группы точек трёхмерного распределения отличается от фазы зондирующих импульсов по модулю менее чем на 45 градусов, то это означает, что среда за границей раздела более акустически плотная, чем среда до границы раздела, если же отличие фаз находится в интервале от 135 до 225 градусов, то наоборот, среда за границей раздела менее акустически плотная, а при излучении и приёме импульсов поперечных ультразвуковых волн отличие фаз суммарного фрагмента от зондирующих импульсов по модулю менее чем на 45 градусов означает, что среда за границей раздела менее акустически плотная, чем среда до границы раздела, и отличие фаз в интервале от 135 до 225 градусов означает, что среда за границей раздела более акустически плотная.

Кроме того, способ характеризуется признаками при использовании его в частных случаях, а также – для усиления достигаемых эффектов:

— расстояния между соседними точками поверхности объекта контроля, в которые излучают ультразвуковые зондирующие импульсы, выбирают в пределах от одного до полутора радиусов корреляции структурного шума материала объекта контроля;

— длительность фрагментов реализаций ультразвуковых колебаний выбирают равной длительности зондирующих импульсов.

Способ одинаково работает при визуализации внутренней структуры материалов при использовании любых объёмных УЗ волн, наиболее предпочтительных в зависимости от исследуемого материала. Так, для контроля объектов из бетона и железобетона предпочтительными являются поперечные УЗ волны, но иногда используются и продольные. Для контроля крупноструктурных металлов, например, аустенитных сталей или чугуна обычно используют продольные УЗ волны.

Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ, на фиг. 2 вверху представлены графики зашумлённого эхо-сигнала (смеси эхо-сигнала с шумом) от границы раздела бетон – сталь (а) и опорного сигнала (б), а внизу – графики огибающих этих сигналов (в, г), соответственно; на фиг. 3 приведена взаимно-корреляционная функция смеси эхо-сигнала с шумом и опорного сигнала (а), автокорреляционная функция опорного сигнала (б) и огибающая взаимно-корреляционной функции (в), по которой определяется момент её максимума; на фиг. 4 – формы сигналов (вверху) и их огибающие (внизу) при отношении сигнал/шум в 2 раза большем, чем на фиг. 2: а – зашумлённый эхо-сигнал, в – его огибающая; б – опорный сигнал, г – его огибающая, на фиг. 5 - взаимно-корреляционная функция между зашумлённым эхо-сигналом и опорным сигналом (а), автокорреляционная функция опорного сигнала (б) и огибающая взаимно-корреляционной функции (в) при отношении сигнал/шум в 2 раза большем, чем на фиг. 3.

Блок-схема устройства по фиг. 1 содержит УЗ преобразователи 1, в качестве которых могут быть прямые совмещённые преобразователи на частоты от 0,5 до нескольких мегагерц при контроле металлов или преобразователи с сухим точечным контактом (СТК) на частоты 50 – 100 кГц при контроле бетона. Блок-схема также включает объект контроля 2 (ОК), в котором по траекториям 3 распространяются УЗ волны, используемые для контроля. УЗ волны отражаются от границ 4 раздела сред, т.е. от различных неоднородностей материала и его границ, за которыми находится другая среда. Электронная часть блок-схемы состоит из генераторов 5 импульсов возбуждения УЗ преобразователей 1, синхронизатора 6, многоканального приёмного тракта 7 с цифровым выходом, памяти 8 реализаций УЗ колебаний, принятых от всех пар излучатель – приёмник, вычислительного устройства 9 (процессора), памяти 10, где формируется трёхмерное распределение амплитуд УЗ волн, рассеянных точками материала ОК, памяти 11 суммарных эхо-сигналов, формируемых для каждой группы точек, рассеивающих ультразвук, блока 12 сравнения фазы зондирующих (опорных) импульсов с фазой суммарного эхо-сигнала для каждой группы точек отдельно, и дисплея 13.

Графики зашумлённых эхо-сигналов, представленные на фиг. 2 (а) и 4 (а) и их огибающие – на фиг. 2 (в) и 4 (в), иллюстрируют вид фрагментов трёхмерного распределения амплитуды ультразвука, рассеянного точками границы раздела сред при разных отношениях сигнал/шум.

Физический смысл способа заключается в накоплении эхо-сигналов от границы раздела сред, которое позволяет увеличить отношение сигнал/шум до такой величины, при которой определение фазы накопленного эхо-сигнала становится достоверным.

Вначале производится обычное построение трёхмерного распределения отражающей способности точек материала объекта контроля (ОК). Это известный алгоритм УЗ томографии, при котором прорисовываются поверхности полостей, инородных включений и границ раздела сред, отражающих УЗ волны обратно к элементам антенной решётки. От каждой точки этих поверхностей эхо-сигналы, принятые каждым элементом решётки от зондирования тоже каждым элементом, суммируются в памяти прибора при их совмещении во времени с точностью до фазы. Так происходит накопление эхо-сигналов от каждой точки материала ОК. Однако из-за значительного уровня структурного шума только амплитуда накопленных по пространству эхо-сигналов выделяется над шумом. А фазу сигналов определить в большинстве случаев невозможно. После детектирования это амплитудное распределение выводится на экран в виде изображения.

В предложенном способе производится дополнительное когерентное накопление сигналов уже ото всей видимой границы раздела. Если предположить, что во всей полости или за некоторой границей раздела присутствует одна и та же среда (например, воздух), то от каждой точки границы эхо-сигнал отражается в одной и той же фазе. И если эти эхо-сигналы сложить, совместив их во времени с точностью до фазы, то результирующий сигнал будет ещё выше по отношению к шуму, чем отдельные сигналы от отдельных точек границы. В данном способе это и происходит.

Выполнить такую операцию можно, поскольку координаты каждой точки границы раздела известны из полученного трёхмерного распределения амплитуды рассеянного ультразвука от каждой точки границы. По этим координатам рассчитываются времена задержки эхо-сигналов от каждой точки границы. И, используя эти времена задержки, из исходных реализаций принятых УЗ колебаний выбираются фрагменты колебаний, содержащие эхо-сигналы от точек границы и когерентно суммируются. Перед этим точки границы, принадлежащие действительно одной и той же границе, выбираются, исходя из критериев превышения амплитуды УЗ сигнала от каждой точки над шумом и при малом расстоянии между точками.

Практически, как это будет показано ниже, в описании работы блок-схемы, выбирать фрагменты реализаций можно (и даже проще и быстрее) не из массива исходных реализаций, которые записаны в память реализаций, а из уже построенного трёхмерного распределения рассеянного ультразвука. Ведь наряду с амплитудным распределением в памяти хранится и распределение накопленных эхо-сигналов от каждой точки материала ОК. Из него путём детектирования (выделения огибающей) и получается распределение амплитуд. Это распределение накопленных эхо-сигналов от каждой точки материала ОК получается путём суммирования фрагментов исходных реализаций принятых колебаний. Поэтому снова их суммировать не нужно. А нужно просто выбирать уже суммированные фрагменты реализаций только от нужных точек границы раздела.

Однако на практике может встретиться случай, когда за границей раздела находятся разные среды. Если внутри некоторой полости или за границей раздела находятся разные среды, то после суммирования фрагментов реализаций ото всех точек границы можно не получить существенного превышения отношения сигнал/шум для определения фазы отражения от границы. Примерно половина таких фрагментов может иметь одну фазу, а другая половина - противоположную.

В этом случае можно использовать метод «скользящего окна». Его суть в том, что суммирование производится только для части соседних точек, т.е. в пространственном «окне», которое перемещают вдоль границы. Тогда при проходе окна через зону, где за границей раздела меняется среда, фаза результирующего фрагмента реализаций плавно сменится с одного значения на противоположное. Ширину «окна» нужно выбирать такой, чтобы достоверно можно было определить фазу суммарного фрагмента реализаций при нахождении «окна» в зоне, где среда за границей раздела одна и та же. На практике такие случаи встречаются при контроле каналов с преднапряжённой арматурой. Часть канала может быть хорошо замоноличена (заполнена бетоном), а другая часть содержит полость с воздухом.

Использование способа даёт возможность реализации максимально широкого «окна», охватывающей всю границу раздела или значительную её часть. В прототипе «окно» минимальное, равное размеру только одной точки границы раздела.

Определение фазы (полярности) ультразвука, рассеянного границей раздела.

Обычно при УЗ томографии железобетонных конструкций полости с воздухом, в 2 – 3 раза превышающие зёрна крупного заполнителя, или пластиковые трубы, достаточно уверенно визуально обнаруживаются на экране прибора. Яркость их образов не намного выше фона от структурного шума. Но благодаря протяжённости они отличаются от более мелких пятен шума. При этом амплитуда их образов выше эффективного значения шума (среднего по изображению) приблизительно на 10 дБ. При меньших отношениях сигнал/шум обнаружение даже ещё больших объектов уже практически невозможно.

Поскольку распределение вероятности структурного шума бетона близко к нормальному, плотность вероятности огибающей структурного шума (яркостей точек изображения) подчиняется закону Релея. Поэтому для обнаружения каких-либо неоднородностей обычно достаточно превышения амплитуды их образов на 10 дБ (примерно в три раза) по отношению к эффективному значению шума. Однако при таком отношении амплитуды образа к шуму достоверно определить полярность эхо-сигнала, вызвавшего этот образ на экране, не всегда возможно.

Эхо-сигнал от некоторой границы раздела сред, смешанный с шумом, получается путём когерентного суммирования отрезков реализаций УЗ колебаний, принятых антенной решёткой (АР) прибора. Далее для краткости эту когерентную сумму будем называть просто зашумлённым эхо-сигналом или смесью его с шумом. Составляющая «чистого» эхо-сигнала в нём неизбежно в большей или меньшей степени искажена шумом.

Для сравнения фазы чистого (без шума) эхо-сигнала от границы раздела с фазой опорного сигнала вначале вычисляется взаимно-корреляционная функция между смесью эхо-сигнала с шумом и опорным сигналом. В качестве опорного сигнала используется копия зондирующего импульса, располагающаяся в момент времени, соответствующий пространственному расположению точки отражения ультразвука от границы раздела, по отношению к АР прибора. Максимум взаимно-корреляционной функции указывает на момент времени (или, что - то же, на пространственное положение), в котором находится чистый эхо-сигнал. Точнее, в этот момент амплитуда чистого эхо-сигнала достигает максимума. Однако из-за присутствия шума это утверждение не на 100 % достоверно, а лишь наиболее вероятно, т.к. взаимно-корреляционная функция показывает, где смесь эхо-сигнала с шумом наиболее похожа на чистый эхо-сигнал.

Чистый эхо-сигнал практически такой же по форме, как и опорный или зондирующий сигнал при рациональном выборе рабочей частоты ультразвука. Максимум амплитуды опорного сигнала, т.е. максимум его огибающей, совпадает по времени с максимумом его автокорреляционной функции. Поэтому временной сдвиг ∆t между максимумами автокорреляционной функции опорного сигнала и взаимно-корреляционной функции между смесью эхо-сигнала с шумом и опорным сигналом позволяет определить и временной сдвиг между чистым эхо-сигналом от границы раздела сред и опорным сигналом. А по временному сдвигу легко оценить и фазовый сдвиг между ними, если вычислить, какую часть периода колебаний на средней частоте спектра зондирующего импульса составляет этот временной сдвиг ∆t.

Для зондирования бетона используются УЗ импульсы, содержащие 1,5 – 2 периода колебаний. Относительная ширина спектра частот таких импульсов 60 – 80 %. Поэтому сравнение фаз сигналов выполняется лишь приближённо на средней частоте спектра.

Вышеуказанное поясняется графиками на фиг. 2 и фиг. 3.

На фиг. 2 вверху представлены графики зашумлённого эхо-сигнала продольной волны от границы раздела бетон – сталь (а) и опорного сигнала (б), а внизу – графики огибающих этих сигналов (в, г), соответственно. Зашумлённый эхо-сигнал - это аддитивная сумма чистого эхо-сигнала и структурного шума. Его огибающая вычислена для определения временного положения максимума зашумлённого эхо-сигнала, как и огибающая опорного сигнала. Видно, что в общем случае максимумы этих сигналов не совпадают. Отношение пикового значения чистого эхо-сигнала к эффективному значению шума в данном случае равно 10 дБ. При таком отношении образ границы раздела уже виден на фоне шума изображения.

На фиг. 3 приведена взаимно-корреляционная функция смеси эхо-сигнала с шумом и опорного сигнала (а), автокорреляционная функция опорного сигнала (б) и огибающая взаимно-корреляционной функции (в), по которой определяется момент её максимума. Из анализа фиг. 3 видно, что максимум огибающей взаимно-корреляционной функции (в) смещён приблизительно на 3,05 мкс вправо по рисунку относительно максимума автокорреляционной функции опорного сигнала. Для определения фазы чистого эхо-сигнала от границы раздела сред нужно опорный сигнал на фиг. 2 (кривая б) сместить на это время вправо по рисунку. Это смещение (∆t) показано на фиг. 2 в виде смещённого отрезка кривой опорного сигнала. Момент времени выбран в точке максимума огибающей опорного сигнала.

Таким образом, смещённый опорный сигнал на фиг. 2, можно считать, совпадает по времени с чистым эхо-сигналом. Период колебаний на средней частоте спектра сигнала равен 10 мкс (частота 100 кГц). ∆t = 3,05 мкс составляет 30,5 % от этого периода, т.е. около 110 градусов.

По такому сдвигу фаз между сигналами ничего определённого сказать нельзя. Более вероятно, что сигналы противофазны, т.к. 110 градусов ближе к 180 градусам, чем к нулю. Но при таком отношении сигнала к шуму (10 дБ) большей достоверности добиться нельзя. Шум в данном случае сильно исказил полезный сигнал. При других конкретных реализациях шума возможны как решения о синфазности, так и о противофазности сигналов. А также и выводы о невозможности вынести определённое решение. Из этого примера видно, что при отношении пикового значения эхо-сигнала от границы раздела (т.е. амплитуды образа этой границы) к эффективному значению шума в 10 дБ определить соотношение акустических плотностей сред у границы их раздела практически нельзя.

Следует заметить, что в данном примере удалось определить временной сдвиг ∆t немного проще, чем это обычно бывает. Дело в том, что колебания зашумлённого эхо-сигнала и опорного сигнала (кривые а и б на фиг. 2) в окрестности максимума огибающей опорного сигнала, практически синфазны: и переходы через ноль этих колебаний, и максимумы отрицательных полуволн совпадают по времени. Поэтому фазы этих сигналов в точке максимума огибающей опорного сигнала равны. Это случайное совпадение. Чаще всего фазы могут отличаться. Тогда это отличие в виде некоторой временной разницы dt моментов времени перехода сигналов через одноимённые характерные точки dt = tоп – tэс нужно добавить к основному временному сдвигу ∆t, если dt и ∆t имеют одинаковые знаки, и отнять, если их знаки разные. И общую временную разность Dt = ∆t ± dt использовать для определения разности фаз «чистого» эхо-сигнала от границы раздела и опорного сигнала.

Одноимённые характерные точки сигналов – это точки перехода через ноль или точки максимумов полуволн. Их нужно выбирать ближайшими к моменту максимума огибающей опорного сигнала, двигаясь по кривым сигналов в одну сторону по оси абсцисс. Момент tоп – момент времени, например, точки перехода через ноль опорного сигнала, tэс – момент для такой же точки зашумлённого эхо-сигнала. Знак временного сдвига ∆t считается положительным, если сдвиг производится в положительном направлении оси абсцисс.

В рассмотренном примере, как видно из фиг. 2, в момент максимума огибающей опорного сигнала мгновенные значения зашумлённого эхо-сигнала и опорного сигнала имеют одинаковые знаки: отрицательные. Возможны также случаи, когда знаки мгновенных значений этих сигналов могут оказаться разными. Тогда для определения искомой разности фаз сигналов нужно к найденной временной разности Dt добавить или отнять половину периода колебаний средней частоты спектра сигнала.

Как показано выше, отношения сигнал/шум порядка 10 дБ недостаточно для достоверного определения факта изменения фазы эхо-сигнала от границы раздела сред на 180 градусов (смены полярности) или отсутствия такого изменения. Для того, чтобы надёжно определить эту фазу, необходимо увеличить отношение сигнал/шум. При увеличении отношения сигнал/шум хотя бы в два раза (на 6 дБ) существенно повышается вероятность правильного определения факта изменения полярности эхо-сигнала. На фиг. 4 и 5 приведены сигналы и функции, аналогичные показанным на фиг. 2 и 3, но при отношении сигнал/шум 16 дБ. Легко видно, что максимум взаимно-корреляционной функции между зашумлённым эхо-сигналом и опорным сигналом почти совпадает с максимумом автокорреляционной функции опорного сигнала. Это означает, что чистый эхо-сигнал от границы раздела сред почти не сдвинут по времени относительно опорного сигнала. Поэтому сравнить фазы чистого эхо-сигнала и опорного сигнала легко по верхней части фиг. 4 без какого-либо сдвига кривой опорного сигнала. Точное значение сдвига фаз в данном случае не требуется, т.к. вполне очевидно, что он заметно меньше 45 градусов. Т.е. сигналы практически синфазны. Это отвечает реальности: эхо-сигнал продольных волн от границы бетон – металл не меняет полярность на обратную.

В предложенном способе увеличение отношения сигнал/шум осуществляется за счёт дополнительного когерентного суммирования эхо-сигналов от точек обнаруженной границы раздела. Выбор точек границы производится по критерию превышения отношения сигнал/шум в 4 и более раз (12 дБ). Для этого порог выделения точек устанавливается на этот уровень. Поскольку граница раздела, как правило, начинает проявляться на экране при отношении сигнал/шум, равным 3 (10 дБ, точнее 9,54 дБ), что соответствует приблизительному равенству амплитуд пиков структурного шума и амплитуд эхо-сигналов в точках границы, то установка порога выше уровня пиков шума на 2,5 дБ (примерно на 33 %) обеспечивает надёжный выбор точек границы при малой вероятности ложного выбора точек. Вторым критерием выбора является близость точек друг к другу: расстояние между соседними точками не должно превышать половины длины УЗ волны, используемой при контроле. При этом, естественно, учитывается тот факт, что при отражении продольной волны от границы раздела материал – воздух происходит переворот фазы эхо-сигнала, а при отражении поперечной волны – не происходит. И наоборот, если граница раздела такова, что за границей находится материал, более акустически плотный, чем до границы, т.е. если отражение происходит, например, от границы бетон – металл: импульс продольной волны не меняет фазу на противоположную (не переворачивается), а импульс поперечной волны меняет фазу.

Работа устройства, реализующего способ, представлена на фиг. 1 и осуществляется следующим образом.

По сигналам от синхронизатора 6 происходит поочерёдный запуск генераторов 5 импульсов возбуждения УЗ преобразователей 1. После излучения УЗ волн в ОК 2 каждым отдельным преобразователем 1 происходит приём из ОК реализаций УЗ колебаний всеми УЗ преобразователями 1 одновременно. Приём осуществляется многоканальным приёмным трактом 7. Принимаемые реализации УЗ колебаний записываются в память 8 синхронно по сигналам от синхронизатора 6. После окончания всего процесса излучения - приёма ультразвука или уже во время этого процесса (в зависимости от конкретного варианта программного обеспечения) в процессоре 9 происходит вычисление трёхмерного распределения амплитуд УЗ волн, рассеянных точками внутренней структуры материала ОК 2, которое запоминается в памяти 10. И в этой же памяти 10 (в другой области) хранятся значения амплитуд с координатами x, y, z всех точек распределения.

Затем в процессоре 9 выполняются операции сравнения амплитуд трёхмерного распределения со средним уровнем эффективного значения шума и выделения точек, у которых амплитуда выше этого уровня более чем в четыре раза. Процессор 9 также выделяет точки, принадлежащие к одной группе по критерию близости, используя их координаты в пространстве. Например, если в ОК две границы, как показано на блок-схеме, то и групп точек тоже две. Далее процессор 9 суммирует эхо-сигналы всех точек каждой группы и записывает суммарный эхо-сигнал в память 11 отдельно для каждой группы точек. Эхо-сигнал каждой отдельной точки – это когерентная сумма фрагментов реализаций УЗ колебаний, содержащих (кроме шума) эхо-сигнал от данной точки границы раздела. Эти эхо-сигналы, т.е. суммы фрагментов реализаций, хранятся в памяти 10.

В результате в памяти 11 формируются суммарные эхо-сигналы от каждой границы 4 раздела сред. Далее в блоке 12 производится сравнение фазы зондирующих импульсов (опорных сигналов) с фазой суммарного эхо-сигнала для каждой границы 4 раздела. По сути, сравнение производится с фазой импульсов возбуждения УЗ преобразователей, т.к. их фаза всегда однозначно соответствует фазе зондирующих импульсов. Алгоритм сравнения фаз изложен выше и иллюстрируется фиг. 2 – 5. Поскольку после суммирования эхо-сигналов, принадлежащих одной и той же границе 4 раздела сред, отношение сигнал/шум в суммарном эхо-сигнале повышается по сравнению с этим отношением в одиночной точке границы раздела, то определение фазы суммарного эхо-сигнала выполняется с высокой достоверностью.

Полученные данные о фазе УЗ волн, отражённых от каждой границы 4 раздела сред отображаются на дисплее 13, подсвечивая образ соответствующей границы 4 своим цветом: например, красным цветом при разности фаз по модулю менее 45 градусов и синим цветом - при разности фаз в пределах от 135 до 225 градусов.

Таким образом в изобретении решена задача расширения диапазона достоверного определения соотношения акустических плотностей сред по обе стороны от границы раздела в область низких отношений сигнал/шум, т.е. расширены функциональные возможности системы неразрушающего контроля с одновременным улучшением дефектоскопических и эксплуатационных характеристик.

1. Способ определения акустической плотности, при котором во множество точек поверхности объекта контроля излучают ультразвуковые зондирующие импульсы продольных или поперечных волн, принимают из тех же точек реализации ультразвуковых колебаний, вызванных ультразвуковыми импульсами, отражёнными от неоднородностей внутренней структуры материала объекта и от любых границ раздела между средами с разной акустической плотностью, производят реконструкцию трёхмерного распределения амплитуды ультразвука, рассеянного точками структуры материала объекта, отличающийся тем, что в полученном трёхмерном распределении выделяют точки с амплитудами, превышающими средний уровень эффективного значения шума в четыре и более раз, объединяют выделенные точки распределения в группы по критерию близости их расположения, определяемого расстоянием между соответствующими им точками структуры объекта, не превышающем половины длины волны ультразвука, когерентно суммируют фрагменты принятых реализаций ультразвуковых колебаний, содержащие эхо-сигналы от точек внутренней структуры объекта, которые соответствуют точкам трёхмерного распределения, принадлежащим каждой выделенной группе, и если при излучении и приёме импульсов продольных ультразвуковых волн фаза суммарного фрагмента реализаций некоторой группы точек трёхмерного распределения отличается от фазы зондирующих импульсов по модулю менее чем на 45 градусов, то это означает, что среда за границей раздела более акустически плотная, чем среда до границы раздела, если же отличие фаз находится в интервале от 135 до 225 градусов, то, наоборот, среда за границей раздела менее акустически плотная, а при излучении и приёме импульсов поперечных ультразвуковых волн отличие фаз суммарного фрагмента от зондирующих импульсов по модулю менее чем на 45 градусов означает, что среда за границей раздела менее акустически плотная, чем среда до границы раздела, и отличие фаз в интервале от 135 до 225 градусов означает, что среда за границей раздела более акустически плотная.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что расстояния между соседними точками поверхности объекта контроля, в которые излучают ультразвуковые зондирующие импульсы, выбирают в пределах от одного до полутора радиусов корреляции структурного шума материала объекта контроля.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность фрагментов реализаций ультразвуковых колебаний выбирают равной длительности зондирующих импульсов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к методам определения механических и физических свойств титановых сплавов и определение по полученным величинам пригодности данных сплавов в качестве ультразвуковых волноводов.

Использование: для определения внутренних напряжений в рельсах бесстыкового пути. Сущность изобретения заключается в том, что в нагруженный исследуемый объект и ненагруженный его аналог вводят импульсы ультразвуковых колебаний продольных и поперечных волн, принимают прошедшие через объект импульсы одним прямым раздельно-совмещенным преобразователем и тремя наклонными приемными преобразователями, размещенными на одной оси.

Использование: для обнаружения дефектов изоляционного покрытия технологических или магистральных трубопроводов или иных изделий, расположенных в труднодоступных местах.

Использование: для неразрушающего контроля целостности резервуаров нефти и других изделий методом направленных акустических волн. Сущность изобретения заключается в том, что одновременно или последовательно в днище и боковые стенки резервуара направляют поперечные и продольные ультразвуковые волны, которые несут информацию о наличии дефектов в исследуемом изделии.

Использование: для обнаружения различных дефектов в трубопроводах и других объектах методом направленных акустических волн. Сущность изобретения заключается в том, что при дефектоскопии последовательно используется два типа зондирующих акустических волн: продольные, распространяющиеся вдоль окружности трубопровода, и поперечные, распространяющиеся вдоль образующих трубопровода, при этом акустический прибор обеспечивает сухой точечный акустический контакт с поверхностью трубопровода высокого качества и генерацию двух видов ультразвуковых волн, распространяющихся вдоль образующей и окружности трубопровода.

Использование: для неразрушающего контроля технического состояния трубопроводов акустическим способом. Сущность изобретения заключается в том, что аппаратура для обнаружения дефектов трубопроводов содержит кольцевую приемо-передающую акустическую систему, выполненную в виде антенных решеток пьезоэлектрических преобразователей, прикрепляемую к открытому участку трубопровода с помощью прижимного устройства, и программно-аппаратный комплекс для коммутации и интерпретации данных, при этом аппаратура дополнительно содержит устройство позиционирования, выполненное в виде пояса с пазами, направленными вдоль образующих трубопровода, а антенные решетки выполнены в виде съемных модулей пьезоэлектрических приемо-передающих преобразователей, устанавливаемых в пазы устройства позиционирования, причем прижимное устройство выполнено в виде магнитопроводов, установленных в съемных модулях антенных решеток.

Использование: для ультразвукового контроля круглого проката и труб. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для ультразвукового контроля круглого проката и труб содержит статор, ротор и ультразвуковые преобразователи, при этом оно дополнительно содержит по крайней мере одно акустическое зеркало, размещенное на роторе, причем как минимум один ультразвуковой преобразователь закреплен на статоре, по крайней мере один ультразвуковой преобразователь, размещенный на статоре, направлен таким образом, что направление его излучения/приема почти параллельно оси объекта контроля, зеркало выполнено в виде по крайней мере одного отражающего элемента, геометрическая форма которого соответствует конкретной измерительной или дефектоскопической задаче, ультразвуковые преобразователи образуют по крайней мере одно кольцо, ось излучения/приема которого почти параллельна оси объекта контроля.

Использование: для автоматизированного неразрушающего контроля качества изделий. Сущность изобретения заключается в том, что сканируют поверхность контролируемого объекта по крайней мере одним информационным датчиком физического поля, измеряют величины сигналов излучения физического поля с каждой точки поверхности контролируемого объекта, разбивают весь диапазон величин сигналов излучения физического поля по их значениям на I интервалов, регистрируют измеренные сигналы по принадлежности к соответствующим интервалам, определяют количество измеренных сигналов в каждом интервале КI, рассчитывают разность количества измеренных сигналов в последующем и предыдущем интервалах ΔКI=КI+1-КI по всему диапазону значений величин измеренных сигналов, а в качестве порогового значения величины сигнала излучения физического поля выбирают значение из интервала, для которого разность количества измеренных сигналов в данном и предыдущем интервалах меньше нуля, а разность количества измеренных сигналов в данном и последующем интервалах больше нуля, при этом измеряют величину сигнала в начале сканирования изделия на эталонном дефекте Un, измеряют значение сигнала на качественном участке изделия вблизи эталонного дефекта U0 в точке i=1, где i - целочисленная координата траектории сканирования на поверхности контролируемого изделия, измеряют изменение сигнала на эталонном дефекте ΔUn=|Un-U0|, измеряют шаг дискретности измерения сигналов по траектории сканирования: Δxi=xi+1-xi, измеряют значение сигнала в текущей точке «i» сканирования изделия (Ui), измеряют разность сигналов между соседними точками: ΔUi=Ui+1-Ui, регистрируют начало j-го дефекта по градиентному признаку, регистрируют координату (xнj) начала j-го дефекта по градиентному признаку, измеряют величину наибольшего сигнала в области j-го дефекта: Ujmax=Uji, если Ui+1>Ui и Ui+2>Ui+1, измеряют величину наибольшего изменения сигнала (ΔUmax∂j) на j-м дефекте, регистрируют окончание j-го дефекта по градиентному признаку, регистрируют координату (xкj) окончания j-го дефекта по градиентному признаку: xкj=Δxixр, где p - целочисленная координата окончания j-го дефекта, измеряют протяженность j-го дефекта по градиентному признаку: Δхдj=хкj-хнj, регистрируют наличие j-го дефекта на изделии заданным образом.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля при реализации ультразвуковых бесконтактных методов дефектоскопии для обнаружения дефектов в рельсах на значительных скоростях сканирования.

Использование: для неразрушающего контроля материалов ультразвуковыми методами. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют генерацию серии оптических импульсов, преобразование их в акустические сигналы, излучение полученных сигналов в исследуемый материал, возбуждение продольных и сдвиговых волн в приповерхностном слое исследуемого материала, прием отраженных сигналов приемником, выполненным в виде решетки, собранной из локальных пьезоэлементов, обработку принятых сигналов в реальном масштабе времени в цифровой форме с сохранением их фаз, при этом генерацию серии оптических импульсов осуществляют в диапазоне от 10 Гц до 100 кГц, а сканирование производят через решетку из оптически прозрачных пьезоэлементов, акустический импеданс которых согласован с акустическим импедансом оптико-акустического генератора.

Использование: для ультразвукового (УЗ) контроля объектов из твердых материалов. Сущность изобретения заключается в том, что согласно способу УЗ контроля выполняют излучение в объект контроля (OK) поперечных волн с горизонтальной поляризацией (SH волн), принимают эхо-сигналы из него и получают путем пространственно-временной обработки принятых сигналов распределение отражающей способности точек структуры материала ОК. Информацию о дефектности ОК получают из этого распределения. SH волны излучают путем создания на поверхности объекта касательных к поверхности колебательных сил. Прием SH волн осуществляют путем преобразования касательных к поверхности объекта колебательных смещений материала в электрические сигналы. Реализуется способ с помощью решетки преобразователей, выполненных в двух вариантах, первый из которых содержит герметичный корпус с демпфирующей жидкостью и пьезоэлемент со сдвиговыми колебаниями по толщине, направленными параллельно поверхности контролируемого объекта, установленный внутри корпуса на протектор, имеющий точечный контакт с поверхностью ОК. Второй вариант отличается тем, что содержит два пьезоэлемента. Созданная антенная решетка с усовершенствованными характеристиками может состоять из преобразователей любого из двух вариантов, которые установлены в ее корпусе на прижимных механизмах с возможностью возвратно-поступательного перемещения перпендикулярно ее рабочей поверхности. Технический результат: расширение функциональных возможностей системы неразрушающего контроля с одновременным улучшением ее дефектоскопических и эксплуатационных характеристик. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Использование: для неразрушающего испытания или контроля с использованием ультразвуковых волн и преобразователей с воздушной связью. Сущность изобретения заключается в том, что ультразвуковая система для неразрушающего контроля содержит по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь с воздушной связью, выполненный с возможностью излучения первичных ультразвуковых волн, интерферирующих друг с другом и содержащих по меньшей мере две компоненты основной частоты, которые кратны друг другу и излучены одновременно в закрытой фазе, причем интерференция первичных ультразвуковых волн генерирует множество частотных гармоник в воздухе, по меньшей мере один приемник, выполненный с возможностью приема ультразвуковых волн, излученных от испытываемого объекта. Технический результат: обеспечение возможности существенного уменьшения потерь вследствие затухания в воздухе и вследствие несоответствий акустического сопротивления между воздухом и поверхностью испытываемого объекта. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 15 ил.

Использование: для внутритрубной диагностики трубопроводов. Сущность изобретения заключается в том, что c одной стороны трубопровода производят монтаж камеры пуска средств очистки и диагностики (далее - СОД), причем СОДом может быть магнитный дефектоскоп, профилемер или очистной скребок, с другой стороны трубопровода устанавливают и закрепляют тяговое устройство, запасовывают СОД через камеру пуска СОД в трубопровод, при помощи тягового устройства протягивают СОД по трубопроводу. Технический результат: обеспечение возможности очистки внутренней поверхности и проведения внутритрубной диагностики трубопровода после завершения строительно-монтажных работ при строительстве, перевооружении, реконструкции, капитальном ремонте, до ввода участка трубопровода в эксплуатацию и подключения к магистральному нефте- или нефтепродуктопроводу. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Использование: для ультразвукового неразрушающего контроля объектов из структурно-неоднородных материалов, преимущественно изделий из бетона. Сущность изобретения заключается в том, что во множество точек поверхности объекта контроля излучают ультразвуковые зондирующие импульсы продольных или поперечных волн, принимают из тех же точек реализации ультразвуковых колебаний, вызванных ультразвуковыми импульсами, отражёнными от неоднородностей внутренней структуры материала объекта и от любых границ раздела между средами с разной акустической плотностью, производят реконструкцию трёхмерного распределения амплитуды ультразвука, рассеянного точками структуры материала объекта, в полученном трёхмерном распределении выделяют точки с амплитудами, превышающими средний уровень эффективного значения шума в четыре и более раз, объединяют выделенные точки распределения в группы по критерию близости их расположения, определяемого расстоянием между соответствующими им точками структуры объекта, не превышающем половины длины волны ультразвука, когерентно суммируют фрагменты принятых реализаций ультразвуковых колебаний, содержащие эхо-сигналы от точек внутренней структуры объекта, которые соответствуют точкам трёхмерного распределения, принадлежащим каждой выделенной группе, и если при излучении и приёме импульсов продольных ультразвуковых волн фаза суммарного фрагмента реализаций некоторой группы точек трёхмерного распределения отличается от фазы зондирующих импульсов по модулю менее чем на 45 градусов, то это означает, что среда за границей раздела более акустически плотная, чем среда до границы раздела, если же отличие фаз находится в интервале от 135 до 225 градусов, то, наоборот, среда за границей раздела менее акустически плотная, а при излучении и приёме импульсов поперечных ультразвуковых волн соотношения акустических плотностей сред для указанных разностей фаз обратны соотношениям для продольных волн. Технический результат: расширение диапазона достоверного определения соотношения акустических плотностей сред у границы раздела в область низких отношений сигналшум. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Наверх