АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 60, № 3, с. 279-283
ОБРАБОТКА АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
УДК 534.8
ДИСТАНЦИОННАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ ЗВУКОИЗЛУЧАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ ЧЕРЕЗ ВОЗДУХ © 2014 г. Д. Я. Суханов, М. А. Калашникова
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" 634050 Томск, пр. Ленина, 36 E-mail: sdy@mail.tsu.ru Поступила в редакцию 25.02.2012 г.
Предлагается метод получения ультразвуковых изображений объектов, излучающих ультразвуковые акустические волны в воздухе. Изображения объектов восстанавливаются путем пространственно-согласованной фильтрации амплитудно-фазового распределения ультразвукового поля, измеренного в плоской прямоугольной области на некотором расстоянии от исследуемого излучающего объекта. Измерения поля производятся на различных частотах в широкой полосе, что позволяет путем обработки в широкой полосе частот снизить уровень шума и артефактов на восстанавливаемых изображениях.
Ключевые слова: акустическая голография, синтез апертуры, звуковидение. DOI: 10.7868/S0320791914030162
ВВЕДЕНИЕ
Ультразвуковой дистанционный контроль качества в иммерсионной среде применяется в случаях, когда объект исследования имеет сложную форму и не допускает плотного контакта с ультразвуковым датчиком. Распространены методы [1] ультразвуковой визуализации и дефектоскопии, использующие погружение объекта в воду или другую звукопроводящую жидкость. Иммерсионные методы не требуют прикладывания датчиков к объекту, однако не все объекты допустимо погружать в иммерсионную жидкость. Перспективным направлением дистанционного ультразвукового контроля является использование атмосферного воздуха в качестве среды передачи волны от объекта к датчикам ультразвукового поля. В работе [2] предложена методика исследования алюминиевой плоскопараллельной пластины бесконтактным локационным способом через воздух; путем численного моделирования показана возможность обнаружения внутреннего дефекта. Данный подход удобен, но коэффициент отражения от границы раздела воздух—твердое тело стремится к единице, поэтому при технической реализации систем, исследующих внутреннюю структуру объекта, возникают сложности измерения маломощного полезного сигнала на фоне сигнала, отраженного от поверхности объекта. В случае если сам объект является источником звука, его внутренние неоднородности будут влиять на колебания его поверхности [3] и излучаемое им поле, что может быть использовано для исследования внутренней структуры.
Восстановление изображения колебаний поверхности объекта на основе дистанционных измерений звукового поля в воздухе позволит осуществлять дистанционную дефектоскопию. Для восстановления изображения вибрирующей поверхности разработан ряд методов звуковой голографии [4—11]. В работах [4—6] предложен метод восстановления изображения излучающего объекта с помощью обращения времени и расчета обратного распространения волнового поля; такой подход позволяет восстанавливать изображения объектов с разрешением, близким к дифракционному пределу. Для получения разрешения, превосходящего дифракционный предел, разработаны методы голографии ближнего поля [7—11]. Преодоление дифракционного предела возможно благодаря фокусировке неоднородных волн, которые имеют значительные амплитуды в ближней зоне, однако в дальней зоне данные методы становятся слабо устойчивыми к шумам измерений. В ряде задач дефектоскопии вполне достаточно визуализировать звукоизлуча-ющий объект с разрешением порядка длины волны. При разработке методов контроля состояния работающих машин и механизмов необходимо решить задачу восстановления изображения нестационарного источника звука. В данном случае существует проблема сохранения временной когерентности и измерения фазы волнового поля. Однако, если измерения поля производятся одновременно в разных точках пространства, то возможно сохранение пространственной коге-
Рис. 1. Измерение поля колебаний воздуха в случае управляемых колебаний звукоизлучающего объекта.
рентности. Задача визуализации импульсного источника решена в работе [12] на основе принципа обращения времени и интеграла Рэлея. В работе [13] рассматривается случай излучателя шумового сигнала. Широкий спектр шумового сигнала позволяет минимизировать уровень артефактов. Источником такого сигнала может являться любой процесс, вызывающий вибрации исследуемого объекта. Восстановление изображений шумопо-добных источников находит применение в бесконтактной диагностике работающих двигателей [14].
В настоящей работе предлагается метод для бесконтактной визуализации колеблющихся областей на поверхности звукоизлучающего объекта по измерениям поля в дальней зоне в широкой полосе частот. Восстановление изображения производится на основе пространственно-согласованной фильтрации результатов измерений амплитудно-фазового распределения ультразвукового волнового поля в воздухе на некотором расстоянии от объекта с добавлением нелинейной обработки широкополосного сигнала. Преодоление дифракционного предела не предполагается.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ
Предлагается измерять временную зависимость поля колебаний воздуха на некотором расстоянии к от звукоизлучающего объекта в плоской прямоугольной области. В случае если колебания исследуемого звукоизлучающего объекта возбуждаются с помощью контролируемого источника ультразвуковых колебаний (рис. 1), допустимо измерять ультразвуковое поле последовательно в различных точках плоской прямоугольной области, используя единственный приемник. При этом в каждой позиции приемника необходимо повторять ультразвуковое воздействие на объ-
ект, что должно позволить сохранить пространственную когерентность в измеряемых сигналах.
В случае если ультразвуковыми колебаниями излучающего объекта невозможно управлять, необходимо производить одновременные измерения ультразвукового поля в воздухе с применением матрицы приемников для обеспечения пространственной когерентности измеренных сигналов.
Результатом измерения являются временны е зависимости ультразвуковых колебаний давления воздуха Р (г, г) в различных точках прямоугольной области, удаленной на расстояние к от исследуемого объекта, где г = (х, у, 0) — координаты измерения поля.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ ИЗЛУЧАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ
Для восстановления изображений звукоизлу-чающих объектов по измеренному акустическому полю в воздухе на расстоянии к от объекта предлагается перейти в частотную область и рассматривать вместо Р (г, г) комплексную амплитуду поля в области измерений, которую обозначим функцией
да
и (г, ю) = | Р (г, г) ехр (Ш) йг.
—да
Восстановление изображения звукоизлучаю-щего объекта можно осуществить с помощью метода обратного распространения волн, описанного в работе [5]. Для упрощения решения допустимо пренебречь медленно меняющимися амплитудными множителями в функции Грина, поскольку основное влияние на результат обработки оказывают фазовые соотношения. Таким образом, восстанов-
ДИСТАНЦИОННАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ
281
ленное изображение звукоизлучающего объекта на частоте ю можно записать в виде
Ж (г', ю) = Ци (г, ю) ехр (-1к |г' - г|) йхйу, (1)
где к = ю/с, с — скорость звука в воздухе, г' = (х', у', к) — точка фокусировки в области размещения объекта, Ж (г', ю) — величина, пропорциональная комплексной амплитуде колебаний давления воздуха вблизи исследуемого объекта.
Выражение (1) по сути является операцией пространственно-согласованной фильтрации, где ехр (—к |г' - г|) — это согласованный фильтр — функция, сопряженная реакции на точечный источник.
Выражение (1) является изображением объекта на одной частоте. Однако на одной частоте на вибрирующих поверхностях, как правило, имеются узлы и пучности стоячих волн. В области узлов излучение объекта в воздух минимально, а значит, эти области объекта не будут визуализированы. Но на других частотах появляется другая картина узлов и пучностей. Необходимо совмещение результатов восстановления изображений звукоизлучающего объекта на различных частотах таким образом, чтобы все звукоизлучающие области объекта были визуализированы. Если просто проинтегрировать Ж (г', ю) по частоте, то будет визуализирована только точка управляемого ультразвукового воздействия, если фаза отсчи-тывается от сигналов излучателя. Остальные точки объекта не будут визуализированы, поскольку для них суммирование на различных частотах будет несинфазным.
Чтобы визуализировать все области звукоизлу-чающего объекта, предлагается осуществлять нелинейную обработку сигнала путем интегрирования модуля восстановленных монохроматических изображений \Ж (г, ю)| по всей полосе частот возмущающего воздействия (от юш1п до ютах):
®шах
А (г) = | \Ж (г, ш)| йю. (2)
®шт
При интегрировании в выражении (2) не учитывается фаза комплексной амплитуды Ж (г, ю), что позволяет выделить области, где происходят колебания и где нет колебаний на всех частотах. На отдельных частотах в узлах стоячих волн колебания будут отсутствовать, однако для каждой частоты положение узлов и пучностей различно, поэтому при интегрировании (2) области узлов стоячих волн на одних частотах будут складываться с пучностями стоячих волн на других частотах. Таким образом, на изображении А (г) значения большой амплитуды представляют области объекта, которые вибрируют, а значения малой ам-
плитуды представляют области, до которых вибрации не доходят вследствие разрывов в материале или других особенностей. Трещины и разрезы в тонких пластинах, напротив, вибрируют сильнее центральных областей и будут видны на А (г) как области большой амплитуды.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Экспериментальные исследования производились в соответствии со схемой, изображенной на рис. 1. Для измерения поля использовался ультразвуковой пьезокерамический микрофон MuRata MA40S4R диаметром 1 см с рабочей полосой частот от 37 до 43 кГц, который был установлен на двухкоординатное позиционирующее устройство с областью сканирования 30 см х 30 см (рис. 2а) и шаг
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.