Акустические методы
УДК 534.8+620
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДЕФЕКТОСКОПА С ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЭХОСИГНАЛОВ С ЦЕЛЬЮ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
ОТРАЖАТЕЛЕЙ МЕТОДОМ ПРОЕКЦИИ В СПЕКТРАЛЬНОМ
ПРОСТРАНСТВЕ
Е.Г. Базулин, А.Е. Базулин, С.А. Коколев, Т.М. Гурьева
Рассмотрен метод автоматизированного у.з. контроля, основанный на использовании ФАР-дефектоскопа для регистрации эхосигналов с последующим восстановлением изображения отражателей методом проекции в спектральном пространстве в трехмерном режиме (3Б-ПСП). Специальная настройка ФАР-дефектоскопа позволяет имитировать работу множества одноэлементных преобразователей с разными углами ввода. Такой подход позволяет получать изображения отражателей с высокой разрешающей способностью и высоким отношением сигнал/шум на глубине более 100 мм. Рассмотрена процедура калибровки антенной решетки на призме, работающей в режиме имитации нескольких пьезопреобразователей с различными углами ввода. Представлены результаты контроля фрагмента заготовки опоры дивер-тора ИТЭР при получении изображений классическим методом ФАР и с применением трехмерной обработки, демонстрирующие эффективность разработанной технологии контроля.
Ключевые слова: у.з. неразрушающий контроль, метод проекции в спектральном пространстве (ПСП), ЕТ-БЛЕТ, трехмерная обработка (3Б-ПСП), фазированная решетка (ФАР).
1. ВВЕДЕНИЕ
Применение когерентных методов обработки эхосигналов позволяет проводить у.з. контроль толстостенных объектов с высокой разрешающей способностью и высоким отношением сигнал/шум [1]. Так как научно-производственный центр "НПЦ "ЭХО+" специализируется на разработке систем у.з. контроля с когерентной обработкой эхосигналов, то заказчиком (ФГУП НИИЭФА им. Д.В. Ефремова) была поставлена задача разработать методику у.з. контроля заготовок опор дивертора международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР) с использованием 16-канального ФАР-дефектоскопа "НагТа^УЕО" Заготовка опоры представляет собой биметаллический образец со сварным соединением, выполненным методом горячего изостатического прессования (ГИП-соединение) с габаритными размерами до 400^400x400 мм. Для изготовления верхней части опоры используют аустенитную сталь марки ХМ19, нижней — аустенитную сталь марки 316Е. Глубина залегания ГИП-соединения около 130 мм. Требования к разрешающей способности и чувствительности достаточно высокие — недопустимым является отражатель, эквивалентный плоскодонному отражателю диаметром 2 мм. Также требуется определить площадь несплавления. При использовании 16-канального дефектоскопа в классическом ФАР -режиме получить на такой глубине фронтальную разрешающую способность порядка 3 мм невозможно. Решить эту задачу можно, настроив ФАР-дефектоскоп так, чтобы антенная решетка работала как несколько фокусирующих преобразователей с разными углами ввода и обеспечив продольно-поперечное сканирование и последующую трехмерную когерентную обработку. Чтобы получить изображения отражателей эхосигналы, измеренные для каждого
Евгений Геннадиевич Базулин, канд. физ.-мат. наук, начальник научно-методического отдела ООО "НПЦ "ЭХО+", Москва. Тел. +7(495) 780-92-48. E-mail: bazulin@echoplus.ru
Андрей Евгеньевич Базулин, канд. техн. наук, начальник лаборатории ООО "НПЦ "ЭХО+", Москва. Тел. +7(495) 780-92-48.
Сергей Анатольевич Коколев, научный сотрудник научно-методического отдела ООО "НПЦ "ЭХО+", Москва. Тел. +7(495) 780-92-48.
Тамара Михайловна Гурьева, начальник лаборатории АНТ-1 НТЦ "Синтез" НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, Санкт-Петербург. Тел. 8(812) 462-76-43. E-mail: gurieva@sintez.niiefa.su
фокусирующего преобразователя, можно обработать методом трехмерной проекции в спектральном пространстве [1]. Предложенная технология дает возможность повысить разрешающую способность как в основной, так и в дополнительной плоскости антенной решетки.
В [2] предложена сходная технология получения и обработки эхосигна-лов методом SAFT, в которой используют простое качание луча антенной решеткой (без фокусировки), сканирующей по поверхности объекта контроля без призмы. Такой подход приводит к увеличению количества углов ввода в сравнении с применением режима фокусировки и, следовательно, к увеличению времени на обработку эхосигналов. Кроме того, не рассматривается трехмерная обработка эхосигналов и не решается проблема калибровки антенных решеток.
В данной статье рассмотрена технология контроля, основанная на использовании ФАР-дефектоскопа для регистрации эхосигналов с последующим восстановлением изображения отражателей методом проекции в спектральном пространстве в трехмерном режиме (3Б-ПСП). Специальная настройка ФАР-дефектоскопа позволяет имитировать работу множества одноэлементных преобразователей с разными углами ввода. Такой подход позволяет получать изображения отражателей с высокой разрешающей способностью и высоким отношением сигнал/шум на глубине более 100 мм. Рассмотрена процедура калибровки антенной решетки на призме, работающей в режиме имитации нескольких пьезопреобразователей с различными углами ввода. Представлены результаты контроля фрагмента заготовки опоры дивертора ИТЭР при получении изображений классическим методом ФАР и с применением трехмерной обработки, демонстрирующие эффективность разработанной технологии контроля.
2. МЕТОД ПРОЕКЦИИ В СПЕКТРАЛЬНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Обратная задача рассеивания [3, 4] заключается в том, чтобы по известным источникам поля q(r f ) в области S, измеряя принятое поле p(r f ) в области S найти функцию s(r), описывающую отражающие свойства неоднородности в области S (рис. 1). Интегральная форма уравнения рассеяния (уравнение Липпмана—Швингера) на частоте f записывается как
p(rr, f) = Р, {rr, f) + Jg {rr - r, f) s (r) p (r, f) dr, r e S, rr e R3. (1)
S
Сложность решения этой задачи заключается в том, что помимо определения искомых параметров неоднородностей s(r) требуется "попутно" определить полное поле p(r, f) во всей области восстановления изображения (ОВИ), что делает задачу нелинейной. Поэтому в практике у.з. контроля обычно используется борновское приближение, когда амплитуда рассеянного поля полагается много меньше амплитуды падающего поля, то есть p(r, f) << p,(r, f). Со строго математической точки зрения это условие на практике выполняется далеко не всегда, но переход от нелинейной задачи к линейной позволяет разработать алгоритм ее решения, реализуемый в практике неразрушающего контроля. При регистрации эхосигналов в совмещенном режиме уравнение (1) можно существенно упростить и записать в виде свертки
p(r„ f) = J G (r - rr, f) s (r) p, (r - r(, f) dr = J G (r - rr, f )2s (r) dr. (2)
S S
Искомую функцию s(r) называют рассеивающим потенциалом.
2.1. Метод 2Б-ПСП
Решение уравнения (2) для работы в совмещенном режиме регистрации данных основано на обобщенной теореме о проекциях [5]. Рассмотрим сначала двумерный вариант решения задачи, когда звук распространяется в однородной среде. Скорости звука при излучении и приеме разные. Будем предполагать, что при работе в гармоническом режиме на частоте / рассеянное поле измеряется вдоль оси хповернутой на угол а в системе координат хг так, как это показано на рис. 1. Расстояние от оси х до центра системы координат хг обозначим Я.
Рис. 1. К объяснению алгоритма 2Б-ПСП:
а — геометрия проведения измерений в совмещенном режиме; б — структура данных в спектральном
пространстве.
Суть метода 2Б-ПСП заключается в том, что измеряют рассеянное поле р(гг,/, а) и вычисляют его спектр Зх(р(гг,/, а)). Оператор проекции Р переносит значения функции Зх(р(гг,/, а)) из точки (кх'г, 0) в точку (кхг, кг'г) =
= ^к'хг(к^) - (к'хг) ^, то есть одномерная функция трансформируется в двумерную. Волновое число к'г = к' + кг равно сумме волновых чисел к' = 2%//с' на частоте / при излучении в среду со скоростью звука С и соответствует кг = 2%//с г при приеме волны со скоростью звука с г. Такой подход позволяет по одному набору эхосигналов восстановить три изображения при: излучении и приеме продольных волн; излучении и приеме поперечных волн; трансформации типа волны на отражателе. Спектры в области пространственных частот для совместной обработки измерений по всем ракурсам должны быть приведены к единой системе координат (кх, кг) с помощью матрицы поворота:
I к. = - кЦ
С08а . + к'
J 2
(3)
81И а
То есть по измеренной голограмме р(г /) можно рассчитать часть двумерного спектра неизвестной функции в(г) на окружности радиусом кЬг = к' + кг. Одночастотный многоракурсный метод 2Б-ПСП для восстановления изображения дефектов при регистрации рассеянного поля для Ыа ракурсов на частоте / можно записать:
(А
е(г, /) = З
Iе*
V J=1
(кх, К)
, кг ) = P ^ (, f, a ,) j; (4)
Р ((, f, a, ) = (p (r, f, a,)),
где р(к*, f, a.) — спектр рассеянного поля, пересчитанного на линию xr для
ракурса aj З, — оператор прямого преобразования Фурье; З,— — оператор обратного двумерного преобразования Фурье.
Очевидно, что восстановленное изображение тем ближе соответствует
форме границы отражателя, чем большую часть спектра sxz(k) удается восстановить (см. заштрихованную область на рис. 1). Для этих целей эффективно использование многочастотного режима, когда суммируются изображения, восстановленные на N частотах в некотором диапазоне частот
Af = f. , f ) f
J v mm' ^ max'
Nf
e(r, Af) = Xs (r, fn). (5)
Как правило, анализируется модуль комплексной функции в(г, А/ ), который в дальнейшем и будет называться изображением отражателей
1(г) = |е(г, А/)|. (6)
Обычно в практике у.з. контроля имеется возможность провести измерения поля р(г /, а) только по поверхности объекта контроля, то есть по одному ракурсу а = 0. В этом случае от окружности останется сегмент шириной, определяемой максимальным и минимальным углами диаграммы направленности преобразователя (см. верхний сегмент на рис. 1). Если проведены измерения поля рп(гг, /, а = 0) N преобразователями с разными углами ввода или с разными эффективными частотами, то итоговое изображение можно получить как сумму комплексных изображений, полученных каждым преобразователем
I(r)
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.