УДК 534.8+620.179.16
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТИПА ОТРАЖАТЕЛЯ ПО ИЗОБРАЖЕНИЮ, ВОССТАНОВЛЕННОМУ ПО ЭХОСИГНАЛАМ, ИЗМЕРЕННЫМ УЛЬТРАЗВУКОВЫМИ АНТЕННЫМИ РЕШЕТКАМИ
Е.Г. Базулин
Рассмотрено применение метода цифровой фокусировки изображения (ЦФА) для определения типа обнаруженных отражателей. Для этого используют две антенные решетки, расположенные по разные стороны от отражателя, с помощью которых в режиме двойного сканирования регистрируют эхосигналы по трем акустическим каналам. Первый акустический канал излучает и принимает эхосигналы первой антенной решеткой, второй — второй, а третий канал настроен так, что излучает импульсы первая, а принимает эхосигналы вторая антенная решетка. По каждому каналу в единой системе координат можно восстановить множество парциальных изображений по разным акустическим схемам с учетом многократного отражения от неровных границ объекта контроля с учетом эффектов трансформации типов волн. Объединение парциальных изображений позволяет получить высококачественное изображение, на котором видна вся граница отражателя и с помощью которого можно попытаться автоматизировать процедуру образмеривания отражателя и определения его типа. Такой подход позволит уменьшить субъективное влияние оператора на результаты контроля. Показано, что для повышения разрешающей способности изображения можно провести экстраполяцию спектра эхосигналов методом расщепления спектра совместно с построением AR-модели их спектра. Приведены результаты модельных экспериментов, подтверждающие возможность определения типа отражателя.
Ключевые слова: у.з. неразрушающий контроль, антенные решетки, призмы, двойное сканирование, FMC, цифровая фокусировка антенной решетки (ЦФА), C-SAFT, TFM.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время для визуализации отражателей широко применяют приборы, работающие по технологии фазированных антенных решеток (ФАР-дефектоскопы) [1]. С их помощью можно уверенно обнаруживать такие опасные дефекты, как трещины. Но определение типа обнаруженного отражателя, то есть решения важнейшего вопроса у.з. контроля, даже для ФАР-дефектоскопов может оказаться непосильной задачей. Существует альтернативный подход восстановления изображения отражателей с применением антенных решеток. На первом этапе регистрируют эхосигналы, излученные и принятые всеми парами элементов антенной решетки, так называемый режим двойного сканирования [2]. Восстановить изображение отражателей на втором этапе по измеренным эхосигналам можно методом комбинированного SAFT (C-SAFT) [3]. Такой принцип восстановления изображения можно называть цифровой фокусировкой антенной решеткой (ЦФА) [4]. Приборы, формирующие изображение по такому принципу, будем называть ЦФА-дефектоскопами. В зарубежной литературе алгоритм C-SAFT называется Total Focusing Method (TFM) [5]. Сравнительный анализ возможностей ФАР - и ЦФА-дефектоскопов приведен в [4, 6]. Регистрацию эхосиг-налов при перемещении антенной решетки, работающей в режиме двойного сканирования вдоль основной плоскости, логично назвать режимом тройного сканирования.
Для восстановления изображения всей границы отражателя при использовании простых алгоритмов нужно иметь возможность "осветить" его со всех сторон так, чтобы зарегистрировать эхосигналы, отраженные от любой части границы отражателя. В [7] с использованием антенной решетки, перемещаемой по поверхности цилиндрического объекта, удалось получить высококачественное изображение модели коррозионной трещины. Но в практике
Евгений Геннадиевич Базулин, канд. физ.-мат. наук, начальник научно-методического отдела ООО "НПЦ "ЭХО+". Тел. (495) 780-92-48. E-mail: bazulin@echoplus.ru
у.з. контроля, как правило, доступ к объекту контроля ограничен его внешней поверхностью. Это приводит к тому, что по восстановленным изображениям границы отражателя не удается уверенно определить его тип, так как восстанавливаться будут только те фрагменты границы, от которых удалось зарегистрировать либо зеркально отраженные эхосигналы, либо фрагменты границ, на которых произошло дифракционное рассеивание у.з. импульсов. Так, вертикально ориентированная трещина при работе на прямом луче будет восстановлена в виде двух бликов, соответствующих ее верхней и нижней границам, на которых произошло дифракционное рассеивание ультразвука.
Если известна форма внешней и внутренней границ объекта контроля, а его акустические свойства таковы, что можно зарегистрировать в режиме двойного или тройного сканирования многократно отраженные от границ эхосигналы, то для восстановления изображения отражателей можно воспользоваться методом С^ЛБТ, модифицированным для учета многолучевого распространения ультразвука в объекте контроля с неровными границами. Так как в результате многократных отражений с учетом трансформации типов волн удается зарегистрировать эхосигналы, отраженные от всех участков границы отражателя, то появляется возможность восстановить методом С^ЛБТ всю границу отражателя [8, 2, 9]. Такой подход может оказаться эффективен для контроля сварных соединений трубопроводов толщиной от 5 до 40 мм. В [10] сделана попытка при сканировании одноэлементными преобразователями восстановить изображение всей границы отверстия бокового сверления с учетом отражения эхосигналов от дна образца и с учетом трансформации типа волны при отражении от границы отверстия.
Для дальнейшего повышения качества изображения отражателя эхосиг-налы можно подвергнуть процедуре уменьшения длительности импульсов за счет экстраполяции их спектров на больший частотный интервал [11, 12].
Следует упомянуть очень перспективное направление решения обратных задач, которое по мере роста вычислительных мощностей будет все более и более востребованным. Решение обратной коэффициентной задачи для скалярного волнового уравнения [13] основано на возможности прямого вычисления градиента функционала невязки через решение методом конечных разностей, так называемой сопряженной задачи для уравнения в частных производных. При переходе к векторному варианту волнового уравнения при решении будут учтены все эффекты распространения и рассеяния звука. Возникновение импульса обегания, многократное перерассеивание и трансформация типов волн дадут информацию, которая при одностороннем доступе позволит восстановить поле значений плотности и упругих коэффициентов в объекте контроля, по которому можно будет определить не только всю границу отражателя, но и свойства материала его заполнения.
Восстановление изображения всей границы отражателя позволит использовать методы распознавания изображений и надежно автоматизировать процедуру распознавания типа отражателя и определения его размеров. Это позволит повысить скорость формирования протокола контроля и уменьшить влияние человеческого фактора на объективность результатов контроля.
2. КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ МЕТОД ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
ДЕФЕКТОВ
Решение обратной задачи рассеивания заключается в том, чтобы по известным источникам поля 0, расположенным в области £ и по измеренному в области £г рассеянному полю р(г 0 найти функцию в(г), описывающую отражающие свойства неоднородности в области £. Один из распространенных методов оценки функции в(г) заключается в корреляционной обработке измеренного поля р(г , ¿). Пусть решение прямой задачи, то
есть расчет рассеянного поля р(г ,) = р(г г,) по известным функциям д(г,, ,) и в(г), в формальном виде можно записать так:
р(гг, ,) = Р(г„ б(г), д(гр ,)). (1)
Помещая точечный отражатель в произвольную точку г то есть полагая 8(г) = = 5(г - г.), можно оценить вид функции в(г) по корреляционным формулам:
8 (г.) = Ш1 р (, ,) ° (, г., г,, х) &&&Ж,
£ £ Я (2) 0(гг, г., г,, ,) = Р(г„ 5(г - г .), д(гр ,)).
Функция 0(гг, г г ,) зависит от формы излученного импульса s(,) и должна учитывать эффекты отражения, преломления и трансформации типов волн, анизотропии акустических свойств материалов, затухания звука, наличия нескольких областей с разными акустическими свойствами. Чем точнее удастся решить прямую задачу (1) на основе выбранного варианта описания механизма рассеивания у.з. волны, тем больше объектов контроля, в которых можно восстанавливать высококачественные изображения отражателей.
2.1. Метод С-8ЛЕТ
Если при расчетах функцию заменить на 5( , - , ), где ,тах — время нарастания импульса, и рассматривать только одну акустическую схему на прямом луче, то выражение (2) превращается в формулу, описывающую метод С^ЛБТ
8 (г.) = Ш р ( , ,) 5 ( - ^ ( , г., г, ) + Сах ) ^АЖ =
£ £
Ц р ( , ' - ^ (, г., г, ) + ,тах ) , (3)
где ,а1(г г г,) — время пробега импульса от излучателя до точки г. и к приемнику для заданной акустической схемы. При таком подходе задача восстановления изображения отражателей сводится к многократному решению прямой задачи для функции 8(г) = 5(г - г.) при заданном числе отражений от границ объекта контроля при излучении и приеме.
2.2. Метод М-С-8ЛЕТ и Т8-М-С-8ЛЕТ
При каждом отражении от границы объекта контроля может происходить трансформация типа падающей волны. Это означает, что при т,-отра-жениях максимальное число возможных комбинаций списка скоростей {с } = {с, 1, с,2, ... с, т1} равно 2Щ и учет всех возможных вариантов скоростей на трассе значительно увеличивает время формирования изображения. Однако ситуация значительно упрощается, если принять во внимание два следующих обстоятельства. Во-первых, импульс распространяется за одинаковое время по многим траекториям для объекта одинаковой толщины. Время распространения определяется не порядком следования отрезков траектории с заданными скоростями звука, а зависит от количества отрезков, вдоль которых звук распространяется либо как продольная волна, либо как поперечная волна. Акустические схемы, которые имеют разные времена распространения импульса вдоль траектории, будем называть независимыми. Так, при излучении и пяти отражениях т. = 5 от границ плоскопа-
раллельного образца из 32 возможных путей только 10 будут независимы. Во-вторых, зависимость коэффициента отражения У(ап; с с г) от угла падения приводит к тому, что при многократных отражениях останутся значимыми амплитуды эхоимпульсов только тех
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.