АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
620.179.1.001
Применение сложномодулированных сигналов для повышения точности измерений скорости
ультразвука в бетоне
В. К. КАЧАНОВ, И. В. СОКОЛОВ, М. Б. ФЕДОРОВ, Р. В. КОНЦОВ
Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва, Россия, e-mail: KachanovVK@mail.ru
Приведены результаты применения ультразвуковых широкополосных сложномодулированных сигналов для повышения точности измерений скорости ультразвуковых волн при акустической структуроскопии бетонных изделий. Показана возможность использования сигналов с линейной частотной модуляцией для анализа структуры бетона по затуханию ультразвуковых сигналов.
Ключевые слова: ультразвук, частотно-модулированный сигнал, бетон, прочность.
The results of application of ultrasonic broadband complex modulated signals to accuracy of measurements of ultrasonic waves velocity during acoustic testing of concrete products are shown. The possibility of using signals with linear FM for the analysis of the concrete structure of the attenuation of the ultrasonic signals is presented.
Key words: ultrasonics, FM signal, concrete, strength.
Неразрушающие акустические методы структуроскопии материалов, основанные на измерениях скорости ультразвуковых (УЗ) сигналов и затуханиях УЗ-колебаний в изделиях, активно развиваются [1, 2].
Метод определения состояния структуры исследуемого материала по скорости УЗ-колебаний основан на ее зависимости от физико-механических свойств материалов, таких как модуль упругости Юнга, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, плотность и др. [2]. Практически все структурные изменения, вызванные внешними воздействиями (деформация, нагрев, радиация и т. д.), приводят к изменениям скорости звука. Таким образом, по изменению этого параметра в процессе эксплуатации изделий можно проводить мониторинг структурных изменений.
Определение свойств структуры материала по затуханию УЗ-колебаний построено на зависимости амплитуды УЗ-эхо-сигнала А2, прошедшего через изделие, и от свойств материала, зависящих от показателя затухания а(/):
А2 = А1е-а(Г > х, (1)
где А1 — заданная амплитуда зондирующего сигнала; х — толщина изделия.
Показатель затухания а(/) определяется двумя различными процессами: поглощением и рассеиванием УЗ-колебаний на структурных неоднородностях материала [3].
Методы, рассмотренные в [1, 2], широко применяют при структуроскопии металлов. Однако для структуроскопии изделий из бетона используют только способ, основанный на измерениях скорости УЗ-колебаний; другой же способ из-за аномально высоких частотно-зависимых УЗ-колебаний не применяют. Причина таких затуханий УЗ-сигналов определяется как поглощением УЗ-колебаний, так и их рассеиванием на структурных неоднородностях (элементах гравия), которое резко возрастает в момент, когда протяженность
УЗ-волны X в бетоне становится сопоставима с размером акустических неоднородностей D, т. е. X~D. Так как средний размер зерен гравия в бетоне составляет D = 10...20 мм, то частотный диапазон УЗ-колебаний, используемый при УЗ-контроле, не превышает Af ~ 50...150 кГц.
В нормативных документах [4, 5] рекомендовано устанавливать прочность бетона только с помощью измерений скорости УЗ-колебаний, которую, в свою очередь, следует определять УЗ теневым методом. Возможность измерений толщины наиболее информационным эхо-импульсным методом не рассматривается из-за чрезмерно высокого затухания УЗ-колебаний в бетоне. Акустические методы определения прочности бетона регламентированы нормативными документами [4, 5]. Российские стандарты во многом повторяют иностранные [6, 7]. Все нормативные документы рекомендуют использовать теневой метод измерения скорости как для протяженных бетонных строительных конструкций толщиной порядка метра и более, так и для относительно небольших специально отлитых бетонных тест-образцов размерами 10, 15, 20 см3, с помощью которых строится гра-дуировочная кривая зависимости прочности бетона от скорости ультразвука, по которой определяют прочность бетона на сжатие. Однако общие рекомендации по построению этой кривой, а также по аппаратуре для акустических измерений [4, 5], не всегда оптимальны для бетонных изделий, физико-механические свойства которых изменяются в широком спектре. В отечественных стандартах не учтены ни длительность, ни частота, ни амплитуда зондирующего импульса, а также не определены параметры используемых пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП), т. е. рекомендуемая резонансная частота, полоса электроакустического преобразования, апертура преобразователей. Более подробно вопросы УЗ-структуроскопии бетонов изложены в [6, 7], из которых следует необходимость использования преоб-
разователей в диапазоне частот 40—150 кГц. При этом для измерений изделий с малой толщиной рекомендовано использовать высокочастотные ПЭП, позволяющие точнее определять временное положение сигнала, а низкочастотные — для измерений изделий с большей толщиной. Там же утверждается, что следует использовать узкополосные преобразователи в диапазоне 50—60 кГц, так как они наиболее подходят для различных случаев контроля.
В обзоре зарубежных публикаций сделана попытка связать воедино многочисленные требования, а также объяснить расхождения между результатами теоретических и экспериментальных методов определения прочности бетона [8]. В этой публикации констатированы очевидные противоречия между теоретическими положениями и реальными экспериментальными данными исследователей. Во второй части [9] перечислены некоторые новые идеи, но качественные рекомендации по возможным методам акустической структуроскопии бетона не приведены. Таким образом, выбирать методы измерений скорости УЗ-колебаний параметров ПЭП и характеристики сигналов приходится по нечетко сформулированным рекомендациям существующих стандартов.
Измерение скорости с в изделии известной толщины х сводится к нахождению протяженности интервала времени ^ между синхроимпульсом и регистрируемым сигналом. Измерение скорости полностью соответствует определению толщины бетонных изделий теневым методом: х=с^. Точность измерений толщины изделия определяется точностью нахождения временного положения импульса ^ Дх/х = 2Д^Яс [10]. Для ^ = 50 кГц с = 4000 м/с, X = с*0 = с/^ = = 4-103/0,5-105 = 80 мм. Таким образом, даже небольшая погрешность в определении временного положения эхо-сиг-
Рис. 1. Повышение чувствительности и точности УЗ-контроля
при использовании оптимальной обработки ЛЧМ-сигнала: ИП, ПП — излучающий и приемный ультразвуковые преобразователи;
1, 2, 3, 4 — точки выхода генератора ЛЧМ-сигнала, входа оптимального фильтра для ЛЧМ-сигнала, выходов оптимального фильтра для ЛЧМ-сигнала и синхронного детектора, соответственно
нала Ыс приводит к появлению погрешности Дх в определении толщины, сопоставимой с толщиной изделия х. Поэтому выбор оптимальной частоты зондирующего сигнала имеет принципиальное значение, так как при ее увеличении точность измерений возрастает.
Решить указанную проблему, т. е. повысить точность измерений толщины изделий при увеличении частоты зондирующего сигнала без потери в чувствительности контроля, и одновременно измерить толщину бетонных изделий эхо-импульсным методом, позволяет применение известных из радиолокации высокоэнергетичных сложномодулированных сигналов, которые впервые стали использовать для задач УЗ-контроля в Московском энергетическом институте [11]. Разновидностью широкополосных сложномодулированных сигналов являются линейные частотно-модулированные (ЛЧМ) сигналы [12], которые в сочетании с их оптимальной фильтрацией обеспечивают выделение из белого шума полезных эхо-сигналов, а также высокую разрешающую способность контроля, т. е. низкую погрешность измерений. В настоящее время этот метод активно используется и развивается для повышения чувствительности при контроле изделий с большим затуханием сигналов, в том числе и при контроле через воздушный промежуток [13, 14].
Линейные частотно-модулированные сигналы характеризуются широким равномерным амплитудно-частотным спектром Мс и высокой длительностью импульса которая
определяет энергию зондирующего сигнала Е = и2 (^и, где
и1 — амплитуда зондирующего УЗ ЛЧМ-сигнала. Следовательно, применение этих сигналов обеспечивает потенциально высокую чувствительность. Форма импульса на выходе оптимального фильтра имеет вид сжатого во времени короткого импульса длительностью большой амплитудой и малым уровнем боковых лепестков. Временное положение сжатого сигнала определяют по максимуму его автокорреляционной функции [15].
При оптимальной фильтрации эхо-сигнала одновременно повышается чувствительность и точность УЗ-толщиномет-рии. Основная идея такого повышения при эхо-импульсном контроле поясняется на рис. 1 и рис. 2, а на примере ЛЧМ-сигнала. Изделие толщиной х с помощью излучающего УЗ-преобразователя ИП зондируется протяженным во времени сигналом и^). Принятый приемным УЗ-преобразова-телем ПП и отраженный от дна крупногабаритного изделия сигнал и2(^ не обнаруживается, так как находится ниже уровня шума приемной части аппаратуры. После оптимального фильтра сжатый сигнал благодаря увеличению амплитуды главного лепестка выделяется из шума из(^ [12]. Измерение времени прихода донного сигнала ^ = 2х/с проводится по положению донного эхо-сигнала относительно синхроимпульса, роль которого выполняет сжатый сигнал электроакустической наводки, большей амплитуды полезного эхо-сигнала.
Применение ЛЧМ-сигнала в качестве УЗ зондирующего с последующей оптимальной фильтрацией эхо-импульса позволяет устанавливать оптимальные параметры зондирующего сигнала: среднюю частоту ^ ширину спектра Д/ЛЧМ, длительность оперативно изменять параметры зондирующего сигнала, использовать различные радиотехнические обработки эхо-сигнала. В качестве примера на рис. 2, а изображен эхо-сигнал и4(^ после синхронного детектирования. Именно это свойство вариативности ЛЧМ-сигнала позволяет активно использовать его при УЗ эхо-контроле бетонных
Рис. 2. Увеличение чувствительности контроля при изменении базы зондирующего ЛЧМ-сигнала:
а — и^) — зондирующий ЛЧМ-сигнал; и2({)
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.