Акустические методы
УДК 534.8+620
ПРИМЕНЕНИЕ ТРЕХМЕРНОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ОБРАБОТКИ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ КОНТРОЛЕ
А.Е. Базулин, Е.Г. Базулин, А.Х. Вопилкин, С.А. Коколев, С.В. Ромашкин, Д.С. Тихонов
Рассмотрен трехмерный вариант когерентного метода проекции в спектральном пространстве (ПСП) получения изображения отражателей по измеренным эхосигналам. Его применение позволяет восстанавливать изображения отражателей с высокой фронтальной разрешающей способностью как в основной плоскости у.з. преобразователя, так и в дополнительной. Особенно эффективно применение метода ПСП в случае, когда отражатель находится далеко от приемной апертуры. В этом случае удается повысить отношение сигнал/шум более чем на 12 дБ, а фронтальную разрешающую способность иногда удается увеличить в десять раз в сравнении с двумерным послойным вариантом метода ПСП. Приведены примеры применения данного метода при восстановлении изображения отражателей в образце стенки химического реактора, при многократном отражении от стенок тройника сварного с накладкой (ТСН), при контроле шпилек большого диаметра и опор дивертора, изготовляемого в рамках работы по проекту термоядерного реактора (ИТЭР). Показана эффективность применения метода ПСП в трехмерном варианте при контроле на больших глубинах.
Ключевые слова: у.з. неразрушающий контроль, метод проекции в спектральном пространстве (ПСП), ЕТ-БЛЕТ, трехмерная обработка.
1. ВВЕДЕНИЕ
Без внедрения современных методов неразрушающего контроля в различных отраслях промышленности невозможны выпуск качественной продукции и безопасная эксплуатация оборудования. Методы у.з. контроля широко применяют как при изготовлении продукции, так и при эксплуатационном контроле. Чем точнее аппаратура и методика позволяют определить тип дефекта и его размеры для сравнения их с максимально допустимыми, чем меньше число ложных срабатываний, тем эффективнее контроль, особенно эксплуатационный. Один из важнейших параметров системы контроля — это величина ее лучевого и фронтального разрешения, если лучевое разрешение в основном определяется только длиной эхоимпульса [1], то величина фронтального разрешения сильно зависит от способа формирования изображения. Традиционные методы у.з. дефектоскопии, основанные на сканировании одноэлементными преобразователями и регистрации эхосигналов без их совместной обработки, не обеспечивают высокого фронтального разрешения. Поэтому для надежного решения проблемы классификации обнаруженных отражателей, вследствие сложной природы дифракции на них у.з. импульсов, требуются дефектоскописты высокой квалификации.
Для получения изображения отражателей с высокой разрешающей способностью можно применять когерентную обработку измеренных эхо-сигналов. В у.з. контроле в 80-х годах прошлого века появились системы [2—4], позволяющие формировать изображения отражателей по эхосигна-
Андрей Евгеньевич Базулин, канд. техн. наук, начальник лаборатории ООО "НПЦ "ЭХО+". Тел. (495) 780-92-48. E-mail: android@echoplus.ru
Евгений Геннадиевич Базулин, канд. физ.-мат. наук, начальник научно-методического отдела ООО "НПЦ "ЭХО+". Тел. (495) 780-92-48. E-mail: bazulin@echoplus.ru
Алексей Харитонович Вопилкин, доктор техн. наук, генеральный директор ООО "НПЦ "ЭХО+". Тел. (495) 780-92-48.
Сергей Анатольевич Коколев, научный сотрудник ООО "НПЦ "ЭХО+". Тел. (495) 780-92-48.
Сергей Владимирович Ромашкин, канд. техн. наук, начальник лаборатории ООО "НПЦ "ЭХО+". Тел. (495) 780-92-48.
Дмитрий Сергеевич Тихонов, канд. техн. наук, технический директор ООО "НПЦ "ЭХО+". Тел. (495) 780-92-48.
лам, измеренным одноэлементным преобразователем, работающим в совмещенном режиме и сканирующим вдоль прямой линии (вдоль оси x). В них для получения изображения дефектов используют достаточно простые алгоритмы, основанные на решении обратной скалярной задачи рассеивания в Борновском приближении [5, 6]. К алгоритмам такого класса относятся метод Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) [7—10] и метод проекции в спектральном пространстве (ПСП), который в зарубежной литературе называется Fourier Transformation Synthetic Aperture Focusing Technique (FT-SAFT) [11—13]. Так как основной операцией последнего метода является преобразование Фурье, которое можно выполнять, используя технику быстрого преобразования, то он позволяет с высокой скоростью получать изображения отражателей. Особенность изображения отражателей, восстановленных этими методами, состоит в том, что в силу большой пространственной апертуры, на которой регистрируются эхосигналы, фронтальное разрешение в плоскости xz равно примерно размеру мнимого пьезоэлемента, то есть фронтальное разрешение может быть равным 2,0 мм и практически не зависеть от глубины z. Если зарегистрировать эхосигналы вдоль множества параллельных линий, то методом ПСП можно восстановить изображение с фронтальным разрешением в дополнительной плоскости (плоскость yz), примерно равным размерам пьезоэлемента, которое не будет также зависеть от глубины z, как фронтальное разрешение в плоскости xz. Имея пьезоэлемент с резонансной частотой 2,5 МГц с размерами 10 мм вдоль оси y на глубине 400 мм, можно получить методом ПСП в трехмерном варианте фронтальное разрешение 10 мм, а применяя только послойную обработку методом ПСП в двумерном варианте, фронтальное разрешение в плоскости yz и будет порядка 40 мм, так как будет определяться обычным расхождением у.з. пучка.
В начале 2000-х годов на рынке появился ряд дефектоскопов, работающих по технологии фазированных антенных решеток или матриц [14—10]. Их применение позволило перейти от анализа одного эхосигнала, как в традиционных дефектоскопах, к анализу изображения S-типа высокого качества, что позволило при наличии соответствующих методик повысить качество контроля. Так как размеры апертуры 32-элементных антенных решеток редко превышают 30 мм, то фронтальное разрешение ФАР-изображения на глубинах более 50 мм будет существенно хуже, чем фронтальное разрешение, полученное методом ПСП. Кроме того, в настоящее время трехмерная когерентная обработка данных, полученных ФАР-дефектоскопами, не выполняется ни одним из существующих серийных приборов. Можно воспользоваться антенными матрицами, но они обычно имеют еще меньшую апертуру вдоль осей x и у, и, следовательно, еще меньшее фронтальное разрешение. Современные технологии создания антенных матриц позволяют изготовить антенную матрицу размерами 32 на 32 элемента на 5 МГц, но для ее управления нужна аппаратура с 1024 независимыми каналами излучения и приема, стоимость которой в настоящий момент больше 500 000 евро. Но главное то, что фронтальная разрешающая способность изображения на глубине 400 мм при использовании такой антенной матрицы будет больше 15 мм.
Поэтому в настоящее время для эффективного контроля толстостенных объектов и изделий, в которых эхосигналы от несплошностей регистрируются после многократных отражений от границ, целесообразно применять трехмерный метод когерентной обработки ПСП.
2. МЕТОД ПРОЕКЦИИ В СПЕКТРАЛЬНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Обратная задача рассеивания [6] заключается в том, чтобы по известным источникам поля q(r f в области S измеряя принятое поле p(r /) в области S, найти функцию s(r), описывающую отражающие свойства неоднородно-
сти в области (рис. 1). Интегральная форма уравнения рассеяния (уравнение Липпмана—Швингера) на частоте / записывается как
Р(гг,/) = рг (, /) +1g ( - г, /) 6 (г) р (г, /) йг, г е Гг е Я3. (1)
Первичное облучающее поле р. (г /), которое определяется известным источником поля #(г /), рассчитывается по формуле
р(г, /) = | g (гг - г,, /) (г,,/). (2)
В случае, когда поле р(г / ) может быть измерено лишь в некоторой области пространства гг е 5г, не пересекающейся с областью 5 залегания дефектов, а это как раз случай практических задач, уравнение (1) распадается на систему из двух уравнений:
р(гг, /) = р, (, /) + | g ( - г, /) 6 (г) р (г, /) йг, гг е 5, (3)
5
р(т,/) = рг ( /) + | g (г - г,, /) 6 (г,) (р, (г,, /) + р (г,, /) ) , т, г, е 5. (4)
Здесь функциир,(гг,/) ир.(г,/) предполагаются известными, полер(гг,/) измерено, а определению подлежат коэффициент перерассеивания 6(г) и полное поле р(г, / ) в области 5. Сложность решения задачи заключается в том, что помимо определения искомых параметров неоднородностей 6(г) требуется попутно определить полное поле р(г, /) во всей области восстановления изображения (ОВИ), что делает задачу нелинейной. Формулы (3) и (4) позволяют решить прямую задачу, то есть по известной функции 6(г) и заданной функции источников д(г, ,) рассчитать рассеянное поле р(г /).
Рис. 1. К объяснению алгоритма 2Б-ПСП:
а — геометрия проведения измерений в совмещенном режиме; б — структура данных в спектральном
пространстве.
В практике у.з. контроля обычно используют Борновское приближение, когда амплитуда рассеянного поля много меньше амплитуды падающего поля, то есть р(г,/) << р.(г,/). Со строго математической точки зрения это условие на практике выполняется далеко не всегда, но переход от нелиней-
ной задачи к более простой линейной существенно упрощает задачу разработчикам аппаратуры. При регистрации эхосигналов в совмещенном режиме уравнение (1) можно записать в виде свертки
р(г„/) = |О (г - гг, /) е (г) р (г - г,, /) ёг = |а (г - гг, /)е (г ) ёг. (5)
я я
Смысл функции е(г), которую иногда называют рассеивающим потенциалом, зависит от типа решаемой задачи. При решении задачи рефракции, характерной для режима работы на просвет, когда в среде меняется только скорость звука с(г), функция е(г) имеет следующий вид:
(
е(г) = (2/ )2
1 1
V ^ с (г)2,
Если в объекте контроля меняется не только скорость звука, но и плотность р(г), то задачи (3) и (4) можно свести к нахождению функции, аналогичной е(г), а затем, пользуясь зависимостью функции е(г) от частоты /, найти отдельно распределение скорости звука с(г) и плотности р(г). При решении задач, характерных для у.з. неразрушающего контроля, отражатель можно рассматривать как область, на границе которой выполняются граничные условия либо Дирихле (абсолютно жесткая граница), либо Неймана (абсолютно мя
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.