Акустические методы
УДК 620.179.16
ПОВЫШЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ
УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ РЕМОНТНЫХ ЗАВАРОК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ ПРОРЕЖЕННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК
Е.Г. Базулин, C.Ä. Коколев
Для контроля объектов из материалов с высоким уровнем структурного шума предложено использовать прореженные антенные решетки, имеющие большую пространственную апертуру и состоящие из небольшого количества элементов, расположенных на расстоянии друг от друга много больше, чем длина волны. Прореженная антенная решетка перемещается по поверхности объекта контроля, а эхосигналы регистрируются при излучении и приеме различными парами пьезопластин. Для каждой пары излучатель-приемник по измеренным эхосигналам методом SAFT восстанавливаются парциальные изображения, которые когерентно складываются для формирования итогового изображения. Разработана процедура калибровки каждой пьезопластины антенной решетки с целью определения координат ее центра для эффективного когерентного сложения парциальных изображений. Процедура калибровки снижает требования к точности размещения пьезопластин прореженной антенной решетки на призме. Использование технологии прореженных антенных решеток позволяет получать изображения дефектов в заварках с отношением сигнал/шум на 12 дБ большие по сравнению с изображением, полученным по методике для одноэлементного преобразователя. В статье приведены результаты контроля образцов трубопроводов ДУ800 с ремонтной заваркой в сварном шве. Показана эффективность данного метода в сравнении с методом, использующим одноэлементный пьезоэлектрический преобразователь.
Ключевые слова: у. з. неразрушающий контроль, антенные решетки, 3D-M-SAFT, двойное сканирование, Full Matrix Capture, тройное сканирование, ремонтные заварки Ду800.
1. ВВЕДЕНИЕ
Контроль объектов с аустенитными или никельсодержащими ремонтными заварками, контроль сварных соединений в главных запорных задвижках (ГЗЗ) вызывает значительные трудности в связи с высоким уровнем структурного шума, который возникает из-за многократных переотражений зондирующего импульса от неоднородностей материала объекта контроля. Для уменьшения уровня шума часто применяют следующие простые приемы: понижение частоты зондирующего импульса, что приводит к уменьшению чувствительности контроля и снижению разрешающей способности, использование продольных волн, что порождает большое количество ложных импульсов на поперечной волне, и уменьшение длины зондирующего импульса [1, 2].
Уменьшить влияние структурного шума можно и более сложными методами, используя когерентные методы восстановления изображения отражателей, например, с помощью метода проекции в спектральном пространстве (ПСП) [3]. Однако применение этого метода возможно только при обработке эхосигналов, полученных с помощью пьезоэлектрических преобразователей, работающих в совмещенном [2] или раздельном режиме [4]. Как показано в [5, 6], минимальный уровень структурного шума при формировании изображения отражателей можно получить с помощью многоканальной пространственно-временной обработки эхосигналов. В общем случае этот метод сводится к следующим этапам:
Евгений Геннадиевич Базулин, канд. физ.-мат. наук, начальник научно-методического отдела ООО "НПЦ "ЭХО+". Тел. (495) 780-92-48. E-mail: bazulin@echoplus.ru
Сергей Анатольевич Коколев, научный сотрудник научно-методического отдела ООО "НПЦ "ЭХО+". Тел. (495) 780-92-48.
регистрация эхосигналов в режиме двойного сканирования при излучении и приеме между любыми каналами;
оценка автокорреляционной функции R(Ar) структурного шума данного объекта контроля;
расчет весовых коэффициентов, зависящих от вида автокорреляционной функции R(Ar), для каждой пары излучатель-приемник;
восстановление изображения отражателей методом SAFT с найденными весовыми коэффициентами, что позволяет получить максимальное отношение сигнал/шум.
Предложенный в данной статье метод аналогичен рассмотренному выше в предположении, что структурный шум имеет характеристики белого шума, что позволяет считать весовые коэффициенты равными единице.
Совершенствование технологий изготовления у. з. антенных решеток (АР) и акустических многоканальных систем излучения и приема ультразвука привело к созданию относительно дешевых дефектоскопов, использующих технологию фазированных антенных решеток (ФАР). Их применение позволяет получать с частотой не менее 20 Гц изображения B-типа в объектах контроля, что вызвало огромный интерес у специалистов по ручному неразрушающему у. з. контролю (УЗК) [7, 8].
Использование ФАР-дефектосокопов позволяет решать задачи по выявлению дефектов с измерением их высоты и протяженности с определением реальной конфигурации контролируемого сварного соединения (СС). Однако для ряда практических приложений применение ФАР-дефектоскопов может оказаться недостаточно эффективным, например, для объектов с толщиной более 200 мм, с высоким уровнем структурного шума и внутри которых существуют области с различной скоростью звука.
Следует отметить, что с помощью АР можно проводить регистрацию эхосигналов в режиме двойного сканирования [9], когда они излучены и приняты всеми парами элементов АР. В [13] такая регистрация называется Sampling Phased Array, а в [10] — Full Matrix Capture. Так как элементы антенной решетки имеют размеры, соизмеримые с длиной волны, и, следовательно, широкую диаграмму направленности [11], то удается измерить огромное количество импульсов на продольных и поперечных волнах, отраженных от дефекта на прямом луче и после отражения от границ объекта контроля.
Один из алгоритмов, который позволяет обработать этот объем информации, — метод Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) или метод комбинированного SAFT (C-SAFT) [12—14] с учетом многолучевого распространения ультразвука в объекте контроля. В зарубежной литературе метод C-SAFT называется Total Focusing Method (TFM) [15].
Изображение, получаемое ФАР-дефектоскопом, имеет два недостатка, которые проявляются при удалении от линии фокусировки: смещение бликов, соответствующих отражателям, относительно их истинного положения и ухудшение фронтального разрешения. Эти особенности не позволяют использовать когерентное объединение изображений, полученных при разных положениях АР, для дополнительного повышения отношения сигнал/шум, так как они будут складываться не в фазе. Изображения, получаемые методом SAFT, свободны от этих недостатков, так как имеют предельную разрешающую способность во всей области восстановления изображения (ОВИ) и их когерентное сложение будет повышать отношение сигнал/шум. В [16] показано, что при сканировании антенной решеткой, работающей в режиме двойного сканирования, удается повысить отношение сигнал/шум в ремонт-
ной заварке более чем на 12 дБ по сравнению с контролем одноэлементным пьезопреобразователем и последующим восстановлением изображения методом ПСП.
В настоящей статье предложена технология прореженных антенных решеток для контроля объектов с высоким уровнем структурного шума. Получено повышение отношения сигнал/шум на 12 дБ в сравнении с методикой, предусматривающей применение одноэлементного преобразователя. Рассмотрен метод калибровки каждой пьезопласти-ны антенной решетки, заключающийся в определении координат точечного источника, поле которого максимально совпадает с измеренным полем в среднеквадратическом смысле. Работоспособность предложенной технологии продемонстрирована во многих модельных экспериментах.
2. ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЕФЕКТОВ МЕТОДОМ М-8ЛРТ
Пусть объект контроля толщиной к с плоскопараллельными границами контролируется двумя разными преобразователями, движущимися синхронно (рис. 1). Если передняя грань приемника относительно центра системы координат хг расположена в точке гг, то координаты приемника задаются вектором гг = гг + Аг. Излучающий преобразователь изображен на рис. 1 линиями красного цвета, а приемник — линиями зеленого цвета. В результате сканирования по пространственной апертуре размерами Ах будут измерены эхосигналы р(гг, гг, г) вид которых зависит от взаимного расположения излучателя и приемника. Координаты центра пьезопластин излучателя и приемника относительно передней грани корпуса преобразователя обозначим как (х(№, и (хг,„, гг^), скорость звука в призмах преобразователей — с помощью символа с„. Символом с0 обозначим скорость распространения звука в объекте контроля. В общем случае у. з. импульс может распространяться в виде продольной волны со скоростью звука с1 или в виде поперечной волны со скоростью сг.
Ах
Рис. 1. Схема регистрации эхосигналов р(г„ гг, г) двумя разными преобразователями. Квадратом розового цвета отмечена ОВИ.
Траекторию, по которой распространяется импульс при излучении до точки г1 = (х, г) области восстановления изображения (ОВИ), можно описать в виде последовательности векторов {г(и,, г(0], а при приеме — в
виде последовательности {гг,Л, гГ0} [22]. Время пробега импульса вдоль траектории при излучении и приеме можно записать в виде
г г г г
г, ■ г, о г, л г, о
ф„ г,.) = ]-+]—1, 1г(г„ г,.) =-1 +]—. (1)
с с с с
Для определения пути распространения импульсов {гг,Л, гг,0} и {гг,Л, гГ0} можно воспользоваться принципом Ферма [17], гласящим, что свет (звук) распространяется из одной точки в другую в пространстве с заданным распределением скорости с(х, I) по траектории с минимальным временем пробега. Такой подход позволяет учитывать многократные отражения от неровных границ объекта контроля, трансформацию типов волн при отражениях и преломлениях на границах разных сред. Таким образом, определив координату точки пресечения траектории {гг,Л, гг,0} с поверхностью объекта контроля (см. рис. 1), длины векторов можно рассчитать по формулам
|г<-1 = д/ (х( + Х^— - хм )2 + I]- Л , 1г,о1 = . (2)
Расчет времен задержек при излучении у. з. импульсов гг(гг, г) выполняется по формуле (1). Времена задержек при приеме определяются по аналогичным выражениям.
Набор эхосигналов р(гг, Аг, г) = р(гг, гг, г) будем считать комплексной функцией, к которой можно перейти от действительной функции с помощью преобразования Гильбе
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.