УДК 620.179.16
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СТРУКТУРОСКОПИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУКТУРНОГО ШУМА
В.Г. Карташев, В.К. Качанов, И.В. Соколов, Е.В. Шалимова, Р.В. Концов, Л.В. Воронкова
Показано, что при у.з. эхоимпульсном контроле изделий из сложноструктурных материалов (чугун, бетон, бронза и др.) при использовании у.з. сигналов с длиной волны, сопоставимой с размерами акустических неоднородностей материала, возникает совокупное отражение у.з. зондирующего сигнала от структурных неоднородностей, маскирующее отражения от искомых дефектов изделия. Совокупный отраженный сигнал является коррелированным с зондирующим сигналом и при у.з. дефектоскопии изделий его следует рассматривать как помеху, маскирующую эхосигналы от искомых дефектов изделия. При этом одновременно он несет в себе информацию о состоянии структуры исследуемого материала. Рассмотрена модель сложноструктурного материала со случайным распределением структурных неодно-родностей, для которой определены статистические характеристики совокупного отраженного сигнала — плотность вероятности структурного шума, дисперсия, энергетический спектр. Предложен новый способ определения состояния структуры сложноструктурных изделий, основанный на анализе статистических характеристик (энергетического спектра и дисперсии) структурного шума.
Приведены экспериментальные результаты по анализу статистических характеристик структурного шума в изделиях из чугуна, по которым возможно проследить различие структуры и осуществлять мониторинг состояния структуры в процессе эксплуатации.
Ключевые слова: ультразвук, структуроскопия, структурный шум, статистические характеристики.
ВВЕДЕНИЕ
При у.з. эхоимпульсном контроле изделий из материалов со сложной неоднородной структурой (бетон, чугун, бронза, некоторые сорта стали, полимерные композиционные материалы (ПКМ) и др.) часто возникает проблема обнаружения «полезных» эхосигналов (отражений от дефектов, дна изделия) на фоне многочисленных отражений и переотражений зондирующего у.з. сигнала на элементах структуры.
В том случае, когда длина у.з. волны X в материале изделия сопоставима с размером акустических неоднородностей V, отражения от структуры становятся столь большими, что они маскируют отражения от дефекта или дна изделия, а значит являются помехой (структурным шумом), маскирующей и искажающей «полезные» у.з. эхосигналы от дефектов.
Вопросы влияния переотражений зондирующего сигнала на качество у.з. контроля находятся давно в поле зрения ученых [1—5]. Очевидно, что в
Владимир Герасимович Карташев, доктор техн. наук, профессор кафедры основ радиотехники ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ». Тел. (495) 362-70-14. E-mail: KartashevVG@mpei.ru
Владимир Климентьевич Качанов, доктор техн. наук, профессор кафедры электронных приборов ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ». Тел. (495) 362-72-84. E-mail: kachanovvk@mail.ru
Игорь Вячеславович Соколов, доктор техн. наук, старший научный сотрудник, главный научный сотрудник кафедры электронных приборов ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ». Тел. (495) 362-72-84. E-mail: sokoloff_igor@mail.ru
Елена Владимировна Шалимова, канд. техн. наук, доцент кафедры основ радиотехники ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ». Тел. (495) 362-70-14. E-mail: shalimovayv@mail.ru
Роман Валерьевич Концов, аспирант, инженер кафедры электронных приборов ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ». E-mail: kontsovrv@ mail.ru
Любовь Владимировна Воронкова, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ОАО НПО «ЦНИИТМАШ». Тел. (495) 675-89-22. E-mail: voronkova-1v@yandex.ru
различных сложноструктурных материалах существуют различные условия для формирования структурного шума и по этой причине создаются различные модели его формирования. В [1, 2] исследуются различные модели переотражений сигналов на элементах структуры бетона, в [3, 4] — структурный шум в изделиях из чугуна. На наш взгляд, при всем различии механизмов формирования структурного шума в разных материалах возможно использовать простейшую модель сложноструктурного изделия, с помощью которой поясняется процесс формирования структурного шума (СШ) [5]. Она состоит из множества «точечных» случайно распределенных акустических неоднородностей. В этой упрощенной схеме формирования структурного шума в условном масштабе совмещены линейное изображение контролируемого изделия (рис. 1а), на котором обозначены «точечные» неоднородности структуры, и временные диаграммы эхосигналов (рис. 16), отраженных от элементов структуры. Предполагается, что в качестве зондирующего сигнала используется короткий видеоимпульс, а все эхосигналы представляют собой такие же короткие видеоимпульсы. В действительности в качестве зондирующих сигналов чаще всего используются импульсы ударного возбуждения, которые из-за ограниченной полосы пропускания пьезо-преобразователей (ПЭП) превращаются в радиоимпульсы (то есть импульсы с высокочастотным заполнением). Поэтому реальный структурный шум, полученный при у.з. зондировании стального образца (рис. 1в), выглядит много сложнее упрощенной модели.
СШ формируется тем же зондирующим сигналом, что и «полезный» эхосигнал от дефекта (дна изделия), поэтому спектр СШ практически совпадает со спектром «полезного» сигнала. Вследствие этого при у.з. дефекто-
в
дБ р" Динамический вывод- ¡Ответный сигнал
10 ■
-00 ]
10 1
МКС Синхро... Маркер: 0. мм I- Разность 1-2 819 —мкс
Рис. 1. Упрощенная схема формирования СШ в изделии с высоким уровнем структурных неоднородностей (а); эхосигналы от структуры без учета затухания у.з. волн (б); сигнал СШ с учетом затухания у.з. волн (в).
скопии изделий из сложноструктурных материалов для выделения «полезного» сигнала из коррелированного с зондирующим сигналом структурного шума не удается использовать известные в радиотехнике способы выделения «полезных» сигналов из белого шума.
Ученые предлагают использовать для этой цели различные методы [6—10]: например, вейвлет-фильтрацию сигналов [7], частотное различие «полезного» сигнала и структурного шума [8], выделение «полезного» сигнала из структурного шума с помощью у.з. томографии [9, 10]. В МЭИ для этой цели предложен метод пространственно-временной обработки сигналов [5], суть которой заключается в зондировании контролируемого изделия в нескольких (Ы) соседних точках, в которых «полезный» сигнал замаскирован структурным шумом. Временные задержки эхосигналов от дна изделия и дефекта во всех измерениях одинаковы, а от элементов структуры имеют случайную величину. Для выделения «полезного» эхосигнала из СШ сигналы соседних пространственных каналов суммируются. При сложении (накоплении) N реализаций «полезный» эхосигнал возрастает в N раз, а уровень СШ возрастает только в раз. В результате пространственной обработки сигналов при накоплении N реализаций отношение сигнал/структурный шум увеличивается в раз.
ПОНЯТИЕ О СТРУКТУРНОМ ШУМЕ КАК ОБ ИНФОРМАЦИОННОМ СИГНАЛЕ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩЕМ СОСТОЯНИЕ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛА
Однако СШ можно рассматривать не только как вредную помеху, но и как информацию о структуре материала, по которой можно судить о ее состоянии. Проблема состоит в том, чтобы научиться извлекать эту информацию с целью анализа состояния структуры материала и прогнозирования изменения структуры в процессе эксплуатации изделий по изменению структурного шума. Для расшифровки этой информации целесообразно проводить анализ характеристик структурного шума. Цель настоящей работы — приблизиться к решению этой проблемы.
Анализируя осциллограмму реального структурного шума (см. рис. 1в), нетрудно сделать вывод, что по сигналу СШ в таком виде достаточно сложно сделать заключение о состоянии структуры. Следовательно, необходимо найти форму представления СШ, по которой можно было бы судить о возможных изменениях структуры материала в процессе эксплуатации изделий. Так как результат сложения многократных переотражений зависит от характера случайного расположения элементов структуры, то описание СШ возможно только при использовании аппарата теории вероятностей с привлечением необходимого математического аппарата.
Структурный шум — это случайный процесс, так как невозможно предсказать его значение в наперед заданный момент времени. В отличие от обычных случайных процессов, где каждая новая реализация отличается от предыдущих, при повторном зондировании сложноструктурного изделия из той же позиции реализация СШ повторяется с абсолютной точностью. Однако если зондировать объект из новых позиций, реализации СШ будут различаться, причем в зависимости от взаимного положения преобразователей степень различия может быть разной, в том числе они могут быть частично взаимно коррелированными. Необычность свойств СШ требует нестандартного подхода к анализу характеристик структурного шума, с помощью которых можно адекватно описывать структуру материала, контролировать изменение его свойств во времени с целью прогнозирования деградации структуры материала и предотвращения возможности аварий.
Для решения задач у.з. структуроскопии (а также дефектоскопии) необходимо знать основные статистические характеристики СШ [11]:
плотность вероятности и дисперсия СШ, причем наибольший интерес представляет характер убывания дисперсии во времени;
энергетический спектр СШ, в том числе мгновенный энергетический спектр.
Анализу этих характеристик СШ посвящена настоящая статья.
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТРУКТУРНОГО ШУМА ДЛЯ ЗАДАЧ
УЗ. СТРУКТУРОСКОПИИ ПЛОТНОСТЬ ВЕРОЯТНОСТИ И ДИСПЕРСИЯ СТРУКТУРНОГО ШУМА
Очевидно, что структуры различных материалов имеют особенности, которые невозможно учесть в одной модели. В рамках настоящей статьи мы ограничимся рассмотрением статистических характеристик СШ, возникающего в средах с мелкомасштабными неоднородностями, средний размер которых D значительно меньше длины волны X у.з. сигнала.
Как отмечалось выше, структурный ш
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.