Способ ультразвукового томографического контроля изделий

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике неразрушающих испытаний ультразвуковыми методами, и может быть использовано для контроля качества материалов и изделий, преимущественно крупногабаритных и с большим затуханием ультразвука. Цель изобретения - повышение надежности передающего тракта ультразвукового дефектоскопа за счет повышения его экономичности. Передающий тракт содержит генератор 1 синусоидального сигнала, формирователь 2 прямоугольных импульсов, формирователь 3 псевдослучайной кодовой последовательности , формирователь 4 периода, .электронный ключ 5, балансный модулятор 6, усилитель 7 мощности, излучающий электронно-акустический преобразователь 8, блок 9 питания, снабженный кабельным усилителем 10, последовательно соединенными формирователем 11 управляющего сигнала и модулятором 12. Передающий тракт позволяет подавать импульс но напряжение питания на усилитель 7 мощности только в моменты излучения зондирующего сигнала, повыс,ить КПД усилителя 7 мощности, уменьшить потери энергии в соединительном кабеле, пропорциональные квадрату амплитуды напряжения передаваемого по нему сигнала, повысить экономичность передающего тракта в целом, а значит улучшить эксплуатационные характеристики. 1 з.п.ф-лы,3 ил.

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

° SU 1817019 А1 (я)5 G 01 N 29/06

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

I л

I»

° В

Изобретение относится к акустическим ского контроля изделий. Область примене измерениям и может быть использовано для ния данного способа. — акустическая интропроведения ультразвукового томографиче- скопия и промышленный неразрушающий (21) 4848828/28 (22) 22.05.90 (46) 23,05,93, Бюл. ¹ 19 (71) Ленинградский электротехнический институт им. В,И. Ленина (72) А.В, Осетров и А.А. Туржинский (56) Качанов Е,И„пигулевский Е.Д. и Ярачин

Е.М. Методы и средства гидроакустической голографии. — Л,: Судостроение, 1989, с.68—

70.

Ganapathy S., Schmult В., Wu И/,S, Analysis and design considerations for à realtime system for non-destructive evaiuatlon1n

the nuclear industry//Veltrasonics. — .1982—

v.20 — N. 6 — р.249-256.

Thomson R,N, Transverse and

longitudinal resoluton of the synthetic

aperture focusing technique//Ultrasonics.—

1984 — ч,22 — N 1 — р.9 — 15, Thompson 0,0., Рlогпйеу S.T, l og and

intermeadiate wavelenght flaw recon$tructlon/In:

Review of Progress in Quantitative NDE, 4А, By Thompson D.Î. and Chlmeni D.Е. End,, New Чоган Plenum, 1985, р,287-296.

Donald О., Thompson D.Î., Wormley S.Т., Reliability of reconstruction of arbitrarily oriented

flaws using multlvlew transducers//lEEE

Trans. Ultras.. Ferroelec, and Freq, Contr.—

1987 — ч.34 — ¹ 5 — р.508 — 514.

Корн Г и Корн Т, Справочник по математикедля научных работников и инженеров. — М.: Наука, 1984, с.450, Гидроакустические навигационные средства. — Л.: Судостроение, 1983, с.6-9. (54) СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ТОМОГРАФИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ (57) Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для контроля путем получения ультразвукового томографического изображения внутренней структуры исследуемого обьекта. Целью изобретения является повышение скорости и информативности контроля. Сканирование осуществляют системой из трех жестко соединенных между собой ультразвуковых преобразователей,. последовательно измеряют каждым преобразователем .в каждом положении системы и направленные акустические импульсы, принимают не менее чем одним преобразователем отраженные акустические импульсы, по которым восстанавливают топографическое изображение дефекта, 7 ил.

1817019 контроль иэделий. Технической задачей, решаемой изобретением, является разработка способа ультразвукового томографического контроля изделий, который обеспечивает надежную идентификацию дефектов в материале контролируемого изделия, в особенности дефектов больших волновых размеров, при этом обеспечивается повышенная скорость и информативность контроля.

На фиг.1а, б показаны акустический преобразователь 1, протяженный дефект 2 больших волновых размеров, точка 3 прихода отраженного дефектом звукового луча; схематическое изображение диаграмм направленности 4, контролируемое изделие

5, Π— угол раскрыва диаграммы направлен. ности акустического преобразователя.

Если протяженный дефект расположен нормально к оси диаграммы направленности преобразователя (фиг,1а), то изображение получается достоверным; при идентификации наклонного дефекта (фиг.1,6) луч, формируемый акустическим и реобразовател ем, отклоняется дефектом и не возвращается обратно на преобразователь. В результате изображению "сильного" протяженного дефекта будут соответство° вать только два отражения от его краев (за счет эффекта дифракции), т.е. достоверность изображения резко снижается.

Для преодоления отмеченных недостатков был разработан ныне широко известный метод синтезированной апертуры, заключающийся в сканировании одиночным ненаправленным преобразователем по поверхности контролируемого изделия или по определенной траектории в случае иммерсионных измерений (обычно по прямой или по окружности), излучении при каждом положении преобразователя акустического импульса, измерении отраженных от дефектов эхо-сигналов, восстановлении по окончании сканирования результирующего изображения внутренней структуры контролируемого изделия по формуле где tij - 2rij/с, причем Π— иэображение J-й точки контролируемого изделия; rlj — расстояние между j-й точкой котролируемого изделия и I-м положением сканирующего преобразователя; Si(t;j) — величина сигнала, принимаемого преобразователем в. I-м положении при сканировании; Ъ1 — время прохождения звуком расстояния от 1-ro положения сканирующего преобразователя до j-й точки контролируемого изделия и обратно; с — скорость звука в материале контролируемого иэделия; и — количество положений преобразователя при сканйровании.

За счет накопления информации с нескольких положений преобразователя улучшается поперечное разрешение пол° учаемого томографического изображения (оно имеет порядок размера преобразовате.ля на любой глубине). Способ также позволяет идентифицировать протяженные дефекты больших волновых размеров, так как часть звуковой энергии, отраженной дефектом, возвращается обратно на преобразователь вследствие формирования последним ненаправленного акустического излучения. Сказанное иллюстрируется фиг.2, где показаны акустический преобразователь 1, протяженный дефект 2 больших волновых размеров, точки 3>, Зр прихода отраженных дефектом звуковых лучей, схематическое изображение диаграмм 4 направленности, контролируемое изделие

5, Π— угол раскрыва диаграммы направленности акустического преобразователя; i размер приемной апертуры; i — местоположения акустического преобразователя при сканировании (i = 1,2...,,п).

Однако изображение протяженного дефекта будет "размазанным", так как в основу метода синтезированной апертуры положено допущение о том, что протяженный дефект больших волновых размеров представляет собой совокупность простых невзаимодействующих между собой точечных отражателей, которые отражают в отраженном поле как точечные источники.

Кроме того, точки пересечения сферических волновых поверхностей-фронтов, составляющих по сути результирующее изображе40 ние, получаются по величину одного порядка с величиной сигнала на волновой поверхности фронта. Описанные эффекты происходят вследствие использования аддитивного алгоритма обработки акустиче45 ских сигналов по формуле (1), Отметим также, что для точечного дефекта все волновые фронты, соответствующие моментам достижения акустическим импульсом дефекта, пересекаются в одной точке, и их

50 суперпозиция по формуле(1) приводит к четкому изображению, что не выполняется для протяженного дефекта. Сказанное иллюстрируется фиг.3, где показаны акустический преобразователь 1, протяженный дефект 2

55 больших волновых размеров, точечный дефект 3, точки 4 пересечения сферических волновых йоверхностей-фронтов, формируемых акустическим преобразователем в каждом i-м положении при сканировании, составляющихизображениеидентифициру- остронаправленные акустические импульемого дефекта; сы, принимают не менее чем одним преобконтролируемое изделие 5, сфериче- разователем отраженные от дефекта ские волновые поверхности-фронты 6, фор- изделия акустические импульсы, фокусирумируемые акустическим ненаправленным 5 ют (путем скрещивания) лучи преобразовапреобраэователем в каждом i-м положении телей в каждую точку прямой, проходящей последнего при сканировании (в случае иэ- через геометрический центр системы прелучения д-импульса); (— размер. приемной образователей и перпендикулярной к плоапертуры;  — радиусы сферических волно- скости, касательной к поверхности вых поверхностей-фронтов (соответствую-. 10 сканирования в каждой точке траектории щие моментам достижения акустического присканированиипутем поворотапреобраимпульса идентифицируемого дефекта); I — зователей вокруг их осей, формируют по последовательные местоположения скани- окончании операции сканирования резульрующего преобразователя (i = 1,2„„,п), тирующее томографическое изображение

В практических случаях невозможно из- 15 внутренней структуры изделия по расчетнолучить идеальный д-импульс. В случае фор- му многоступенчатому алгоритму, а о дефекмирования одиночным ненаправленным тноати контролируемого изделия судят по сканирующимпреобразователемреального восстановленному томографическому изосигнала с конечной длительностью импуль- бражению дефекта. са излучения в контролируемом изделии бу- 20 Способ позволяет локализовать изобрадут возбужаться сферические волны с жениедефекта засчет: несовпадающими передним и задним фрон- 1, Ранее описанной усложненной протами, а пересечением волновых поверхно- цедуры сканирования и фокусирования; стей будет не точка, а некоторая область, что 2. Использования сложного расчетного еще в большей степени будет способство- 25 многоступенчатого алгоритма обработки вать "размыванию" изображения. сигналов, принимаемых преобразователяСказанное иллюстрируется фиг,4, где ми системы, ядром которого является пре—

h к о азаны акустические преобразователи 1 положение о том, что протяженный дефект и 2, передний фронт 3 сферической волно- можно аппроксимировать эквивалентным, вой поверхности, формируемый ненаправ- 30 вытянутым вдоль его оси обьемным эллипленным акустическим преобразователем, соидом. На том основании, что эллипсоид задний фронт 4 сферической волновой по- однозначно определяется тремя полуосями верхности, формируемый ненаправленным и тремя углами Эйлера, построен алгоритм акустическим преобразователем, контроли- восстановления размеров (по полуосям) и руемое изделие 5, область 6 пересечения 35 ориентации (no углам Эйлера) дефекта, волновых поверхностей-фронтов, составля- Недостатками данного способа являютющая изображение дефекта; R, Rq — рассто-, ся низкие скорость и информативность коняния от акустического преобразователя до троля. Тот факт, что способ изначально идентифицируемого дефекта; L — размер предполагает аппроксимацию формы проприемной апертуры; д — величина длитель- 40 тяженного дефекта больших волновых разности излучаемого импульса; точечный де- меров эквивалентным, вытянутым вдоль его фект 7, оси обьемным зллипсоидом, не позволяет"

Для преодоления описанных недостат- достигать высокой информативности и доков способа синтезирбванной апертуры был стоверности контроля. Эта сознательно вверазработан способ, наиболее близкий к 45 денная метрологическая ошибка модели не предлагаемому — иммерсионный способ ре- позволяет получать достоверную информаконструкции томографического изображе- цию о реальной форме дефектов, содержания внутренней структуры изделий (и в том щихся в материале контролируемого числе содержащих произвольно-ориентиро- изделия, что в ряду случаев "сводит на нет" ванные протяженные дефекты больших вол- 50 преимущества способа, Кроме того. за счет новых размеров) с помощью специальной введенной операции фокусирования лучей, мультиобзорной системы связанных преоб- формируемых преобразователями мультиразователей, заключающийся в том, что ска- обзорной системы, увеличивается время обнируют контролируемое изделие системой, зара, что существенно замедляет скорость состоящей не менее чем из трех жестко со- 55 контроля изделий, единенных между собой остронаправлен- Целью изобретения является увеличе. ных ультразвуковых преобразователей, ние скорости и информативности контроля последовательно излучают каждым преоб- иэделий. разователем в каждом положении системы Поставленная цель достигается тем, что, как и в известном иммерсионном спо1817019 собе реконструкции томографического изображения внутренней структуры контролируемого иэделия с помощью специальной мультиобзорной системы связанных преобразователей, в предлагаемом способе сканируют контролируемое изделие системой, состоящей не менее чем из трех жестко соединенных между собой ультразвуковых преобразователей, последовательно излучают каждым преобразователем в каждом положении системы акустические импульсы, принимают не менее чем одним преобразователем отраженные от дефекта изделия акустические импульсы, а о дефектности контролируемого изделия судят по восстановленному томографическому изображению дефекта.

Однако в отличие от известного способа каждым преобразователем излучают и принимают ненаправленные акустические импульсы, а томографическое изображение дефекта восстанавливают по формуле

0l= — 2, fJ

ri l = 1k = 1 l =1 (2) х (ll)kl)Sii(ll)kl) Fki(U), где Oj — изображение j-й точки контролируемого иэделия; rl)k — расстояние между J-й точкой контролируемого изделия и i-м положением k-го преобразователя сканирующей системы; Slk — величина отраженного сигнала, принимаемого k-м преобразователем системы в i-м положении последней при сканировании; с — скорость звука в материале контролируемого.изделия; tijkl = (rl)l + гу)/с — время прохождения звуком двух расстояний:

1). От k-ro преобразователя e i-м положении сканирующей системы до j-й точки контролируемого изделия;

2). От J-й точки контролируемого изделия до 1-ro преобразователя системы, находящейся в 1-ом положении при сканировании; m — количество преобразователей в сканирующей системе (m 3); n — количество положений системы связанных преобразователей при сканировании; Fki(u)— управляющая функция, причем

1) Fki (u)-дц при и =О, гдедц — символ

Кронекера;

2) Fkl(u) =- 1 при и = 1;

° u — параметр управляющей функции Fki(u): и принимает значение 0 либо 1. . На фиг.1 дано пояснение способа идентификации дефектов методом В-сканирования: на фиг.1а представлен метод

В-сканирования для случая. идентификации дефекта больших волновых размеров, расположенного нормально к оси диаграммы направленности преобразователя; на фиг,16 — тот же способ, но для случая иден5 тификации дефекта больших волновых размеров, составляющего произвольный угол с ,осью диаграммы направленности акустического преобразователя; на фиг,2 — пояснение к способу идентификации дефектов

10 больших волновых размеров методом синтезированной апертуры; на фиг,3 — пояснение эффекта "размывания" изображения, формируемого методом синтезированной апертуры, причем для сравнения проиллю15 стрированы; идентификация точечного дефекта и дефекта больших волновых размеров для случая излучения сканирующим преобразователем идеального д-импульса, в результате которого сформировываются идеальные

20 волновые поверхности-фронты; на фиг,4— пояснение:

1) эффекта "размывания" иэображения, формируемого по методу синтезированной апертуры при реальной (конечной) длитель25 ности излучаемого импульса; проиллюстрированы два последовательных положения одиночного акустического преобразователя при сканировании и формируемые им волновые поверхности-фронты;

30 2) предлагаемого способа ультразвукового томографического контроля изделий с помощью системы, состоящей по меньшей мере из трех жестко связанных между собой преобразователей. Проиллюстрированы

35 два из трех минимально возможных преобразователей системы в одном иэ положений последней при.сканировании, а также формируемые ими волновые поверхностифронты (излучаемые акустические импульсы

40 представляют собой реальные импульсы конечной длительности); на фиг.5 — функциональная схема примера технической реализации предлагаемого способа ультразвукового томографического контроля изде45 лий; на фиг.б — пояснение к выводу формулы (2) для получения томографического изображения дефекта предлагаемым способом ультразвукового томографического контроля изделий (проиллюстрирован процесс

50 формирования парциального изображения точечного дефекта); на фиг.7 — пояснения к;

1) модели отражения звука в предлагаемом способе ультразвукового томографического контроля изделий; 2) анализу разрешающей

55 способности нового способа (проиллюстрирован случай идентификации протяженного дефекта больших волновых размеров).

Покажем, как получена формула (2).

Формула (2) является оригинальной. позволяет производить восстановление как лока1817019

10 лизованных, так и протяженных дефектов и сконструирована с учетом опыта применения метода синтезированной апертуры и триангуляционных методов, При этом учитывается, что каждая составная часть протяженного дефекта видна с ограниченного числа положений связанной системы преобразователей из-за того, что такой дефект избирательно по направлениям отражает звук (узкая характеристика направленности для отражения, зеркальное отражение звука).

Рассмотрим, как при наличии протяженного дефекта поведут себя методы синтезированной апертуры и триангуляции и как их надо изменить для более полного и устойчивого получения иэображения, 1. Метод синтезированной апертуры основан на накоплении информации о дефекте с разных положений преобразователя.

Чем больше таких положений преобразователя или область синтезирования, тем огчетливее восстанавливается изображение.

При локализованном дефекте имеется возможность получить отраженный звук при озвучивании дефекта с разных сторон и тем самым получить значительную область синтезирования и, следовательно, качественное изображение, При восстановлении протяженного дефекта его можно представить в виде совокупности дефектов малого размера (разбить на части) и рассматривать механизм восстановления каждой такой части, Из-эа зеркального характера отра>кения звука каждая часть протяженного дефекта, кроме краев дефекта, прозвучивается или видна с небольшой области сканирования, Таким образом, итоговое изображение оказывается размазанным (это иллюстрируется ранее в.тексте), Суммируя, можно сделать вывод о том, что для получения качественного изображения протяженного дефекта алгоритм метода синтезированной апертуры должен быть дополнен так, чтобы на основании измерений с небольшой области синтезирования можно было восстановить достаточно локальное изображение той части протяженного дефекта, которая видна по зеркальному отражению, а полную область сканирования использовать для восстановления различных частей протяженного дефекта, 2. В триангуляционных методах, к которым относится прототип предлагаемого способа ультразвукового томографического

° контроля изделий, используются чисто геометрические соображения.

Если в трех точках (e двух — для двумерного случая) измерить время прихода отра5

10 женный, метод триангуляции можно использовать для .определения координат каждой части дефекта. аппроксимируя каждую из таких частей точкой, Однако, как

15 отмечалось выше, область, из которой видна

25

55 женного сигнала, то зная эти времена и координаты этих точек (что известно), можно определить координаты точки, отражающей или излучающей звук. Метод триангуляции не нашел широкого распространения в томографических системах иэ-за необходимости выполнения вычислительных операций, требующих больших затрат времени, так как метод синтезированной апертуры оказался предпочтительным, Если же дефект протякаждая часть дефекта, ограничена (мала), что применительно к триангуляционным ме,тодам означает малую базу триангуляции, Известно, что при малой величине базы подобные алгоритмы становятся чувствительными к разного родэ ошибкам и шумам, т,е. теряют устойчивость, хотя с принципиальной точки зрения и позволяют определять координаты каждой части протяженного дефекта. Низкая устойчивость и, следовательно, значительные погрешности в определении координат частей протяженного дефекта приведет к искаженному восприятию дефекта, заключающемуся в нарушении связного характера дефекта (точки, характеризующие положения частей дефекта, будут рассеяны и ке будут восприниматься как составляющие одного дефекта).

С математической точки зрения низкая устойчивость объясняется жесткостью постановки задачи — требованием знания координат, а не областей, в которых возможно наличие отражения звука, Подводя итог анализа триангуляционных методов, укажем на необходимость такой модернизации алгоритмов, которая, во-первых, позволила бы-, сохранять устойчивость и, во-вторых, не столько определять координаты, сколько области, Очевидно, что чем меньше база, тем больше должна быть такая область, чтобы сохранить устойчивость..

Исходя из перечисленных соображений и была предложена формула (2), Поясним, как эти соображения в ней реализованы.

Для простоты описания ограничимся первоначально двумерным случаем и системой из двух преобразователей (1 и 2).

Примем длительность зондирующего импульса, равную b,t (зондирующий импульс может иметь огибающую любой формы— прямоугольной, колоколообразной и т.п,), Будем отмечать области вероятного расположения дефекта; на фиг.б показаны акустические преобразователи 1 и 2 сканирующей .

1817019

20

30 дефекта

40

Ф

r системы, точечный дефект 3, сферическая вол новая поверхность 4, формируемая и реобраэователем 1 и представляющая собой область шириной A t: 5 — то же, что и 4, но формируется преобразователем 2, эона 6 шириной Л t, представляющая собой область наиболее вероятного местоположения сканирующих преобразователей 1 и 2, причем зона 6 простирается вокруг данного эллипса; Лт — длительность излучаемого акустического импульса; Rl, Яг — наименьшие расстояния от дефекта 3 до соответствующих преобразователей. Если сигнал излучается первым преобразователем и принимается им же, то область 4 соответствует возможному расположению дефекта, причем середина этой области расположена на расстоянии Я1 от преобразователя, а сама область имеет ширину At. Очевидно, что такую зону можно описать соотношением

1) = г) 51 (2г1/с), где S>(t) — принимаемый первым преобразователем отраженный сигнал, t = 2г1/с — время распространения сигнала от дефекта и обратно (с — скорость звука); множитель r> компенсирует про-. странственное затухание.

Аналогично для второго преобраэовате° ля можно. получить область 5, которая описывается соотношением 1г = гг Яг (2г /с), г г

При двух йреобразователях возможно еще два режима - излучение первым преобразователем и прием вторым и наоборот. Область вероятного расположения дефекта для первого из этих..случаев будет иметь форму зон@ шириной Л t вокруг эллипса

7 с фокусами в местах расположения преобразователей и описывается соотношениемм Iз - г1гг$г (г + гг)/с). В предг ставленных выражениях r> — расстояние от произвольной точки обрасти дефекта до преобразователя 1; гг — то же, до преобразователя 2.

Суть предлагаемого алгоритма заключается в нахождении пересечения заштрихованных областей, что с математической точки зрения можно представить операцией умножения, т.е. формулой

l1 lг 13 14 (г1 S1 (2r1/с)Кгг iг (2гг c)}x х (г1гг8гг(г1 + гг)/с)}{г1 ггпу((г + гг)/с>

Если учесть принцип взаимности,.то rloследнее выражение записывается в виде! - (() (fkflSk((l + rl)/C)SI(lk и)/C), К=1 (=1

Ф что соответствует выражению под знаком суммы в формуле (2), Проанализируем, как выполняются условия модификации алгоритмов синтезированной апертуры и триангуляции, рассмотренные при описании этих алгоритмов.

Видно, что парциальное иэображение,, т.е, часть изображения, формируемая при одном положении системы связанных преобразователей, относительно локально, т.е, область вероятного расположения дефекта, полученная после перемножения I >, lг, lз,1) ограничена в пространстве и сосредоточена около дефекта. Таким образом, по сравнению с классическим методом синтезированной апертуры суммирование происходит уже локальных областей, что позволяет сформировать качественное изображение протяженного дефекта. (Эти локальные области будут накладываться друг на друга со смещением, которое отслеживает форму протяженного дефекта). По сравнению с триангуляционными алгоритмами формирование парциального изображения — сугубо устойчивый процесс, причем величина базы, т,е, расстояние между преобразователями, наравне с величиной длительности импульса определяют размер области вероятного расположения дефекта. Устойчивость сохраняется эа счет того, что не ставится задача точного определения координат

Принцип суммирования пэрциальнь)х изображений аналогичен таковому для классического метода синтезированной апертуры, Величина и, определяющая вид Fp((u) иэ (2), фиксирует количество множителей, по которым восстанавливается парциэльное изображение (при u = 0 используются не все возможные комбинации приема-излучения для системы преобразователей. что уменьшая время измерений, хотя и приводит к определенному улучшению качества изображения).

Выше приведены соображения, на основании которых выведена формула (2). Для более строгого ее обоснования требуется показать истинность следующих утверждений, 1. Иэображение точечного дефекта име-. ет вид д-подобной функции, т.е, характер-. ный вид функции рассеяния точки.

2. Изображение протяженного дефекта восстанавливается с лучшим разрешением, чем в классическом методе синтезированной апертуры..

1817019

S1k (tijkl) = д (т - tljpkl ) (3) (4). 30

D(t) — 2у„ с

У где для двумерного случая дефект пред- 55 ставляет собой отрезок большой волновой длины 1, расположенный параллельно плоскости сканирования на глубине уо (фиг.7).

В зеркальном отражении имеется д-функция(эона 1>, а осталхннх случаях (эона 2> о

3. Из-эа нелинейности предложенного алгоритма требуется также обосновать отсутствие ложных изображений. Для этого достаточно показать, что изобра>кение двух разнесенных точечных дефектов близко к 5 суперпоэиции изображений каждого точечного дефекта в отдельности.

Докажем каждое из этих утверждений.

Для этого рассмотрим формирование томографического изображения изделия в случае 10 облучения его идеальными д-импульсами, Обозначение переменных и их смысл при доказательстве будут соответствовать ранее введенным в тексте описания.

1. Рассмотрим идентификацию точечно- 15

ro дефекта 3 (фиг.З), В этом случае и ринимаемый сигнал имеет вид

20 где jp определяет точку местоположения то чечного дефекта в контролируемом изделии, Подставив формулу(З) в формулу(2) описания, получим выражение вида 25

Х

Входящие в формулу произведения д-функций отличны от нуля лишь в случае одновременного равенства нулю обоих ар- 35 гументов последних (в этом случае результирующее томографическое изображение

/-й точки контролируемого изделия будет . отлично от нуля), Описанное условие выполняется лишь при j = ),, т,е. только для 40 точки изделия, содержащей точечный дефект. Отметим, что в случае облучения контролируемого изделия реальными импульсами конечной длительности изображение точечного дефекта будет не 45 точка, а некоторая область (пояснения— фиг.3,4, а также их разъяснение в тексте), 2. Для обоснования преимущества алгоритма при наличии протяженных дефектов модель отражения звука представим в виде 50 принимаемый сигнал близок к нулю. Обозначения фиг.7 соответствуют; преобразователи 1 и 2, протяженный дефект 3 больших волновых размеров, При использовании классического метода синтезированной апертуры изображение имеет вид размазанной картины, простирающейся от самого дефекта с плавным уменьшением уровня при приближении в приемной апертуре (фиг.3), так как показанные на фиг.3 дуги не будут пересекаться в одной точке; как для локального дефекта, При нахождении изображения по выражению (2) произведение д-функций и для системы из двух преобразователей и

Fkl(li) =дц изображение отлично от нуля при координате х в инте вале -I/2+ h,х/2, t/2-Лх/2) и У = у2 (Q>< l2 )2, где Л х — Расстояние между преобразователями. Таким образом, получается смещенное и незначительно укороченное изображение дефекта.

Если учесть, что Лх «уо, то смещением по оси у в практических случаях можно пренебречь, а эффект укорочения образа дефекта при конечной длительности импульса будет вообще отсутствовать. В результате изображение оказывается локализованным, При конечной длительности импульса изображение "размазывается" и целесообразно использовать большее количество множителей.

3, Можно показать, что изображение двух точечных дефектов при минимальном количестве преобразователей в связанной системе включает, кроме изображения самих дефектов, также дугу окружности, проходящей через дефекты, центр которой лежит на приемной апертуре, Уровень изображения на этой дуге на порядок ниже уровня в местоположении дефектов и уменьшается при увеличении расстояния между дефектами. Кроме того, увеличение числа преобразователей приводит к резкому уменьшению уровня ложных сигналов.

Аналитические выкладки громоздки и здесь не приводятся. Результаты численного моделирования и экспериментов показывают справедливость третьего утверждения.

Поясним сущность предлагаемого изобретения. Предлагаемый способ предполагает формирование и прием преобразователями системы ненаправленного ак стического излучения, что позволило упстить и ускорить процедуру сканирования совместно с новым методом обработки меряемых акустических сигналов увелиь информативность контроля. Использоние ненаправленного акустического иемоизлучения позволило накапливать

1817019 информацию с нескольких положений сканирующей системы преобразователей, так как в этом случае, часть звуковой энергии, излученной в контролируемое изделие, вернется обратно на преобразователи системы (пояснение на фиг.2). Поэтому для сбора информации была выбрана несложная процедура пространственного сканирования системой преобразователей, что позволило в итоге существенно увеличить скорость контроля изделий.

Поясним причины повышения информативности контроля. При сборе информации в процессе сканирования системой связанных преобразователей возможны два случая:

1). Последовательно каждым преобразователем системы в каждом положении последней при сканировании излучают акустический импуль, а отраженный эхосигнал принимают одним преобразователем системы (тем, который только что излучил).

2), Последовательно каждым преобразователем системы в каждом положении nocëåäíåé при сканировании излучают акустический импульс, а отраженный эхо" сигнал принимают одновременно всеми преобразователями системы (включая тот, который только что излучал);

Конкретный режим коммутации (а значит, и контроля в целом) определяется выбором значения управляющего параметра и функции Fg(u): при u =. 0 получаем контроль для случая 1; при u = 1 — вариант контроля для случая 2. Ниже будет пояснено отличие двух возМожных режимов контроля.

Первоначально рассмотрим случай 1, ограничившись использованием минимально возможного количества преобразователей в системе — тремя. Минимально возможное количество преобразователей в системе выбрано равным трем, так как реальный идентифицируемый дефект представляет собой трехмерный объект и для его обнаружения необходимо иметь информацию о трех взаимно независимых координатах, что обеспечивается наличием как минимум трех преобразователей. Их расположение в системе должно быть таким, чтобы они не лежали на одной прямой.

Оптимальная конфигурация — размещение преобразователей в вершинах равностороннего либо равнобедренного треугольника, В первом случае получаем одинаковое разрешение в любом направлении относительно траектории сканирования. Во втором случае необходимо сориентировать систему так. чтобы обеспечигь наилучшее разрешение в интересующем направлении при сканировании {отметим, что конфигурация "равнобедренный треугольник" обеспечивает меньшее время контроля за счет большего охвата поверхности контролируе5 мого изделия в одном из направлений при сканировании). Взаимные расстояния меж. ду преобразователями устанавливаются непосредственно перед операцией контроля; оптимальные для каждого конкретного ма10 териала расстояния выбираются, исходя иэ результатов, полученных при испытании системы на тест-объектах, Правильная установка взаимных расстояний между преобразователями системы

15 гарантирует качество получаемого томографического иэображения; при их выборе для каждого конкретного материала контролируемого иэделия необходимо руководство ваться следующими соображениями.

20 Уменьшение взаимных расстояний между. преобразователями системы приближает данный новый способ к способу получения изображений по методу синтезированной апертуры. Излишнее увеличение

25 взаимных расстояний приводит к ухудшению помехоустойчивости результирующего изображения. Требуемое отношение сигнал-шум, зависит от физических свойств материала контролируемого изделия и, в

30 частности, от степени его однородности, зернистости и тому подобное, Поэтому непосредственно перед операцией контроля производят регулировку взаимных расстояний между преобразователями сканирую35 щей системы, исходя иэ данных, полученных при испытании последней на тест-объектах, На фиг,4 показаны два из трех преобразователей для одного из положений систе40 мы при сканировании и плоскостное сечение контролируемого изделия, За счет того, что расстояния, проходимые звуковой волной в материале объекта от излучающего преобразователя до дефекта и от дефекта до

45 приемного преобразователя, будут изменяться в зависимости от того, какой из трех преобразователей излучает, получаемая для данного местоположения системы информация по окончании операций приемоизлу50 чения представляет собой три различных ракурса обзора (сравним с известным способом синтезированной апертуры, где с каждого положения преобразователя при сканировании имеем один ракурс обзора).

55 Кроме того, предлагается новый способ обработки сигналов с преобразователей системы — для любого положения системы при сканировании по окончании операций приемоизлучения производят перемножение сигналов с преобразователей, Такие произ17

1817019

40

55 ведения накапливаются при сканировании и по окончании контроля усредняются, Применение нелинейной мультипликативной обработки сигналов, как показано ранее, далее более компактное парциальное изображение (фиг.4,6,7), так как при перемножении волновых фронтов величина сигнала от области пересечения последних будет по меньшей мере на порядок больше, чем величина сигнала на поверхностях фронтов.

Идентификация дефектов и восстановление томографического изображения внутренней структуры контролируемого изделия по предлагаемому способу описывается оригинальной формулой (2), причем для рассмотренного конкретного случая значение управляющего параметра и функции Fpi(u) было выбрано равным нулю, а количество преобразователей в системе m =- 3.

В случае 2, когда значение управляющей функции Fkl(u) тождественно равно единице (u = 1), получим наиболее качественный вариант контроля, когда каждый ненаправленный преобразователь в каждом положении системы при сканировании последовательно излучает акустический импульс, а отраженный зхо-сигнал принимают однфвременно всеми преобразователями, т.е. получаемая информация содержит девять ракур ов обзора дефекта для каждого положения системы при сканировании, Следует заметить. что при увеличении числа преобразователей в системе улучшаются качество контроля объектов, помехоустойчивость способа и в пределе скорость контроля, Улучшение качества и помехоустойчивости объясняется увеличением числа ракурсов обзора дефекта в материале контролируемого изделия, что приводит к увеличению информативности контроля

Увеличение скорости объясняется увеличением площади охвата поверхности контролируемого изделия системой связанных преобразователей, что приводит к уменьшению количества шагов при сканировании

Однако оптимальное количество преобразователей в системе и наилучшую конфигурацию последней следует выбирать исходя из результатов испытаний на тест-объектах.

Отметим, что предлагаемый способ предполагает распространение в контролируемом изделии одного типа волн, так как в формулу (2) входит скорость звука с, а для различных типов волн скорость звука отлична. B металлах (неразрушающий контроль) могут существовать как продольные, так и поперечные волны, Как будет показано ниже, избавиться от одного иэ типов волн можно путем подбора угла ввода звукового луча в контролируемое изделие.

Далее необходимо отметить, чтотермины ненаправленное излучение", "Hpuÿïðàâëåíный прием" являются идеализированными-на практике невозможно создать преобразователь с идеальной характеристикой направленности вида "монополь". Поэтому в эмпирических случаях под термином

"ненаправленный" понимают излучение или прием сигналов в широком, но ограниченном угловом диапазоне (имеется в виду угловой раскрыв характеристики направлен ности).

Суммируя изложенные факты, отметим, что при реализации предлагаемого способа в области, например, неразрушающего контроля угловой раскрыв преобразователей и угол ввода звукового луча s контролируемое изделие следует выбирать таким, чтобы обеспечить излучение, распространение и прием лишь поперечных волн (избавившись от продольных волн за счет эффекта полного внутреннего отражения от поверхности контролируемого иэделия). Подобный путь аналогичен использующемуся в традиционных методах синтезированной апертуры.

Приведем пример технической реализации предлагаемого нового способа. На фиг.5 представлена функциональная схема устройства. Устройство состоит из управляющей ЭВМ 1 и подключенных к ней двух автономных информационных каналов I u ll.

Каждый канал представляет собой совокупность связанных устройств сбора, обработки и передачи информации. Опишем подробнее каждый из них, причем начнем с описания канала l, К ЗВМ 1 подключен контроллер 2 канала (, генератор 3 тактовых импульсов и устройство согласования 9 канала l; к контроллеру 2 при помощи двунаправленной шины передачи информации подключены устройство сканирования 4. блок дефектоскопов 6, многоканальный АЦП 7, устройство 8 буферной памяти 8; к выходу генератора 3 подключен контроллер 2 канала l; устройство сканирования 4 механически связано с системой связанных преобразователей 5, выходы которой соединены с блоком дефектоскопов

6 двунаправленными шинами передачи информации; выходы блока дефектоскопов 6 соединены с многоканальным АЦП 7, подключенным к устройству 8 буферной памяти, а выходы последнего соединены с устройством согласования 9.

В канала !! входят блок 11 цифровой обработки сигналов (стандартное устройство с встроенным контроллером), подключенный к управляющей ЭВМ 1 через устройство согласования 10, причем к блоку

11 подключено видеоконтрольное устройст19

1817019

20 во l2. Все связи между устройствами канала

ll представляют собой двунаправленные шины передачи информации, Устройство работает следующим образом.

Непосредственно перед началом процедуры контроля контролируемого изделия на наличие различного рода дефектов производят начальную установку оптимальных взаимн ых расстояний между и реобразователями системы связанных преобразователей 5 (оптимальные взаимные расстояния получены при испытании системы на тестобъектах), Процедура контроля начинается с выбора оператором комплекса конкретного режима формирования томографического изображения путем идентификации и ввода в ЭВМ 1 управляющего параметра и функции Fyi(u) (формула 2), тем самым выбирают режим коммутации преобразователей системы.

Процесс контроля состоит из последовательности циклов приемоизлучения при сканировании и последующей обработке полученной информации. Опишем подробнее один цикл измерения, Каждый цикл начинается с формирования управляюшей

ЭВМ 1 импульса запуска, который поступает на генератор 3 тактовых импульсов, Генератор формирует тактовые импульсы, служащие для управления устройствами канала I и синхронизации работы всей системы в целом, Управляющие сигналы с выхоца генератора 3 поступают на контроллер канала (блок 2), который дает сигнал устройству сканирования 4 перемес гить.систему связанных преобразователей 5 в заданную точку траектории сканирования; разрешает начать работу блока дефектоскопов 6, который в соответствии с выбранным режимом, определяемым функцией Ец(и)(формула 2). производит коммутацию преобразователей системы связанных преобразователей 5 на излучение и прием.

При этом принимаемые акустические сигналы с блока дефектоскопов 6 поступают на многоканальный АЦП 7, где производится преобразование аналоговых сигналов в цифровой код. Далее оцифрованные сигналы поступают в быстродействующую буферную память, где происходит накопление информации для выбранного положения сканирующей, системы связанных преобразователей 5. По окончании процесса коммутации преобразователей блоком дефектоскопов 6 заканчивается один цикл измерения и контроллер канала 2 подает управляющей ЭВМ 1 сигнал об окончании цикла. Контроллер канаэа 2 служит также для проверки правильности функционирования и управления работой блока дефектоскопов, 6, многоканального АЦП 7, устройства 8 буферной памяти и устройства сканирования 4, В случае возникновения ошибок в канале 1 контроллер канала 2 со° общит об этом ЭВМ 1 и та, перейдя к программе устранения ошибок, попытается затем повторить цикл заново; если же ошибГ ка носит неустранимый и регулярный характер, то ЭВМ 1, сохранив полученную на

10 данный момент информацию в БЦО 11, остановит процесс контроля и сообщит оператору об имеющихся неисправностях, Аналогичным механизмом обработки ошибок обладает и канал II.

По получении сигнала окончания цикла измерения от контроллера 2 канала I управляющая ЭВМ вновь инициирует сигнал запуска генератора 3 и осуществляет перезапись содержимого устройства 8 буферной памяти в память блока цифровой

20 обработки (БЦО) 11, сопряженного с ЭВМ 1 посредством устройство согласования 10, представляющего собой (как и устройство 9) интерфейс "канал — общая шина ЭВМ", Блок цифровой обработки служит для контроля функционирования устройств канала il u кроме того, позволяет хранить, обрабатывать и отображать на экране цветного видеоконтрольного устройства 12 получаемую

30 информацию и результирующее томографическое изображение, лельно с инициализацией следующего цикла измерения, т,е. по получении сигнала готовности (окончание предыдущего цикла измерения) от контроллера 2 канала 1 ЭВМ вновь формирует импульс запуска генератора 3, и пока устройство сканирования 4 под

40 управлением контроллера 2 перемещает систему связанных преобразователей 5 в следующее положение траектории сканирования, ЭВМ 1 пересылает содержимое буферной памяти в БЦО 11, причем к моменту поступления информации с блока дефектоскопов 6 на многоканальный АЦП 7 буферная память уже очищена и готова к приему новых данных, а на ее выходе контроллер 2 устанавливает высокое сопротивление (высокое сопротивление поддерживается веегда за исключением момента чтения из памяти), отключая тем самым устройство 8 от устройства согласования и ЭВМ 1 в целом, . Последующие процессы цикла измерения описываются вышеизложенным алгоритмом (количество циклов измерения

Отметим, что процесс перезаписи и очи35 щения буферной памяти происходит парал1817019

22 равно количеству положений системы преобразователей при сканировании).

По окончании операции сканирования накопленная в БЦО 11 информация обрабатывается программными средствами в соответствии с формулой (2), а результат обработки в виде сформированного цветного томографического изображения внутренней структуры контролируемого изделия выводится на видеоконтрольное устройство

12, Отметим, что вышеописанный алгоритм сбора и обработки информации можно реализовать аппаратными средствами для увеличения быстродействия устройства, но в этом случае будет потеряна присущая программным методам гибкость.

B заключение покажем преимущества предлагаемого нового способа перед известным, Как показано ранее в тексте, известный способ предполагает формирование и прием акустическими преобразователями мультиобзорной системьi остро на п ра вленных звуковых лучей; использование усложненной и длительной операции сканирования, включающей фокусирование лучей; обработку акустических сигналов с преобразователей по довольно сложному многоступенчатому расчетному алгоритму, ядром которого является предположение о том, что идентифицируемый дефект представляет собой объемный эллипсоид. За счет усложенной операции сканирования существенно увеличивается время контроля обьектов, à "a счет

"огрубления" формы исследуемого дефекта — достоверность и информативность, Преимущества предлагаемого способа ультразвукового томографического контроля изделий перед известным обусловлены так, что предлагаемый способ позволяет повысить скорость и информативность контроля.

Такое улучшение обусловлено тем, что, как показано ранее в тексте, выполняют простую операцию пространственного сканирования системы жестко связанных преобразователей, каждым преобразователем системы формируют и принимают ненаправленное акустическое излучение, а томографическое изображение контролируемого изделия формируют в соответствии с расчетной формулой {2), предполагающей нелинейную мультипликативную обработку акустических сигналов.

Результирующее парциальное изображение имеющихся s материале контролируемого изделия протяженных, произвольно-ориентиpoBBHHbix дефектов больших волновых раз° меров является наиболее достоверным и содержит наиболее точные сведения о характере дефекта, его ориентации, размерах и форме. Следовательно, использование .предлагаемого способа позволяет повысить скорость и информативность томографического контроля изделий нэ наличие в них

5 дефектов и особенно протяженных дефектов больших волновых размеров.

Формула изобретения

Способ ультразвукового томографического контроля изделий, заключающийся в

10 том, что сканируют контролируемое изделие системой, состоящей не менее чем из трех жестко соединенных между собой ультразвуковых преобразователей, последовательно излучают каждым преобразователем

15 в каждом положении системы акустические импульсы, принимают не менее чем одним преобразователем отраженные от дефекта изделия акустические импульсы, а о дефектности контролируемого изделия судят по

20 восстановлeíHoìó томографическому изображениюдефекта, отл и ча ющи йс я тем, что, с целью повышения скорости и информативности контроля, излучают ненаправленные акустические импульсы, а то25 мографическое изображение дефекта восстанавливают по формуле х (t;jki)Su(t;jki)Fki(u), где 0 — изображение j-й точки исследуемого

35 объекта: ги — расстояние между1-й-точкой исследуемого объекта и i-м положением I<-ro преобразователя сканирующей системы;

Sik — величина отраженного сигнала, принимаемого k-м преобразователем системы в I-м положении при сканировании; . tljkl = (п1к + гijl)/ñ — время прохождения звуком двух расстояний: от k-го преобразователя в i-м положении сканирующей системы до j-й точки исследуемого обьекта и от j-й точки исследуемого обьекта до 1-го преобразователя системы, находящегося в 1-м положении при сканировании; с — скорость звука в материале исследу50 eMoro обьекта:

m — количество преобразователей в системе; . п — количество положений системы преобразователей при сканировании;

Fki(u) — управляющая функция, причем

Fki(u) =- дц при u = О, где Ai — символ

Кронекера, Fki(u) = 1 при u = 1; u — параметр функции

Fki(u), принимает значение 0 либо 1, Ф

1817019

1817019

1817019

1817019 г

Составитель А. Осетров

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор О. Густи

Редактор Т. Шагова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1719 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская, наб„4/5