Разработка и создание ультразвуковых низкочастотных широкополосных мозаичных раздельно-совмещённых пьезопреобразователей с ограниченной апертурой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Синицын, Алексей Алексеевич

• Синицын, Алексей Алексеевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Синицын, Алексей Алексеевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Цель работы

Научная новизна

Практическая значимость и внедрение результатов работы

Результаты исследований были использованы при выполнении:

Основные положения, выносимые на защиту:

Апробация работы

Объем и структура работы

1. ПРОБЛЕМЫ УЗ КОНТРОЛЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ СЛОЖНОСТРКУТУРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ БЕТОНА

1.1. Проблема обнаружения эхо-сигналов, замаскированных белым шумом

1.2. Проблема обнаружения УЗ эхо-сигналов на фоне сигнала структурного шума

1.3. Особенности УЗ низкочастотного контроля

1.4. Современное состояние проблемы по разработке ультразвуковых низкочастотных широкополосных пьезопреобразователей

1.5. Особенности работы раздельно-совмещенных НЧ преобразователей в составе УЗ толщиномеров

1.6. Выводы по разделу 1

2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ СОЗДАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ЗАДАННЫМИ ЧАСТОТНЫМИ И ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

2.1. Выбор параметров УЗ низкочастотного широкополосного ПЭП для контроля сложноструктурных изделий из бетона при ограниченной площади контакта преобразователя с изделием

2.2. Способы и возможности оценки пространственных свойств ультразвуковых широкополосных низкочастотных преобразователей

2.3. Интегральные способы представления пространственных характеристик УЗ широкополосных низкочастотных преобразователей

2.4. Использование пространственных характеристик для создания УЗ мозаичных широкополосных ПЭП с максимально равномерным акустическим полем

2.5. Выводы по разделу 2

3. МОЗАИЧНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ОГРАНИЧЕННОЙ АПЕРТУРОЙ

3.1. Методология и технология проектирования и изготовления УЗ широкополосных мозаичных ПЭП на основе использования разновысоких стержневых ПЭ с продольным пьезоэффектом

3.2. Конструирование и изготовление низкочастотных раздельно-совмещенных широкополосных мозаичных ПЭП с ограниченной апертурой. Технологические пути решения проблемы минимизации амплитуды сигнала электроакустической наводки

3.3. Алгоритмический метод компенсации сигнала электроакустической наводки и сигнала собственных реверберационных шумов

3.4. Выводы по разделу 3

4. КОМПОЗИТНО-МОЗАИЧНЫЙ ПЭП

4.1. Предпосылки создания многоканального композитно-мозаичного ПЭП

4.2. Моделирование работы композитно-мозаичного ПЭП

4.3 Пространственно-временные алгоритмы

4.4 КМПЭП на базе 12 элементного преобразователя с СТК

4.5 Экспериментальная установка и результаты практического испытания многоканального преобразователя на базе ПЭП с СТК

4.6 Композитно-мозаичный пьезоэлектрический преобразователь

4.7. Сравнительные результаты применения предложенных алгоритмов, зарегистрированных КМПЭП и АР с СТК

4.8. Сравнительные результаты применения предложенных алгоритмов в отношении полезный сигнал/структурный шум для КМПЭП

4.9. Применение КМПЭП для толщинометрии изделий из бетона с неплоскопараллельными поверхностями

4.10 Выводы к разделу 4

5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛАСТИЧНЫХ ПРОТЕКТОРОВ УЗ ПЭП ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ С НЕРОВНОЙ И ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

5.1. Проблемы акустического контакта УЗ ПЭП с контролируемым изделием

5.2. Разработка эластичных протекторов из силиконовых каучуков

5.3. Выводы по разделу 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АКФ - автокорреляционная функция; АЧХ - амплитудно-частотная характеристика; Б - база сигнала БШ- белый шум;

ВКФ - взаимно-корреляционная функция;

ВЧ - высокая частота, высокочастотный;

ДН - диаграмма направленности;

ИП - излучающий преобразователь;

КДН - корреляционная диаграмма направленности;

КРП - корреляционное распределение поля;

ЧМ -частотно-модулированный сигнал

ЛЧМ - линейно-частотно-модулированный сигнал;

НК - неразрушающий контроль;

НЧ - низкая частота, низкочастотный;

ОСП - осесимметричный преобразователь;

ОФ - оптимальный фильтр;

ПВОС - пространственно-временная обработка сигналов; ПВХ - пространственно-временная характеристика; ПП - приёмный преобразователь; ПЭП - пьезоэлектрический преобразователь; РС - раздельно-совмещенный (преобразователь) СВП - сферически вогнутый преобразователь; СД - синхронный детектор; СМ - сложномодулированный (сигнал); СТК - сухой точечный контакт; СШ - структурный шум; С/Ш - отношение сигнал/шум С/СШ - отношение сигнал/структурный шум ч УЗ - ультразвук;

ФМ - фазоманипулированный сигнал; ЭАН - электроакустическая наводка; ЭАТ - электро-акустический тракт;

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и создание ультразвуковых низкочастотных широкополосных мозаичных раздельно-совмещённых пьезопреобразователей с ограниченной апертурой»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Существует ряд строительно-эксплуатационных задач, применяющих ультразвуковые (УЗ) эхо-методы измерения толщины крупногабаритных строительных бетонных конструкций и в которых желательно производить измерения с применением "сухого" контакта пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) с поверхностью контролируемого изделия, а для выполнения измерений доступным оказывается ограниченный участок поверхности, или, более того, измерения необходимо производить изнутри технологических отверстий (рис.В.1). При этом измеряемая толщина, как правило, не превышает 500 мм, поперечный размер доступной для контакта поверхности не более 150 мм, а диаметр технологических отверстий 50100 мм. Погрешность измерений в большинстве случаев должна быть не хуже 5 - 7 % от измеряемой толщины.

Эти условия определяют совокупность противоречивых

требований, предъявляемых к УЗ ПЭП:

1. Большое частотно-зависимое затухание УЗ сигналов в сложноструктурном бетоне определяет низкую частоту /0 УЗ контроля, лежащую в диапазоне частот от 50 до 150 кГц. Высокая точность измерений толщины возможна лишь при использовании возбуждающих радиоимпульсных сигналов длительностью не более 1-2 периода несущей частоты, что предполагает широкую полосу А/ электроакустического преобразования низкочастотных (НЧ) ПЭП: 50% <Af/fo < 100%.

2. Значительная толщина контролируемых изделий, и связанное с этим существенное ослабление амплитуды эхо-сигнала (до 60...80 дБ)

Рис.В.1. Измерение толщины бетонного изделия с помощью ПЭП при ограниченной величине площади контакта преобразователя с поверхностью контролируемого

изделия

предполагает создание ПЭП с максимально возможным значением коэффициента электроакустического преобразования.

3. Следствием сложной структуры бетона является высокий уровень коррелированного с возбуждающим сигналом структурного шума (СШ). Для повышения достоверности толщинометрии таких объектов необходимо разработать ПЭП, обладающий высокой эффективностью электро-акустического преобразования и подавляющий помеховые сигналы структурного шума.

4. Контроль в условиях ограниченной величины площади контактной поверхности и изнутри технологических отверстий предполагает ограниченную величину апертуры £) широкополосного ПЭП и предполагает конструирование прямых раздельно-совмещенных (РС) широкополосных низкочастотных ПЭП с минимально-возможным уровнем паразитной электроакустической наводки (ЭАН), т.е. обуславливает необходимость разработки методов подавления (минимизации) сигнала ЭАН.

5. Необходимость достоверного УЗ контроля толщины изделий по неподготовленной поверхности бетона требует поиска технических решений, которые могли бы без использования контактных жидкостей с высокой эффективностью излучать и принимать акустические сигналы с неровной, шероховатой и неплоской поверхности изделия.

Совокупность приведенных выше, во многом противоречивых, требований, определила актуальность разработки и создания УЗ раздельно-совмещенных низкочастотных широкополосных ПЭП с ограниченной апертурой, сухим акустическим контактом, минимальным уровнем электроакустической наводки, в том числе нового типа композитно-мозаичных пьезоэлектрических преобразователей (КМПЭП) с независимым управлением каждым элементом мозаики, предназначенных для использования в эхо-импульсных толщиномерах крупногабаритных изделий из бетона в условиях ограниченной площади поверхности контакта ПЭП с изделием, в том числе и изнутри технологических отверстий.

Цель работы - создание УЗ преобразователей для толщинометрии бетонных конструкций со сложной, неплоской и ограниченной по площади поверхностью доступа.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка и создание УЗ широкополосных низкочастотных композитно-мозаичных пьезопреобразователей с ограниченной апертурой, которые характеризуются широкой полосой электроакустического преобразования, акустическим полем, оптимизированным по критерию сигнал/структурный шум, малым уровнем электроакустической наводки, а также сухим контактом преобразователя с неровной поверхностью бетонного изделия;

2. Разработка и модификация алгоритмов С АФТ и пространственно-временной обработки сигналов, позволяющих повысить достоверность и точность УЗ толщинометрии за счет повышения отношения сигнал/структурный шум и минимизации уровня и протяженности сигнала электроакустической наводки;

3. Разработка аппаратуры аппаратно-программного комплекса, позволяющего независимо и в любой последовательности возбуждать и регистрировать эхо-сигналы элементов мозаичного ПЭП, с целью реализации разработанных в диссертационной работе алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов;

4. Исследование предложенных оригинальных пространственно-временных характеристик (ПВХ) пьезопреобразователей, позволяющих оптимизировать по различным критериям акустические поля разработанных НЧ широкополосных ПЭП;

5. Разработка технологии изготовления малоапертурных мозаичных НЧ преобразователей, в том числе на основе пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом, являющихся структурными элементами композитно-мозаичного ПЭП.

6. Разработка рецептуры и технологии изготовления эластичных протекторов на базе силиконовых каучуков, обеспечивающих сухой акустический контакт ПЭП с поверхностью бетона.

В рамках диссертации обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований по созданию новых конструкций УЗ НЧ мозаичных широкополосных ПЭП, выполненных при непосредственном участии автора диссертационной работы в МЭИ в период с 2009 по 2013 г.г.

в рамках выполнения х/р иг/б НИР и ОКР по программам Минобрнауки РФ, Минобороны РФ.

Научная новизна.

1. Поставлена и решена задача создания УЗ низкочастотных широкополосных композитно-мозаичных преобразователей (КМПЭП), состоящих из акустически и электрически независимых малоапертурных ПЭП с раздельным возбуждением/регистрацией сигнала каждого ПЭП в соответствии с различными пространственно-временными алгоритмами (включая алгоритмы САФТ), использование которых в составе ультразвуковых толщиномеров расширяет их функциональные возможности и позволяет измерять толщину изделий из бетона в условиях ограниченной площади поверхности контакта ПЭП с изделием, в том числе и изнутри технологических отверстий.

2. Разработаны различные алгоритмы независимого возбуждения/регистрации и обработки сигнала для каждого элемента КМПЭП, применение которых расширяет функциональные возможности толщиномеров, увеличивает диапазон измеряемых толщин изделий, минимизирует уровень и длительность электроакустической наводки, повышает отношение донный сигнал/структурный шум, обеспечивает повышенную точность толщинометрии.

3. Предложены новые и модернизированы существующие интегральные пространственно-временные характеристики УЗ широкополосных пьезопреобразователей (пространственная АЧХ, корреляционное пространственное поле), позволяющие анализировать по различным критериям структуру акустического поля ПЭП и синтезировать топологии широкополосных ПЭП, формирующие акустическое поле требуемого вида.

4. Разработаны и в ходе выполнения нескольких ОКР практически апробированы новые технологии изготовления мозаичных преобразователей, в том числе на основе разночастотных пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом.

5. Разработана на базе силиконовых каучуков новая разновидность эластичных протекторов, обеспечивающих надежный сухой акустический

контакт ПЭП с неподготовленной поверхностью изделия из сложноструктурнош бетона.

Практическая значимость и внедрение результатов работы.

1. Предложенные интегральные пространственно-временные характеристики широкополосных мозаичных преобразователей, технология изготовления ПЭП на основе разновысоких пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом и новые алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов, обеспечивающие измерения толщины бетонных изделий (в том числе и не плоскопараллельных) могут использоваться при создании средств УЗ контроля изделий и конструкций из структурно-неоднородных и композиционных материалов, таких как бетоны, полимерные композиционные материалы и т.п.

2. Разработанные УЗ НЧ широкополосные мозаичные ПЭП с ограниченной апертурой внедрены в практику УЗ контроля и используются в аппаратуре УЗ толщинометрии строительных конструкций из бетона и железобетона.

Результаты исследований были использованы при выполнении:

• Г/б НИР «Исследование и разработка нового класса мозаичных многоканальных помехоустойчивых ПЭП с заданными частотными и пространственными характеристиками для УЗ НК крупногабаритных сложноструктурных изделий». ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-12 г.г. (проект № П1137).

• Х/р НИР "Исследование возможности создания комплекса для измерения толщины неоднородных диэлектрических материалов (шифр «Каравелла-Т»), 2010-2011 г.г., х/д., 2009-11 г.г. (Гособоронзаказ).

• Х/д ОКР "Линкор-Т" , 2012-2013 г.г. (Гособоронзаказ).

• Х/д ОКР "Локализация - БМ". 2012-2014 г. (Гособоронзаказ).

Результаты расчёта акустических полей УЗ НЧ ПЭП, по созданию УЗ низкочастотных широкополосных малоапертурных преобразователей для ^ фазированных антенных решёток, по согласующим эластичным протекторам для обеспечения сухого контакта ПЭП с поверхностью бетонных изделий

9

были использованы в ЦНИИРТК (г. Санкт-Петербург) и ПК ВТОРМЕТ (г. Люберцы).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. УЗ низкочастотный широкополосный композитно-мозаичный пьезопреобразователь, состоящий из акустически и электрически независимых малоапертурных элементов с раздельным возбуждением/регистрацией сигнала каждого ПЭП в соответствии с различными пространственно-временными алгоритмами (включая алгоритмы САФТ), использование которых в составе ультразвуковых толщиномеров расширяет их функциональные возможности и позволяет измерять толщину изделий из бетона в условиях ограниченной площади поверхности контакта ПЭП с изделием, в том числе и изнутри технологических отверстий.

2. Интегральные пространственно-временные характеристики УЗ широкополосных пьезопреобразователей (корреляционное пространственное поле, пространственная амплитудно-частотная характеристика), позволяющие анализировать по различным критериям структуру акустического поля ПЭП и синтезировать топологию широкополосного ПЭП, формирующего акустическое поле требуемого вида.

3. Способ подавления сигнала электроакустической наводки в РС преобразователях, заключающийся в регистрации при отсутствии акустического контакта ПЭП с поверхностью контролируемого изделия сигнала электроакустической наводки, позиционировании пьезопреобразователя на поверхности контролируемого изделия, регистрации эхо-сигнала и вычитании из эхо-сигнала запомненного сигнала электроакустической наводки.

4. Технологии изготовления УЗ низкочастотных широкополосных мозаичных пьезопреобразователей на основе разночастотных пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом.

5. Технология изготовления эластичных протекторов на базе силиконовых каучуков, обеспечивающих сухой акустический контакт ПЭП с неподготовленной поверхностью контролируемого изделия.

Апробация работы.

По результатам исследований было опубликовано 18 печатных работ, получены 3 патента на изобретение. Результаты исследований были доложены на 5-ти НТ конференциях. Опубликованы 4 статьи в изданиях из списка ВАК: «Дефектоскопия» № 9, 2010 г., «Дефектоскопия» №10, 2010г., «Дефектоскопия» №8, 2011г., «Измерительная техника» №11, 2011г. (переводы на английский язык опубликованы издательством Springer).

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, состоящего из 70 источников, акта внедрения и акта использования.

Объем работы составляет 132 страницы, включая 114 рисунков и 3 таблицы.

1. ПРОБЛЕМЫ УЗ КОНТРОЛЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ СЛОЖНОСТРКУТУРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ БЕТОНА.

Возможности УЗ контроля крупногабаритных изделий из бетона ограничены сложностью проблем, обусловленных свойствами материалов:

- высокого интегрального затухания УЗ сигналов в изделии, приводящего к тому, что донные эхо-сигналы (как и эхо-сигналы от дефектов) сильно ослабевают и становятся соизмеримыми с белым шумом -шумом приемной части УЗ дефектоскопа;

- неоднородной структурой материала изделий, являющейся причиной структурного шума, как совокупности эхо-сигналов переотражений от структурных неоднородностей, маскирующего донные эхо-сигналы и сигналы от дефектов.

1.1. Проблема обнаружения эхо-сигналов, замаскированных белым шумом.

Амплитуды УЗ эхо-сигналов А21,А22,А23 (рис. 1.1) зависят как от глубины залегания дефектов х, так и от затухания УЗ в бетоне [1]:

А2=Ахе-ъ^\ (1.1)

- где А1 - амплитуда УЗ возбуждающего сигнала, <5(/) - показатель затухания[1/см, дБ/м], который определяется поглощением 5погл(/) и рассеиванием Зрасс(/) УЗ колебаний (УЗК) на структурных неоднородностях материала:

^{/)-6погл(/)+6расс{/)=с^п+^{р), (1.2)

- где а, Р, т, п, к - константы, зависящие от акустических свойств

материала среды, В - средний размер структурных неоднородностей материала[1].

Зависимость ¿>(/) для различных сортов бетонов показана на рис. 1.2

[!]•

При контроле изделий большой протяженности из мелкоструктурного бетона, из-за высокого интегрального затухания УЗК отраженные от дефектов эхо-сигналы сильно ослабевают, и их амплитуда может оказаться

ниже уровня белого шума приёмного тракта УЗ дефектоскопа (эхо-сигнал А23<ипорог ~ ибепш шуч на рис. 1.1,а). В подавляющем большинстве традиционных

УЗ эхо-импульсных дефектоскопов эхо-сигналы, находящиеся ниже уровня белого шума, отрезаются пороговым ограничителем с пороговым напряжением ипорог~ибел шум, которое определяет нижний предел чувствительности дефектоскопа [2].

ип

ггп

дефект 1

дефект 2 / дефект 3

и порог ~ ХЛбСЛЫЙ Ш\ Ч

2з~

б)

Рис.1.1. Ослабление УЗ сигнала за счет затухания в материале изделия.

Рис.1.2. Обобщенная зависимость §(/) для

различных сортов бетонов.

На рис. 1.1,б амплитуда электрического возбуждающего сигнала определена величиной (7/тйх=60 В. Если принять уровень белого шума (уровень порога) и2т1п~ипорог~ибелшум~6 мкВ, то оказывается, что динамический диапазон (ДДО сигналов (определяющий абсолютную чувствительность УЗ эхо-импульсных дефектоскопов) в данном случае составляет[1]:

(ДДХ^Ч1^ = 201ё107 =140д£ (1-3)

2тт

Таким образом, в большинстве традиционных УЗ эхо-импульсных дефектоскопов с ударным возбуждением сигналов возможность обнаружения слабых эхо-сигналов ограничена и на практике, как правило, не превышает значения 100-110 дБ [2,3].

Увеличить абсолютную чувствительность УЗ контроля возможно различными способами.

Во-первых, за счёт увеличения амплитуды УЗ возбуждающего сигнала А^ Увеличивать амплитуду можно до определенного предела,

определяемого максимально возможной амплитудой электрического сигнала и и прикладываемого к излучающему преобразователю (ИП) [4,5].

Во-вторых, в последние годы активно используется ещё один путь увеличения чувствительности УЗ эхо-контроля, заключающийся в использовании в УЗ дефектоскопии известных в радиотехнике сложномодулированных сигналов с последующей их оптимальной фильтрацией [6-8]. Первые результаты применения сотрудниками МЭИ радиолокационных сигналов в УЗ дефектоскопии были опубликованы в 1974 г. [9]. В последующем они получили широкое применение [10-15] в нашей стране и за рубежом.

В-третьих, абсолютная чувствительность зависит от эффективности пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП), однако и этот путь объективно имеет ограничения[5].

Четвертый путь повышения абсолютной чувствительности УЗ контроля изделий из бетона связан с уменьшением ослабления затухания УЗ колебаний за счет снижения частоты возбуждающего сигнала до 100 кГц и ниже (см. зависимость б(/) для бетона на рис. 1.2). Вместе с тем, контроль на низких частотах порождает ряд новых проблем (см. раздел 1.3).

1.2. Проблема обнаружения УЗ эхо-сигналов на фоне сигнала структурного шума.

При контроле изделий из сложноструктурных материалов основной помехой, ограничивающей чувствительность контроля, чаще всего является не белый, а структурный шум (СШ), представляющий собой совокупность многочисленных переотражений от элементов структуры [16,17].

Природа СШ отлична от природы белого шума, поэтому и алгоритмы выделения информационного донного эхо-сигнала или эхо-сигнала от дефектов на фоне коррелированного с возбуждающим сигналом СШ и из белого шума различны. Для выделения информационного эхо-сигнала из СШ необходимо вначале декоррелировать информационные сигналы (ИС) и сигналы СШ, а затем выделить ИС из смеси с СШ [18,21]. Этот алгоритм мало эффективен и не нашел практического применения. Наиболее эффективным алгоритмом, предложенным впервые в МЭИ, является

алгоритм пространственной декорреляции, реализуемый на практике использованием многоканальных методов контроля [19].

Суть его заключается в том, что реализации СШ, зарегистрированные в различных пространственных каналах оказываются некоррелированными в случае, если эти каналы пространственно разнесены на расстояние большее, чем радиус гк корреляции сигнала структурного шума, значение которого характерно для каждого материала. Обычно в средах с мелкозернистыми неоднородностями /у=( 1-2)Х, и для бетона значение гк~ 20 -30 мм [18-19]. Причем величина гк существенно зависит от плотности упаковки неоднородностей, их формы, размера I) и пр. Если ИС, зарегистрированные в нескольких пространственных каналах идентичны, т.е. когерентны и синфазны, реализации СШ некоррелированы, то в результате их алгебраического суммирования амплитуда ИС вырастет в N раз, а амплитуда сигнала СШ лишь в Л* раз, что означает увеличение отношения ИС/СШ в раз. Зарегистрировать N реализаций на практике возможно последовательно излучая излучающим преобразователем зондирующий сигнал и помещая ПП в N точек на поверхности изделия, либо с помощью набора (матрицы) коммутируемых к входу входного усилителя приемных преобразователей 1Ш1...Ш1аг. В этом случае матрица составных приемных преобразователей 1И1|-1И1д, образует многоканальный (матричный, составной) ПЭП, помехоустойчивый к СШ. В случае если при УЗ контроле используются УЗ широкополосные сигналы, то каждый из ПЭП из матрицы приемных преобразователей ПП^-ПЦу, должен представлять собой самостоятельный широкополосный ПЭП [20] .

Эта идея и положена в основу управляемого мозаичного широкополосного УЗ НЧ ПЭП.

1.3. Особенности УЗ низкочастотного контроля.

Как уже отмечалось выше, для увеличения чувствительности контроля приходится снижать частоту контроля, что предполагает использование УЗ низкочастотных ПЭП, значения ряда характеристик которых существенно отличается от значений характеристик высокочастотных преобразователей, используемых при контроле изделий из металлов.

Снижение частоты УЗК приводит к увеличению длины волны УЗ колебаний, которая по порядку величины оказывается в ряде случаев соизмеримой с размерами контролируемого изделия. Так при частоте контроля /0= 1-Ю5 Гц и скорости УЗК С = 4000 м/с длина УЗ волны равна

л г

\=СТо=С//о=4ЛО /1 10 =4 см. Это, в свою очередь, означает, что и лучевая разрешающая способность дх=СТс/2 соизмерима с контролируемым размером. В ряде случаев частота150-200 кГц является компромиссной частотой, при которой удается обеспечить относительно высокую чувствительность контроля при удовлетворительной разрешающей способности контроля, а дальнейшее снижение частоты не позволяет обеспечить требуемую точность измерения толщины изделия.

Для обеспечения удовлетворительной разрешающей способности и точности измерения приходится использовать максимально короткие импульсы длительностью в один - два периода несущей частоты (ТС=Т0). Применение коротких, а значит, широкополосных импульсов предполагает использование УЗ НЧ широкополосных ПЭП с относительной полосой пропускания Af/f0~ 100%.

Следствием уменьшения частоты УЗ сигнала является увеличение угла 0 раскрыва диаграммы направленности НЧ ПЭП в ~ arcsin(A/£>), что в свою очередь приводит к увеличению объема озвучиваемого пространства и, тем самым, к увеличению числа акустических неоднородностей, участвующих в формировании суммарной помехи (СШ).

В УЗ дефектоскопии чётко разделяются пространства ближней и дальней зоны пьезопреобразователя. Как известно, достоверный УЗ контроль возможен только при условии, что дефекты находятся в зоне, где акустическое поле равномерно, и отсутствуют на картине поля явно выраженные осцилляции (что характерно для дальней зоны). При УЗ НЧ контроле протяженность Z ближней зоны может оказаться

сопоставимой с толщиной контролируемого изделия, Например, при диаметре апертуры преобразователя Z)=100 мм и длине волны /1=40 мм протяженность ближней зоны ПЭП достигает 250 мм. По этой причине возникает очевидная необходимость в разработке УЗ НЧ преобразователей с равномерным полем ближней зоны.

Анализ известных характеристик широкополосных преобразователей показывает, что само понятие «диаграммы направленности широкополосного преобразователя» в УЗ дефектоскопии фактически не определено. Действительно, перешедшее из радиолокации понятие ДН ПЭП дает определение ДН для узкополосного преобразователя при использовании

непрерывного гармонического сигнала (рис. 1.3,а). Определение ДН широкополосного ПЭП (или акустического поля) при использовании широкополосных сигналов как в радиолокации, так и в УЗ дефектоскопии

практически отсутствует. Те или узкополосного преобразователя;

иные способы характеризовать б) - распределение давления в звуковом поле

для «длинного» и «короткого» импульсов.

поле широкополосного

преобразователя по его распределению вдоль оси излучения короткого (широкополосного) импульса (пунктир на рис. 1.3,б) ничего не говорят о ширине ДН, о структуре поля широкополосного сигнала. Таким образом, для широкополосных УЗ ПЭП не предложены характеристики, учитывающие особенности широкополосного акустического поля. Однако, при НЧ контроле протяженность ближней зоны достаточно велика и пространственная картина поля широкополосного преобразователя может оказывать существенное влияние на качество преобразования УЗ сигналов в ПЭП, что вызывает потерю информации за счёт искажения УЗ сигнала.

Покажем это на примере круглого широкополосного УЗ ПЭП с апертурой И. Наиболее простой и очевидный способ описания пространственной картины поля широкополосного ПЭП заключается в представлении одновременно набора парциальных (одночастотных) пространственных характеристик в диапазоне рабочих частот ПЭП (рис. 1.4) для различных составляющих спектра: О/к - 1 соотвествует нижней частоте сигнала, а £>А =4 соответствует верхней составляющей спектра. Однако простой набор нормированных диаграмм направленности узкополосного

а)

Рис.1.3. а) - диаграмма направленности

ПЭП не позволяет отобразить все нюансы картины поля. По этой причине на рис. 1.5 показаны набор ненормированных ДН, амплитуды которых соответствуют реальным значениям амплитуд спектральных составляющих широкополосного сигнала.

330

IX

30

ВГк = 1 И А =2 ВГк =3 т=4

Рис. 1.4. Представление пространственных характеристик широкополосного ПЭП с помощью набора нормированных ДН в полярных координатах

Если наложить все парциальные ДН одна на другую (рис.1.5,д), то станет видно, что УЗ колебания разных частот в широкополосном ПЭП

распространяются в пространстве различным образом. Если рассматривать акустическое поле даже только вдоль оси излучения Ъ, то и в этом случае видно, что на разных расстояниях от ПЭП различные спектральные составляющие сигнала в формировании поля участвуют по-разному, что приводит к различному (неравномерному) характеру поля широкополосного ПЭП. Т.к. при толщинометрии бетонных изделий отражающая поверхность дна велика, то совокупный отраженный донный сигнал состоит как из отражений, расположенных на оси Ъ, так и расположенных вне оси Ъ, что, в конечном счёте, приводит к тому, что УЗ эхо-сигнал может оказаться сильно искаженным. Всё это приводит к необходимости формирования УЗ НЧ широкополосным преобразователем равномерного поля в пределах угла раскрыва ДН преобразователя.

К перечисленным выше особенностям УЗ НЧ широкополосных ПЭП

следует добавить проблемы, возникающие при УЗ толщинометрии изделий изнутри технологических отверстий. Это условие определяет, во-первых, необходимость использования ПЭП с ограниченным диаметром, что усугубляет требования к пространственным характеристикам ПЭП, а также

4 А /4

а б в г д

Рис.1.5. Набор ненормированных парциальных ДН широкополосного ПЭП

требования к помехоустойчивости к СШ. Во-вторых, ограниченная площадь контакта ПЭП с изделием предполагает применение прямого раздельно-совмещенного преобразователя, что является причиной большой амплитуды сигнала электроакустической наводки, маскирующего ИС. Это, в свою очередь, обосновывает актуальность создания УЗ НЧ РС ПЭП с минимизированным уровнем сигнала электроакустической наводки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Синицын, Алексей Алексеевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общей редакцией В.В.Клюева. Т.З: Ультразвуковой контроль. И.Н.Ермолов, Ю,В,Ланге. - М.: Машиностроение. 2004. - 864 с.

2. Ланге Ю.В.,Воронков В.А. Контроль неразрушающий акустический. Термины и определения. Справочник.- М.: 2003.-120 с.

3. Ермолов И.Н. Теория и практика УЗ контроля, М., Машиностроение, 1981, -240 с.

4. Применение ультразвука в медицине: Физические основы: Пер. с англ./ под редакцией К.Хилла. -М.: Мир, 1989, 568 с.

5. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля/Под общей редакцией И.Н.Ермолова. -М.: Машиностроение, 1986, 280 с.

6. Качанов В.К., Соколов И.В. Особенности применения сложномодулированных сигналов в ультразвуковой дефектоскопии. // Дефектоскопия. - 2007. - № 12. С. 18-42.

7. Качанов В.К. Разработка помехоустойчивых методов и устройств УЗ контроля ПКМ. Дисс.докт.тех. наук, М.: МГТУ, 1993.

8. Vladimir К. Kachanov and Igor V. Sokolov. Application features of radio engineering signal processing methods for ultrasonic flow detection, Nondestr. Test. Ewal., 2000, Vol.15, p.330-360.

9 Качанов В.К. О возможности применения метода сжатия импульсов в ультразвуковой дефектоскопии// Тр. МЭИ.Вып.192,1974,с.14-16.

10. Furgason E.S., Newhouse Y.H., Bilgutay N.M., Gooper G.R. Application of random Signal correlation techniques to ultrasonic flaw detection. Ultrasonics, 1975, 13,p.ll-17.

11. Lam G.K., Szillard J. Puis compression techniques in ultrasonic nondestructive testing, Ultrasonics, 1976, 14, p.l 11-114.

12. Chen W.H. Chung I.S., Ding C.H. "Ultrasonic non-destructive testing using Bark-code pulse compession techniques, 3-rd Europien Conference of nondestructive testing, Florance, 15-18 Oct., 1984, v.5.

13. Wadaka S., Misuk К., Nagatsuka T., Urassaki S., Koike M./ Pulse Compession Ultrasonic Nondestructive Testing using Complementary siries Phase Modulation/ J.NDT, 1989,-38, № 9a, p.809-810.

14. Niederdrank T. Maximum length sequences in non-destructive material testing: application of piezoelectric transdusers and effects of time variances. Ultrasonics. 1997. Vol.35.P. 195-203.

15. Armanavicius G., Kahes R. Analysis of pseudo noise sequences for multi channel distance measurements. Ultragrsas. 2000.Vol.37.No4.

16. Vladimir K.Kachanov, Vladimir G. Kartashev and Valentin P.Popko. Application of signal processing methods to ultrasonic non-destractive testing of articles with high strutural noise// Nondestr.Test.Eval.,2001,Vol.l7, p. 15—45.

17. Качанов B.K., Карташев В.Г., Соколов И.В., Туркин М.В. Проблемы выделения УЗ сигналов из структурного шума при контроле изделий из сложноструктурных материалов. Дефектоскопия. 2007, №9, с.71-86.

18. Карташев В.Г., Качанов В.К., Шалимова Е.В.. Статистические характеристики структурного шума в среде с мелкомасштабными неоднородностями. Дефектоскопия, 1998, N4, с. 11 — 18.

19. Карташев В.Г., Качанов В.К., Шалимова Е.В. Основные положения теории пространственно-временной обработки сигналов применительно к задачам ультразвуковой дефектоскопии изделий из сложноструктурных материалов // Дефектоскопия. 2010. № 4. С. 19-29.

20. Качанов В.К., Соколов И.В., Родин А.Б. Использование частотного разделения сигналов и помех при ультразвуковом помехоустойчивом контроле изделий из сложноструктурных материалов. // Дефектоскопия. -2008. -№ 11. С. 21-30.

21. Качанов В.К., Соколов И.В., Синицын А.А. и др. Пространственно-временные характеристики ультразвуковых широкополосных преобразователей // Дефектоскопия. - 2010.№10. С. 11-25.

22. Вопилкин А.Х., Ермолов И.Н., Иванов В.И., Рыжов-Николаев Е.И. "Теоретические исследования широкополосных преобразователей" // Дефектоскопия. 1977. №2. С.7-13

23. Вопилкин А.Х., Ермолов И.Н., Иванов В.И. и др. "Ультразвуковые широкополосные искатели и их экспериментальное исследование"// Дефектоскопия. 1977. №3. С.34-42

24. Вопилкин А.Х., Королев В.Д., Ермолов И.Н., Лелина Н.В, "Ультразвуковые широкополосные преобразователи переменной толщины" // Труды 10 В всесоюзной научно-технической конференции "Неразрушающие методы и средства контроля". - Львов, 1984 г. - С. 19-20.

25. Кондратьев Ю.А. Исследование возможности формирования узких слаборасходящихся ультразвуковых пучков преобразователя с криволинейными излучающими поверхностями // Дефектоскопия. - 1986, №11. - С.15-23.

26. Бедиков В.Г., Каневский И.Н., Сиротюк М.Г., Синанян Л.Г. Расчет фокусирующих преобразователей с учетом импульсного режима излучения// Дефектоскопия. - 1987, №7. - С.56-60.

27. Карпельсон А.Е. Формирование пучков продольных и поперечных ультразвуковых волн с заданной диаграммой направленности // Дефектоскопия. - 1989, №2. - С.50-57.

28. Кондратьев Ю.А., Карпельсон А.Е. Формирование узких слаборасходящихся ультразвуковых пучков // Дефектоскопия. - 1978, №10. -С.95-102.

29. Короченцев В.Н., Кузнецов Д.И. Синтез акустической линзовой системы с максимальной концентрацией энергии в фокальной области // Дефектоскопия. - 1985, №4. - С.11-18.

30. Карпельсон А.Е. Возможности формирования узких слаборасходящихся ультразвуковых пучков. // Дефектоскопия. - 1988, №5. -С.10-17.

31. Карпельсон А.Е. О создании узких слаборасходящихся ультразвуковых пучков. // Дефектоскопия. - 1988, №6. - С.60-66.

32. Ермолов И.Н., Басацкая Л.В. К расчету поля фокусирующего ультразвукового преобразователя// Дефектоскопия. - 1992, №9. - С.92-99.

33. Попко В.П. Питолин А.И. Рябов Г Ю., Кутюрин Ю.Г. Применение пьезокерамических мозаичных преобразователей в устройствах пространственно-временной обработки сигналов. - Дефектоскопия. - 1990, №9. - С.57 - 64.

34. Рябов Г.Ю. Разработка и применение фокусирующих УЗ антенн с амплитудно-фазовым управлением. Реф. канд. дисс. М., МЭИ, 1983.

35. V.G. Shevaldykin, V.N. Kozlov, A. A. Samokrutov, "Inspection of Concrete by Ultrasonic Pulse-Echo Tomograph with Dry Contact", 7th European conference on Non-Destructive Testing, Copenhagen, 26 - 29 May, 1998.

36. P.Ciorau. Special linear phased array probes used for ultrasonic examination of complex turbine components/IMASONIC. 8-th Eropean Congress on Non Destructive testing. June, 2002, Barselona, Spain.

37. Точинский Е.Г., Попов И.С., Аксенов В.П. Некоторые способы получения регулируемого фазового сдвига между двумя или несколькими сигналами. Доклады НТ конф. МЭИ, секция ЭП., -М.:, 1969.

38. Аксенов В.П., Питолин А.И., Точинский Е.Г. О возможности электронного сканирования в ультразвуковой дефектоскопии // Труды МЭИ, вып. 43, 1972, с. 11-15.

39. Точинский Е.Г. Исследование электрически управляемых ультразвуковых антенных решеток применительно к дефектоскопии. Автореф. канд. дисс., -М.:, МЭИ. 1973.

40. Аксенов В.П., Попов И.С., Питолин А.И., Попко В.П. Качанов В.К. Применение некоторых способов обработки сигналов в УЗ дефектоскопии, Труды МЭИ, вып.279, 1975, с. 128 - 135.

41. Питолин А.И. Исследование ЭА тракта эхо-импульсных дефектоскопов (применительно к контролю изделий с большим затуханием ультразвука). Реф. канд. дисс. М., МЭИ, 1977.

42. Попко В.П. Разработка, исследование и применение широкополосных мозаичных пьезокерамических преобразователей. Реф. канд. дисс., М., МЭИ, 1982.

43.Newnman et al., Composite piezoelectric transducers, Mater. Eng., 1980, vol. 2, p. 93 -106.

44. Качанов B.K., Соколов И.В., Конов M.M., Тимофеев Д.В., Синицын А.А. "Пространственно-временные характеристики ультразвуковых широкополосных преобразователей" Дефектоскопия. 2010. № 10. С. 11-25.

45. Соколов И.В., Соколов Е.И.. Патент РФ № 2126538. Сплит -способ ультразвукового контроля. Б.И. № 5, 1999 г.

46. Ковалев А.В., Козлов В.H., Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г, Яковлев Н.Н. Импульсный эхо-метод при контроле бетона. Помехи и пространственная селекция. - Дефектоскопия, 1990, № 2, с. 29-41.

47. Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х. и др. Методы акустического контроля металлов. М.: Машиностроение, 1989. -456 с.

48. Королев В.М., Карпельсон А.Е. Широкополосные ультразвуковые преобразователи. -М., Машиностроение, 1982. - 157 с.

49. М. Schickert. Progress in Ultrasonic SAFT-Imaging of Concrete. NonDestructive Testing in Civil Engineering. 2003, Берлин, 16.-19.9.03.

50. Данилов В.H. Исследование влияния параметров протектора на характеристики излучаемых прямым преобразователем волн // Дефекетоскопия. - 1996. №10. - С. 11-17.

51. В. Н. Козлов, А. А. Самокрутов, В. Г. Шевалдыкин, "Ультразвуковой низкочастотный преобразователь", Патент РФ № 2082163, Бюлл., изобр., № 17, 1997.

52. A.V. Kovalev, А.А. Samokrutov, V.G. Shevaldykin, V.N. Kozlov, I.Yu. Pushkina, S. Hubbard, "Instruments and Means for Reinforced Concrete Structures Inspection", 15th World Conference on Nondestructive Testing, Roma (Italy) 15-21 October, 2000.

53. Вопилкин А.Х. "Расчет и проектирование широкополосных осесимметричных пьезопреобразователей переменной толщины" // Дефектоскопия. 1987. №4. С.41-50

54. Качанов В.К., Карташев В.Г., Соколов И.В., Воронкова J1.B., Родин А.Б. Тимофеев Д.В. «Проблемы и особенности пространственно-временной обработки сигналов при ультразвуковом контроле изделий из сложноструктурных материалов» // Дефектоскопия. 2010. № 4. С.3-18.

55. ГОСТ 23702-90 Контроль неразрушающий. Преобразователи ультразвуковые. Методы испытаний.

56. Splitt G. Pesocomposite Transdusers-a Milestone for Ultrasonic Testing. 7-th European conference on NDT, V.3, p.2965-2970, Copengagen, 1998.

57. Синицын A.A., Соколов И.В. Исследование частотных и пространственных характеристик мозаичного широкополосного низкочастотного преобразователя. Тез.докл. Шестнадцатой Международной

научно-технической конференции студентов и аспирантов. . Тез. докладов. Т.1. М.Изд.дом МЭИ,2010. С.227.

58. Качанов В.К., Соколов И.В., Конов М.М., Синицын A.A. Сравнение свойств композитных и мозаичных пьезопреобразователей для УЗ контроля изделий с большим уровнем затухания уз сигналов // Дефектоскопия. 2011. № 8. С.39-53

59. Качанов В.К., Соколов И.В., Конов М.М., Тимофеев Д.В., Синицын A.A. Разработка ультразвукового широкополосного мозаичного низкочастотного пьезопреобразователя с ограниченной апертурой. // Дефектоскопия. - 2010. №9. С.

60. Соколов И.В, Синицын A.A. и др. Способ ультразвукового контроля. Патент РФ № 2444009 от 27.02.2012

61. Соколов И.В, Синицын A.A. и др. Способ ультразвукового контроля структуры материала. Патент РФ № 2442154 от 10.02.2012

62. Соколов И.В, Синицын A.A. и др. Способ ультразвуковой эхо-импульсной толщинометрии. Патент РФ № 2442769 от 27.06.2011

63. Синицын A.A. Соколов И.В. Разработка и исследование ультразвукового широкополосного мозаичного пьезопреобразователя с поперечным возбуждением пьезоэлементов. 17 Международная НИ конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. В 3-х т. Т. 1. М.: Издательский дом МЭИ, 2011. - С. 474

65. Синицын А.А.,Соколов И.В. Разработка ультразвукового низкочастотного широкополосного мозаичного преобразователя с сухим акустическим контактом - элемента фазированной антенной решётки томографа бетонных изделий. Девятнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. В 3-х т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. - С. 125

66. Карташов В.Г., Воронкова JI.B., Шалимова, Е.В.,Синицын A.A. «Выбор оптимального шага перемещения преобразователя при ультразвуковом контроле сложноструктурных изделий». Измерительная техника. 2011. № 11 С. 48-51

67. Описание преобразователя компании «Априори Системе» с эластичным протектором http://aprioris.ru/

68. Описание промышленных преобразователей с точечным эластичным контактом. Федеральный научно-производственный центр «Алтай» http://frpc.secna.ru/

69. ГОСТ 263-75 МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ПО ШОРУ А ДЛЯ РЕЗИНЫ

70. Синицын A.A., Соколов И.В. Исследование свойств различных материалов для создания акустического контакта широкополосных мозаичных ультразвуковых преобразователей. Тез.докл. Восемнадцатой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. . Тез. докладов. Т.1. М.Изд.дом МЭИ,2012. С. 156

АКТ

внедрения результатов диссертационной работы аспиранта «НИУ «МЭИ» Синицына A.A. «Разработка и исследование низкочастотных широкополосных мозаичных пьезопреобразователей для средств ультразвукового неразрушающего контроля»

Результаты научных исследований, полученные аспирантом МЭИ Синицыным A.A. в рамках его диссертационных исследований по созданию новых ультразвуковых низкочастотных широкополосных мозаичных преобразователей для ультразвукового контроля протяжённых сложноструктурных изделий из бетона, были использованы в ЦНИИ РТК в процессе выполнения ОКР «Линкор-ЛД», выполняемых в рамках Гособоронзаказа.

В ЦНИИ РТК были использованы следующие результаты:

1) в измерительном комплексе для контроля специальных бетонных изделий были использованы созданные аспирантом Синицыным A.A. УЗ низкочастотные широкополосные малоапертурные преобразователи для фазированных антенных решёток;

2) для измерения скорости акустических колебаний при контроле бетонных изделий были использованы разработанные аспирантом Синицыным A.A. специализированные ультразвуковые низкочастотные преобразователи;

3) для обеспечения сухого акустического контакта между УЗ преобразователями и поверхностью бетонных изделий были использованы предложенные аспирантом Синицыным A.A. согласующие эластичные протекторы.

Начальник отдела

специальной техники

O.A. Шмаков