Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы уз контроля крупногабаритных сложностркутурных изделий из бетона . 12
1.1. Проблема обнаружения эхо-сигналов, замаскированных белым шумом. 12
1.2. Проблема обнаружения УЗ эхо-сигналов на фоне сигнала структурного шума . 14
1.3. Особенности УЗ низкочастотного контроля. 15
1.4. Современное состояние проблемы по разработке ультразвуковых низкочастотных широкополосных пьезопреобразователей. 19
1.5. Особенности работы раздельно-совмещенных НЧ преобразователей в составе УЗ толщиномеров. 27
1.6. Выводы по разделу 1. 29
2. Разработка комплекса пространственных характеристик для создания и оптимизации ультразвуковых низкочастотных преобразователей с заданными частотными и пространственными характеристиками 31
2.1. Выбор параметров УЗ низкочастотного широкополосного ПЭП для контроля сложноструктурных изделий из бетона при ограниченной площади контакта преобразователя с изделием. 31
2.2. Способы и возможности оценки пространственных свойств ультразвуковых широкополосных низкочастотных преобразователей . 34
2.3. Интегральные способы представления пространственных характеристик УЗ широкополосных низкочастотных преобразователей 38
2.4. Использование пространственных характеристик для создания УЗ мозаичных широкополосных ПЭП с максимально равномерным акустическим полем 42
2.5. Выводы по разделу 2. 48
3. Мозаичные низкочастотные широкополосные пьезопреобразователи с ограниченной апертурой 50
3.1. Методология и технология проектирования и изготовления УЗ широкополосных мозаичных ПЭП на основе использования разновысоких стержневых ПЭ с продольным пьезоэффектом. 50
3.2. Конструирование и изготовление низкочастотных раздельно-совмещенных широкополосных мозаичных ПЭП с ограниченной апертурой. Технологические пути решения проблемы минимизации амплитуды сигнала электроакустической наводки. 63
3.3. Алгоритмический метод компенсации сигнала электроакустической наводки и сигнала собственных реверберационных шумов. 74
3.4. Выводы по разделу 3. 75
4. Композитно-мозаичный ПЭП . 77
4.1. Предпосылки создания многоканального композитно-мозаичного ПЭП. 77
4.2. Моделирование работы композитно-мозаичного ПЭП. 79
4.3 Пространственно-временные алгоритмы. 82
4.4 КМПЭП на базе 12 элементного преобразователя с СТК. 94
4.5 Экспериментальная установка и результаты практического испытания многоканального преобразователя на базе ПЭП с СТК. 96
4.6 Композитно-мозаичный пьезоэлектрический преобразователь 99
4.7. Сравнительные результаты применения предложенных алгоритмов, зарегистрированных КМПЭП и АР с СТК. 100
4.8. Сравнительные результаты применения предложенных алгоритмов в отношении полезный сигнал/структурный шум для КМПЭП. 102
4.9. Применение КМПЭП для толщинометрии изделий из бетона с неплоскопараллельными поверхностями. 103
4.10 Выводы к разделу 4 109
5. Исследование и разработка эластичных протекторов уз пэп для контроля изделий с неровной и шероховатой поверхностью 111
5.1. Проблемы акустического контакта УЗ ПЭП с контролируемым изделием. 111
5.2. Разработка эластичных протекторов из силиконовых каучуков. 113
5.3. Выводы по разделу 5. 120
Заключение 122
Список использованной литературы 124
- Проблема обнаружения УЗ эхо-сигналов на фоне сигнала структурного шума
- Способы и возможности оценки пространственных свойств ультразвуковых широкополосных низкочастотных преобразователей
- Конструирование и изготовление низкочастотных раздельно-совмещенных широкополосных мозаичных ПЭП с ограниченной апертурой. Технологические пути решения проблемы минимизации амплитуды сигнала электроакустической наводки.
- Композитно-мозаичный пьезоэлектрический преобразователь
Введение к работе
Актуальность темы.
Существует ряд строительно-эксплуатационных задач, при которых необходимо ультразвуковыми (УЗ) методами измерять толщину элементов строительных конструкций из сложноструктурного бетона. Задачи осложняются тем, что для выполнения измерений оказывается доступным ограниченный участок криволинейной поверхности изделия или измерения необходимо производить изнутри технологических отверстий, причем при сухом контакте рабочей поверхности пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) с поверхностью контролируемого изделия (рис.1). При этом величина измеряемой толщины, как правило, лежит в диапазоне от 50 до 500 мм, поперечный размер доступной поверхности контакта не более 150 мм, а диаметр технологических отверстий не более 100 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:
толщины
Рис.1. Измерение
бетонного изделия с помощью ПЭП
при ограниченной величине площади
контакта преобразователя с
поверхностью контролируемого
изделия
-
Большое частотно-зависимое затухание УЗ сигналов в сложноструктурном бетоне определяет низкую частоту /0 УЗ контроля лежащую в диапазоне частот от 60 до 150 кГц. Высокая точность измерений толщины возможна лишь при использовании в качестве возбуждающих радиоимпульсных сигналов длительностью не более 1-2 периода несущей частоты, что определяет широкую полосу А/ электроакустического преобразования низкочастотных (НЧ) ПЭП: 50%<А///0<\00%.
-
Значительная толщина предполагаемых к контролю изделий, составляющая несколько сотен мм, и связанное с этим существенное ослабление амплитуды эхо-сигнала (до 60...80 дБ) предполагает создание ПЭП с максимально возможным значением коэффициента электроакустического преобразования.
-
Сложная структура бетона обуславливает высокий уровень структурного шума (СШ), сильно коррелированного с возбуждающим импульсом, что требует разработки пьезопреобразователей с соответствующими пространственными характеристиками, обеспечивающими высокое отношение амплитуд донного эхо-сигнала и структурного шума (С/Ш).
-
Условие ограниченной величины площади контакта и необходимость контроля изнутри технологических отверстий предполагает ограниченную величину апертуры D широкополосного ПЭП и предполагает конструирование раздельно-совмещенных (PC) 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 гарантировать высокую эффективность излучения и приема акустических сигналов с неровной, шероховатой и неплоской поверхности изделия без использования контактных жидкостей.
Указанные противоречивые требования определили актуальность разработки и создания нового типа низкочастотных широкополосных композитно-мозаичных пьезоэлектрических УЗ преобразователей с независимым управлением каждым элементом мозаики для решения задач толщинометрии крупногабаритных изделий из бетона и железобетона при ограниченной площади поверхности контакта ПЭП с изделием, в том числе и изнутри технологических отверстий.
Цель работы
Цель работы - создание УЗ преобразователей для толщинометрии бетонных и железобетонных конструкций со сложной, неплоской и ограниченной по площади поверхностью доступа.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Создание УЗ широкополосных низкочастотных композитно-мозаичных пьезопреобразователей с ограниченной апертурой, которые характеризуются широкой полосой высокоэффективного электро-акустического преобразования, акустическим полем, оптимизированным по критерию максимального отношения сигнал/структурный шум, малым уровнем электроакустической наводки, а также сухим контактом преобразователя с неровной поверхностью бетонного изделия.
-
Разработка системы независимого возбуждения/регистрации сигнала для каждого элемента мозаики, с целью реализации различных алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов, позволяющей уменьшить погрешность измерения толщины за счет увеличения отношения сигнал/структурный шум и уменьшения уровня и протяженности сигнала электроакустической наводки.
3. Разработка и модификация алгоритмов пространственно-временной
обработки сигналов (в том числе и алгоритма САФТ), позволяющих повысить
достоверность УЗ толщинометрии, минимизировать уровень электроакустической
наводки и повысить отношение сигнал/структурный шум.
4. Разработка и исследование пространственно-временных характеристик
(ПВХ) широкополосных пьезопреобразователей, позволяющих оптимизировать
по различным критериям их акустическое поле.
5. Разработка технологии изготовления малоапертурных мозаичных
преобразователей (в том числе на основе использования пьезоэлементов с
поперечным пьезоэффектом), являющихся элементами композитного (составного)
ПЭП.
6. Разработка 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 при создании УЗ НЧ мозаичных широкополосных ПЭП, проведенных в МЭИ с 2009 по 2013 г.г. в процессе выполнения х/р и г/б НИР и ОКР по программам Минобрнауки РФ, Минобороны РФ с участием автора.
Научная новизна.
-
Поставлена и решена задача конструирования УЗ низкочастотных широкополосных композитно-мозаичных преобразователей (КМПЭП), состоящих из акустически и электрически независимых малоапертурных элементов с раздельным возбуждением/регистрацией сигнала для каждого элемента с помощью различных пространственно-временных алгоритмов (в том числе и с помощью алгоритма САФТ), применение которых в составе ультразвуковых толщиномеров обеспечивает измерение толщины конструкций и изделий из железобетона с ограниченной площадью доступной поверхности сложной формы.
-
Разработаны различные алгоритмы раздельного возбуждения/регистрации сигнала для каждого элемента КМПЭП, применение которых расширяет диапазон надежно измеряемых толщин контролируемых изделий, минимизирует уровень и длительность электроакустической наводки, повышает отношение донный сигнал/структурный шум, обеспечивает повышенную точность толщинометрии.
-
Предложена новая и модернизирована существующая пространственно-временные характеристики УЗ широкополосного пьезопреобразователя (пространственная АЧХ, корреляционное пространственное поле), позволяющие анализировать акустическое поле ПЭП и синтезировать топологию широкополосного ПЭП, формирующего акустическое поле желаемой формы при минимизации амплитуды акустической наводки в PC ПЭП.
-
Разработаны и реализованы на практике новые технологии изготовления мозаичных преобразователей, в том числе на основе использования пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом.
-
Разработана новая разновидность эластичных протекторов на базе силиконовых каучуков, обеспечивающих надежный сухой акустический контакт ПЭП с неподготовленной поверхностью изделия из сложноструктурного бетона.
Практическая значимость и внедрение результатов работы
1. Разработанные интегральные пространственно-временные
характеристики широкополосных мозаичных преобразователей, технология их изготовления на основе использования 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, горные породы, 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 ПК крупногабаритных сложноструктурных изделий». ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-12 г.г. (проект № Ш137).
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 были использованы в ЦНИИРТК (г. Санкт-Петербург).
Основные положения, выносимые на защиту.
-
УЗ низкочастотный широкополосный композитно-мозаичный (многоэлементный) пьезопреобразователь, состоящий из акустически и электрически независимых малоапертурных элементов с раздельным возбуждением/регистрацией сигнала для каждого элемента с помощью различных пространственно-временных алгоритмов (включая алгоритмы САФТ), применение которых уменьшает погрешность измерения толщины изделий из сложноструктурного бетона за счет увеличенного отношения сигнал/структурный шум и низкого уровня сигнала электроакустической наводки.
-
Интегральные пространственно-временные характеристики УЗ широкополосных пьезопреобразователей (корреляционное пространственное поле, пространственная амплитудно-частотная характеристика широкополосного ПЭП), позволяющие анализировать акустические поля ПЭП и синтезировать топологию широкополосного ПЭП, формирующего акустическое поле желаемой формы.
3. Способ подавления сигнала электроакустической наводки в PC
преобразователях, заключающийся в регистрации при отсутствии акустического
контакта ПЭП с поверхностью контролируемого изделия сигнала
электроакустической наводки, позиционировании пьезопреобразователя на
поверхности контролируемого изделия в точке контроля, регистрации комплекса
эхо-сигналов и последующем вычитании из комплекса эхо-сигналов
запомненного сигнала электроакустической наводки.
-
Технология изготовления УЗ низкочастотного широкополосного мозаичного (многоэлементного) пьезопреобразователя на основе использования разновысоких пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом.
-
Технология изготовления эластичных протекторов на основе силиконовых каучуков, обеспечивающих надежный 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).
Проблема обнаружения УЗ эхо-сигналов на фоне сигнала структурного шума
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 ].
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 5(/) для бетона на рис. 1.2). Вместе с тем, контроль на низких частотах порождает ряд новых проблем (см. раздел 1.3).
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 ги корреляции сигнала структурного шума, значение которого характерно для каждого материала. Обычно в средах с мелкозернистыми неоднородностями Гк{\-2) и для бетона значение гЛ 20 -30 мм [18-19]. Причем величина ги существенно зависит от плотности упаковки неоднородностей, их формы, размера D 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 N A раз, что означает увеличение отношения ИС/СШ в JSfA 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 ППі…ППлг. В этом случае матрица составных приемных преобразователей ППі–ПП 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 ППі–ПП/, должен представлять собой самостоятельный широкополосный ПЭП [20] .
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=Ы05 Гц и скорости УЗК С = 4000 м/с длина УЗ волны равна Х=СТо=С//о=4 103/1105=4 см. Это, в свою очередь, означает, что и лучевая разрешающая способность Sx=CTc/2 соизмерима с контролируемым размером. В ряде случаев частота/0150 - 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/fo 100%.
Следствием уменьшения частоты УЗ сигнала является увеличение угла в раскрыва диаграммы направленности НЧ ПЭП в arcsin(MT), 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 Z CP-IA, может оказаться сопоставимой с толщиной контролируемого изделия, Например, при диаметре апертуры преобразователя =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.
Способы и возможности оценки пространственных свойств ультразвуковых широкополосных низкочастотных преобразователей
Выбор параметров УЗ низкочастотного широкополосного ПЭП для контроля сложноструктурных изделий из бетона при ограниченной площади контакта преобразователя с изделием.
В предыдущем разделе были сделаны ряд основополагающих выводов, которые положены в основу методологии разработки и конструирования УЗ НЧ широкополосных преобразователей для эхо-импульсной толщинометрии сложноструктурных бетонных изделий при условии ограниченной площади сухого контакта преобразователя с контролируемым изделием.
В разделах 1.3 и 1.5 было показано, что при конструировании УЗ толщиномеров с использованием УЗ низкочастотных широкополосных преобразователей следует учитывать пространственные характеристики ПЭП, т.к. у УЗ НЧ широкополосных ПЭП форма акустического поля в пределах угла раскрыва ДН ПЭП в существенной мере влияет на погрешности результатов контроля.
В разделе 1.2, было показано, что выделение УЗ донного сигнала из структурного шума может быть осуществлено с помощью различных вариантов алгоритма пространственно-временной обработки сигналов (ПВОС). Один из таких алгоритмов реализуется сканированием ПЭП вдоль поверхности контролируемого изделия с шагом d и с последующим накоплением результатов парциальных измерений.
В разделе 1.4.3 было показано, что для контроля протяженных бетонных изделий с высоким интегральным затуханием УЗК следует использовать мозаичные широкополосные низкочастотные преобразователи. Действительно, практическая реализация упомянутого выше алгоритма ПВОС легко осуществляется с применением ВЧ широкополосных ПЭП, у которых раскрыв ДН не превышает 3-4 градусов. В [53] описан результат толщинометрии изделия из высокопрочной длительностью в один период несущей частоты, равной f0 = 1,25 МГц. Пьезопреобразователем служил широкополосный прямой РС ПЭП с f/f0 125% и апертурой L=20 мм. На рис.2.2,а показаны результаты одноканального контроля без какой Рис.2.1. УЗ НК изделия из сложноструктурной стали этом уровень СШ по-прежнему маскирует и искажает вторые, третьи донные эхо-сигналы. Существенное улучшение результатов контроля, выражающееся в повышении отношения «сигнал/структурный шум» на 15-20 дБ, было получено при сканировании раздельно-совмещенным преобразователем по поверхности изделия с одновременным накоплением 100 реализаций измерений (рис.2.2,г). Из этого эксперимента следует что: - предложенный алгоритм ПВОС в ряде практических применений позволяет повысить отношение ИС/СШ; - практически реализовать аналогичный алгоритм при контроле бетонного изделия (т.е. осуществить сканирование ПЭП-ем вдоль поверхности) не представляется возможным из-за ограничений на величину площади контакта и из-за отсутствия условий контакта ПЭП с неровной поверхностью бетона.
Таким образом, поставленная в диссертации проблема УЗ толщинометрии бетонного изделия может быть решена при использовании композитного (многоэлементного) ПЭП, в котором, во-первых, все элементы электрически и акустически развязаны между собой; во-вторых, имеется возможность независимого электрического доступа к каждому из элементов матрицы, причем каждый ПЭП может работать как в режиме излучения, так и в режиме приема; и в-третьих, каждый элемент такого композитного ПЭП должен быть низкочастотным, широкополосным и малоапертурным. Исходя из совокупности перечисленных требований, в рамках выполнения диссертационной работы был сконструирован, изготовлен и экспериментально исследован Рис.2.3. УЗ низкочастотный широкополосный композитно мозаичный ПЭП (КМПЭП). низкочастотный опытный образец широкополосного композитно мозаичного преобразователя (КМПЭП), представляющего собой матрицу ПЭП размерностью 4х4=16 широкополосных низкочастотных элементов (средняя частота /0=80 кГц, /7/70-80%), изготовленных по мозаичной технологии. Величина апертуры каждого элемента КМПЭП выбирается минимально возможного размера из условия D min, где min - длина акустической волны на максимальной частоте спектра возбуждающего сигнала (для верхней частоты спектра 140 кГц была выбрана апертура D=25 мм).
Внешний вид мозаичного НЧ широкополосного КМПЭП с раздельным управлением элементами мозаики показан на рис.2.3, на котором видны разработанные в диссертации специальные эластичные силиконовые протекторы квадратной формы, обеспечивающие высокое качество акустического контакта (см. главу 5). Величина апертуры КМПЭП составляет 120х120 мм.
Способы и возможности оценки пространственных свойств ультразвуковых широкополосных низкочастотных преобразователей. Как было отмечено в предыдущем разделе, при проектировании и испытаниях широкополосных ПЭП весьма актуальной является задача создания нового анализаторного инструментария, т.е. определения новой совокупности характеристик, параметров и критериев, предназначенных для проведения максимально полного, объективного анализа и сравнительной количественной оценки пространственных свойств УЗ НЧ широкополосных ПЭП. Причем желательно, чтобы предлагаемые критерии одинаково объективно и полно позволяли оценивать дефектоскопическое качество как, в частности, малоапертурных ПЭП, являющихся структурным элементом КМПЭП, так и композиционно-мозаичных широкополосных ПЭП в целом. Наиболее очевидно это задача проявляется, а решение оказывается востребованном на заключительном этапе проектирования и изготовления ПЭП с равномерной, сглаженной картиной акустического поля, обеспечивающего максимально достоверное, неискажающее прямое и обратное электроакустическое преобразование широкополосных сигналов, как для ближней, так и для дальней зоны ПЭП [54]. Таким образом, очевидно, что перед началом разработки алгоритмов и методик изготовления УЗ НЧ ПЭП необходимо создание адекватного инструментария, позволяющего проводить объективный, однозначный и достоверный анализ пространственно-временных характеристик УЗ НЧ широкополосных ПЭП.
Конструирование и изготовление низкочастотных раздельно-совмещенных широкополосных мозаичных ПЭП с ограниченной апертурой. Технологические пути решения проблемы минимизации амплитуды сигнала электроакустической наводки.
Рассмотренная в предыдущем разделе технология создания малоапертурного мозаичного широкополосного ПЭП позволяет синтезировать элементы АР со средней частотой f0 200 кГц и полосой f 100200 кГц. Однако эта технология изготовления малоапертурного ПЭП из пьезоэлементов с продольным пьезоэффектом не позволяет создавать еще более низкочастотные широкополосные ПЭП, так как для снижения резонансной частоты отдельных ПЭ до 50 - 70 кГц требуется увеличение их резонансной высоты до 25 – 30 мм, вследствие чего, снижается эффективность их возбуждения на требуемой резонансной частоте.
Таким образом, для снижения рабочей частоты малоапертурного широкополосного низкочастотного преобразователя (элемента АР) до 50 кГц и ниже (для обеспечения полосы f 50 - 150 кГц) была разработана принципиально иная мозаичная технология, обеспечивающая одновременно высокую эффективность электроакустического преобразования и широкую полосу АЧХ (с относительной полосой f/f0(70100)%). Такой низкочастотный мозаичный малоапертурный преобразователь сформирован из пластинчатых ПЭ с поперечным пьезоэффектом, в которых направление электрического поля ортогонально направлению излучения УЗ волны [63].
Для создания одного такого малоапертурного мозаичного ПЭП требуемой полосы частот (50 - 120 кГц) и малых габаритов (24х24 мм) используется набор из шести - семи пьезопластин толщиной h = 3 мм, шириной L = 20 мм с различной резонансной высотой Hрез, лежащей в диапазоне от 13,5 до 26 мм.
Точные значения резонансных высот f0 рассчитывались в соответствии с соотношением: f0=K/h0 , где K = 1500 мм/кГц – коэффициент связи между размером и частотой для пьезокерамики ЦТС-19. Значения
В качестве исходных пьезоэлементов использовались пьезокерамические диски диаметром D = 40 мм и толщиной h = 3 мм (рис.3.6,а). Заготовки, полученные из такого диска, имеют технологическое "скругление" одного торца, что обеспечивает дополнительные приливы эпоксидной смолы в углах преобразователя для обеспечения необходимой прочности контактной поверхности. Кроме того, скругление обеспечивает большую широкополосность каждого пьезоэлемента, исключая выраженные резонансные размеры. Для обеспечения надёжной пайки металлизированная поверхность диска полировалась (рис.3.6,б) с целью удаления окисла серебра на поверхности ПЭ. Далее происходила маркировка каждого ПЭ для определённости его поляризации (рис.3.6, в). Затем проводился "раскрой" ПЭ - разметка для сепарации на оборотной стороне ПЭ (рис.3.6,г). Схема раскроя пьезодисков 40х3 мм приведена на рис.3.6,д.
В результате были изготовлены наборы разнорезанансных пьезопластин, готовые для мозаичного пакетирования. Схема компоновки пьезоэлементов в пакете показана на рис.3.8,а. Необходимо отметить, что при сборке ПЭ в пакет необходимо учитывать направление вектора поляризации каждого из них. Для скрепления пьезопластин между собой и одновременно формирования сигнальных электродов по схеме, показанной на рис.3.8,б использовалась медная фольга с нанесённым на обе её стороны токопроводящим клеем. Этапы сборки ПЭ в пакет показаны на рис. 3.9.
Затем, каждый мозаичный пакет продольно сепарировался (как показано на рис. 3.10,а с целью повышения значения частоты паразитного поперечного резонанса. Частота fп.рез = 75 кГц на резонансном поперечном размере L = 20 мм повышалась до значения fп.рез = 150 кГц на резонансном поперечном размере L = 10 мм с целью выведения ее значения за пределы рабочего частотного диапазона.
После чего, к пакету припаивались два штырьковых вывода, один к сигнальной стороне пластины и второй к земляной, как показано на рис.3.10,б. Следует отметить, что на каждом этапе создания ПЭП после его склеивания в пакет отслеживалась его ёмкость (значения ёмкости ПЭП 1025 нФ) во избежание отделения выводов от пьезопластины или отслоения пластин друг от друга, приводящие к потери электрического контакта.
Далее, с помощью специально заготовленных силиконовых форм, формировался акустически прозрачный слой для излучающей поверхности ПЭП. В силиконовую форму (рис.3.11,а) заливался слой эпоксидной смолы достаточный для погружения в него мозаичного пакета на 10-20 процентов от его высоты. После высыхания этого слоя, конструкция полностью герметизировалась смесью эпоксидной смолы ЭД-20 и вольфрама в соотношении массовых долей 1:6, так, чтобы на поверхности оставались только электрические выводы. Таким образом, формировался корпус ПЭП (рис. 3.11,б) и, одновременно, происходило частичное демпфирование, что позволило снизить добротность каждого ПЭ, а, как следствие, расширить полосу частот всего ПЭП. На следующем этапе производилось формирование акустически прозрачного слоя для излучающей поверхности ПЭП с помощью силиконовых форм.
Композитно-мозаичный пьезоэлектрический преобразователь
Для определения количественных значений выигрыша в отношении полезный эхо-сигнал/структурный шум на итоговых реализациях был выбран временной диапазон, равный шестикратной длительности полезного эхо-сигнала взятой по уровню 0,5 от его максимума, с расположением этого максимума в центре диапазона (рис. 4.27,б).
Отношение полезный эхо-сигнал/структурный шум вычисляется как отношение амплитуды центрального максимума, соответствующего донному сигналу, к амплитуде экстремума реализации, отличного от этого максимума в заданном временном диапазоне.
Для случайно выбранной комбинации позиций излучающего и приёмного элемента КМПЭП, отношение полезный эхо-сигнал/структурный шум имеет отрицательное значение –4,5 дБ. При обработке сигналов по аддитивному алгоритму отношение полезный эхо-сигнал/структурный шум имеет значение 3,75 дБ. При обработке сигналов по виртуально раздельно совмещённому алгоритму отношение полезный эхо-сигнал/структурный шум имеет значение 2 дБ. При фокусировке на плоскость отношение полезный эхо-сигнал/структурный шум имеет значение 3,1 дБ. Таким образом, выигрыш по отношению полезный эхо-сигнал/структурный шум, при обработке сигналов по различным пространственно-временным алгоритмам, по сравнению с сигналом случайно выбранной комбинации позиций излучающего и приёмного элемента КМПЭП, составляет величину 68 дБ, в зависимости от применяемого алгоритма. Выигрыш по отношению полезный эхо-сигнал/структурный шум при применении аддитивного алгоритма, по сравнению с применением виртуально раздельно совмещённого алгоритма, составляет величину 1,75 дБ (1,22 раза). труднодоступны для измерения механическим измерительным инструментом. Особенно широко этот метод используют для определения толщины отдельных слоев многослойных конструкций, толщины объектов замкнутого типа или с односторонним доступом, например толщины стенок контейнмента – гермооболочки реакторного зала с внутренней металлической облицовкой и т.п. Обычно, измерения производят на эквидистантных (равноудаленных друг от друга), плоскопараллельных поверхностях или участках поверхности. По физическим принципам, используемым для измерения толщины, акустические толщиномеры делят на эхо-импульсные и резонансные. Резонансный метод применяют для контроля изделий с гладкими поверхностями. Изменение толщины в зоне измерения не должно превышать 8-10 %, при этом измеряется средняя толщина, а не наименьшее ее значение. В остальной области повсеместно применяют ультразвуковые эхо-импульсные толщиномеры - простые в управлении и компактные приборы, позволяющие с хорошей точностью измерять толщину объектов контроля.
Вместе с тем существует ряд задач измерения толщины и геометрии объектов с неплоскопараллельными стенами, например конических сооружений со стенами переменной толщины. Определение конфигурации сечений таких объектов возможно и с применением классических эхо-импульсных толщиномеров, но, для получения результата, необходимо осуществить несколько ультразвуковых измерений в различных точках на поверхности объекта, определить расстояние между этими точками и выполнить ряд математических расчетов. Такого рода измерения низкопроизводительны.
Описываемое техническое решение представляет собой компьютеризированный программно-аппаратный комплекс, одним из предназначений которого является ультразвуковая толщинометрия сложноструктурных строительных конструкций. Основными функциональными узлами комплекса являются "аппаратный узел КМПЭП", "узел программно-управляемого коммутатора" (демультиплексор мультиплексор) и "персональный компьютер с блоком ЦАП-АЦП", реализующий модифицированный "алгоритм фокусировки на плоскость", аналогичный алгоритму САФТ-К. Основное отличие между предлагаемым 104 "алгоритмом фокусировки на плоскость" и алгоритмом САФТ-К заключается в том, что последний алгоритм использует метод синтезированной фокусируемой апертуры с комбинационным зондированием (САФТ-К), при котором происходит фокусировка ультразвука в каждую точку полупространства. Вполне логичный алгоритм для поиска локальных акустических неоднородностей сферической формы, но дающий явно неудовлетворительные результаты чрезвычайно низкой помехоустойчивости при выполнении процедуры толщинометрии. В основу предлагаемого "алгоритма фокусировки на плоскость" положен принцип эхо-локации протяженных, в частности, плоских объектов. Следует отметить, что основное отличие КМПЭП от современных АР заключается в его двухмерности, что позволяет, с помощью "алгоритма фокусировки на плоскость", осуществлять не только толщинометрию плоскопараллельных бетонных конструкций, но и определять профиль конструкций иной формы, например, клинообразной.
Алгоритм реализуется достаточно просто. Произвольно выбирается направление виртуального сканирования, например, вдоль строк КМПЭП (направление в общем случае может не совпадать с направлением преимущественной пространственной ориентации столбцов или строк КМПЭП). В этом случае, элементы КМПЭП будут образованы столбцами, как это показано на рис. 4.28.
