Применение радиотехнических методов обработки сигналов при ультразвуковом неразрушающем контроле сложноструктурных изделий

1.1.

Актуальность темы

Постановка задачи.

Ультразвуковая (УЗ) локация материалов и изделий для целей неразрушающего контроля (НК) начала развиваться в 30-е г. г. XX века одновременно с развитием радиолокации. В первые годы своего развития метод УЗ локации сред (запатентованный в 1928 г. В. Я. Соколовым [1]) ничем не отличался от метода радиолокации. Однако, в последующие годы основное развитие УЗ методов локации сосредоточилось в основном на проблемах акустики, вопросах методики контроля и т. п.

На протяжении многих лет УЗ методы локации разрабатывались для НК изделий из металлов, в которых УЗ волны распространяются, как правило, без значительных ослаблений. УЗ контроль металлов проводят на относительно высоких частотах (3−5 МГц) с помощью так называемого метода ударного возбуждения. Отраженные от дефектов УЗ эхо-сигналы после акустоэлектрического преобразования в приёмном пьезопреобразователе (1111) и усиления поступают непосредственно на устройства индикациикакая-либо специальная радиотехническая обработка эхо-сигналов в традиционных приборах УЗ локации (дефектоскопах, толщиномерах) не производится. По амплитуде и времени запаздывания эхо-сигналов судят о наличии, местоположении и параметрах дефектов.

В 1960;е годы стали широко использоваться новые конструкционные материалы — полимерные композиционные материалы (ПКМ) или композиты. Такие материалы разрабатывались для оборонной, авиационной и космической промышленности. Очевидно, что изделия из ПКМ для этих отраслей должны иметь 100-процентную гарантию качества. По этой причине параллельно с развитием индустрии КМ развивались методы и приборы НК изделий из композитов, среди которых основное место занимают УЗ методы контроля. Особенностью КМ является их большое разнообразиепри этом почти каждый новый материал обладает своими уникальными свойствами. По этой причине для каждого качественно нового материала приходилось создавать свой метод (устройство) УЗ контроля. Другой особенностью композитов является сложная неоднородная структура и высокое частотно-зависимое затухание УЗ сигналов, поэтому контроль КМ проводят на низких частотах порядка 100 КГц. Однако, и на таких частотах при локации относительно протяженных изделий УЗ волны сильно ослабеваютвозникает проблема обнаружения эхо-сигналов на фоне белого шума приёмной части аппаратуры контроля. Сложная неоднородная структура ПКМ приводит к многочисленным отражениям от элементов структуры, маскирующим УЗ эхо-сигналы от дефектов. Возникает проблема обнаружения и выделения эхо-сигналов из коррелированной помехиструктурного шума. Тем самым, спустя много лет после создания УЗ локации изделий возникла проблема помехоустойчивого контроля, во многом схожая с проблемой помехоустойчивой радиолокации. Все это обусловило появление комплекса проблем УЗ контроля, которые раннее не рассматривались в традиционной УЗ локации:

Во-первых, появилась необходимость разрабатывать специальные высокочувствительные методы контроля ПКМ, обеспечивающие обнаружение и выделение УЗ эхо-сигналов от дефектов из шумов и помех, точное измерение параметров сигналов, замаскированных и искаженных шумами и помехами. При этом для увеличения чувствительности УЗ контроля приходится использовать относительно низкие частоты УЗ сигналов (около 100 КГц), что, в свою очередь, осложняет проблему разрешающей способности и точности измерения эхо-сигналов.

Во-вторых, оказалось, что обеспечить НЧ помехоустойчивый контроль разнообразных сложноструктурных изделий невозможно с помощью только какого-то одного метода (как это делается в традиционных приборах УЗ контроля изделий из металлов), — решить все появляющиеся проблемы возможно, только используя разнообразные сигналы и различные методы их обработки. Тем самым, появилась необходимость разрабатывать многофункциональную аппаратуру УЗ контроля — аппаратуру, которая должна позволять гибко (программным способом) организовывать различные методы контроля, использовать различные сигналы и методы их обработки, менять параметры используемых сигналов для каждого нового изделия из ПКМ.

Следует отметить, что проблема выделения эхо-сигналов из шумов и помех (как и проблема искажения эхо-сигнала в ЭАТ) всегда присутствовала в традиционной УЗ дефектоскопии, этой проблемой занимались многие ведущие ученые (Ермолов И.Н., Гурвич А. К., Щербинский В. Г. и др.). Однако, из-за чрезвычайной сложности эта проблема долгие годы не получала должного развития ни в нашей стране, ни за рубежом. Действительно, разрабатывать для УЗ неразрушающего контроля относительно недорогих изделий из металлов дорогую многофункциональную аппаратуру (особенно в те годы, когда отсутствовала соответствующая элементная база, не было высокопроизводительной и дешевой вычислительной техники) было нецелесообразно. Только при появлении изделий из композитов, используемых в оборонной и авиа-космической промышленности, вопрос разработки специальной аппаратуры помехоустойчивого контроля ПКМ был решен, т.к. требования к надёжности изделий из ПКМ были чрезвычайно высоки. В нашей стране была создана Программа по разработке специализированных устройств неразрушающего контроля изделий из ПКМ. В рамках этой Программы в середине 1960;х годов на кафедре Электронные приборы МЭИ была организована научная группа для разработки УЗ методов неразрушающего контроля ПКМ. Основное направление этой научной группы заключается в использовании радиотехнических методов обработки сигналов для решения проблем помехоустойчивого УЗ контроля изделий из ПКМ. В процессе решения указанных проблем в МЭИ было создано новое научное направление УЗ дефектоскопии, которое сегодня можно характеризовать как «УЗ помехоустойчивая дефектоскопия» [1,2].

На первом этапе (1970 — 1990 г. г.) разработки помехоустойчивых методов НК в традиционный УЗ контроль были привнесены известные радиотехнические методы — применялись известные из радиолокации, техники связи сложномодулированиые (ЧМ, ФМ) сигналы и методы их обработки. Эти радиолокационные сигналы в первом приближении вполне удовлетворительно решали задачу чувствительности контроля крупногабаритных изделий с большим затуханием ультразвука. Однако, они были созданы для радиолокации, при их применении не учитывались особенности УЗ контроля сложноструктурных изделий с большим частотно-зависимым затуханием ультразвука, с таким разбросом характеристик материалов и наличием огромного числа структурных отражателей. В УЗ дефектоскопии появились специфические задачи использования сложномодулированного сигнала с длительностью элементарного импульса в 1−2 периода несущей частотызадачи измерения временного положения эхо-сигнала с точностью до доли периода несущей частоты. В УЗ дефектоскопии происходит двойное электроакустическое преобразование сигналов, сопровождающееся их существенным искажением. Эти особенности УЗ контроля потребовали разработки сложномодулированных сигналов, методов обработки сигналов специально для задач УЗ локации указанных изделий. Начиная с 1990;х г. г. на кафедре «Электронные приборы» МЭИ проводятся исследования именно в этом направлении. В частности, был разработан принципиально новый гибкий адаптивный высокочувствительный способ ультразвукового эхо-контроля (так называемый сплит-способ) и соответствующий этому способу класс «дефектоскопических» сигналов (сплит-сигналы) [3,4]. В этих сигналах можно гибко менять параметры сигнала (среднюю частоту, базу, форму амплитудного спектра) в процессе контроля, подстраиваясь под характеристики контролируемого изделия с целью учета возможных искажений сигналов в контролируемой среде и возможной компенсации этих искажений, как на стадии генерации сигнала, так и на стадии обработки. Очевидно, что такой гибкий адаптивный высокочувствительный способ ультразвукового эхоконтроля может быть реализован только с помощью специальной гибкой многофункциональной программно-управляемой аппаратуры. Разработка такой аппаратуры для реализации указанного сплит-способа, а также любых иных методов УЗ контроля и являлась одной из задач настоящей диссертационной работы.

Среди многочисленных проблем УЗ помехоустойчивой локации протяженных сложноструктурных изделий приоритетной является проблема обнаружения и выделения эхо-сигналов из шумов и помех, и только после этого появляется проблема измерения параметров эхо-сигнала. При этом точность измерения параметров иногда уходит на второй план, т. к. сам факт установления наличия дефекта в ответственных изделиях из ПКМ зачастую является достаточным результатом для отбраковки изделия. Однако, при использовании относительно низкочастотных УЗ сигналов проблема точности измерения параметров сигнала выходит на первый план, т.к. длительность НЧ волны УЗ колебания иногда бывает сопоставимой с габаритами изделия. Таким образом, по мере развития методов обнаружения и выделения НЧ УЗ эхо-сигналов из шумов и помех появляется необходимость более точно оценивать координаты и параметры дефекта, более точно определять габариты протяженного сложноструктурного изделия. Решение этой проблемы также является одной из задач настоящей диссертации.

1.2. Научная новизна.

1.2.1. Предложен и реализован модифицированный сплит-алгоритм, позволяющий гибко менять параметры сплит-сигнала в процессе контроля, подстраиваясь под характеристики ЭАТ, характеристики контролируемого изделия с целью повышения чувствительности контроля и компенсаций возможных искажений сигналов.

1.2.2. Рассмотрена проблема точности локализации дефектов при УЗ НЧ контроле протяженных сложноструктурных изделий. Показано, что при НЧ УЗ контроле изделий возникают искажения сигнала в ЭАТ (в электроакустическом преобразователе), влияющие на возможность обнаружения и качество измерения параметров сигнала. Был предложен метод минимизации искажений УЗ эхо-сигнала в ЭАТ за счёт применения «гибкого» сложномодулированного сплит-сигнала, позволяющего осуществлять компенсацию искажений спектра эхо-сигнала в процессе контроля.

1.2.3. Создан действующий макет компьютерной многофункциональной аппаратуры, обеспечивающий функционирование сплит-алгоритма и сплит-метода контроля, а так же позволяющий реализовать программным способом любые сложномодулированные сигналы, различные методы их обработки и различные методы УЗ локации изделий.

1.2.4. Разработаны метод выделения УЗ эхо-сигнала из структурного шума при одноканальном контроле за счёт временной декорреляции (с использованием вейвлет-обработки) и частотной декорреляции сигналов.

5.7. Выводы по разделу 5.

В этом разделе кратко изложены принципы разработанного автором компьютерного многофункционального устройства ультразвуковой локации сложноструктурных изделий. Приведены основные сведения по программному обеспечению комплекса и практическим реализациям алгоритмов контроля и обработки сигналов. Также в ней приведено подробное описание интерфейса оператора — панели управления комплекса.

В разделе приведены некоторые результаты практического решения задач УЗ контроля изделий из сложноструктурных материалов, которые подтвердили широкие возможности комплекса. В частности, приведены результаты, подтверждающие основные положения, выносимые на защиту: возможность повышения точности измерения геометрических параметров сложноструктурных изделий при использовании сложномодулированных сигналов (в том числе и сплит-сигналов) с использованием предложенных автором устройств и методов обработки сигналов.

Все результаты получены с помощью разработанного автором настоящей диссертации компьютерного многофункционального устройства УЗ локации, обеспечивающего генерацию и обработку любых сигналов программным способом. Результаты экспериментов подтвердили работоспособность прибора и ключевые характеристики контроля, такие как, возможность повышать точность определения толщины за счёт использования метода компенсации искажений в ЭАТ, возможность обеспечивать высокую разрешающую способность контроля, возможность обеспечивать предельную (для условии контроля конкретного изделия) дальность (чувствительность) контроля при использовании сплит-сигнала и модифицированного сплит-метода.

6.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе были впервые поставлены и решены проблемы высокоточного измерения координат дефектов протяженных сложноструктурных изделий при УЗ низкочастотном контроле изделий из ПКМ, бетонов, некоторых видов металлов. Разработаны методы такого высокоточного контроля, разработана аппаратура и осуществлен УЗ контроль ряда протяженных сложноструктурных изделий.

Было показано, что задача точного измерения координат дефектов (габаритов контролируемого изделия) становится чрезвычайно актуальной при контроле изделий с большим затуханием ультразвука и сложной неоднородной структурой. В этом случае приходится производить УЗ контроль на относительно низких частотах (от 100 КГц и ниже) короткими сигналами, протяженность которых составляет 1−2 периода колебаний. Длина УЗ волны в изделии на таких частотах становится сопоставимой с габаритами изделия (X «L). Поэтому, а также из-за искажений НЧ УЗ эхо-сигнала возникают значительные погрешности в определении временного положения УЗ эхо-сигнала.

В диссертации показывается, что проблема точного измерения временного положения эхо-сигнала обусловлена особенностями НЧ УЗ контроля протяженных сложноструктурных изделий, вызывающими появление:

— погрешности, обусловленной искажениями УЗ эхо-сигнала в электроакустическом тракте: (в первую очередь в изделии с частотно-зависимым коэффициентом передачи акустического сигнала и в пьезопреобразователях с неравномерной АЧХ);

— погрешности, обусловленной искажениями эхо-сигнала шумами приемного тракта прибора (в основном белым шумом);

— погрешности, обусловленной искажениями эхо-сигнала коррелированными помехами (в основном структурным шумом).

В диссертации показывается, что:

— искажения эхо-сигнала, возникающие из-за сильного ослабления эхо-сигнала и искажения его белым шумом, возможно устранить за счёт использования сложномодулированных сигналов с последующей оптимальной фильтрацией эхо-сигналов. В диссертации показаны пути выделения УЗ эхо-сигналов из белого шума за счёт использования предложенных в МЭИ и реализованных в настоящей работе помехоустойчивых сложномодулированных сплит-сигналов с последующей их стит-обработкой.

— искажения эхо-сигнала, возникающие в электроакустических преобразователях при определенных условиях контроля, возможно компенсировать, используя разработанные в МЭИ специально для задач УЗ контроля сложномодулированные сплит-сигналы. При этом устраняется искажение эхо-сигнала в ПП, т. е. обеспечивается достоверность информации о структуре и характеристиках контролируемого изделия.

В диссертации даётся анализ коррелированного с зондирующим сигналом структурного шума. Проводится натурное моделирование структурного шума. Проводится анализ погрешностей при измерении эхо-сигнала от дефекта, замаскированного структурным шумом. Показывается, что искажения эхо-сигнала коррелированным структурным шумом при одноканальном контроле возможно минимизировать с помощью временного разделения сигналов (с использованием вейвлет-обработки) и с помощью частотного разделения УЗ сигналов.

В диссертации показывается, что для выделения эхо-сигналов из шумов и помех и устранения искажений УЗ эхо-сигнала следует использовать различные сложномодулированных сигналов (ЧМ, ФМ, сплит-сигналы) и различные процедуры обработки этих сигналов. Для реализации многочисленных сигналов, алгоритмов их обработки в настоящей работе был разработан и реализован действующий макет многофункционального адаптивного прибора. В этом многофункциональном приборе программным способом осуществляется генерация любого сложномодулированного сигнала (в том числе и сплит-сигнала), обеспечивается адаптивная подстройка параметров зондирующего сигнала (база, частота, и др.) под характеристики контролируемого изделия. В приборе также предусмотрена возможность осуществления различных вариантов обработки эхо-сигнала (синхронное детектирование, двухканальная квадратурная обработка, оптимальная фильтрация, вейвлет-обработка и др.), выбор которых осуществляется в процессе работы программным путем в зависимости от условий контроля.

С помощью разработанного многофункционального УЗ прибора в диссертации были подтверждены теоретические предпосылки по осуществлению высокоточного измерения УЗ эхо-сигналов. С помощью УЗ многофункционального прибора были проконтролированы ряд сложноструктурных изделий из полимерных композиционных материалов, бетона, некоторых сложноструктурных металлов. В том числе были проконтролированы такие памятники Отечественной культуры, как колокола на звоннице Ивана Великого в Московском Кремле, колокола строящегося храма Христа Спасителя в г. Москве. Была показана возможность эхо-контроля Царь Колокола в процессе предполагаемой реставрации фундамента колокола.