автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и создание ультразвуковых низкочастотных широкополосных мозаичных раздельно-совмещённых пьезопреобразователей с ограниченной апертурой

На правах рукописи

СИНИЦЫН Алексей Алексеевич

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ МОЗАИЧНЫХ РАЗДЕЛЬНО-СОВМЕЩЁННЫХ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ОГРАНИЧЕННОЙ АПЕРТУРОЙ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 НОЯ 2013

005538342

Москва-2013

005538342

Работа выполнена на кафедре "Электронные приборы" Национального исследовательского Университета "МЭИ"

Научный руководитель: доктор технических наук, с.н.с.

Соколов Игорь Вячеславович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Самокрутов А.А.

кандидат технических наук Барат В. А.

Ведущая организация: ФНПЦ ОАО ЦНИИ специальног машиностроения (г.Хотьково Московской обл.)

Защита состоится 11 декабря 2013 г. в часов на заседани диссертационного Совета Д520.010.01 ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР» по адресу: 119048, Москва, ул. Усачева, 35, строение 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИ МНПО «СПЕКТР»

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачева, 35, строение 1,

ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР», диссертационный Совет

Автореферат разослан " 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д520.010.01 доктор технических наук, профессор-

=Кузелёв Н.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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:

1. Большое частотно-зависимое затухание УЗ сигналов в сложноструктурном бетоне определяет низкую частоту fg УЗ контроля лежащую в диапазоне частот от 60 до 150 кГц. Высокая точность измерений толщины возможна лишь при использовании в качестве зондирующих радиоимпульсных сигналов длительностью не более 1-2 периода несущей частоты, что определяет широкую полосу Af электроакустического преобразования низкочастотных (НЧ) ПЭП: 50% <Af/f0 < 100%.

2. Значительная толщина предполагаемых к контролю изделий, составляющая несколько сотен мм, и связанное с этим существенное ослабление амплитуды эхо-сигнала (до 60...80 дБ) максимально возможным значением преобразования.

3. Сложная структура бетона обуславливает высокий уровень структурного шума (СШ), сильно коррелированного с зондирующим импульсом, что требует разработки пьезопреобразователей с соответствующими пространственными характеристиками, обеспечивающими высокое отношение амплитуд донного эхо-сигнала и структурного шума (С/Ш).

4. 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

3

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

поверхностью контролируемого изделия

предполагает создание ПЭП с коэффициента электроакустического

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:

1. 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.

2. 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.

1. Поставлена и решена задача конструирования УЗ низкочастотных широкополосных композитно-мозаичных преобразователей, 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.

2. Разработаны различные алгоритмы раздельного возбуждения/регистрации сигнала для каждого элемента композитного преобразователя, 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.

3. 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 РС ПЭП.

4. Разработаны и реализованы на практике новые технологии изготовления мозаичных преобразователей, в том числе на основе использования пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом.

5. 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

5

композиционных материалов, таких как бетоны, горные породы, полимерные композиционные материалы и т.п.

2. Разработанные УЗ НЧ широкополосные мозаичные ГТЭП 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 были использованы в ЦНИИРТК (г. Санкт-Петербург).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. 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.

2. 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 РС 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.

4. Технология изготовления УЗ низкочастотного широкополосного мозаичного (многоэлементного) пьезопреобразователя на основе использования разновысоких пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом.

5. 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).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований. Дается общая характеристика диссертационной работы, перечислены признаки научной новизны и основные практические результаты. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 приведен обзор работ по УЗ низкочастотному контролю крупногабаритных сложноструюурных изделий из бетона, по разработке УЗ широкополосных низкочастотных преобразователей. Отмечается большой вклад в развитие УЗ методов контроля российских ученых: И.Н.Ермолова, В.В Клюева, А.А.Самокрутова, В.Г.Шевалдыкина, А.Х.Вопилкина, В.К.Качанова, И.В.Соколова и др. Благодаря работам этих учёных разработаны приборы УЗ контроля изделий из бетона, созданы различные варианты УЗ широкополосных преобразователей.

По результатам обзора сделан вывод, что:

1. Бетоны и железобетоны характеризуются сильной зависимостью значения коэффициента затухания от частоты. Поэтому для неразрушающего контроля таких материалов приходится использовать нижние частоты УЗ диапазона. Как правило, УЗ контроль бетона и железобетона осуществляется на частотах не выше 150-200 кГц. Для успешного решения задач УЗ эхо-толщинометрии необходимы преобразователи с малой длительностью преобразуемых импульсов (ТС~\-2Т0), или, другими словами, широкополосные преобразователи с относительной полосой пропускания 4%>~100%. Анализ известных решений показал, что:

- применяемый повсеместно метод расширения полосы пропускания с помощью механического демпфирования ПЭ либо мало эффективен в низкочастотной области ультразвукового диапазона даже при использовании весьма массивных демпферов, что, в свою очередь, приводит к увеличению габаритов ПЭП, либо демпфирование, расширяя полосу, сопровождается значительными потерями в эффективности электроакустического преобразования;

7

- у широко распространенного УЗ НЧ широкополосного ПЭП с СТК эффективность электроакустического преобразования невысока;

- на настоящий момент конструкцией пьезопреобразователей, которые одновременно обеспечивают и широкую полосу и высокую эффективность электроакустического преобразования, являются составные {композитные, мозаичные, матричные) преобразователи, основы конструирования

которых впервые были заложены на кафедре Электронные приборы МЭИ в конце 1960-х г.г.

Составные ПЭП (рис.2) представляет собой набор расположенных в общем корпусе пьезоэлементов (ПЭ) высотой /г, и размерами в сечении h2 х h3 при общем размере в плане Н2хН3 и являются на настоящее время прототипом нескольких направлений конструирования современных преобразователей. В частности, такие ПЭП начиная с 1980 г. широко применяются в Европе под название "композитный" ПЭП). В конце 1960-х г.г. в МЭИ была разработана конструкция линейного варианта составного ПЭП с независимым электрическим управлением элементами преобразователя, что можно считать одной из первых УЗ фазированных антенных решеток (ФАР).

С 1970-х г.г. в МЭИ для более существенного расширения полосы разработаны многообразные варианты мозаичных ПЭП, состоящие из набора разновысоких стержневых пьезоэлементов (ПЭ), у которых подбором парциальных АЧХ обеспечивается одновременно и широкая полоса и высокая эффективность ПЭП. Другой вариант широкополосной мозаики -набор разновысоких пластинчатых ПЭ-тов с поперечным пьезоэффектом, в которых направление электрического поля

ортогонально направлению излучения акустической волны.

2. В разделе описаны результаты исследования особенностей работы раздельно-совмещенных НЧ преобразователей в составе УЗ толщиномеров, а также проанализированы характер взаимосвязи различных составляющих электроакустической наводки и собственного реверберационного шума с результатами толщинометрии.

3. Явно выраженная структурная неоднородность бетона, а также широкая диаграмма направленности в ~ arcsin(/l/D) малоапертурных ПЭП в низкочастотной области УЗ диапазона приводят к увеличению уровня коррелированной с зондирующим сигналом помехи, так называемого структурного шума, маскирующего донные эхо-сигналы. В работах В.К.Качанова,

8

мозаичный, матричный) ПЭП.

Рис.3. Амплитудно-частотные

характеристики низкочастотных

ПЭП: монолитного слабо

демпфированного, композитного, широкополосного мозаичного,

широкополосного фирмы АКС.

И.В.Соколова, В.Г.Карташева (МЭИ) показано, что для выделения эхо-сигналов из смеси сигнала со структурным шумом возможно применение процедуры пространственной декорреляции "полезного" сигнала и структурного шума, основанной на использовании пространственно-многоканальных преобразователей, расстояние с1 от одного преобразователя до другого не менее значения величины радиуса корреляции гк> (гк - минимальное расстояние, при котором эхо-сигналы в двух соседних положениях преобразователя слабо коррелированны, т.е. значение величины функции взаимной корреляции < 0,1), с последующей радиотехнической обработкой канальных эхо-сигналов.. Для бетона значение гк~ 20 -30 мм. Эта идея и положена в диссертации в основу разработки и создания УЗ управляемого составного (мозаичного) широкополосного НЧ ПЭП.

4. В работах А.А.Самокрутова и В.Г.Шевалдыкина (ООО «Акустические Контрольные Системы») показывается, что возможны и иные способы пространственной декорреляции сигнала и СШ - в частности за счет использования УЗ фазированных антенных решеток.

Так, фирмой ООО "АКС" разработана фазированная антенная решетка, предназначенная для контроля бетонных изделий. В ней применены оригинальные преобразователи с сухим точечным контактом. Наряду с множеством достоинств они не свободны от некоторых недостатком, являющихся принципиальным следствием их конструкции, а именно, низкой эффективностью электроакустического преобразования. Так, при диаметре площади контакта 2 мм и диаметре корпуса 15 мм, коэффициент использования площади менее 2%.

Таким образом, в диссертации сформулирована задача разработки и создания УЗ НЧ широкополосного мозаичного ПЭП с ограниченной апертурой, обеспечивающего максимально возможную площадь сухого контакта ПЭП с бетонным изделием и способного повысить отношение сигнал/структурный шум при использовании соответствующих алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов.

Глава 2. В данной главе показано, что применение алгоритма пространственно-временной обработки сигналов повышает величину отношения сигнал/структурный шум. Этот алгоритм был положен в основу при разработке технологии конструирования широкополосных низкочастотных композитно-мозаичных ПЭП." Композитный преобразователь, как отмечалось выше, представляет собой разновидность мозаичной конструкции, в которой все элементарные преобразователи изготавливаются из пьезоэлементов одинаковой резонансной высоты. И таким образом, композитный преобразователь в первоначальном своем варианте был узкополосен. В описываемом композитно-мозаичном ПЭП каждый элементарный преобразователь представляет собой мозаичный малоапертурный НЧ широкополосный ПЭП.

Высокое качество акустического контакта обеспечивается применением разработанными в диссертации специальных эластичных силиконовых протекторов (см. главу 5).

Каждый элемент композитно-мозаичного ПЭП электро-акустически автономен, т.е. может излучать и принимать сигналы независимо и в различных

временных последовательностях и по определенным схемам, реализующим тот или иной пространственно-временной алгоритм обработки сигнала. Величина апертуры выбирается минимально возможного размера из условия Э<?Чш„ , где >4ШП - длина акустической волны на максимальной частоте спектра зондирующего сигнала.

Внешний вид мозаичного НЧ широкополосного ПЭП с раздельным управлением элементами мозаики показан на рис.4.

Также в главе 2 приведено описание методик расчетов и показано безотносительно варианта конструкции широкополосного ПЭП, при каких соотношениях \ Д А/ УЗ широкополосный НЧ ПЭП может формировать относительно равномерное акустическое поле давления в пределах угла раскрьюа диаграммы направленности в дальнем зоне или в пределах зоны Френеля. Показано, что равномерной будет картина поля акустического давления у ПЭП, для которого соблюдается условие Э<Л{что имеет место у ПЭП с СТК).По мере увеличения соотношения £>А будет увеличиваться протяженность ближней зоны. В дальней зоне искажения формы акустического импульса не столь велики и ими можно пренебречь при выполнении следующих условий:

1. Если преобразователь имеет относительно небольшую полосу пропускания Д/ то в этом случае в узкополосном ПЭП пространственное искажение сигнала будет небольшим.

2. Если у преобразователя относительно большая апертура £>Л» 1 (£>=(8-10)А, как это имеет место для ВЧ широкополосных преобразователей), то ширина

диаграммы направленности будет узкая, и пространственным искажением широкополосного сигнала можно пренебречь.

Существенное влияние пространственная неравномерность акустического поля широкополосного НЧ ПЭП будет иметь место в случае широкополосного сигнала (Д///о> 1) при условии, что В=(3...6)Х и при уменьшении скорости УЗК в материале изделия. При таких соотношениях угол раскрыва диаграммы направленности 6>=(7...10)° и относительно большая протяженность ближней зоны.Для таких НЧ широкополосных ПЭП было актуальным провести дополнительные исследования пространственных характеристик.

В разделе показано, что представление пространственных характеристик широкополосного ПЭП в виде набора парциальных ДН или набора импульсных сигналов в различных точках поля ПЭП громоздко и не всегда удобно для использования. Исходя из этого, в диссертации было предложено использовать несколько новых пространственно-временных характеристик, таких как пространственная амплитудно-частотная характеристика (ПАЧХ) и корреляционно-пространственное поле (КПП), позволяющие анализировать акустическое поле широкополосного ПЭП, синтезировать топологию широкополосного ПЭП, формирующего акустическое поле желаемой формы, и в

Рис.4. Широкополосный низкочастотный композитно-мозаичный ПЭП

» -НИ, -flf Л15'

Рис.5. КПП широкополосного мозаичного преобразователя АР52 при использовании в качестве зондирующего ЛЧМ широкополосного сигнала с полосой от 80 кГц до 180 кГц (рабочая среда - вода).

том числе, с целью минимизации амплитуды сигнала акустической наводки в PC ПЭП. Модернизация предложенной ранее интегральной характеристики ПЭП, называемой «корреляционное распределение поля», представляет собой поле значений коэффициента взаимной корреляции временного представления возбуждающего пьезопреобразователь сигнала и сигнала, зарегистрированного в исследуемой точке пространства (рис.5).Расчет значений в общем случае может производиться по следующей формуле

Vt>(r-K) = [ f(t.r.oc)-g(t.r)dt

где: g(t,r) - зондирующий сигнал, f(t,r,a) - регистрируемый сигнал, iW>(r'<x) - значение коэффициента взаимной корреляции, в общем случае зависящего от вида тестового сигнала. В качестве тестового сигнала предлагается использовать ЛЧМ сигнал с базой В не менее 100 и требуемой полосой частот (см.рис.5).

КПП даёт интегральное представление во всём диапазоне частот о мере потери помехоустойчивости при

оптимальной фильтрации в приемном тракте сигнала вследствие искажения его комплексного частотного спектра в пространстве. Кроме того, были предложена новая характеристика пространственного спектра, как набор мгновенных амплитудно-частотных пространственных спектров широкополосного сигнала (рис.6), позволяющих оценить степень искажения импульсного УЗ сигнала в разных точках поля, а также показывающую степень неравномерности частотных характеристик поля вдоль акустической оси преобразователя. В качестве тестового сигнала предлагается использовать

Stn(x)/

короткий импульс вида >% амплитудным спектром.

Анализ акустических полей различных типов ПЭП с использованием предложенных пространственных характеристик дает основания утверждать, что для построения УЗ широкополосных ПЭП с равномерным в пределах заданной области пространства акустическим полем в качестве базисного следует использовать конструкцию сферически вогнутого преобразователя. Создать сферически вогнутый профиль (СВП) в «монолитном» НЧ ПЭП достаточно сложно, однако его достаточно просто реализовать на базе технологии мозаики, т.к. в этом случае возможно формировать любой профиль ПЭП и путем амплитудно-частотной модуляции зондирующего сигнала управлять коэффициентом преобразования для каждого ПЭ мозаики.

Рис.б.Зависимость мгновенных спектров широкополосного ПЭП от расстояния Z

обладающий, как известно, прямоугольным

а

Рис.7. Топология антенн АР52 (а) и АР55 (б)

б

В разделе приведены результаты моделирования полей двух мозаичных широкополосных НЧ ПЭП (нефазированных антенных решеток): АР52 и АР55 со СВП. Преобразователь АР52 с апертурой 70 мм состоял из 52 разновысоких ПЭ, сечением 7x7 мм, разбитых наб групп по 8-10 ПЭ, расположенных по принципу осесимметричного ПЭП со СВП (рис.7,а). При моделировании осуществлялось выравнивание АЧХ антенны амплитудным взвешиванием. КПП, построенного для сечения АР52 плоскостью XZ по диаметру антенны показывает относительно большую неравномерность поля в ближней зоне. Для достижения более равномерного поля была синтезирована широкополосная 55-элементная антенная решетка АР55с большейапертурой (90мм). Топология АР55 предусматривает более продвинутый подход к конструированию мозаики - использование набора малоэлементных узкополосных решеток, вложенных друг в друга,с частотами: 89 кГц, 104 кГц, 125 кГц, 150 кГц, 175 кГц.

Глава 3. Третья глава посвящена описанию разработанной технологии конструирования и изготовления широкополосных мозаичных ПЭП с равномерным акустическим полем. Рекомендации, выработанные в главе 2 были апробированы при изготовлении УЗ НЧ широкополосных раздельно-совмещенных преобразователей с минимальным уровнем паразитного сигнала электроакустической наводки, с высокой эффективностью электроакустического преобразования и широкой полосой пропускания.

В главе рассматривается технология проектирования и изготовления УЗ широкополосных мозаичных ПЭП как на основе использования разновысоких стержневых ПЭ (рис.8.а), так и на основе разработанной автором технологии применения разночастотных пьезоэлементов в виде пластин с поперечным пьезоэффектом (рис.8.б).

а. б.

Рис.8. Первичные композиции пьезоэлементов, образующие мозаики с продольным и поперечным возбуждением.

На базе разработанных технологий были изготовлены и практически апробированы различные варианты раздельно-совмещенных мозаичных широкополосных ПЭП, предложены различные алгоритмы минимизации сигнала электроакустической наводки. В разделе описаны, созданные по различным технологиям, раздельно-совмещенные мозаичные широкополосные ПЭП:

-мозаичный ПЭП из разновысоких стержневых ПЭ, выполненный по схеме СВП (рис.9.а);

- мозаичный ПЭП на базе ПЭ с поперечным пьезоэффектом(рис.9.б) с соосным расположением пьезопластин, когда пластины пьезоэлементов передающей и приемной части ПЭП являются продолжением одна другой;

- мозаичный ПЭП на базе ПЭ с поперечным пьезоэффектом (рис.9.в) с параллельно плоскостным расположением пластин, когда продольные оси пластин пьезоэлементов передающей и приемной части ПЭП параллельны одна

другой.

Конструкция матричного РС ПЭП (как и конструкция ФАР) предполагает применение малоапертурных ПЭП малых размеров (для ФАР поперечные размеры И2=Ъ3=Ъ порядка Х/2). В диссертации была разработана технология изготовления мозаичных

сепарированных широкополосных ПЭП,

выполненных из бруска пьезокерамики, и представляющих механически связанные по основанию разновысокие ПЭ. На рис.Ю.а показан ПЭП квадратного сечения (7x7мм) с исходной высотой 14 мм (что соответствует /о~ 100 кГц) с двумя продольными ортогональными разрезами для формирования из одного исходного ПЭ четырех «субпьезоэлементов». Величина акустической связи К„ регулируется за счет изменения глубины пропила и может принимать значение от100% (отсутствие пропила) до 0% (для полностью разрезанного ПЭ). АЧХ показана на рис. 10.6..

Для снижения частоты 50 кГц и ниже (с полосой А/ -50^150 кГц) была разработана мозаичная технология, обеспечивающая одновременно высокую эффективность электро-акустического преобразования и АЧХ с относительной полосой Д/7/(,=(70-Ч00)%. Мозаика сформирована из пластинчатых ПЭ с

щ

А , 1№

1 ЙЗ 1

а. б.

Рис. 10. а. - Элемент малоапертурных широкополосных мозаичных ПЭП на основе торцевых сепарированных ПЭ (fcP 200кГц, Д/ЗООкГц); б. - АЧХ малоапертурного ПЭП

поперечным пьезоэффектом, в которых направление электрического поля ортогонально направлению излучения УЗ волны (рис.11.а).

Для создания одного мозаичного ПЭП требуемой полосы частот (50 - 100 кГц) и малых габаритов (24x24 мм) необходим и достаточен набор из шести

поперечно поляризованных

пьезопластин с переменной высотой Нрез, в диапазоне от 13,5 до 26 мм.

Также в третьей главе подробно рассмотрены различные виды помех, присущие таким конструкциям ПЭП, как раздельно-совмещенные и ФАР, а также предложены различные конструктивные или алгоритмические приемы, направленные на их устранение.

Показано, что в зависимости от конструкции ПЭП, типа возбуждаемой акустической волны, частотного диапазона, полосы, способа

акустического контакта и пр. в ПЭП могут присутствовать электрическая наводка (ЭН) и акустическая наводка (АН), обусловленная низким качеством электрического и акустического экранирования излучающего (ИП) и приёмного (ПП) преобразователей и собственными реверберационными шумами ПЭП. Кроме того, возникают акустические наводки, обусловленные прохождением с ИП на ПП по поверхности контролируемого изделия акустических волн релеевского и головного типа, которые зависят как от свойств поверхности изделия, вида протектора, типа иммерсионной жидкости, так и для малоапертурных или точечных ПЭП от формы "совместной ДН". Наводки, как правило, перекрываются во времени, интерферируют и потому трудно поддаются дифференциации. Для близко расположенного отражателя эхо-сигнал может совпадать во времени с сигналом ЭАН и в зависимости от соотношения их амплитуд может полностью маскироваться последним.

Предложен ряд конструктивно-технологических методов минимизации сигнала ЭАН. В частности, это метод минимизации ЭАН за счет уменьшения ширины "совместной ДНрс" излучения-приема, основанный на оптимизации топологии мозаичного НЧ широкополосного РС ПЭП (рис.12).

Один из предложенных вариантов уменьшения ширины ДН заключается в выборе топологии мозаики широкополосных ИП и ПП. Так, при расположении одночастотных групп ПЭ мозаики перпендикулярно электро-акустическому

а.

б.

Рис. H.a.- Принцип поперечного пьезоэффекта; б. - вариант ПЭП из пластинчатых ПЭ с поперечным пьезоэффектом; в. - импульсная и A4 характеристики ПЭП из пластинчатых ПЭ с поперечным пьезоэффектом._

а.

экрану РС ПЭП (рис. 12,а) каждая частотная группа формирует парциальный сигнал, ширина ДН которого определяется шириной одного ПЭ.

Сравнение значений

амплитуды донного эхо-сигнала и амплитуды сигнала наводки (см. рис.13) в РС ПЭП с пластинчатыми ПЭ, расположенными параллельно электроакустическому экрану и в 5_ РС ПЭП с пластинчатыми ПЭ,

Рис.12. Топология мозаики НЧ расположенными перпендикулярно широкополосногоРС ПЭП при нормальном (а) и электроакустическому экрану

параллельном (б) расположении одночастотных выявляет преимущество топологии групп ПЭ последнего ПЭП: соотношения

отношений абсолютных значений максимумов и уровня сигнала ЭАН больше на 7 дБ.

Другой предложенный способ минимизации паразитных сигналов заключается в подавлении сигнала ЭАН, существующего в конструкции

преобразователя, с помощью следующего алгоритма. Перед установкой ПЭП на

контролируемое

изделий

\

с.-".

7

(

Рис.13. Сравнение уровней донных эхо-сигналов и сигналов ЭАН при различных топология ПЭП

аппаратура регистрируе т

паразитные

сигнал, наводимые

от зондирующего сигнала с ИП на ПП, далее не меняя амплитуды зондирующего сигнала в процессе контроля из принимаемых эхо-сигналов вычитаем первичный опорный сигнал паразитных помех. Сигналы для каждой из ПЭП хранятся, как паспорта на все время текущих измерений в памяти дефектоскопа. На рис.14 показаны реализация эхо-сигнала от дна тестового образца из оргстекла без компенсации паразитного сигнала ЭАН и с компенсацией. Таким образом удается понизить уровень ЭАН на 30...40 дБ и более, что существенно уменьшает протяженность мертвой зоны преобразователя и повышает достоверность контроля.

Рис.14. Компенсация ЭАН вычитанием из реализации эхо-сигнала запомненного сигнала ЭАН. вычитания части ЭАН.

В четвертой главе рассмотрен УЗ НЧ композитно-мозаичный ПЭП, в котором, в отличие от предыдущих, используется двумерный мозаичный ПЭП с программно-аппаратным формированием виртуальных элементов ФАР произвольной конфигурации. Конструкция двумерного композитно-мозаичного ПЭП образована пространственно-независимыми элементами (ПП]-ППдг), подобно элементам одномерной линейной УЗ ФАР, используемой в томографии бетонов. Каждый элемент композитно-мозаичного ПЭП акустически развязан от соседних ПЭП, имеет отдельный электрический вывод, может работать как в

15

режиме излучения, так и в режиме приема, т.е. может излучать и принимать сигналы независимо и в различных временных последовательностях и по определенным схемам, реализующим тот или иной пространственно-временной алгоритм обработки сигнала. Сигналы на композитно-мозаичный ПЭП подаются с электронного коммутатора, в свою очередь соединенного с ЦАП и АЦП. В диссертации предложен и экспериментально апробирован вариант двумерной матрицы из 4x4 элементов, предназначенной как для реализации виртуального совмещенного ПЭП, виртуального раздельно-совмещенного преобразователя с произвольной пространственной ориентаций ИП-ПП, так и для реализации 20-ФАР (рис.16).

Начальная Промежуточная

комбинация комбинация

позиций "1/1-2/1" полиций "1/2-3/3"

~Т#ГТ"Т

Рис.15. Использование алгоритма САФТ для реализации Рис.16. Композитно-мозаичный матрицыиз 4x4 ПЭП в качестве раздельно-совмещенного ПЭП под управлением алгоритма преобразователя. САФТ

Алгоритм однократной процедуры сбора информации реализуется за 1)/2 тактов следующим образом. Композитно-мозаичным ФАР в первом такте излучается УЗ сигнал крайним левым ПЭП верхней строки (см.рис.15), а остальные ПЭП работают в режиме приема; во втором такте излучает следующий ПЭП, второй от левого края в первой строке, который в предыдущем такте выполнял роль приемного, остальные ПЭП (только те, что не использовались до этого в пределах данной процедуры в роли излучателя) работают в режиме приема и т.д. Использования алгоритма САФТ-С предполагает формирование банка данных контроля содержащего (16-1)-16=120 реализаций эхо-сигналов.

Далее собранный массив информации может быть обработан в соответствии с тем или иным алгоритмом, перечень которых, а также сравнительные практические результаты которых приведены также в главе 4.

Первый и самый простой алгоритм УЗ контроля с применением виртуального совмещенного ПЭП заключается в следующем. Известно, что в совмещенном режиме один и тот же преобразователь используется и для излучения зондирующего сигнала и для приема это сигналов. Достоинством этого режима является простота, излучение/прием сигнала по нормали к контролируемой поверхности, а значит, меньшая погрешность толщиномера из-за отсутствия геометрической мертвой зоны вблизи поверхности контролируемого изделия. Существенным недостатком этого режима работы является большая протяженность "электрической мертвой зоны", связанная с проникновением мощного зондирующего сигнала на вход приемного тракта. Этот отрицательный

эффект частично можно устранить применяя описанный выше метод компенсации ЭАН вычитанием опорного сигнала. В некоторых случаях этот прием не дает положительных результатов. Осуществляя суммирование всех зарегистрированный реализаций мы получим итоговый сигнал, который будет эквивалентен по результату применения монолитного, эквивалентного по геометрии, преобразователя в совмещенном режиме, но с полным отсутствием зондирующего сигнала на входе приемного тракта. Таким образом, этот режим работы композитно-мозаичного ФАР обеспечивает все преимущества совмещенного преобразователя при отсутствии "сигнальной мертвой зоны". На рис.17 приведены реализации это-сигналов, полученные на тестовом образце оргстекла в режимах "совмещенный" и "виртуально-совмещенный". Выигрыш по отношению сигнал/паразитная помеха составляет величину более 40 дБ.

Рис.17 Сравнительные реализации эхо-сигналов в режиме "совмещенный" (а.) и режиме "виртуально-совмещенный" (б.).

Другой интересный алгоритм заключается в возможности эмуляции раздельно-совмещенного режима работы ПЭП. Для реализации виртуального раздельно-совмещенного преобразователя, (например состоящего из передающей части, образованной первыми двумя столбцами и приемной части, в которую входят вторые два столбца (см.рис.15)) достаточно просуммировать сигналы реализаций, полученные в результате излучения зондирующего импульса преобразователями первых двух столбцов и соответственно приема эхо-сигналов ПЭП из третьего и четвертого столбцов. Не меняя фактического положения ПЭП на поверхности контролируемого изделия, можно посмотреть, какой сигнал бы мы получили, если бы повернули ПЭП относительно акустической оси на 90°. Для этого достаточно в алгоритме расчетов номера столбов заменить на номера строк.

Применяя к обработке совокупности реализаций эхо-сигналов, полученных с помощью композитно-мозаичного ФАР, алгоритм "20-ФАР" оказывается возможным осуществлять толщинометрию не только плоскопараллельных бетонных конструкций, и конструкций иной формы, например клинообразной.

350

I

а

б

-Ал^т*"* 'Крел'

а "

Рис.18 а. - Реализация эхо-сигнала виртуального раздельно-совмещенного преобразователя для одной, произвольно выбранной пары "излучатель-приемник" б.-итоговая реализация эхо-сигналов.

На рис. 19 показан тестовый бетонный образец клинообразной формы с установленным на его поверхности композитно-мозаичного ПЭП размерностью 4x4 элемента. Применяя когерентные методы обработки сигналов даже с таким малым количеством ПЭП в составе ФАР удалось получить очень хорошие результаты. Алгоритм реализуется достаточно просто. Выбираем направление виртуального сканирования (направление в общем случае может не совпадать с направлением преимущественной пространственной ориентации столбцов и линеек композитно-мозаичного ПЭП), например сканирование в плоскости чертежа рис. 19.6, тогда элементы ФАР будут образованы столбцами и для этого сигналы, соответствующие ПЭП излучающих и принимающих столбцов суммируются, образуя сигнал соответствующей пары "/-/' - "излучающий столбец г - принимающий столбец/' (см.рис.19.б), т.е. Щ , в нашем случае таких сигналов будет 12. Далее по известному алгоритму строится трехмерный график Р-скана, который для бетонного тестового образца показан на рис.20.а. Видно, что спроецированные на плоскость сканирования значения расстояния до плоскостии угла наклона а измеряемой плоскости относительно плоскости ФАР равны соответственно Нв = 136 мм и а =+11°. После замены в алгоритме формирования парных сигналов номеров столбцов на номера строк (и наоборот) в конечном итоге получаем Р-скан для ортогональной плоскости сканирования, взаимное расположение которых показано на рис.20.а. Аналогичные значения угла наклона /? и расстояния Ну для ортогональной плоскости равны Ну = 138 мм и /? = -10 . На рис. 20.6 приведен Р-скан для ортогональной плоскости сканирования., а на рис.20.в показан Р-скан для тестового плоскопараллельного образца.

Рис.19 а.-бетонный тестовый клинообразный образец; б. ФАР на поверхности контролируемого образца.

б.

схема возможного расположения

а. б. в.

Рис.20 Р-скан в продольной (а) и ортогональной (б)плоскостях при произвольной ориентации ФАР относительно габаритообразуюших плоскостей тестового образца; в-Р-скан для плоскопараллельного тестового образца;

В пятой главе приведены результаты исследований по разработке состава и изготовлению эластичных протекторов УЗ НЧ преобразователей, обеспечивающих сухой акустический контакт ПЭП и с неровной и шероховатой поверхностью контролируемого изделия. Показано, что очень хорошие результаты обеспечивают протекторы, выполненные из силиконовых каучуков. В результате исследований была подобрана новая композиция основы и катализатора, процентное соотношение которых в смеси перед отверждением обеспечивает желаемую итоговую твердость по Шору А. Оптимальным по свойствам протектором является протектор, изготовленный на основе компаунда серии 9512-2 компании Пента-Юниор. Он обладает необходимым значением твёрдости (около 0,5-2 ед. шкалы Шора-А) и эластичности, что позволяет осуществлять надёжный акустический контакт ПЭП с неровной поверхностью бетона. Кроме того он долговечен, что подтверждается использованием его в качестве протектора на протяжении около 5 лет. Равномерность спектра излучаемого/принимаемого сигнала, прошедшего через протектор при различных значениях силы прижатия позволяет сделать вывод, что величина силы прижатия, необходимой для создания надёжного равномерного акустического контакта на всё время излучения и регистрации сигналов, должна быть около 1-2 кг/см2. Проведенные исследования также показали, что протекторы из мягкого, эластичного силиконового каучука могут быть использованы не только при контроле бетонных изделий с неровной поверхностью, но и при УЗ контроле изделий из ПКМ, из металлов, например отливок из чугуна.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны и изготовлены новые конструкции ультразвуковых широкополосных 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.

2. Предложены новые и модифицированы существующие алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов (в том числе и алгоритм САФТ), позволяющие повысить достоверность УЗ толщинометрии, уменьшить погрешность измерения толщины за счет увеличения отношения сигнал/структурный шум, уменьшения уровня и протяженности сигнала электроакустической наводки и собственного реверберационного шума.

3.Для созданных ультразвуковых широкополосных композитно-мозаичных пьезопреобразователей разработана радиотехническая система независимого возбуждения/регистрации сигнала элементов мозаики, что позволило практически реализовать новые оригинальные алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов.

4. В диссертации предложены несколько новых оригинальных пространственно-временных характеристик, таких как пространственная амплитудно-частотная характеристика (ПАЧХ) и корреляционно-пространственное поле (КПП), позволяющие анализировать акустическое поле широкополосного ПЭП, служить критерием при синтезе топологий мозаики широкополосного ПЭП, формирующего акустическое поле желаемой формы, и в том числе, с целью минимизации амплитуды сигнала акустической наводки в PC ПЭП.

5. Предложены и практически апробированы оригинальные методики и технологии изготовления малоапертурных мозаичных преобразователей (в том числе на основе использования пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом), являющихся элементами композитного (составного) ПЭП.

6. Разработана технология изготовления эластичных протекторов на базе силиконовых каучуков, обеспечивающих сухой акустический контакт ПЭП с поверхностью бетона.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Качанов В.К., Соколов И.В., Синицын A.A. и др. "Разработка УЗ широкополосного мозаичного низкочастотного пьезопреобразователя с ограниченной апертурой" Дефектоскопия. 2010. № 9. С.26-32.

2. Качанов В.К., Соколов И.В., Синицын A.A. и др. "Пространственно-временные характеристики УЗ широкополосных преобразователей" Дефектоскопия. 2010. № 10. С.11-25.

3. Качанов В.К., Соколов И.В., Синицын A.A. и др. «Сравнение свойств композитных и мозаичных пьезопреобразователей для УЗ контроля изделий с большим уровнем затухания УЗ сигналов.» Дефектоскопия. 2011. № 8. С.39-53.

4. Карташов В.Г., Воронкова Л.В., Шалимова Е.В., Синицын A.A. «Выбор оптимального шага перемещения преобразователя приУЗ контроле сложноструктурных изделий» Измерительная техника. 2011. № 11 С. 48-51.

5. Качанов В.К., Соколов И.В., Синицын A.A. др. Способ УЗ контроля. Патент РФ RU 2444009 Бюл. № 06, 2012.

6. Соколов И.В., Качанов В.К., Синицын A.A. и др. Способ ультразвукового контроля структуры материала. Патент РФ RU 2442154Бюл. №, 2012.

7. Соколов И.В., Качанов В.К., Синицын A.A. и др. Способ ультразвуковой эхо-импульсной толщинометрии. Патент РФ RU 2422769Бюл. №18,2011

8. Синицын A.A., Соколов И.В. «Натурная модель сложноструктурного объекта с высоким уровнем УЗ коррелированной помехи». 15 Международная НТ конференция студентов и аспирантов: Тез.док. Т. 1. С.54.

9. Синицын A.A., Соколов И.В. «Исследование частотных и пространственных характеристик мозаичного широкополосного низкочастотного преобразователя.» 16 Международная НТ конференция студентов и аспирантов: Тез.док. Т. 1. М„ МЭИ, 2010. - С. 227.

10. Синицын A.A., Соколов И.В. "Разработка и исследование УЗ широкополосного мозаичного пьезопреобразователя с поперечным возбуждением пьезоэлементов". 17 Международная НТ конференция студентов и аспирантов: Тез.док. Т. 1. М., МЭИ, 2011.С. 474.

11. Синицын A.A., Соколов И.В. «Исследование свойств различных материалов для создания акустического контакта широкополосных мозаичных УЗ преобразователей». 18 Международная НТ конференция студентов и аспирантов: Тез.док. Т. 1. М., МЭИ, 2012. - С. 156

12. Синицын А. А.,а Соколов И.В. «Разработка УЗ низкочастотного широкополосного мозаичного преобразователя с сухим акустическим контактом -элемента фазированной антенной решётки томографа бетонных изделий.» 19 Международная НТ конференция студентов и аспирантов. Тез.док. Т. 2. М.,МЭИ, 2012.-С. 125

13. Синицын A.A., Соколов И.В. «Разработка высокочувствительных УЗ низкочастотных широкополосных мозаичных пьезопреобразователей для контроля крупногабаритных изделий с высоким затуханием ультразвука.» 19 Международная НТ конференция студентов и аспирантов: Тез.док. Т.2. М., МЭИ, 2012.-С. 126

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

04201451382 Нй пРавлахРУкописи

СИНИЦЫН Алексей Алексеевич

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ МОЗАИЧНЫХ РАЗДЕЛЬНО-СОВМЕЩЁННЫХ ПЬЕЗОПРЕ ОБР АЗОВ ATE ЛЕЙ С ОГРАНИЧЕННОЙ АПЕРТУРОЙ

Специальность 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ На соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Соколов И.В.

Москва, 2013 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ...........................................................4

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................5

Актуальность темы.....................................................................................5

Цель работы.................................................................................................6

Научная новизна.........................................................................................8

Практическая значимость и внедрение результатов работы..................9

Результаты исследований были использованы при выполнении:.........9

Основные положения, выносимые на защиту:......................................10

Апробация работы....................................................................................11

Объем и структура работы.......................................................................11

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.......37

2.3. Интегральные способы представления пространственных характеристик УЗ широкополосных низкочастотных преобразователей... 40

2.4. Использование пространственных характеристик для создания УЗ мозаичных широкополосных ПЭП с максимально равномерным акустическим полем...........................................................................................45

2.5. Выводы по разделу 2.........................................................................51

3. МОЗАИЧНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ОГРАНИЧЕННОЙ АПЕРТУРОЙ...........52

3.1. Методология и технология проектирования и изготовления УЗ широкополосных мозаичных ПЭП на основе использования разновысоких стержневых ПЭ с продольным пьезоэффектом..............................................52

3.2. Конструирование и изготовление низкочастотных раздельно-совмещенных широкополосных мозаичных ПЭП с ограниченной апертурой. Технологические пути решения проблемы минимизации амплитуды сигнала электроакустической наводки........................................64

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..............93

4.5 Экспериментальная установка и результаты практического испытания многоканального преобразователя на базе ПЭП с СТК.............95

4.6 Композитно-мозаичный пьезоэлектрический преобразователь.... 98

4.7. Сравнительные результаты применения предложенных алгоритмов, зарегистрированных КМПЭП и АР с СТК................................99

4.8. Сравнительные результаты применения предложенных алгоритмов в отношении полезный сигнал/структурный шум для КМПЭП. ............................................................................................................................101

4.9. Применение КМПЭП для толщинометрии изделий из бетона с неплоскопараллельными поверхностями......................................................102

4.10 Выводы к разделу 4........................................................................108

5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛАСТИЧНЫХ ПРОТЕКТОРОВ УЗ ПЭП ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ С НЕРОВНОЙ И ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ.........................................................110

5.1. Проблемы акустического контакта УЗ ПЭП с контролируемым изделием............................................................................................................110

5.2. Разработка эластичных протекторов из силиконовых каучуков. 112

5.3. Выводы по разделу 5.......................................................................119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................Ошибка! Закладка не определена.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................123

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................................130

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

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 услови�