автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Применение радиотехнических методов обработки сигналов при ультразвуковом неразрушающем контроле сложноструктурных изделий

На правах рукописи

ЗАЛЕТКЙН Андрей Валентинович

ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОМ НЕРАЗРУШАЮЩЕМ КОНТРОЛЕ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2006

Работа выполнена на кафедре Электронные Приборы Московского Энергетического Института (Технического Университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

КАЧАНОВ Владимир Климентьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ВОПИЛКИН Алексей Харитонович

Защита состоится "21 " декабря 2006 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ

кандидат технических наук, доцент СКАЧКОВ Владимир Львович

Ведущая организация: ФГУП "Федеральный центр двойных

технологий Союз"

(ТУ).

Автореферат разослан "/У " ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.157.05

кандидат технических наук, доцент

Курочкина Т. И.

лообА_

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы подтверждается высокими требованиями к достоверности неразрушающего контроля (НК) изделий из различных конструкционных материалов, применяемых в авиационной, космической, оборонной и других областях промышленности. Традицир.нный ультразвуковой (УЗ) контроль большинства изделий из металлов проводят на относительно высоких частотах (3-5 МГц) с помощью метода ударного возбуждения электроакустического преобразователя (ЭАЛ) без какой-либо специальной обработки эхо-сигналов. Однако, полимерные композиционные материалы (ПКМ) и строительные конструкции из бетонов 2 характеризуются высоким затуханием УЗ волн, что значительно осложняет

обнаружение эхо-сигналов на фоне шума приёмной части аппаратуры. Сложная неоднородная структура таких изделий приводит к многочисленным переотражениям УЗ волн на структурных неоднородностях. Так возникает 1фоблема УЗ помехоустойчивого контроля (схожая с задачей помехоустойчивой радиолокации), которая заключается в обнаружении и выделении эхо-сигналов из шумов и помех. Эта проблема не решается традиционными методами УЗ контроля и может быть решена только с использованием радиотехнических методов обработки сигналов.

Из-за сильной зависимости затухания УЗ сигналов от частоты в протяженных сложноструктурных материалах НК проводится на низких частотах («100 кГц). При этом длина УЗ волны оказывается соизмеримой с габаритами контролируемых изделий. Искажения формы эхо-сигнала из-за неравномерной АЧХ электроакустического тракта (ЭАТ) на НЧ становятся столь существенными, что это приводит к снижению разрешающей способности и точности контроля. I В последние годы для решения указанных проблем используются известные

сложномодулированные (ЧМ, ФМ) сигналы и традиционные методы их обработки. Но при этом не учитываются особенности УЗ контроля сложноструктурных изделий, что обусловило необходимость разработки новых специальных сложномодулированных сигналов и методов их обработки. Некоторые аспекты применения таких сигналов являются темой настоящей работы.

Еще одной особенностью ПКМ является их большое разнообразие, что требует создания практически для каждого нового изделия своего метода контроля, своего

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

ОЭ 200бактЗЪ1

датчика, сигнала со своими параметрами и способами обработки эхо-сигналов. Это обусловило необходимость разработки "гибких", перестраиваемых сигналов и алгоритмов их обработки, ЭАП с адаптирующимися характеристиками и "гибкой" многофункциональной аппаратуры УЗ контроля. Такая аппаратура должна иметь возможность адаптироваться к условиям НК путем выбора оптимальных сигналов, методов зондирования и алгоритмов обработки результатов.

Цель работы - разработка методов повышения достоверности, точности и разрешающей способности УЗ неразрушающего контроля сложноструктурных .

изделий. Для решения указанных проблем НК в работе используются методы, основанные на применении радиотехнической обработки сигналов. На кафедре »

"Электронные Приборы" МЭИ был разработан новый способ эхо-локации - сплит-способ, основанный на применении гибкого сплит-сигнала. Параметры такого сигнала (базу, среднюю частоту, форму амплитудного спектра) можно изменять в процессе контроля, подстраиваясь под характеристики контролируемого изделия с целью учета и компенсации возможных искажений сигналов в ЭАТ как на стадии генерации зондирующего сигнала, так и на стадии обработки. Сплит-способ и различные его модификации могут быть реализованы только с помощью специальной аппаратуры, разработка которой также является целью настоящей диссертационной работы.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложен и реализован модифицированный сплит-алгоритм, позволяющий гибко менять параметры сплит-сигнала в процессе контроля, подстраиваясь под характеристики ЭАТ и контролируемого изделия.

2. Предложено решение проблемы повышения точности локализации дефектов 1 при УЗ НЧ контроле протяженных сложноструктурных изделий. Показано, что при

НК изделий возникают искажения сигнала в ЭАТ. Разработан метод компенсации искажений УЗ эхо-сигнала в ЭАТ за счёт применения сплит-сигнала.

3. Создано устройство УЗ контроля с цифровой обработкой сигналов на базе компьютера, обеспечивающее функционирование сплит-метода контроля и позволяющее реализовать практически любые сложномодулированные сигналы, различные методы их обработки и различные методы УЗ локации изделий.

4. Разработан метод выделения УЗ эхо-сигнала из структурного шума при одноканально.м контроле за счёт временной декорреляции (с использованием вейвлет-обработки) и частотной декорреляции сигналов.

Методы исследования при выполнении работы заключались в использовании теории сигналов и теории оптимальной фильтрации. Для отладки алгоритмов обработки сигналов применялись методы математического моделирования. Для создания аппаратуры использовались современная элементная база цифровой электроники и различные языки программирования.

Основные практические результаты:

1. В работе была разработана многофункциональная адаптивная аппаратура УЗ контроля, позволяющая программным способом создавать любые зондирующие сигналы, различные алгоритмы обработки сигналов, производить адаптивную подстройку параметров зондирующих сигналов под параметры контролируемого изделия и параметры ЭАТ.

2. С помощью разработанной аппаратуры реализован модифицированный сплит-алгоритм обработки УЗ эхо-сигналов. Разработаны и реализованы различные методы выделения сигналов из шумов и помех, методы высокоточного измерения НЧ УЗ сигналов.

3. Осуществлён УЗ контроль ряда протяженных сложноструюурных изделий из ПКМ, бетонов и других материалов. В том числе, впервые был осуществлён УЗ контроль памятников Отечественной культуры: "больших" колоколов на звоннице Ивана Великого в Московском Кремле и на Храме Христа Спасителя в г. Москве; была показана возможность УЗ эхо-контроля Царь-колокола в Московском Кремле.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Принципы построения многофункциональной адаптивной аппаратуры УЗ контроля, являющейся неотъемлемой частью сплит-мегода и позволяющей реализовать модифицированный сплит-алгоритм обработки УЗ сигналов и другие алгоритмы обработки сигналов при УЗ контроле сложноструктурных изделий.

2. Теория высокоточного измерения временного положения искаженных НЧ УЗ эхо-сигналов, основанная на использовании сгшит-сигналов при контроле протяженных изделий с высоким интегральным затуханием УЗ волн.

3. Метод компенсации искажений УЗ сигналов в изделии и ЭАТ за счёт использования модифицированного сплит-алгоритма, позволяющий получать достоверную информацию о характеристиках контролируемого изделия и обеспечивающий точную локализацию УЗ эхо-сигнала от дефекта.

4. Метод выделения эхо-сигналов из структурного шума при одноканальном контроле, основанный на использовании временной декорреляции эхо-сигнала от дефекта и структурных неоднородностей при использовании вейвлет-обработки совокупного эхо-сигнала; метод выделения эхо-сигналов из структурного шума, < основанный на частотной декорреляции.

Внедрение результатов работы. С помощью разработанной аппаратуры и I

предложенных методов был проведён УЗ контроль различных протяженных сложноструктурных изделий. Результаты работы были использованы при выполнении ряда договорных работ. Проведены успешные испытания аппаратуры при НК ответственных изделий из бетонов, полиамидных сепараторов подшипников колесных пар, обшивок твердотопливных ракетных ускорителей и валов гребных винтов подводных лодок.

Был проведён контроль уникальных памятников Отечественной культуры -большого колокола звонницы Ивана Великого в Московском Кремле (в рамках Государственной экспертизы перед возобновлением колокольных звонов). Была показана возможность эхо-контроля Царь-колокола (с толщиной стенки из колокольной бронзы старинного литья до 0.9 м). В рамках Государственной экспертизы был проведен контроль и сравнительный анализ двух наборов малых колоколов для Храма Христа Спасителя. Разработанная аппаратура используется в учебном процессе МЭИ '

Публикация результатов. По результатам исследований опубликовано 17 печатных работ, получено 2 патента на изобретение и одно свидетельство на полезную модель. Результаты исследований были доложены на 14-ой НТК "НК и диагностика" (Москва, 1996 г.); Всероссийской НТК "Новые материалы и технологии НМТ-98" (Москва, 1998 г.); 5-ой Международной конференции "Электромеханика, электротехнология и электроматериаловедение" (Алушта, 2003 г.); НТ специализированной конференции-выставке "Промышленный НК" (Москва, 2003 г.);

3-ей международной выставке и конференции "НК и техническая диагностика в промышленности" (Москва, 2004 г.); 5-ой Международной конференции "НК и техническая диагностика в промышленности" (Москва, 2006 г.)

Объем и структура работы. Диссертация состоит из шести глав и списка цитируемой литературы, состоящего из 66 источников. Объем работы 137 страниц, включая 59 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ^ Во введении обоснована актуальность проведенных в ходе выполнения работы

исследований. Дается общая характеристика диссертационной работы: перечислены ] признаки научной новизны и основные практические результаты. Сформулированы

основные положения, выносимые на защиту.

Во второй главе диссертации поясняется проблема УЗ контроля протяженных сложноструктурных изделий. Показывается, что из-за аномально высокого затухания УЗ волн в изделиях из ПКМ, в строительных изделиях из бетона и в некоторых металлах амплитуда эхо-сигналов становится соизмеримой с уровнем шума и помех (рис. 1). В результате эхо-сигналы от дефектов 2 и 3 не различаются на фоне белого

шума - шума приёмного тракта УЗ дефектоскопа. Кроме того, отражения от структуры (структурный шум) маскируют эхо-сигналы от дефектов. Для увеличения чувствительности контроль таких изделий приходится проводить на частотах порядка 100 КГц, но при этом длина волны УЗ сигнала Л, как правило, становится соизмеримой с размерами контролируемого изделия. В этом случае становится актуальной проблема точного определения координат дефектов и толщины изделия; кроме того, уменьшение частоты сигнала приводит к ухудшению разрешающей способности 5х. Всё это приводит к ошибкам в измерении параметров дефектов и габаритов контролируемых изделий. При этом погрешность измерения,

I дефект! • /■ дефект 2 ' ■ 1 - дефект 3

■ структурные неоднородности материала'

4в____Н»!«" исии}*,

Рис.1. Проблема помехоустойчивого контроля сложноструктурных изделий

возникающая из-за ошибки определения временного положения НЧ УЗ эхо-сигнала, может оказаться сопоставимой с габаритами контролируемого изделия. Основное содержание раздела составляет анализ погрешностей, обусловленных спецификой традиционного УЗ эхо-импульсного контроля с ударным возбуждением ЭАП, спецификой НЧ контроля, спецификой контролируемых многослойных изделий из ПКМ, спецификой сложноструктурных изделий и спецификой НЧ ЭАП.

В третьей главе рассматриваются пути решения проблемы чувствительности и точности определения параметров эхо-сигналов при УЗ зондировании изделий с »

большим интегральным затуханием УЗ волн.

Эти проблемы отсутствуют при контроле большинства конструкционных I

изделий из металлов, так как в этом случае используются относигельно высокие частотах (несколько МГц), длительность сигналов невелика и погрешность измерения достаточно мала. Задача помехоустойчивого УЗ контроля возникла при появлении ответственных изделий из ПКМ. На первом этапе решение этой проблемы заключалось в использовании известных из радиолокации помехоустойчивых широкополосных сигналов с последующей их оптимальной обработкой.

Рис. 2. Принцип фильтрации ФМ сигнала и применение УЗ ФМ сигнала для повышения разрешающей способности и чувствительности конгроля.

В разделе приводятся результаты применения в задачах УЗ дефектоскопии ФМ сигналов с манипуляцией по коду Баркера. На рис. 2 показан случай применения УЗ ФМ для выделения эхо-импульсов из белого шума и разрешения двух эхо-сигналов от двух дефектов. Однако, при повышении уровня белого шума погрешность определения временного положения эхо-сигнала увеличивается. Минимизированная

01

"" I

величина дисперсии погрешности измерения (у -_1 уменьшается

с увеличением базы сигнала. В разделе с помощью моделирования оценивается влияние белого шума на точность измерения временного положения эхо-сигнала при использовании ФМ сигнал Баркера с базой 13 и ЛЧМ сигнал с базами 13 и 100.

Когда происходит искажение сигнала в ЭАТ с сильно изрезанной АЧХ, максимум КФ сигнала также смещается, но в этом случае увеличение базы сигнала не может повлиять на точность определения временного положения эхо-сигнала. Для компенсации искажений УЗ сигнала в ЭАТ был использован созданный

И. В. Соколовым для задач УЗ контроля сплит-сигнал. Этот сигнал в первом приближении можно представить как ЧМ сигнал, формирующийся из набора гармоник, по очереди излучаемых в контролируемое изделие (на рис. 3, а показаны только 4 гармоники f2, £))• С помощью такого "разбиения" сигнала на гармонические составляющие, можно менять конфигурацию (или спектр) суммарного сигнала по любому критерию, изменяя энергию той или иной гармоники за счёт изменения амплитуды, длительности или меняя число гармоник в суммарном сигнале. При формировании гармоник определяются частоты, длительность квазигармоник и форма огибающей. Далее формируется и излучается первая квазигармоника. УЗ эхо-сигнал оптимально фильтруется - результат вычисления представляет собой ВКФ

!_ЦиШ1*

•—

гГШ?

гг

Рис. 3. Коррекция АЧХ ЭАТ при использовании модифицированного сплит-алгоритма

излученного и принятого сигналов (в). Полученный результат в виде массива значений заносится в буфер (г). Аналогично, последовательно излучаются и обрабатываются все квазигармоники сплит-сигнала. В результате в буфере формируется сжатый сигнал. Если гармоники в ЭАТ не искажались, то вид сжатого сигнала соответствует АКФ ЛЧМ сигнала. Если в ЭАТ происходит неравномерное ослабление составляющих спектра, то сжатый сигнал (рис. 3, д) искажается.

Используя гибкий алгоритм формирования сплит-сигнала, можно компенсировать искажения спектра сигнала за счёт увеличения энергии тех гармонических составляющих, которые испытывают наибольшее ослабление в ЭАТ. На рис. 3 приведен способ коррекции АЧХ ЭАТ, за счёт пропорционального увеличения амплитуд 2-ой и 3-ей квазигармоник сплит-сигнала. В работе также приводятся результаты компенсации искажений, возникающих в приемном преобразователе, с помощью изменения длительности квазигармоник. В результате компенсации форма сжатого сигнала на рис. 3, е соответствует форме неискаженной АКФ ЛЧМ сигнала.

Циф^-лоЯ еигаалишй лрее«ссор

.р о 1Шчиышв I-К

фкаьтр(С'Ф) ) I

Аналнмтор^

.зрреллшмнмоЯ! ФУПХД»! )

I

I

[ ©жиякяв*

¡Кор р« кг ирук-шая ^ $уики»<а |

{ БЯ?! —I улравленн* ^ ЦАП

лен»* Ц.

ь

/ солитчмгхии

Рис. 4. Модифицированный алгоритм сплит-обработки

Особенностью применения сплит-сигнала является необходимость одновременно определять алгоритм его формирования и обработки. Модифицированный сплит-алгоритм (рис. 4) обеспечивает оптимальное, в соответствии с тем или иным критерием, сложение квазигармоник для формирования эхо-сигнала требуемого вида.

Используя гибкие свойства сплит-сигнала можно повысить точность локализации эхо-сигнала. На рис. 5, а показаны результаты контроля изделия из ПКМ толщиной 50 мм с высоким затуханием УЗ с помощью ЛЧМ сигнала. Выраженная частотная зависимость затухания приводит к обеднению высокочастотной части спектра и искажению эхо-сигнала. На нижней осциллограмме показан сигиал электроакустической наводки (паразитный сигнал, поступающий от излучающего ГШ на приёмный) и эхо-сигнал. В сигнале наводки видны ВЧ составляющие, а в эхо-сигнале ВЧ составляющие практически отсутствуют (они ниже уровня шума). На верхней осциллограмме рис. 5, а показан ЧМ эхо-сигнал на выходе ОФ: он хорошо регистрируется, но имеет очень пологие фронт и спад. Погрешносгь определения толщины в этом случае велика. На верхней осциллограмме (рис. 5, б) показан скомпенсированный сплит-сигнал, Многократное переизлучение сплит-гармоник (одна из них показана на нижней осциллоцэамме) "восстанавливает" форму эхо-импульса и минимизирует погрешность измерения. При необходимости компенсируются искажения эхо-сигнала в ЭАП с целью получения достоверной информации о дефекте или структуре ПКМ.

гий г

а)

)'( (геЧъ'..» аг,*- I/ г: /- г

'.(! -^а / * ПНЗ'

, 1 ^.Г1 Йдемммг РиЭ 1 Ык

■» < »»«л те ~ ----- - - - 1

' и-. - г— __

б)

аСИМ;

I | —«- — » »-»-¿«--♦у

V' " •' . р."*" I' 'у| ,"• ' Йлэтва^З"!

('1 г * * . ;*т |,Г7«П2Г' ..рЙр«?4 Г^ЗТь"'^

• --г с Зсчалсч ¿^1 ({клмпл*.

>1вст<гг)»иве5в««Ч. усачам»». кГ«.

РГГЗ: тгт-гД: .т.;

& А*4* Ра^^ДДк.оХ^ j Г" АЛчГОИ ;

г- ^пт^д

V I иввамк'яа« г

А*.ЯIи»«-д«■с--1-«- '

- • • Г-1',!1-хи|Ь / -а|ч Ш» е»«*о — '

»1 ,-гц»в*«»«1 —-- -—у» "■!■.«**

| ипмлвъимму)?«1' Пйм***ыв

II

|-(в —

«й

Рис 5. Измерение толщины при помоши ЛЧМ (а) и сплит-сигнала (б)

Используя гибкие свойства сплит-сигнала можно обеспечить максимально достижимую (для конкретного случая) разрешающую способность контроля. На рис.6 приведены результаты контроля того же образца из ПКМ с непроклееным отслоением (дефектом) на расстоянии 1.5 мм от удаленной поверхности. Эхо-импульс после ОФ (верхняя осциллограмма на рис. 6, а) сплит-сигнала без частотной коррекции имеет расширенный центральный лепесток, что не позволяет разрешить эхо-сигналы). Применение частотной коррекции (применялся алгоритм варьирования длительности квазигармоник) позволило скомпенсировать потери ВЧ составляющих, улучшить форму эхо-сигнала и обеспечить разрешение эхо-импульсов (б).

Рис. 6. Разрешение расслоения при контроле ПКМ

Кроме того, сплиг-сигналы сигналы обеспечивают максимально возможную (по условиям УЗ контроля) чувствительность (за счёт излучения сигнала в течении всего времени локации в данной точке контроля). На рис. 7 показаны результаты применения различных сигналов при локации образца изделия с толщиной слоев: 15 мм (алюминий) и 30 мм (корпус твердотопливной ракеты из ПКМ). На рис. 7, а показан случай применения в качестве зондирующего сигнала короткого синусоидального сигнала большой амплитуды. На нижней осциллограмме

отображается ответный сигнал без обработки, а на верхней - после ОФ и синхронного

детекгора

а)

га..

'.'»-..У д >~

V ■ " ГИП1 Н

• * Г- Ъ

\ ! " | I ! ' Т"""1 "" V:

И I ' ; 1

б)

I

• ' Г я . - , . М&ам«Ч<

■айтд-.'г^гг/. л;.. р®5^.

* ' »истеоУ»*1^ 1 г? Л' , 1

! к. -" -' * г«»**^ ; ? ■

' Г«-." айвмыц*^'^

| " ^ ~ ~ ТГЛ£,Ы ПЛ.**'

РЙ т.

1-1ГД<и1Ч1ПАг1>5. -л У, I' ----1—

¡и 1 _____

в)

II

I

¡•У ¡Уи^Д-Х™!..

»сд .. . —5] -

I ....... ...... -*т—г ——-— ,^-у-.

Рис. 7. Применение различных сигналов при локации многослойного корпуса

В левой части осциллограммы видны многократные переотражения сигнала в "звонкой" оболочке с периодом повторении 9.5 мкс. На рис. 7, б приведён результат применения ЛЧМ импульса, а на рис. 7, в - сплит-сигнала. Сравнение верхних осциллограмм позволяет увидеть в последнем случае 6-ое переотражение на отметке 56.0 мкс и выделить нерегулярный импульс между 4-ым и 5-ым переотражением на отметке 40.7 мкс, который соответствует отражению от дальней Гранины среды с большим затуханием. Использование сплит-сигналов позволяет увеличить отношение

сигнал/шум (чувствительность УЗ контроля) и решает проблему обнаружения и измерения параметров эхо-сигнала. Причем, положительные результаты наблюдаются как при наличии шумов (белый шум, производственная помеха), так и при наличии искажений эхо-сигнала в ЭАТ.

В четвертой главе рассматривается проблема выделения УЗ сигнала из структурного шума при одноканальном контроле. В разделе подробно анализируется структурный шум (коррелированный с зондирующим сигналом), приводятся различные модели формирования структурного шума, дается статистический анализ шума мелкодисперсной среды. По итогам анализа приводится оценка погрешности определения параметров эхо-сигнала, замаскированного шумом. Даются рекомендации по методам выделения эхо-сигнала из структурного шума.

В разделе показано, что наилучшие результаты достигаются при использовании пространственно-временных методов выделения сигнала из коррелированного структурного шума. К сожалению, для большинства изделий нет возможности осуществлять перемещение ЭАП в зоне предполагаемого дефекта, то есть осуществлять многоканальный контроль. Часто это связано со сложной формой изделия, с условиями акустического контакта датчика с изделием и другими причинами. В этом случае необходимо обеспечивать выделение эхо-сигнала из стругаурного шума при однократном контакте датчика с изделием, при одноканальном контроле. Для одноканального контроля оценивается погрешность

2 1

измерения эхо-сигнала в условиях коррелированной помехи: о,о =-^, где р0 -

Ш^ск

энергетическое отношение сигнал/помеха, ^ - среднеквадратическая ширина спектра сигнала. Рассчитанная величина погрешности, вызванной структурным шумом при одноканальном контроле, позволяет сделать вывод, что допустимая точность измерения эхо-сигнала на фоне структурного шума возможна без специальной обработки эхо-сигнала при превышении сигнала над выбросами, структурного шума не менее чем в 3 раза.

Показывается, что обеспечить выделение эхо-сигнала из структурного шума при достаточно высоком уровне шума (С/Ш ~1) возможно и при одноканальном контроле за счёт оптимальной обработки, которая сводится к временной или частотной

декорреляции сигнала и помехи. Временная декорреляция УЗ эхо-сигнала сигнала и структурного шума в данном случае сводится к "сжатию" эхо-сигналов во времени и

позволяет обнаружить эхо-сигнал на фоне отражений от структуры. В разделе показывается, что такое "сжатие" можно осуществить с использованием вейвлет-

фильтрации сигнала,

замаскированного структурным шумом. Натурное моделирование (рис. 8) позволило определить границы применимости такого метода. При небольшом уровне структурного шума (отношение сигнал / структурный шум больше единицы) удается дифференцировать структурный шум. В этом случае каждому элементарному отражателю можно противопоставить элементарный эхо-сигнал и на фоне отражений от структуры выделить эхо-сигнал от дефекта. Для стального образца специзделия с высоким уровнем структурного шума (рис. 9, а) с помощью различных вейвлетов удалось выделить эхо-сигнал от дефекта (рис. 9,5 и 9, с). В этой же главе рассматривается способ одноканалыюй частотной

декорреляции шума и эхо-сигнала от дефекта. Этот способ заключается в девиации несущей

Рис. 8. Экспериментальная модель (а), эхо-сигнал (структурный шум) (б) и результаты вейвлет-фильтрации шума (в)

а) осциллограмма эхо-сигнала

в) Вейвлет-спеюр "Мексиканская шляпа"

Рис. 9. Вейвлет-спектры

С?аххгы8 яв-скгам

П^пятъс! »»шпа а«см елкмаааеЯ фкэдраща к дстгкпреа» ам

частоты зондирующего колебания и последующем накоплении реализаций ответного сигнала, прошедших через оптимальный фильтр и детектор.

В пятой главе подробно описывается структурная схема разработанного многофункционального компьютерного дефектоскопа, приводятся многочисленные примеры его использования для различных задач контроля. Описывается контроль колоколов старинного литья, осуществлённый именно таким методом одноканальной частотной декорреляции. Реальный НК качества больших колоколов на звоннице Ивана Великого был осуществлен в рамках Государственной экспертизы, когда после

многолетнего перерыва открывалась церковная служба в Московском Кремле.

С помощью дефектоскопа, разработанного автором настоящей работы, был проведён УЗ контроль колокола Реут (вес 30 т., толщина стенки из бронзы старинного литья до 0.4 м). Была показана возможность УЗ эхо-импульсного контроля Царь-колокола в Кремле в рамках предполагавшейся реконструкции фундамента колокола (вес колокола 200 т., толщина стенки из колокольной бронзы до 0.9 м). Позднее, в 1998 г. также в рамках Государственной экспертизы был осуществлён УЗ контроль больших колоколов строящегося храма Христа Спасителя в г. Москве. При контроле использовался ФМ сигнал Баркера с последующей оптимальной обработкой. В каждой точке контроля при неизменном положении раздельно-совмещенного широкополосного мозаичного датчика

Я ! 1

В- ...11

г-у-,—]•

Ж

••V

Рис.10. Результаты контроля колокола Реут (Московский кремль)

проводилась частотная декоррсляция сигнала и структурной помехи: проводилось 20 - 25 измерений на различных частотах в диапазоне 600 - 700 КГц с последующим накоплением этих реализаций. При сложении парциальных измерений четко фиксировался эхо-сигнала от дна (задней стенки колокола). Далее, для каждого сектора строилась секторальная дефектограмма и общая дефектограмма для каждого "кольца" контролируемого колокола (рис. 10).

В шестом разделе (в заключении) подводятся итоги работы, приводится сводка основных научных результатов.

Приложение содержит подробное описание принципиальных схем разработанной автором аппаратуры и программного обеспечения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Качанов В. К., Карташев В. Г., ЗоринА. 10., Закутаев И. Л., Шалимова Е. В., Соколов И.В., ЗалеткинА.В. Вопросы повышения точности УЗ толщинометрии материалов с высоким затуханием // Тез. док. 14 НТК "Неразрушающий контроль и диагностика", 23 - 26 июня 1996 г. -М. 1996. -Т.1, -С.120

2. Качанов В. К., ЗоринА. 10., Шалимова Е. В., Соколов И. В., ЗалеткинА.В. Ультразвуковой микропроцессорный толщиномер материалов с высоким затуханием // Тез. док. 14 НТК "Неразрушающий контроль и диагностика", 23 -26 июня 1996 г. -М. 1996. -Т.1, -С.121

3. Карташев В. Г., Шалимова Е. В., Соколов И. В., Качанов В.К., Залеткин А. В. Математическое моделирование структурного шума при ультразвуковом контроле сред с равномерным распределением неоднородностей // Тез. док. 14 НТК "Неразрушающий контроль и диагностика", 23 - 26 июня 1996 г. -М. -Т.1, -С.122.

) 4. Качанов В. К., Шалимова Е. В., Соколов И. В., ЗалеткинА.В., БулаевЮ. В.,

Попко В. П. Опыт ультразвукового контроля колоколов Московского Кремля и Храма Христа Спасителя // Тез. док. 14 НТК "Неразрушающий контроль и диагностика", 23 - 26 июня 1996 г. -М. 1996. -Т.1, -С.123 5. Соколов И. В., Залеткин А. В., Качанов В. К., Питолин А. И, Применение сигналов специальной формы для дефектоскопии изделий с высоким затуханием ультразвука // Тез. док. 14 НТК "Неразрушающий контроль и диагностика". 23 - 26 июня 1996 г. -М. 1996.-Г.). С. 124

6. Соколов И. В., Качалов В. К., Питолин А. И., Залеткин А. В. Реализация способа гармонического синтеза сигналов в адаптивном ультразвуковом дефектоскопе // Тез. док. 14 НТК "Неразрушающий контроль и диагностика", 23 - 26 июня 1996 г. -М. 1996.-Т. 1,-С. 145

7. Качалов В. К., Соколов И. В., Залеткин А. В., Закутаев И. Л., Питолин А. И., Попко В. П. Адаптивный программно-аппаратный комплекс ультразвуковой дефектоскопии и диагностики // Тез. док. 14 НТК "Неразрушающий контроль и диагностика", 23-26 июня 1996 г. -М., 1996. -Т.1, -С.161

8. Качанов В. К., ЗоринА. Ю., Залеткин А. В. Определение путей повышения точности измерения временного положения эхо-сигналов при контроле изделий из ПКМ с большим затуханием ультразвука // Тез. док. Всероссийской НТК "Новые материалы и технологии НМТ-98", 17-19 ноября 1998 г., М.МАТИ, 1998. -С.371

9. Качанов В. К., Соколов И. В., Залеткин А. В. Методы восстановления формы эхо-сигнала при УЗ толщинометрии изделий из ПКМ // Тез. док. Всероссийской НТК "Новые материалы и технологии НМТ-98", 17 - 19 ноября 1998 г., М.МАТИ, 1998. -С.372

10. Качанов В. К. Соколов И. В., Зорин А. Ю., Закутаев И. Л., Залеткин А. В. Использование радиотехнической обработки сигналов в УЗ толщиномегрии авиационных материалов // Тез. док. 15 Российской конф. "Неразрушающий контроль и диагностика", 28 июня - 2 июля 1999 г., -М., 1999. —Т.1, —С.115

И. Соколов И. В., Качанов В. К., Питолин А. И., Попко В. П., Зорин А. Ю., Залеткин А. В. Применение сплит-алгоритма в ультразвуковой дефектоскопии (англ. и рус. яз) // "XXI век - Новые технологии", Под ред. С. П. Капицы, -1999. -№ 1, -С.60 -61.

12. Патент РФ № 2106625 БИ №7 от 10.03.98. / Устройство УЗ контроля материалов и изделий / Качанов В. К., Питолин А. И., Соколов И. В., Залеткин А. В., Попко В. П.

13. Патент РФ № 1Ш 2121659, БИ 31, 1998 / Способ ультразвукового контроля толщины изделий / Соколов И. В., Залеткин А. В., ЗоринА. Ю., Питолин А. И., Соколов Е. И.

14. Свидетельство на полезную модель РФ № 1Ш 18578 Ш Л301 В 17/02, Бюл. N 18, 27.06.2001 / Устройство ультразвукового контроля толщины изделий /

Залеткин А. В., Зорин А. Ю., Качанов В. К., Питолин А. И., Попко В. П., Соколов И. В.

15. Качанов В. К., Соколов И. В., ПопкоВ. П., Залеткин А. В., Федоров М. Б. Применение сложномодулированных сигналов при ультразвуковом контроле протяженных изделий с большим затуханием и неоднородной структурой // 5-ая Международная конференция "Электромеханика, электротехнология и электроматериаловедение", Крым, Алушта, 22 - 24 сентября 2003 г. М.МЭИ, Труды МКЭЭЭ, 2003. часть 1, -С.137

16. Качанов В. К., Соколов И. В., Залёткин А. В., Фёдоров М. Б. Разработка высокоточных методов измерений временного положения ультразвуковых эхо-сигналов // Тез. док. на НТ специализированной конф. "Промышленный неразрушагощий контроль", 9-11 апреля 2003 г. -М.ЦМТ, РОНКТД, 2003. -С.24

17.Соколов И.В., Качанов В.К., Фёдоров М.Б., Залёткин A.B., Зорин АЛО. Динамическая оптимальная фильтрация частотно-неэквидисгантного сплит-сигнала. // 3-я международная выставка и конференция "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности" 17-19 марта 2004 г. Тез. докл. -М.ЦМТ., 2004. -С.96

18. Качанов В. К., Соколов И. В., Залёткин А. В. Фёдоров М. Б. Проблемы точности измерения при ультразвуковом контроле сложноструктурных изделий // 5-ая Междунар. конф. "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности" 16 - 19 мая 2006 г. Тез. докл. -М.: Машиностроение-1, 2006. -С.140

19. Качанов В. К., Соколов И. В., Залёткин А. В., Фёдоров М. Б. Многофункциональная аппаратура ультразвукового контроля // 5-ая Междунар. Конф. "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности" 16-19 мая 2006 г. Тез. докл. -М.: Машиностроение-1. 2006. -С.ЗЗ

20. Залеткин А. В. Проблема точности измерения временного положения ультразвукового эхо-сигнала при контроле протяженных сложноструктурных изделий // Измерительная Техника. -2006. -№10. -С.31-36

Л0Р6Я_

Подписано в печать ¡¿¡1(' 09 Зак. Тир. /¿Ю П.л.

Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

1. ВВЕДЕНИЕ.

1.1. Актуальность темы. Постановка задачи.

1.2. Научная новизна.

1.3. Методы исследования.

1.4. Основные практические результаты.

1.5. Основные положения, выносимые на защиту.

1.6. Внедрение результатов контроля.

1.7. Публикация результатов.

2. ПРОБЛЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЭХО-СИГНАЛА ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЛОКАЦИИ ПРОТЯЖЕННЫХ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ ИЗДЕЛИЙ.

2.1. Анализ проблем определения толщины при традиционной УЗ эхолокации (дефектоскопии, толщинометрии).

2.2. Задача УЗ эхо-локации (дефектоскопии, толщинометрии) изделий с большим интегральным затуханием сигналов.

2.3. Задача УЗ эхо-локации (дефектоскопии, толщинометрии) сложноструктурных изделий.

2.4. Выводы по разделу 2. Постановка задачи диссертационной работы

3. ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЭХО-СИГНАЛОВ ПРИ УЗ ЛОКАЦИИ ИЗДЕЛИЙ С БОЛЬШИМ ЗАТУХАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА

3.1. Условия выделения УЗ эхо-сигналов из белого шума.

3.2. Использование сложномодулированных сигналов в УЗ эхо-локации

3.3. Использование синхронного детектирования УЗ эхо-сигналов.

3.4. Оценка повышения точности измерения временн6го положения УЗ эхо-сигнала за счет использования сложномодулированных сигналов.

3.5. Использование сплит-способа и сплит-сигналов для компенсации искажений сигнала в электроакустическом тракте УЗ дефектоскопа.

3.5.1. Основные свойства сплит-способа и сплит-сигнста.

3.5.2. Чувствительность УЗ локации изделий при использовании сплит-способа.

3.5.3. Компенсация искажений в ЭАТпри использовании сплит-способа контроля.

3.6. Выводы по разделу 3.

4. ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ВЫДЕЛЕНИЯ УЗ ЭХО-СИГНАЛОВ ИЗ СТРУКТУРНОГО ШУМА ПРИ ОДНОКАНАЛЬНОМ КОНТРОЛЕ.6О

4.1. Статистические характеристики структурного шума.

4.2. Вопросы обнаружения УЗ эхо-сигнала в структурном шуме при одноканальном контроле.

4.3. Оценка точности определения временного положения эхо-сигнала, замаскированного структурным шумом при одноканальном контроле

4.4. Временная декорреляция эхо-сигнала и структурного шума.

4.4.1. Положения теории оптимальной фильтрации применительно к проблемам выделения УЗ эхо-сигналов из небелого шума при одноканальном контроле.

4.4.2. Обоснование применимости вейвлет-обработки УЗ эхо-сигналов для временной декорреляции структурного шума.

4.4.3. Постановка эксперимента по натурному моделированию времнной декорреляции структурного шума.

4.5. Применение вейвлет-обработки УЗ эхо-сигналов при одноканальном контроле для выделения УЗ эхо-сигнала из структурного шума и измерения его временного положения.

4.5.1. Использование вейвлет-обработки УЗ сигнала для выделения эхо-сигнала из структурного шума.

4.5.2. Применение вейвлет-обработки при измерении временного положения

УЗ эхо-сигналов.

4.6. Методы частотной декорреляции сигнала и структурного шума.

4.7. Выводы по разделу 4.

5. АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС УЗ ЛОКАЦИИ СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ.

5.1. Общие положения.

5.2. Структурная схема.

5.3. Узел аналого-цифрового интерфейса.

5.3.1. Общие сведения.

5.3.2. Структурная схема.

5.3.3. Основные характеристики устройства.

5.4. Узел обработки аналоговых сигналов.

5.4.1. Приемный тракт.

5.4.2. Передающий тракт.

5.5. Программное обеспечение.

5.5.1. Общие сведения.

5.5.2. Используемые алгоритмы и методы обработки сигналов.

5.5.3. Интерфейс оператора системы.

5.6. Результаты практических испытаний комплекса.

5.6.1. Обнаружение донного эхо-сигнала в многослойной среде.

5.6.2. Измерение толщины изделия с высоким затуханием УЗ.

5.6.3. Накопление и визуализация результатов серийных измерений.

5.6.4. Применение методов частотной декорреляции при УЗ контроле колоколов.

5.6.5. Разрешение расслоения у дальней границы изделия.

5.7. Выводы по разделу 5.

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 индикации; какая-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 разнообразие; при 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 ослабевают; возникает 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 помехи -структурного 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 частоты; задачи 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.

1. Неразрушающий контроль. Россия. 1990 2000 г.г. Справочник. Под ред. В.В.Клюева.-М.:: Машиностроение, 2001, - 616 с.

2. Качанов В.К., Питолин А.И., Попко В.П., Карташев В.Г., Соколов И.В., Зорин А.Ю. Приоритет российских ученых в разработке новых средств УЗК с повышенной информативностью/ В мире Неразрушающего Контроля, С.Петербург, 2001, №2 (12), с.14-15.

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

4. Sokolov I.V. The split method of Ultrasonic Nondestructive Testing, Nondestr. Test. Ewal., London, 2003, Vol. 19, p. 1 -15.

5. Ермолов И.Н. Теория и практика УЗ контроля, М.: Машиностроение, 1981, 240 с.

6. Королев М.В. Эхо-импульсные ультразвуковые толщиномеры. М.: Машиностроение, 1980,112 с.

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

8. Аксенов В. П., Попов И. С., Попко В. П., Качанов В. К., Питолин А. И. Применение пьезокерамических мозаичных электроакустических преобразователей //Труды МЭИ. Вып.335. 1977, с.49-52.

9. Vladimir. К. Kachanov and Igor V. Sokolov. Application features of radio engineering signal processing methods for ultrasonic flow detection, Nondestr.Test.Ewal., 2000, Vol.l5.P.330-360.

10. Карташев В.Г., Качанов В.К., Шалимова Е.В. Статистические характеристики структурного шума в среде с мелкомасштабными неоднородностями //Дефектоскопия, 1998, №4.С.11-18.

11. Карташев В.Г., Шалимова Е.В., Соколов И.В., Залеткин А.В. Влияние структурного шума на погрешности измерений в ультразвуковой дефектоскопии.//Радиотехнические тетради. 2006. В печати.

12. Ефимов В. Г., Максименко Е. В. Вейвлет-технологии в адаптивной ультразвуковой толщинометрии. Тез. докл. Международной конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям. 29-31.10.2002г. Новосибирск.

13. Angrisani L. The Detection of Echoes from Maltilaered Structures Using the Wavelet Transform. IEEE Trans. Instrum. and Meas., v.49, N4, pp.727-731.

14. Бадалян В.Г., Вопилкин A.X. Мониторинг сварных соединений трубопроводов с использованием систем автоматизированного ультразвукового контроля с когерентной обработкой данных. В мире неразрушающего контроля, 2004, №4(26), с.22-27.

15. Базулин Е. Г. Повышение отношения сигнал/шум при совместном использовании методов экстраполяции и расщепления спектра. Дефектоскопия, 2006,№1,с.68-78.

16. Тянлу Чен, Пейвен Ку, Ки Шанг, Кикун Лиу. Точное определение размеров положения дефекта ультразвуковым неразрушающим время-пролетным методом. Дефектоскопия, 2005, №9, с.57-68.

17. Ермолов И. Н. Достижения в ультразвуковом контроле (по материалам 16 Международной конференции). Дефектоскопия, 2005, №8, с.3-12.

18. Карташев В. Г., Соколов И. В., Шалимова Е. В., ЗалеткинА. В. Оптимальная и квазиоптимальная временная обработка сигналов при ультразвуковой дефектоскопии сигналов со сложной структурой и частотно зависимым затуханием. М., Вестник МЭИ, 2006. в печати.

19. Лезин Ю. С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем/ -М.:, Радио и Связь, 1986,280 с.

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

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

22. Пестряков Б. П. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации, -М.:, Сов. радио, 1973.

23. Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. -М.: Радио и Связь, 1985,389 с.

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

25. Качанов В. К. Разработка помехоустойчивых методов и устройств УЗ контроля ПКМ. Автореф. дисс.докт.тех. наук, -М.:, МГТУ, 1993.

26. Соколов И. В. Применение сигналов специальной формы при УЗ эхолокации крупногабаритных сред // Автореф.: дис. канд. техн. наук. -М.: Моск.энерг.ин-т, 1983,20с.

27. Vladimir K.Kachanov, Vladimir G. Kartashev and Valentin P.Popko. Application of signal processing methods to ultrasonic non-destructive testing of articles with high structural noise//Nondestr.Test.Eval., 2001,Vol. 17, p. 15-40.

28. Furgason E.S., Newhouse Y.H., Bilgutay N.M., Gooper G.R. Application of random Signal correlation techniques to ultrasonic flaw detection. Ultrasonics, 1975, 13, p.11-17.

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

30. Wadaka S., Misuk K., Nagatsuka Т., Urassaki S., Koike M./ Pulse Compession Ultrasonic Nondestructive Testing using Complementary siries Phase Modulation/ Хихикай Кэнса = J.NDT, 1989,-38, № 9a, p.809-810.

31. Жуков В. П., Иванова Н. Н. Учебное пособие по курсу Радиотехнические цепи и сигналы. Нелинейные преобразования сигналов. М., МЭИ. 1978. 72 с.

32. Качанов В. К., Питолин А. И., Рябов Г. Ю., Мозговой А. В., Калугин П. Г. Способ ультразвукового контроля изделий с большим затуханием ультразвука. А.с.СССР №2006852, Б.И.2,1994.

33. Качанов В.А., Зорин А.Ю., Бузенков В.В., Мозговой А.В., Калугин П.Г. Способ УЗ контроля толщины изделий // А.с.СССР N 1817020, БИ 19,1993г.

34. Качанов В.К., Зорин А.Ю., Питолин А.И., Калугин П.Г., Макаров А.О. Ультразвуковой способ измерения толщины изделия с большим затуханием ультразвука и устройство для его осуществления. Патент РФ№2052769. Бюл. изобр. №2,1996г.

35. Соколов И. В., Залёткин А. В., Зорин А. Ю., Питолин А. И., Соколов Е. И. Способ ультразвукового контроля толщины изделий Патент РФ № 2121659, Бюл. изобр. №31,1998.

36. И. В. Соколов, В. К. Качанов, А. И. Питолин, В. П. Попко, А. Ю. Зорин, А. В. Залеткин Применение сплит-алгоритма в ультразвуковой дефектоскопии (на англ. и русском яз.)// "XX век — Новые технологии", Под ред. С. П. Капицы, № 1,1999 г,.

37. Качанов В. К., Соколов И. В., Залеткин А. В. Методы восстановления формы эхо-сигнала при УЗ толщинометрии изделий из ПКМ. Тез.док. Всероссийской НТ конф."Новые материалы и технологии"

38. НМТ-98, М.МАТИ,17—19 ноября 1998, с.372—373.

39. Качанов В. К., Питолин А. И., Соколов И. В., Залеткин А. В., Попко В. П. Устройство УЗ контроля материалов и изделий // патент РФ № 2106625 БИ №7 от 10.03.98.

40. Залеткин А. В., Зорин А. Ю., Качанов В. К., Питолин А. И., Попко В. П., Соколов И.В. Устройство ультразвукового контроля толщины изделий // Свидетельство на полезную модель РФ //RU 18578 U1/G01B 17/02, Бюл.Ш 8,27.06.2001

41. Фалькович С.Е., Хомяков Э.Н. Статистическая теория измерительных радиосистем. М.: Радио и связь, 1981.

42. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Советское радио, 1966

43. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М., Сов.рад.1977.

44. Карташев В.Г., Качанов В.К. Оптимальное выделение сигналов на фоне структурного шума в ультразвуковой дефектоскопии // Дефектоскопия. 1992. №7. с.51-60.

45. Дьяконов В.П. Вейвлеты. От теории к практике. СОЛОН-Р. Москва, 2002.

46. Ринкевич А. Б., Перов Д. В. Вейвлетный анализ акустических полей и сигналов в ультразвуковой дефектоскопии. Дефектоскопия, 2005, №2.

47. Rosiene J and Sholl H. Application of wavelets to ultrasonic evaluation of thickness. Wavelet Application, SPIE.v.2242,1994, pp487-505.

48. Коряченко В. Д. Статистическая обработка сигналов дефектоскопа с целью увеличения отношения сигнал/шум при реверберационных помехах // Дефектоскопия, 1975, №1,С.87-95

49. Гребенников В. А., Гурвич А. К., Григорьев Н. В. Многочастотный способ УЗ контроля аустенитных сварных швов // Дефектоскопия, 1974, №1 С.81-89

50. Рабинер JL, ГоулдБ. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М.:Мир, 1978.

51. Залеткин А. В. Проблема точности измерения временного положения ультразвукового эхо-сигнала при контроле протяженных сложноструктурных изделий. Измерительная Техника, 2006 (в печати)