автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Разработка помехоустойчивых методов и устройств ультразвукового контроля полимерных композиционных материалов

МОСКОВСКИЙ ордена ЛЕНИНА, ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ордена ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗН/.МЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Е Э. БАУМАНА

Р Г 6 О Д Н3 правах рукописи

Я П ДОГ 1093

КАЧАЛОВ Владимир Клшентьевич

РАЗРАБОТКА ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.02.11 -Методы контроля и диагностики в машиностроении

' ■ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени . доктора технических наук

ЖЬиы^

Москва 1993

.....

\ )

Работа выполнена в Московским энергетическом институте

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Щербинский В.Г.

доктор технических наук, профессор Потапов'А.И.

доктор технических наук, нач. 'отделения Гончаров В.И. ■ •

Еедущая организация: ЦНИИ специального машиностроения

Защита состоится " ' " ЦИИ -л^уу; 1ддз г. в час,

на заседании специализированно, о Совета Д-053.16.07, при ЫГТУ им. Н.Э.Баумана по адресу: Москва, 2-я Бауманская ул., д.Б.

Ваш отвьга на автореферат в одном экземпляре, заверенный печать»), просим присылать по адресу: Москва, 2-я Бауманская ул., д.Б. ,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им.Н.Э.Баумана.

Автореферат разослал " " ШС^ЧС/вТА- 1993 г.

УЧЕНЫЙ СЕ^ЕТАРЬ специализированн-го Совета к.т.н.доцент ■ - Е.В.Шип

Подписано к печати 17-06.93г. Объем 2 п.л.

Тираж 100 экз.' Типография МГТУ им.Н.Э.Бидона

Заказ 362

ОЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ . Актуальность темь?, постановка задачи. Особенности неразрушающе го контроля изделий из полимерных композиционных материалов (ПКЮ в ракетно-космической и авиационной технике требуют одностороннего доступа, следовательно эхо-импульсного контроля этих изделий.

Аномально высокое частотнозависимое затухание ультразвуковых колебаний (УЗЮ я сложная, как лразило, многослойная структура ПКМ требуют обеспечения одновременно высокой чувствительности и разрешающей способности контроля, "'.то в большинстве случаев не обеспечивается при использовании традиционных методов и устройств У5 контроля с использованием простых ¡смодулированных сигналов без специальной обработки эхо-импульсов. Действительно, из-за большого затухания УЗК эхо-сигналы находятся ниже порога чувствительности приемного тракта УЗ дефектоскопа(замаскированы белым иумсм).0 понижением частоты зондиругт.его сигнала удается обнаружить отраженный от дефекта импульс, однако это приводит к ухудшению разрешавшей способности. что не позволяет контролировать расслоения в многослойных ПКМ. В ряде изделий многочисленные отражения от слоев создают коррелированный с зондирующим сигналом структурой иум. маскирующий эхо-сигналы от дефекта. Кроме того, после прохождения через изделие, через электроакустический трекг дефектоскопа эхо-сигналы искажаются, и возникает проблема точного определения временного положения эхо-сигнала при УЗ топшююметрии ПКМ.

Подобные проблемы обнаружения, измерения искаженных и замаскированных пумом эхо-сигналов решаются в радиолокации, технике связи. Таким образом становится очевидной задача разработки човых помехоустойчивых методов и устройств УЗ контроля ПКМ на основе использования радиолокационных сигналов с последующей их оптимальной обработкой , обеспечивающее ва счет выделения эхо-сигналов из шумов и помех высокую чувствительность и одновременно высокое разрешение при контроле многослойных изделий, достоверность и точность измерения зре-менного положения эхо-сигнэлсв.

Научная новизна. В работе получены следующие научные ре&улътаты:

1. Исследованы вопросы выделения эхо-сигналов из шумов и помех в та дефэктоскопии ПКМ с большим затуханием УЗ и сложной структурой. Пасаэана целесообразность использования негоден оптимальной Фильтрации сигналов для комплексного решения проблемы обнаружения, выделения эхо-сигналов иэ шумов и помех и измерения их параметров.

2. Показана целесообразность использования при УЗ эхо-контроле в совокупности с согласованной фильтрацией синхронного детектирования и квадратурной двухкакальной обработки эхо-сигналов.Такая обработка является оптимальной при УЗ контроле ПКМ.она обеспечивает по-

вышение чувствительности и помехоустойчивости контроля, увеличение разрешающей способности, достоверности контроля и точности измерения временного положения эхо-сигнала, а также частичное подавление сигнала электроакустической наводки (ЭАН).

3. Показано, что использование в УЗ дефектоскопии и толщиьо-метрии оптимальной фильтрации заставляет оперировать не с временным изображением эхо-сигналов, а с их автокорреляционными (АКФ) и вва-имнокорреляционными функциями (ВКФ). Показано, что выбор наиболее подходящего для УЗ контроля сигнала должен производиться пс виду его АКФ. Использование оптимальной фильтрации сигналов позволило создать новое направление УЗ толщинометрии изделий с большим затуханием УЗК, обеспечивающее высокую точность и достоверность измерения за счет фиксации временного положения эхо-сигнала по пику его АКФ.

4. Показана целесообразность испольвования при УЗ дефектоскопии 1ЖЫ периодических пачек импульсов с последу.зщей их обработкой в оптмальном фильтре (СФ) - накоплением с целью повышения отношения эхо - сигнал/шум. На основе использования пачек импульсов с малой скважностью предложены новые методы УЗ толщинометрии ШШ.

б. Показано, что акустический слой ведет себя подобно радиотехническому квазиоптимальному фильтру для пачки импульсов - рецир-кулятору. На основании представления слоя как рециркудятора: а) предложена модель формирования структурной помехи в многослойных регулярных средах и предложены способы выделения эхо-сигналов из такой помехи; б) предложен и реализован метод УЗ контроля многослойных сред, основанный на представлении слоя как накопителя при использовании в качестве зондирующего сигнала пачки когерентных импульсов с регулируемым периодом, повторения; в) был теоретически сформулирован и экспериментально подтвержден эффект "нерезонанонс-го"прохождения фазоманипулированных (ФЫ) сигналов через слой, заключающийся в отсутствии резонансных явлений, что позволяет проводить УЗ контроль длинными ФМ сигналами без возникновения интерференционных явлений и обеспечивает достоверность информации об амплитудах сигналов в слоистых средах,

6. Исследованы различные виды сложномодулированных сигналов для задач УЗ дефектоскопии и толщинометрии,сформулированы критерии выбора для этих целей сигналов по виду их АКФ и показаны наиболее оптимальные области их применения. Предложен и впервые введен в практику УЗ дефектоскопии метод эхо-импульсного контроля изделий, использующий "й! сигналы с последующей их согласованной фильтрацией (сжатием во времени) в совокупности с синхронным детектированием и двухканальной квадратурной обработкой. Теоретически и экспе-2

римснтально показано, что этот метод одновременно обеспечивает высокие значения чувствительности к обнаружению. разрешающей способности.повышает точность и достоверность измерения, исключает возникновение в слоях резонансных явлений и стоячих волн. Впервые предложен и внедрен непрерывно-импульсный метод эхо-контроля максимальной чувствительности ка основе использования непрерывны?: 2М М-сигналов.

7. Исследованы различные виды ансамблей сигналов применительно к задачам многоканального УЗ контроля изделий (комплементарные сигналы Паркера, Г злея, ортогональные СМ Ы - последовательности) .• Предложены и экспериментально исследованы новые методы УЗ дефектоскопии, в которых используются одновременно несколько ортогональных Ш М-сигкалов. Эти методы позволяют повысить производительность-контроля, а такте в теневом режиме обеспечивают определение координат дефектов, их форму, размер, т.е. обеспечивают принципиально.новый способ визуализации акустических неоднородностей'.

8. С целью уменьшения искажений сложнэмодулированных сигналов при их электроакустическом (ЗА) преобразовании и увеличения эффективности передачи таких сигналов в ЭАТ УЗ дефектоскопа разработаны и реализованы методы и устройства формирования непосредственно в контролируемой среде УЗ Ш сигналов без предварительного формирования электрической копии возбуждрэдего сигнала и его ЗА преобразования. Разработаны и реализованы также устройства обработки УЗ слож-номодулированных эхо-сигналов (Ш, ЧМ, и др.) в акустических фильтрах без предварительного ЭА преобразования эхо-скгналов.

9. Показана целесообразность использования линейно-частотномо-дулированных (ЛЧМ) сигналов о большой базой для 8адач УЗ дефектоскопии. Предложен и внедрен метод УЗ толщикометрии со спектральной' обработкой ЛЧМ сигналов большой длительности.

10. Исследованы вопросы Еыделения УЗ сигналов из коррелированных помех. Теоретически и экспериментально показана целесообразность использования пространственно-временной (ПВ) обработки сигналов для выделения их из структурного пума. Разработаны алгоритмы построения ПВ ОФ для выделения эхо-сигналов из коррелированных помех.

11. С цель» выделения эхо-сигналов одновременно из белого шума и из коррелированной помехи при контроле ПКМ с большим затуханием УЗ и сложной структурой были предложены и исследованы модели ПВ сигналов, реализуемых с помощью предложенных корреляционных антенных решеток, обеспечивающих узкую корреляционную диаграмму направленности СЛН) ПВ Ш сигнала и возможность управления ею.

12. Предложено новое направление развития автоматизированных

УЗ систем, основанное на концепции адаптации параметров зондирующего сигнала я ЭАТ УЗ дефектоскопа под акустические свойства изделий И8 ГОШ, что обеспечивает о помощью гибких устройств автоматический анализ характеристик контролируемого изделия и автоматическую оптимизацию параметров зондирующего сигнала, ЭАТ и способа обработки охо-сигнала для широкого спектра изделий из ПКМ.

Практическая ценность работы и ее реализация. Пс тематике диссертации под руководством автора были выполнены й х/д НИР о предприятиями авиакосмических отраслей промышленности, а также проведены фундаментальные исследования в рамках 6 г/б НИР по программам АН и ШНВУЗа. В результате были разработаны, изготовлены и переданы для опытной эксплуатации образцы УЗ дефектоскопов и толщиномеров для контроля ПКЫ, два прибора приняты к серийному внедрению. В том числе:

1. Разработан и. внедрен в опытное производство на предприятиях аэрокосмического комплекса (ПНИИСМ. ДШМТЫ) новый класс УЗ зхо-им-пульсных дефектоскопов с использованием Й1 сигналов Еаркера, М-сиг-налов, обеспечивающих выделение эхо-сигналов из шумев, высокую разрешающую способность, отсутствие резонансных явлений при контроле многослойных сред, высокую точность измерения временного положения эхо-сигналов, повышенную помехоустойчивость. Использование радиоимпульсного формирования зондирующего сигнала позволило в отличие от ударного возбуждения плавно менять параметры сигнала (Го,Тэ) для пополучения оптимальных 'параметров контроля.Дефектоскопы УЗД-ЗМ после ОКР рекомендованы к серийному производству в НПО "Водна" (г. Кишенев).

г. Разработаны и внедрены в опытное производство на предприятиях аэрокосмической промышленности (АНПК "Ш1Г"им.А.И.Микояна. АНТК им.А.Н.Туполева. ДНЖИ.ДНИШ) новый класс УЗ эхо-импульсных толщиномеров авиационных материалов на основе оптимальной фильтрации сигналов и УЗ толщиномеры протяженных изделий на основе спектральной обработки ЛЧМ сигналов большой длительности.

3. Разработан новый класс УЗ автоматизированных адаптивных систем, осуществляющих адаптацию параметров дефектоскопа и зондирующего сигнала под свойства изделия. Адаптивный дефектоскоп внедрен в

' опытную эксплуатацию в НПО "Союз" и в серийное производство.

4. Разработаны принципы построения УЗ аппаратуры для контроля изделий с высоким уровнем структурных помех на осноье ПВ обработки сигналов. Разработаны алгоритмы расчета ПВ <Ш сигналов и корреляционных антенн для формирования ПВ Ш сигналов с управляемой узкой ЛИ.

Внедрение подтверждено соответствующими актами, приведенными в

Приложении к диссертации. Разработанные приборы экспонировались на выставках в нашей стране и за рубежом, автором получены серебряная и бронзовая медали ВДНХ СССР, диплом sa 1 место на Всесоюзном конкурсе приборов НК композитов (1989 г.). Комплекс работ, выполненных под руководством автора, удостоен премии Гособразования СССР (1990 г.).

Методы исследований. При разработке помехоустойчивых методов УЗ контроля ПКМ в работе использовались положения и математический аппарат теории сигналов, статистической радиотехники, теории, связи. При разработке устройств УЗ контроля ПКМ использовалась современная элементная база электроники включая микропроцессоры и ПЭВМ.

Публикация и апробация результатоз. По результатам исследований опубликовано 50 печатных работ. 24 отчета по НИР. Получено 17-авторских свидетельств на изобретение, п также положительные репе-ния ка выдачу 7 свидетельств. На рассмотрении находятся G заявок на изобретение.

Результаты исследований были представлены . на международных конференциях по неразрушающему контролю в Японии • (Iketsni Conforonce, 1991), Франции (Ultrasonic International Conference,

1991), Бразилии (13 World conference on nondostructlve testing,

1992), Австрии (Ultrasonics international conference, Вена. 1993) .Болгарии (Г.Варна, 1990: г.Торгозиште, 1990), Латвии (не-разрушаюпшй контроль композитов. Рига, 1991), Москве (Московская международная конференция по композитам MICC-90).Результаты работ докладывались также на XII Всесоюзной конференции "Неразрутпаюпке физические методы контроля" (г.Свердловск, 1990), на Ш Межотраслевой конференции "Нерззрупаювме методы контроля изделий из ПКМ" (г.Туапсе,1989),на Всесоюзной НГ конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" (г.Москва,1989), на XIV Всероссийской конференции по неразрушающему контролю (г.С.-Петербург,1992гJ, на Республиканской НТ конференции "Технология " производства деталей кз КМ"(г.Киев,1992).Х111 НТ конференции "Кострукшш и технология получения изделий из неметаллических материалов" (г.Обнинск,199?), на Московских НГ конференциях (1974, 1976, 1S73, 19С0, 1990, 19S1), на НГ конференциях МЭИ (1975. 1979, 1985, 1988. 1990, 1998).

Объем работы. Работа состоит из 10 разделов, списка использованной литературы и Приложения. Основной часть работы содержит 2?0 страниц машинописного текста и 91 страницу с рисунками. Приложение - Ь2 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе (во введении) обоснована актуальность теш и постановка задачи, определена цель работы, перечислены основные по-

ложения, выносимые на защиту, структура и состав работы.

Во второй главе обсуждаются основные проблемы УЗ контроля ПКМ. применяемых в изделиях ракетно-космической и авиационной промышленности, приводится обзор существующих методов УЗ контроля композитов, формулируются пути решения проблем контроля ПКМ.

Изделия из ПКМ в ракетно-космической технике подвергаются комплексному контролю на всех стадиях изготовлении с использованием УЗ, рентгеновского, теплового и др.методов. Вместе с тем, ряд изделий на конечных стадиях изготовления, а так же готовые изделия допускают только односторонний доступ, т.е. только УЗ эхо-метод (рис.1). Однако традиционные методы и приборы УЗ эхо-импульсного контроля положительных результатов при этом не дают из-за особенностей свойств композитов, среди которых определяющими являются аномально высокое частотнозависимое затухание УЗК (рис.2) и сложная (как правило многослойная) структура. Из-за затухания эхо-сигнал от дефекта может находиться ниже порогового уровня чувствительности приемной части дефектоскопа, т.е. маскируется белым шумом (рис.3-а).Существующие методы эхо-контроля не решают проблемы выделения сигналов из шума, абсолютная чувствительность УЭ дефектоскопов ограничена "снизу" уровнем шума приемной части прибора. Увели' чить амплитуду эхо-сигнала за счет увеличения зондирующего сигнала ио не удается из-8а оганичений, накладываемых на выходной каскад генератора, а в ряде случаев (при УЗ контроле взрывоопасных веществ) амплитуда сигнала ограничена объектом контроля. Таким образом, при УЗ эхо-контроле ПКМ возникает проблема обнаружения, выделения и измерения эхо-сигнала, замаскириванного белым шумом. Для характеристики этой проблемы в работе вводится новое понятие -чувствительность к обнаружению эхо-сигнала, замаскированного шумом, которая характеризует соотношение уровней эхо-сигнала и белого шума. Эта чувствительность к обнаружению определяется энергией зондирующего сигнала и показывает, во сколько раз необходимо увеличить энергию зондирующего импульса,чтобы отношение эхо-сигнал/шум стало больше единицы. Увеличение чувствительности к обнаружению приводит также к увеличению абсолютной чувствительности контроля за счет уменьшения нижнего предела- порогового уровня шума дефектоскопа.

Проблема выделения УЗ сигналов из белого шума впервые была поставлена в МЭИ в работах Аксенова В.П.. Попова И.С. по использованию накопления периодических сигналов; в работах Точинского Е.Г., Питолина А.И., Рябова Г.Ю. по использованию фазированных антенных решеток, фокусирующих антенн. Другое направление, обеспечивающее выделение эхо-сигнала из шума, основанное на применении сложномоду-лированных импульсов - в основном ФМ сигналов - впервые (1974 г.)

было предложено автором настоящей работа [1] и активно развивается в ЮН около 20 лет. В последние годы это направление получило активное развитие в ряде исследований в нашей стране и за рубежом.

Вторая проблема, возникающая при контроле многослойных ПКМ заключается в необходимости обеспечивать высокое разрешение по дальности отраженных от соседних слоев сигналов. Увеличить с этой целью частоту зондирующего сигнала(рис.З.а) не удается,т.к.при этом увеличивается затухание в изделии, уменьшается чувствительность к обнаружению. Уменьшение частоты не позволяет разрешить эхо-сигналы от соседних слоев (рис.3,6).Следовательно, возникает противоречие между разрешающей способностью (необходимо повышать частоту) и чувствительностью к обнаружению (необходимо уменьшать частоту),которое не удается разрешить ни при использовании накопления, ни при фокусировке, ни за счет каких либо других методов контроля.' Решается эта проблема в настоящей работе за счет согласованной фильтрации (сжатии во времени) ЧМ и Ш сигналов, а также за счет использования комплексной обработки эхо-сигналов, включающей в себя кроме согласованной фильтрации синхронное детектирование и двухканальную квадратурную обработку

Третьей проблемой является проблема точного измерения временного положения эхо-сигнала, замаскированного шумом, возникэющая, как правило,при эхо-импульсной толщинометрии авиационных ПКМ. В традиционных толщиномерах фиксация эхо-сигнала производится по переднему фронту эхо-импульса. В ПКМ из-за большого затухания УЗК форма импульса искажается, передний фронт затягивается, что приводит к появлению ошибки измерения (рис.4,а). Ошибка также возникает из-за случайных выбросов пума(б),из-за влияния па фазу эхо-сигналов акустических сопротивлений слоев ПКМ (в) и т.д. Все это ограничива-* ет применение существующих толщиномеров для контроля композитов. Проблема в работе решается также за счет оптимальной обработки эхо-сигналов.

Четвертая проблема заключается в появлении ошибки контроля из-за возникновения резонансных явлений (стоячих волн) при дефектоскопии многослойных изделий относительно протяженными сигналами. Эта проблема также решается ва счет использования 5М сигналов.

Еще одна проблема дефектоскопии композитов со сложной структурой заключается в выделении эхо-импульса из коррелированной с зондирующим сигналом помехи (структурного шума или ЭАН). При этом следует различать структурный шум в слоистых "регулярных" структурах и в средах со случайным распределением неоднородностей. Эхо-сигнал может быть как выше порога чувствительности дефектоскопа (рис.5,а,в),так и ниже (б,г). При этсм сигнал может замаскированся

Рис.1. Схема УЗ контроля.

йес Зсс Ьъ Рис.2. Обобщенная вависимость ьату-хания УЗК в ПКЫ.

^поо*гч ь Ь'АоОкГ*

«Ч

Л

дЧ —

Я)

Рис. 3. Иллюстрация противоречия мевду чувствительностью к обнаружению и разрешающей способностью УЗ эхо-контроля 1Ш

----Я--:.

Рис. 4. Образование погрешностей при толщиномегрии ПКМ 8а счет изменения формы сигнала (а), влияния шума (б), влияния акустических сопротивлений слоев ШШ ( в), эхо-сигнал после СД (1).

структурным шумом Гв,г). Пути решения этой проблемы предлагаются в работе при использовании оптимальной ПВ обработки эхо-сигналов.

Наличие большого количества различных по характеристикам ПКМ и изделий из них, разнообразие свойств композитов приводит к появлению качественно новой проблемы - невозможности создания для каждого нового материача своего УЗ дефектоскопа и тем самым к необходимости создания многофункционального адаптивного автоматизированного прибора УЗ контроля, с помощью которого 8а счет гибкой адаптации параметров сигнала под характеристики контролируемого прибора возможно осуществлять контроль различных по свойствам ПКМ и изделий из них. Решению этих проблем и посвящено содержание диссертации. В третьей гларе рассматриваются основные положения оптимальной фильтрации сигналов применительно к контролю изделий с большим за туханием УЗК и неоднородной структурой.Т.к.задача обнаружения и выделения эхо-сигнала из белого шума подобна радиотехническим задачам, то возможно для УЗ эхо-контроля воспользоваться применяемым е радиолокации критерием максимального правдоподобия, обеспечивающим минимальную вероятность ошибочного решения одновременно о напичии "ложной тревоги" и "пропуске сигнала".В теории обнаружения сигналов этот критерий реализуется через отношение правдоподобия,показывающее. насколько правдоподобнее предположение о приёме сигнала от дефекта ViCt) в принимаемом сигнале Ul(t),4eM предположение об его отсутствии. Для белого шума (Fl(w)-No/2- const, где Nó-спектральная интенсивность белого шума) отношение правдоподобия запишется:

Pfa)- exp pV^+^T^iiiitJ^t} íD

где El/No - отношение сигнал/шум, ^Й) - R{ft) -значение ФВК

сигналов Ul(t) и VI(t). Из (1) следует, что оптимальный обнаружитель должен производить вычисление ФВК. Эту операцию осуществляв? ■ согласованный с сигналом 05, максимизирующий отношение пика сигнала к среднеквадратичному значению шума на выходе фильтра \[ш :

-gL •

ítt" у ЧтIMW (2)

Это отношение становиться максимально возможным:

- ^м) ^ с , о. о)

и зависит только от энергии зондирующего сигнала = [.S"iMj(-L> -= j "tf/fi) cii при выполнении двух условий:

Ч\(о) - ~ ['ft + ot0] (4)

К (v) - J . где I-const (5)

Из (4) следует,что фазовая характеристика OS^fo)должка быть такова, чтобы Oí осуществлял компенсацию начальных фаз всех гармонических составляющих % сигналов. В момент t-to все составляю®;";

сигнала должны когерентно складываться (накапливаться) с образованием пика сигнала на выходе ОФ. При этом форма сигнала на выходе ОФ отличается от формы сигнала на входе и определяется АКФ W :

MfbKít-qdt

Из (5) следует, что модуль передаточной функции СД> K(w) отличается от модуля спектральной характеристики сигнала только на постоянную J .т.е.ОФ пропускает без искажений полезный сигнал, а входной равномерно распределенный шум.ограничивается, подавляется в ОФ. Таким образом из положений радиотехники следует, что УЗ дефектоскоп для контроля ПКМ с большим затуханием УЗК долкен включать в себя ОФ, осуществляющий накопление полезного сигнала (4) и режек-цию помехи (5) с целью обеспечения максимального отношения сигнал/шум (максимального значения чувствительности к обнаружению). При этом индикация сигнала должна производиться не по временной копии сигнала, а по его АКФ (6). Следовательно и выбор оптимального сигнала следует производить по АКФ.

Проблема разрешения двух и более эхо-сигналов на фоне шума является статистической задачей, и поэтому оптимальная фильтрация сигналов, обеспечивающая максимизацию отношения сигнал/шум, является обязательным условием для обеспечения высокого разрешения. Минимальная разность ЛУ(Ь)разрешаемых сигналов VI(t) и V2(t) будет тем меньше, чем меньше средний квадрат разности этих сигналов:

Ш)**feo +]фт н) m

откуда видно, что максимальное разрешение два сигнала будут иметь, если они являются вваимноортогональными, т.е. если ФВК Rg(t) *о ,

В случае разрешения двух одинаковых сигналов ФВК становится их АКФ, следовательно для обеспечения высокого разрешения по дальности необходимо выбирать зондирующие сигналы длительностью Тс, АКФ которых была бы максимальна только в коротком интервале - области высокой корреляции Тк«Тс и на остальном протяжении АКФ должна быть минимальной. В этом случае можно получить высокую разрешающую способность по дальности Дг - СТк/г^СТс/г. Среди различных сигналов наилучшими свойствами для целей эхо-контроля обладают ФМ и ЧМ сигналы, имеющие один четко выраженный максимум и малый уровень боковых лепестков. Для ФМ сигнала Баркера длительностью Тс-13Тэ АКФ представляет собой "сжатый" в N6- 13 раз по времени импульс с увеличением амплитуды главного максимума в N6-13 раз (рис.б). Эффект одновременного увеличения чувствительности и раэ-■ решающей способности эхо-контроля многослойного изделия с большим затуханием УЗК sa счет сжатия ФМ сигнала показан на рис.7, где до

01 эхо-сигналы не разрешались во времени и находились ниже поро-га(б). После ОФ эхо-сигналы выделяются из шума и разрешаются(в).

При толшинометрии изделий с большим затуханием УЗК точность измерения временного положения эхо-сигнала, замаскированного шумом тем выше, чем больше отношение сигнал/шум и чем выше эффективная ширина спектра зондирующего сигнала Пэ. При этом ошибка з измерении определится: б'2- откуда следует алгоритм построения схемы УЗ толщиномера: необходимо использование широкополосного сигнала и его оптимальной фильтрации; т.к. на выходе ОФ индикация производится по максимуму АКФ сигнала, то в схеме необходимо дифференцирующее устройство(ДУ), определяющее максимум и обеспечивающее на выходе схемы сравнения (СС) выделение максимума(рис.8).

Теория оптимальной обработки сигналов позволяет решить проб- , лему увеличения отношения сигнал/шум в случае коррелированной с сигналом помехи - структурным шумом. Согласно теории Б.А. Котель-никова об оптимальном приемнике для небелого шума, ОФ в этом случае разбивается на два: - первый фильтр осуществляет декорреляц1ш сигнала и помехи, приводит помеху на выходе фильтра к белому шуму. Второй фильтр, включенный последовательно с первым, является ОФ для белого шума,накопливаег полезный сигнал и подавляет помехи. Коэффициент передачи ОФ для смеси^сигнала с небелым'шумом определится

05 должен иметь передаточную характеристику, прямо, пропорциональную комплексно-сопряженной спектральной плотности сигнала и обратно пропорциональную энергетическому спектру входного шума. В том случае, когда энергетический спектр структурного шума совпадает с энергетическим спектром зондирующего сигнала Р(и)- мы • имеем деле с помехой,полностью коррелированной с эхо-сигналом от дефекта. Выделение "полеэнсго" эхо-сигнала от дефекта из. такой помехи без предварительной декорреляции сигнала и помехи невозможно.' На примере простейшего зондирующего сигнала - прямоугольного видеоимпульса показано, что декорреляция сводится при одноканальном контроле к укорочению эхо-сигналов во времени, позволяющему разделить и различить эхо-сигналы от дефекта и отражения от структурных неоднородностей. Однако укорочение сигналов, являясь необходимым условием, не является достаточным, т.к. при одноканальном контроле не учитывается пространственный характер структурного шума и поэтому не обеспечивается выделение зхо-сигнала из структурного шуме (рис.9).Приведенные в главе положения оптимальной фильтрации применительно к задачам эхо-контроля ПКМ определили направление в развитии методов и устройств УЗ контроля изделий с большим затуханием

■о

(8)

1Г

^»•¡Ц.

Рис.5. Различные варианты соотношения амплитуды эхо-сигнала от дефекта, напряжения порога дефектоскопа и среднего уровня структурного шума 'К? при УЗ контроле ГОШ.

тш

,10

Л)

¡)

зондирущай СМ сигндл

/

V

Млада]

эхо-сигналы

_£ __<1

-ЩШШ^*7]

У'

4

А ДАЛЛАС

( Т^п 0(еС

Рис.6. Биде око д баркера N^13(8), рис.7, разрешение сжатых «ЕМ <Ш сигнал (б), АКФ сигнала(б). эхо-сигналов и выделение их

из шума.

«¡1

ч

о

Рис. 8. Структурная схема УЗ эхо-импульсного толщиномера с опти-

мальной фильтрацией эхо-сигнала(а) и временные диаграммы (б-е).

УЗК и сложной структурой, составивших содержание последующих глав.

В четвертой главе рассматриваются вопросы использования положений оптимальной фильтрации для простых, узкополосных (дГоъ 1/Тс)немодулироБанных сигналов с базой Б -4ГсТсл1.Показывается, что наибольший эффект достигается при комплексной оптимальной обработке , включающей наряду с согласованной фильтрацией синхронное детектирование и двухканальную квадратурную обработку, что обеспечивает выделение эхо-сигнала из помех, расположенных вне спектра сигнала, переносит обработку сигнала на видеочастоту, устраняет информацию о начальной фазе эхо-сигнала. Использование комплексной оптимальной обработки позволило предложить и реализовать:

а/ методы контроля, обеспечивающие частичное подавление кбрре-лированной помехи - ЭАН с улучшением отношения сигнал/шум не менее чем в два раза /рис.10). В этом случае спектр сигнала Бс!»',излучаемого в изделие с большим затуханием УЗК соответствует спектру ЭАН 5н(*0. образуемой при просачивании части сигнала с излучающего преобразователя па приемный (а). При относительно нивкой частоте сигнала (100 кГц) сигнал наводки имеет большую длительность и маскирует эхо-сигналы от дефектов. При большом затухании УЗК в изделии спектр эхо-сигнала БИ*) .не соответствует спектру Зн(и) из-за ослабления ВЧ составляющих эхо-сигнала (б), максимум спектра эхо-сигнала перемещается на частоту Таким обравом, в среде

происходит из-за частотнозависимого затухания сигнала разделение (декорредяций) эхо-сигнала и помехи.После СД и фильтра с граничной частотой у(срспектр эхо-сигнала не ослабляется, а спектр ЗАЙ частично подавляется(г),что увеличивает отношение сигнал/помеха.

б/ методы сверхвысокого разрешения частично перекрывающихся эхо-сигналов, что позволяет однозначно идентифицировать эхо-сигна- ' лы от групп близко расположенных дефектов и увеличивает разрешавшую способность по дальности не менее, чем в 2 раза по сравнению с предельными значениями, получаемыми при эхо-контроле сигналами без оптимальной обработки. Частично перекрывающиеся во времени эхо-сигналы от блиэко расположенных слоев в .традиционных УЗ эхо-импульсных дефектоскопах без оптимальной обработки однозначно не разрешаются из-за интерференции этих сигналов. Если два эхо-сигнала (рис. 11,а) синфазны 0°), то их сумма (3) имеет вид "одногорбого" импульса. Когда фазы сигналов отличаются на 180°, то их сумма (в) имеет вид "двугорбого" импульса - тем самым в зависимости от соотношения фаэ эхо-сигналов могут быть различные суждения о разрешении эхо-сигналов и о наличии дефектов. Иа зависимости относительной величина"провала"\)^-^ от величины сдвига фаш двух эхо-сигналов (г.кривая 1) видно, "что однозначно разрешить дъа

частично перекрывающихся АМ сигнала не удается (на рис.11,д показан типичный вид эхо-сигналов в УЗ дефектоскопах без оптимальной обработки). Для разреиения частично перекрывающихся импульсов использовуется комплексная обработка эхосигналов. При этом(г,кривая 2) сигналы разрешаются практически при любом1/'. Для частично перекрывающихся импульсов треугольной формы разрешающая способность становится еие выше (кривая 3). Еще больпш эффект (А получается при использовании ФМ сигналов(рис. и.е. ).

е/ методы толщинометрии многослойных сред, в которых устраняется ошибка, возникающая из-за переворота фазы эхо-сигналов, отражающихся от слоев с различными акустическими сопротивлениями, т.к.при комплексной обработке эхо-сигнала устраняется информация о начальной фазе эхо-сигнала. В результате эхо-сигналы от границ раздела сред с различными акустическими сопротивлениями 21 и 72 (рис.4,в) не будут зависеть от начальной фазы (г), тем самым решается проблема точности измерения временного положения сигнала.

г/ разработать и внедрить ряд методов и устройств УЗ толщинометрии многослойных авиационных изделий из ПКМ, основанных на оптимальной фильтрации АМ импульсов, пачек импульсов малой скважности, Ш импульсов, обеспечивающих повышение точности измерения временного положения эхо-сигнала эа счет индикации по максимуму АКФ сигнала. На примере для ФМ сигнала видно(рис.б.в), что при искажении эхо-сигнала его АКФ также искажается, но временное положение пика при определенных условиях неизменно (кривая 2). Точность измерения временного положения при этом тем выше, чем больше база зондирующего сигнала. Из этого следует принцип построения схем УЗ толщиномеров (рис.8). обеспечивающих решение проблем, по-I каганных на рис.4.а,б,в.

В пятой главе рассматриваются вопросы применения накопителей периодических немодулированных сигналов при УЗ контроле ПКМ. Показывается необходимость использования накопления сигналов для выделения сигналов,замаскированных шумом.Приводятся результаты применения предложенных и реализованных цифровых компьютерных накопителей, обеспечивающих накопление большого числа импульсов (пМООО). что улучшает выделение эхо-сигнала из шума в\Гг7 раз.На рис.12 показаны результаты выделения из шума УЗ АМ эхо-сигналов(400 КГц) после накопления в п- 8 раз в разработанном компьютерном дефектоскопе.

С целью увеличения чувствительности и точности измерения временного положения эхо-сигнала при толщинометрии протяженных изделий (рис.13.а) предложено использование накопления короткой пачки АМ импульсов с малой скважностью-малым периодом повторения Тп (б).

л

<0 ¿М

1 11 иДи

к

таг

ФН1

Рис. 9. Упрощенная одкоканальная модель формирования структурного шума (а).структурный шум до(б) и после(в) декоррелирующего фильтра.

и.

Ос*

Рис. 10. Декорреляция и подав- . ление части сигнала ектро-акустической наводки с помощь* сихронного детектирования.

ШЗтг

€ к? к>* «»' & I)

Рис.11 Разрешение частично перекрывающихся сигнналов (а) при синфазном (б) и противофазном (в) сложении, зависимость. от фазы перекрывающихся сигналов (г), вид частично перекрывающихся.синаиов-АМ (д) и сжатычЗЫ (е).

'250

200

100

50

и

Ьиг'

'¿¿6.......4Й0.......¿¿о' ........¿66'.....«¿6" " "боо" ""

Рис.12. Эхо-сигналы до накопления (а) и после (б) з компьютерном дефектоскопе (число циклов накопления п-8)

Эхосигналы до ОФ находятся ниже порога чувствительности (в), после накопления в ОФ сигнал выделяется из шума. Толщина изделия L определяется по времени T-2L/C от конца пачки до максимума АКФ (г).

Приведены результаты исследований по контролю слоистых сред пачками периодических импульсов. Показано, что акустический слой ведет себя (рис.14,а) подобно известной в радиотехнике схеме ре-циркуляторагквазиоптимального фильтра для пачки импульсов (б).Пачка импульсов с периодом Тп после прохождения рециркулятора и после прохождения слоя £сл -СУ2 имеет одинаковый вид (в).Таким образом,для описания слоя следует использовать характеристики рециркулятора.

Использование модели слоя в виде рециркулятора позволило провести анализ прохождения различных сигналов через слои. В частности. это позволило сформулировать, обосновать и практически подтвердить эффект" нерезонансного" прохождения через слой ФМ сигналов. При прохождении через слой относительно "длинного" гармонического сигнала из-за интерференции внутри слоя (рис.15,а) возникают стоячие волны, приводящие к известной периодической частотной характеристике слоя (в, кривая 1). Именно этот эффект ограничивает применение в УЗ эхо-дефектоскопии "длинных" гармонических сигналов. При прохождении черев слой "длинного" ФМ сигнала отдельные его части никогда не будут когерентно складываться (б) и образовывать стоячие волны ив-за особенностей структуры ФМ сигнала - в ФМ сигнале число элементарных импульсов Тэ с фазами О'и 180" примерно одинаковое.В итоге амплитуда сжатого ФМ сигнала не искажается после прохождения ФМ через слой (в,кривая 2).Сжатые ФМ сигналы, отраженные от границ многослойной среды не интерферируют, обеспечивая достоверную информацию об амплитудах эхо-сигналов. Эффект нерезонансного прохождения ФМ сигналов черев слои объясняет преимущества использования ФЫ сигналов при УЗ эхо-контроле многослойных изделий.

Использование этой модели слоя позволило создать модель структурного шума, возникающего в многослойной среде (приХ<Ь ) с малым затуханием УЗК и рекомендовать способы УЗ контроля таких сред. Реакция и рециркулятора,и акустического слоя на одиночный короткий импульс представляется пачкой затухающих имульсов с периодом Tn-2L/C. Для многослойной среды (рис.16,а) сигнал на выходе слоя представляет суперпозицию большого чиола таких пачек, накладывающихся друг на друга и маскирующих отражения от дефекта. Для контроля таких сред предложен и реализован способ, основанный на излучении в слоистую среду пачки импульсов с периодом повторения Тп. При плавном изменении Тп в момент совпадения со временем прохождения сигнала в конкретном слое и обратно (Tni-8Li_/C1) в этом слое

происходит резонансное накопление импульсов пачки с выделением максимума накопленного сигнала из структурного шума (б). Дальнейшее адаптивное Изменение Тп приводит к резонансному совпадению TnÄ - гЦ/С^О) и т.д. Сравнение этого метода с известным спектральным методом контроля многослойных сред показало ' преимущество предложенного способа при числе слоев ^3.

В шестой главе обсуждаются свойства 1-М сигналов, устройства формирования и обработки ФМ сигналов и результаты контроля разработанной аппаратурой различных изделий.

У ФЫ сигналов база Бфм-ТсДГфм— Тс/Тсж - N»1, Ваза определяет и чувствительность к обнаружению и точность измерения временного положения эхо-сигнала. ФМ сигнал является широкополосным, полоса сигнала дГфмс1/Тсж=1/Тэ;!>1/Тс.Следовательно для неискаженной передачи ФМ сигналов в ЭАТ дефектоскопа необходимо обеспечить соответствующую полосу пропускания преобразователей. Анализ искажений ФЫ сигналов в ЭАТ показывает, что приЩмА faaT«l происходит искажение максимума АКФ сигнала, возрастают боковые лепестки, однако временное положение максимума АКФ неизменно (кривая 2 на рис.6.в), что позволяет получить высокую точность измерений при использовании Ш сигналов в УЗ эхо-толщинометрии. Сравнение сигналов показывает, что ФМ сигнал является наиболее помехоустойчивым по сравнению с 4M и AM сигналами.

С учетом сказанного на рис.17 приведена структурная схема УЗ дефектоскопов УЗД-ФМ-1 - УЗД-ФМ-3 со сжатием ФМ сигналов Бартера (имеющих наилучшие соотношение главного и бокового лепестков 1/N), ФМ М-сигналов, а так Зя^мпле'йентарные пары сигналов Баркера (Кб» 11 и N6 - 13) и Голея (Nr - 8), обеспечивающих при попарном.сложении идеальный вил АКФ без боковых лепестков с увеличением динамического диапазона амплитуд сигналсЕ(УЗД,-5^ и ^ЗД'ФМ 5).

Из процедуры сжатия видеокода Баркера N6-13 (рис.18) видно, что образование максимума ФЫ сигнала происходит при когерентном сложении элементарных импульсов. Вса N элементарных импульсов складываются арифметически, а шумы суммируются геометрически с увеличением отношения сигнал/шум в^П*раз. При этом в 01 происходит "внутрииы-пульсное накопление" II импульсов. Таким образом, механизм сжатия Ш ■сигнала подобен механизму накопления периодических сигналов с периодом Тп, однако при ьнутриимпульснсм накоплении ФМ сигнала быстродействие в, Тп/Тэ раз больше. Использований ФЫ сигналов Баркера позволило увеличить чувствительность к обнаружении в/Fраз, понизить порог чувствительности дефектоскопа и увеличить абсолютную чувствительность на эту же величину. . В том случае, когда эхо-сигнал выше уровня' шума, то сжатие ФМ сигнала эквивалентно усилений

17

4 Г?

г, у/с Х-_

мл - -

_

6)

I В П I

л гГП(

_ С^чсрог

Рис.13. Измерение толщины протяженного изделия пачкой импульсов с малым периодом повторения Тй с использованием ОФ - накопителя.

а)

И

О

' ^.г.! '-'Г 1 Л *

1 Г»

, ( II 11Г г г *. _ *

Рис.14. Представление акустического слоя (а) в качестве накопителя 1рециркулятора)(6), накопленный.сигнал на выходе слоя (в).

Рис. 15.Прохождение через сдой гармонического (а) и ОД (б) сигналов. Зависимость амплитуд гармонического (1) и сжатого, ФЫ (2) сигналов на

выходе слоя. ,

¿>1

II I I ■

4)

Рис.16. Контроль многослойного изделия пачкой импульсов с регулируемым периодом повторения Тп.

*1Р

сигнала в N раз и во столько же раз увелкчивается-аСсошоаая чувствительность. Преимущества использования ФМ сигналов иллюстрируются на .временных диаграммах рис.19.полученных з компьютерном дефектоскопе до сжатия сигнала, когда сигнал з-даскирсван шумом (а) и после сжатия в 05 (б.в). При этом на (Ь) показано сжатие радиосигнала, на (в) - сжатый 4M сигнал после комплексной .оптимальной обработки по схеме рис.17. Сигналы Баркера.имею'цие наилучший для УЗ контроля вид АКФ, имеет максимальную базу N6=13. Значнтелв-но увеличить базусигнала позволяют ФМ М-сигналы. Ваза М-кода разнэ М- 2П/-1.Для п-5 код М-31 имеет вил: 100001005 011001 1111000110111010. АКФ М-сигнала имеет соотношение главного и бокового лепестков 1/{N] однако использование непрерывного периэди-ческого режима следования сигнала позволяет получить АК11 с соотношением лепестков 1/N.Использование М-сигналов ь непрерывном релине генерации позволило впервые создать своеобразней УЗ эхо-импульсный способ контроля при излучении в изделие непрерывного кЬлебапич (рис.20)-(первая публикация автора - 1978 г.[4]. первая публиглиия за границей - 1S82 г.). При совпадении Тс - М Тэ и пе-риоДа развертки осциллографа Тп для фиксированной амплитуды Vo в изделие1 излучается сигнал с максимальной энергией F= VoTc, что обеслзчива-ет максимальную чувствительность._Для М-121.в УйД-ФМ-З чувствительность к обнаружению возросла в^ш'раз. В глав? приводятся результаты экспериментов по толщннометрии IIKM. по контролю изделий о аномально высоким затуханием, по контролю многослойных изделий (в том числе с обеспечением сверхвысокого разрешения частично перекрывающихся эхо-сигналов от близко расположенных слоев ПКМ), которые . свидетельствуют о преимуществах использования-ФМ сигналов с оптимальной_обработкой эхо-сигналов в УЗ дефектоскопии.

В главе рассматривается применение ортогональных сигналов в УЗ дефектоскопии (т.е. сигналов, .у которых -Ш-Ö: эти сигналы являются статистически независимыми,они рез.глчают^Зт&г друга с помощью ОР для каждого из сигналов). Испольеозсние ортогональных сигналов позволяет создавать многоканальные методы УЗ контроля, в которых излучаются (принимаются) ансамбли сигналов по независимым каналам одновременно. Для увеличения числа каналов автором внедрены в практику контроля ансамбли взаимноортогональных >2М М -сигналов о одинаковыми базами, различаадиесз законом кодирующих после-доеатолыюотей. У двух ортогональных' Ш сигналов нормированная

№К: ЯёО) - Witt) (i -1) dt = yN = Vß

При больших базах ¿-j'-.Rnit)-?О, за счет этого сигналы становятся кзаимноортсгональ:;нмн и и?, можно различить при одновременном излучении пс одному или по соседним близко расположенным каналам.

19

X r<H*pOTPf

I'

¿4.. м Ц-

Рис.17. Структурная схема УЗ эхо-импульсного дефектоскопа с оптимальной обработкой Ш сигнала

t

130 lSSnkc . 180"

i

mAu Ir

135 i55nkt.

4-

<0 о (

, Й.О t

i)

- - ./A-V-! J.

130 180

Рис.19. ОМ эхо-сигнал Ne-13 до

--ДД^ГЬГЬРКгт Кп.гт.гтп гг,. Т f п)., после .сжатия радиосигнала (б) после оптимальной оО-Рис. 18. Процедура сжатия видеокода работки в компьютерном дефек-Баркера в согласованном фильтре. тоскопе по алгоритму рис.17-(в)

Использование ансамблей ортогональных Ш М-сигналов позволило создать ряд методов и устройств многоканального контроля с целью увеличения производительности контроля (рис. 21.22) и для создания новых методов визуализации дефектов (рис.22).Предложен и внедрен метод контроля качества адгезии многослойных ПКМ, заключающийся в синхронном использовании двух ортогональных сигналов - низкочастотного "удара" (под действием которого в результате мембранного резонанса выявляется плотноприжатый непроклей между слоями ПКМ) и высокочастотного Ш сигнала (о помощью которого в момент выявления непроклея производится зондирование ПКМ). Преимущество <Ш сигнала в этом случае проявляется также за счет помехоустойчивости <1М сигнала к импульсным помехам, возникающим при НЧ "ударе".В разделе приведены оригинальные устройства формирования УЗ ФМ сигналов непосредственно в контролируемой среде, а так же ряд устройств, в которых УЗ ФМ и ЧМ сигналы обрабатываются в акустических С® для этих сигналов без промежуточного ЭА преобразования афотического эхо-сигнала в электрический, что увеличивает эффективность обработки сигналов( рис.23).

В седьмой главе рассматриваются свойства Ш сигналов применительно к задачам УЗ контроля, методы и устройства контроля ПКМ, основанные на использовании ЧЫ сигналов.ЛЧМ так же, как и ФМ сигналы сжимаются в ОФ до импульсов малой длительности с увеличением амплитуды главного максимума АКФ. Как правило для сжатия ЛЧМ сигналов используется аналоговый 01> - дисперсионная УЗ линия задерж-ки(ДУЛЗ). в которой все частотные гармоники ЛЧМ сигнала, задерживаясь на равное время, складываются в фазе с образованием максимума сжатого сигнала(рис.23,а). ДУЛЗ представляет собой звуковод в виде алюминиевого стержня с естественной дисперсией о пьееопреоб-разователями на торцах. На рис.23,о показана предложенная схема обработки УЗ ЛЧМ сигнала в ДУЛЗ без промежуточного двойного ЭА преобразования. Аналогичные решения были реализованы с 05 для ФМ и ЧМ сигналов на ПАВ.

К недостаткам и ФМ и ЧМ сигналов можно отнести сложность в построении ОФ для сигналов с большой бавой Е>100. Для использования сигналов с большой базой в работе был предложен и внедрен способ УЗ эхо-контроля, в котором используются ЛЧМ сигналы большой длительности со "спектральной" обработкой эхо-сигнала. В этом методе в изделие излучается ЛЧМ сигнал большой длительности (рис.24) с девиацией частоты ДГд. Эхо-сигнал (пунктир на рис.24,а)сравнивается в СД с зондирующим сигналом, на выходе СД выделяется разностная частота - частота биений Рб'П-Г2 (б).Величина,Гб прямо пропорциональна толщине измеряемого изделия: Гб- — £ '3 выделяется

С Тн

ТгЪ'НТ,»^

Гляиу

Рис.22.. Увеличение производи-Рис. 20. Эхо-контроль двухслойной среды тельности контроля, визуали-

непрерывными ФМ М-сигналами (а), эхо-сигналы до |б)1и после (в) ОФ.

еация дефектов при одновременном излучении ортогональных ФМ сигналов.

сНН^ |\

Рис. 21. Определение координвт дефекта при теневом контроле (Х-метод)ортогональными ФЫ сигналами.

I

\ГеиератсрАННг\г НГ^ АУЛд

Рис. га Структурная схема УЗ дефектоскопа со сжатием ЛЧМ сигнала (а) и с непосредственным сжатием УЗ ЛЧМ сигнала в ДУЛЗ(б),

"Я*'."*

24. Временные диаграммы УЗ толщиномера со Рис. 25. Спектр биений спектральной обработкой ЛЧМ сигнала. эхо-сигнала на экране

. спектроанадиэ-атора.

спектроанализатором и представляет собой спектр последовательности импульсов, следующих с периодом Тм/2 со средней частотой (в)., ¿Задача измерения толщины изделия сводится к измерению Рб: " ¿л/4 г* в разработанном толщиномере точность определения толщиньгопределяется расстоянием между спектральными 1 линиями Рб и Рб+Рм (рис.25),т.е.при дискретном спектре определяется величиной 1/Тм и при большом Тм(т.е.при больших базах) дискоетность измерения практически не проявляется и точность измерения может быть лэтко увеличена. В реализованном толщиномере с ЛЧМ сигналом с Вэкв-10? Тм-0,01с, 2дГд-100кГц,Го=200 кГц,погрешность измерения не превышала 4Х и была выше,чем у эхо- толщиномеров.

В восьмой главе обсуждается вопрос выделения эхо-сигналов из коррелированных помех.В предыдущих главах показывалось применение оптимальной обработки для выделения эхо-сигнала из коррелированной с ним ЭАН (рис.10), а также из структурного шума регулярной (многослойной) среды. В обоих этих случаях проводился одноканальный контроль,декорреляция эхо-сигнала от дефекта и помехи осуществлялась в контролируемом изделии за счет частотной зависимости коэффициента передачи контролируемой среды.Полученные при контроле ПКМ результаты позволили сформулировать принципы выделения зхо-сигна-лов из коррелированных помех: - декорреляция эхо-сигнала и помехи, накопление полезного сигнала, подавление помехи. Эти принципы верны и для изделий со случайным распределением в объёме акустических неоднородностей.

■ Традиционные методы УЗ дефектоскопии рекомендуют использовать для" таких сред короткие сигналы и преобразователи с узкой ДН, однако эти рекомендации ке всегда дают эффект, т.к. в.них не учитываются требования оптимальной обработки сигналов. Структурный шум в таких изделиях (в основном в металлах) носит пространственно-временной характер и эхо-контроль должен осуществляться пространственно разнесенными преоСразовагелямигрйс.26)или при относительном перемещении дефекта (изделия) и аппаратуры контроля. В том случае, когда дефект находится в поле ДН каждого из преобразователей с шириной ДНб(а,б) .реализации структурного шума в каждом из каналов независимы.При накоплении в сумматоре за счет когерентного суммирования эхо-сигналов от дефекта удается увеличить отношение сигяал/иум. На рис.26 показаны результаты накопления в двух каналах (в) и в ЧН каналах (г). Условий сложения в сумматоре менее жестки, если складываются (накапливаются) видеосигналы,что обеспечивается, при оптимальной обработке в каждом канапе до суммирования (рис.27). Оптимальным построением антенны является симметричная схема (д) расположения приемных преобразователей (ПП1-4) относи-

тельно излучающего (ИЛ). Такая N -элементная антенна обладает фокусирующим действием&£К0), что вместе с обработкой эхо-импульсов в ОФ позволяет обеспечить выделение эхо-сигнала из структурного шума. ПВ обработка сигнала может быть осуществлена не только антенной из N приемных элементов, но и посредством последовательного перемещения по N позициям одного приемника с промежуточным запоминанием информации для каждого измерения и последующим суммированием (накоплением) сигналов по N каналам.

Проведенное- качественное построение структурной схемы подтверждается результатами предложенной теории построения алгоритма ПВ обработки сигналов на фоне коррелированных помех, основанной на применении критерия максимального правдоподобия для ПВ сигнала 3(Ь,г,л)в присутствии ПВ помехи пи.?).Для ПВ сигнала, принимаемого И-элементной антенной решеткой, реализация алгоритма максимального правдоподобия сводится к поиску максимума решающей функции

Я Гл) « - (л) * (л) (9)

где Л - информационный параметр, например, координаты дефекта, /ч/л)

- энергетическое соотношение сигнал/пумкорреляционный интеграл:

по)

- I Ът(4л) < с1и СП)

где опорный сигнал, \ГЫ /Ч^л)-- Е- ,где

Кп1к ^ элементы обратной корреляционной матрицы ,

которад связана с корреляционной матрицей помех [С ("ЦДаЗ соотношением: £.1 (Г^ ((Ь гз) - ¿к»*, где <Гт- символ Крокекера.

Алгоритм максимального правдоподобия сводится к поиску максимума корреляционного интеграла (11).Процедуру вычисления можно представить как прохождение компонентов вектора сигнала и^С^л) через линейные фильтры в каждом канале с импульсными характеристиками (Ч -Ц л) и последующее суммирование (рис.2?,а).

При наличии ПВ шума,соответствующего мелкоструктурной среде в работе была решена задача оптимального обнаружения ГШ сигнала. Алгоритм обнаружения сводится к появлению выбеливающего фильтра е каждом канале (б), который при одинаковом составе спектрального шума во всех каналах может быть общим (в). Если эффект "выбеливания". декорреляции для 'разделения во времени сигналов от дефекта и структурных помех сводится к укорочению эхо-сигнала, то эту операцию может выполнять ОФ для ФМ сигнала.в каждом канале. Сочетание согласованно^ обработки ФМ сигнала с ГШ обработкой (б,в) позволяет .также обеспечить выделения эхо-сигнала,замаскированного структурным шумом и находящегося ниже порога чувствительности-УЗ дефек-

Рис. 25. УЗ контроль изделий со структурными неоднородности»« пространственно-разнесенными преобразователями. Схема контроля (а).уп-рощэнная многоканальная модель формирования структурного шума (б), результаты накопления в двух каналах (в) и в N каналах (г), структурная схема ПВ обработки (д).

ш

зз*;

Г®

¿Н34У2

Н343*

ш

3-

I

/

А

да

ш

I

- Ич-

мн

паЫ

Ь) ...... ¡)

Рис 27 структурные схемы устройств ПВ обработки эхо-сигналов с согласованными фильтрами в каждом канале: без выбеливаодего фильтра (а), с выбевпшадши «ильтраыя в каждом канале (б) и с обвзш

выбеливающим фильтром?

тоскопа(рис.б,г).

Качество зондирующего ПВ сигнала S(t,r\A) характеризуется ПВ автокорреляционной функцией:

ГГА, Лг) - СШ (U/1 2ltAj¡)dtidUdn dr¿ • (12)

где (ti t¡¡,7^f[)- обратная корреляционная функция помех:

Jfrti.tí/i pWz.tiA'Údlzcli^éfa-t*) (13)

где R(t¿,t¿ Q - ПВ корреляционная функция помех.

ПВ ЛКФ показывает возможность разрешения двух сигналов с различными значениями информационного параметра , A¿ . Для получения хорошей разрешающей способности необходимо, чтобы функция Н^Лд,^) имела бы узкий главный максимум при и близкий к нулю уровень боковых лепестков при существенно различающихся Лх и A¿ .В этом отношении ПВ АКФ аналогична АКФ обычных временных сигналов. С учетом сказанного в работе был синтезирован принципиально новый ПВ ФМ сигнал, обеспечивающий одновременно высокую чувствительность к обнаружению и разрешающую способность по дальности (благодаря свойствам ФМ сигнала), а также узкую ПВ ДН, обеспечивающую выделение эхо-сигналов из структурных помех. Помехоустойчивость ПВ 2М сигнала к структурной помехе обеспечивается тем, что каждый элементарный импульс Ш сигнала формируется (принимается) "своим" элементарным излучателем (приемником) матричной антенны. Т.к. элементы антенны пространственно разнесены (рис.28). то и каждый элементарный импульс ФМ сигнала при излучении (приеме) преходит "свой" путь в контролируемом пространстве,- ему соответствует "своя" реализация структурной помехи. Таким образом, если в определенной течке пространства соединятся все элементарные импульсы ФМ сигнала, то при последующей оптималыюй фильтрации (сжатии) ФМ сигнала произойдет выделение сигнала из структурного шума. На рис.28.а показан процесс формирования в пространстве ПВ ФМ сигнала Баркера N0=7 с помощью 7 элементной антенны. В направлениях ,X¿ ,Х4 .Xj сформированный в пространстве сигнал не соответствует ФМ БаркероБскому сигналу(б.г). ФВК на выходе ОФ в этих направлениях (д. ж) не соответствует АКФ сигнала,реализуемого на выходе ОФ для ' ОД сигнала N6 -7 в направлении Х3 (е).Таким образом' формируется корреляционная ДН с помощью корреляционной антенна. При определенном законе возбуждения элементов антенны(рие.29,а) происходит сканирование - изменение направления излучения корреляционной ДН ПВ 4М сигнала.Для улучшения ДН используется перекрестный порядок возбуждения элементов антенны(рис.29.6).Корреляционная ДН становится еще более качественной для двумерной крестообразной корреляционной антенны (рис.29,в), для которой на рис.30 приведена корреляционная

да ИВ ЗМ сигнала N6-13.

В девятой главе рассматривается концепция построения адаптивных УЗ дефектоскопов и приводятся характеристики созданного и внедренного в серийное производство автоматизированного МП адаптивного дефектоскопа для теневого иммерсионного режима контроля крупногабаритных изделий из ПКМ. Задача разработки адаптивной аппаратуры обусловлена многообразием свойств ПКМ и изделий из них Многолетний опыт разработки аппаратуры контроля показывает, что практически для каждого нового класса изделий необходимо разрабатывать новый прибор контроля с определенными параметрами зондирующего сигнала (fo.Tn.Tc и др.) и способами обработки. Альтернативой этому и служит переход от жесткой логики построения аппаратуры к гибкой, где автоматически осуществляется адаптация параметров зондирующего сигнала и способов его обработки и характеристик самого прибора под свойства и параметры контролируемого изделия.В главе обсуждаются вопросы построения аппаратуры на базе ЭВМ, в которой адаптивно меняются (рис.31) параметры зондирующего сигнала, закон модуляции частоты, амплитуды, фазы, коэффициенты передачи передающего и приемного усилителей, резонансные частоты и полосы пропускания преобразователей, а также методы обработки эхо-сигналов.В реализованном дефектоскопе осуществлялась адаптация частоты в диапазоне 80-320 кГц под параметры контролируемого изделия, а также производился автоматический выбор оптимальных коэффициентов передачи программноуправляемых передающего и приемного усилителей с целью безэталонной настройки прибора. Необходимость подстройки (адаптации) частоты сигнала определяется наличием частотнозависи-мых элементов контролируемой среды или ЭАТ дефектоскопа (в основном пьезопреобразователей). В адаптивном дефектоскопе осуществляется выбор оптимальной частоты импульса по максимуму амплитуды эхо-сигнала в процессе изменения частоты излучаемого сигнала во время настройки и в процессе контроля. Управляющее устройство анализирует значения амплитуды на выходе для каждого значения изменяемой частоты, находит максимум амплитуды и устанавливает окончательно в генераторе соответствующее максимуму коэффициента передачи ЗАТ значение несущей частоты зондирующего сигнала. Это значение частоты запоминается и в процессе контроля периодически сравнивается о текущим значением. В случае появления ошибки вырабатывается сигнал коррекции на управляющий вход генератора. Аналогично осуществляется автоматический контроль коэффициента передачи ЭЛТ и его поддержание в процессе контроля, что означает его беээталсннуп подстройку перед контролем и в процессе контроля.

Рис.28. Формирование Ш »1 сигнала N5-7 корреляционной антенной (а), форма Ш сигнала в направлениях Х4- Х^ Ху(б,в,г), ВКФ ФМ сиг-

налов в направлениях Х2~ Х^- Ху ( Д.е.ж). 3

" „ < *

<9 1 1 с - 0 •о 11 » » е) 1

Рис. 29. Порядок возбуждения элементов корреляционных антенн: (а)-одномерная антенна со сканированием ДН, (б) - одномерная антенна с перекрестным возбуждением, (в) - двумерная крестообразная антенна.

'ШГАТОР |

Ьь/t. ум 7Г\

грф™ ун^лне | -

an

В*, vcua-A »j

Рис.30 Трехмерное изображение ДН IB ЗУ сигнала N6-13 (нормированная амплитуда главного максимума сжатого сигнала).

Рис.31 Структурная схема адаптивного УЗ дефектоскопа.

В десятой главе - Заключении - перечисляются результаты исследований и намечаются пути дальней;него развития предлагаемых авторе« направлений. Отмечается.что разработанные в диссертации методы и устройства УЗ контроля ПКМ позволили создать новое направление в УЗ дефектоскопии, основанное на использовании статистических методов обнаружения к выделения эхо-сигналов ие шумов и помех, нз применении с этой целью слокномодулирсваяных сигналов и их оптимальной обработки. Внедрение результатов работы в промышленности обеспечило большой экономический и научно-технический эффект.

В Приложении приведены акты, подтверждающие научные положения, выдвинутые а диссертации, и асты, подтверждающие рееультаты внедрения созданной в настоящей работе аппаратуры УЗ контроля.

Основные выводы и результаты 1. Создано новое направление в УЗ дефектоскопии ПКМ с. большим затуханием УЗК и сложной структурой, основанное на использовании помехоустойчивых сложномодулированных сигналов и их оптимальной обработки. Показано, что оптимальная .обработка позволяет решить проблемы обнаружения и выделения УЗ эхо-сигнзлов из суков и помех. существенно- повышает чувствительность, разреиаюкую способность, достоверность контроля, точность измерения временного положения sxo-сигкала. 29

?.. Впервые введены в практику УЗ контроля помехоустойчивые ФМ . сигналы (сигналы Баркера, М-сигналн, ансамбли ортогональных сигналов и др.) с последующей их обработкой. Сформулированы критерии вы- . бора сигналов (по виду их АКФ.ЬКФ) и способов их обработки для решения конкретны:: еадач УЗ контроля. Разработан и Екедрен нобый класс приборов УЗ эхо-контроля ПКМ с большим затуханием УЗК и сложной структурой, в которых используются помехоустойчивые ФМ сигналы..

3. На основе использования оптимальной фильтрации сигналов созданы новые методы и устройства УЗ толщинометрии изделий с большим затуханием УЗ за счет фиксации временного положения эхо-сигнала по пику его АКФ. Созданы и внедрены УЗ толщиномеры с оптимальной фильтрацией АМ.ФМ сигналов, со спектральной обработкой ЛЧМ сигналов.

4. На основании представления акустического слоя как рециркуля-тора предложена модель формирования структурной помехи в многослойных средах и предложены способы выделения эхо-сигналов ив такой помехи. Теоретически сформулирован и экспериментально подтвержден эффект "нерезонансного" прохождения ФМ сигналов через слои, заключавшийся в отсутствии резонансных явлений и стоячих волн, что позволяет производить контроль длинными ФМ сигналами без опасения возникновения интерференционных явлений, обеспечивает достоверность информации об амплитуде эхо-сигналов в слоистых средах.

5. Теоретически и экспериментально показана целесообразность использования пространственно-временной оптимальной обработки сигналов для выделения эхо-сигналов из коррелированных помех. С целью выделения эхо-счгналов одновременно из белого шума и из структурных помех синтезированы ПВ ФМ сигналы с узкой и управляемой ДН.

6. Предложено и реализовано новое направление развития автоматизированных систем УЗ контроля (на базе ПЭВМ), основанное на адаптации параметров зондирующего сигнала, параметров ЭАТ и способа обработки сигнала под характеристики контролируемого изделия из ПКМ.

Ниже приведены основные публикации автора по теме диссертации:

1. Качанов В.К. О возможности применения методов сжатия импульсов в УЗ дефектоскопт1//Тр.Мос.энер.ин-та.-1974-Вып.192-С. 121-129.

2. Качанов В.К. Генерация и прием Ш УЗ сигналов/'/ Тр. Моск. энерг. ин-та.-1975.-Вып.279.- С.125-128.

3. Качанов В.К. и др.Применение ФМ сигналов при контроле мно-. гослойных сред//Тр.Моск.энерг.ин-та.-1977.-Вып.335.- С.45-47.

4., Качанов В.К. Оптимальные фильтры фазоманипулированных сигналов в УЗ дефектоскопии//Тр.Моск.энерг.ин-та.-1978-Вып.382.-С.65-б9. ^ 5. А.с.834501 (СССР). Способ УЗ контроля изделий /В.К.Качанов и - др.//В.И. -1981.- N20.

6. Качанов В.К. Оптимальный фильтр для ультразвукового Ш сигнала на основе электроакустического пьезопреобразователя//Меж-вуз.сб.трудов. М.: Моск.знерг.ин-т.-1984.N 46.-С.141-146.

7. А.с.1167496 (СССР). Устройство возбуждения УЗ пьевопреобра-зователя дефектоскопа /В.К. Качанов и др.// Б.И.-1985.-N 26.

8. А.0.1262362 (СССР).Способ УЗ теневого контроля изделий//Ка-чанов В.К.и др.//В.И.-1986.-N 37.

9 А.с. 1397830 (СССР). Устройство ультразвукового контроля материалов и изделий.//Качанов В.К.и др.//Открытия.Изобретения.-1988-N19

10. А.с.1460698 (СССР).Устройство УЗ теневого контроля// Качанов В.К.и др.//Открытия. Изобретения.- 1989.-N 7.

11. А.с.1458804 (СССР).Устройство для ультразвукового контроля/ /Качанов В.К. и др.//Открытия. Изобретения.-1989.-N 6.

12. А.с.1499116 (СССР).Ультразвуковой толщиномер// Алатырев Г.А., Качанов В.К.и др.//Открытия.Изобретения.-1989.-N 29.

13. А.с.1529923 (СССР).Способ УЗ теневого контроля изделий//Ка-чанов В.К. и др.//Открытия.Изобретения.-1989.-N7.

14. А.с.1504512 (СССР).Ультразвуковой способ определения толщи-ны//Качанов В.К.и др.//Открытия.Изобретения.-1959.-N32.

15. Качанов В.К., Рапопорт Д.А.. Мозговой А.В. Разработка новых методов ультразвукового контроля ПКМ на осносе использования радиолокационных сигналов(обзор)//Дефектоскопия.-1990.-N9.-С.3-20.

16. Качалов В.К.. Мозговой А.В. Новые направления контроля композитов// Диагностика на маиина и сгоръжения и бе8разрушителни конт-рол:Доклад/2 нац.н.т.конф. ,г.Варна.ост. 1990 г.Т. II.C. 142-147.

17. Качанов В.К. Разработка новых способов и устройств УЗ контроля ПКМ на основе использования методов оптимальной обработки сигналов// Неразрупавщие физические методы контроля: Тез.докл.ХП Всесоюз.науч.конф..сент.1990г.,-ОвердлоЕск,-1990.-Том 1I-C.103-104.

18. Качанов В.К.. Казанцев О.А.и др.Разработка ультразвуковых адаптивных методов и устройств для контроля полимерных материалов. //Дефектоскопия,- 1990.- N 9.- С.52-56.

19. Качанов В.К. Применение ортогональных фазоманипулированных сигналов в УЗ дефектоскопии.//Дефектоскопия.- 1990.- N 9.- 0.39-46.

20. Новые тенденции в развитии ультразвуковой дефектоскопии/ В.К.Качанов и др.// Электротехника.-1990.-N 11.-С.62-68.

21. Kachanov V.K..Rapoport D.A. Application of radiolocation methods of signal processing in ultrasonic non-distuctive testing of polimer composite materials/ MlCC-90. Elsevier applied science. London and New-York. 1990, P.377-385.

22. A.c.1562846 (СССР).Способ УЗ теневой дефектоскопии многослойных изделий/В.К.Качанов и др.//Открытия.Изобретения.-1990.N1?.

23. Качалов В.К.к др. Применение 4М сигн&чов в УЗ д<;фектоско-нии//Сб.нау1.трудов "Неразрушавший контроль КМ" под ред.Качалова В. К./-М.:Мое.энерг.ин т.-1991.-Был.642. -С.44-62.

Г4. Кдчанов В.К. Применение методов оптимальной обработки УЗ сигнаюв// Новлэ информационные технологии в народном хозяйстве и образовании:Тез.дскл.Всеолоз.науч.конф..дек.90г.,-М..-1991.-0.60.

26. Применение методов оптимальной обработки сигналов при УЗ контроле ПКМ / В.К.Качанов и др. / Нераврушающий контроль и диагностика свойств композитов и изделий из них: Тев.докл.Междунар.неуч, кокф.. г.Рига,. 22-24.Х.19Э1 г., T.I. -С.367-374.

25. Kacheno. V.K.. Mozijc/pi A.V. Application on Compbzy Slrn-jJated Signals In Ultrasonic Echo-Control of Articles Made of РоНтюг Composite Materials/Ike tan i Conforence. The 6-th Slmposlir, In Nondestructive testing of materials,Japan.27-30.05.1991,P.98-99.

27. A.c.1702294 (COO?). Ультразвуковой адаптивный дефектоскоп/ B.K.Качалов и др. // Открытия.Изобретения. -1991.-N19.

28. А.с. 16)91153 (СССР). Устройство для УЗ контроля / В.К.Кача-нов и др. //Открытия.Изобретения.-1991. - N 1.

29. А.с. 1640631 (СССР).УЗ способ контроля де^ктов изделий /В.К. Качанэв и др.// Открытия.Изобретения.-1391.-N13.

30. Качанов В.К. Применение методов оптимальной обработки сигналов при УЗ контроле ГОМ//С6.К&УЧН. трудов "Кераярушащий контроль композиционных материалов" под ред. Качалова В.К./-М.: Моск.зкерг.ин-т.-1991.-Выл. 642.-С.60-30.

31. А.с.1024828 (СССР). Устройство для ультразвукового контроля / В.К.Качанов и др. // Открытия.Изобретения. -1991. -N48.

32. Alatlrev Q.A., Zorin AiY.. Kachanov V.K., Pitolyn A.I.. Popko V.P.. Ryabov G.Y. "Меи method of Ultrasonic control of items" /"Kr.ovi-how", 1992. tl 1. p.66-87.

33. FapTaoeB В. Г.. Качанов E. К. Оптимальное выделение сигналов на фоне структурного шума в ультразвуковой дефектоскопии,'/ Дефектоскопия.- 1992,- N 7,- С.14-24.

34. А.с. 1748049 (СССР). Устройство для контроля материалов и изделий / В.К.Качанов и др.//Открытия.Изобретения.-19S2. - N26.

35. А.о. 1778678 (СССР). Ультразвуковой дефектоскоп / В.К.Качанов и др.//Открытия.Изобретения.-1992.- N 44.