автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Ультразвуковая интроскопия конструкций из бетона при одностороннем доступе

На правах рукописи

РГВ 01 2 7 «ЕИ т

Шевалдыкин Виктор Гавриилович

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ИНТРОСКОПИЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ БЕТОНА ПРИ ОДНОСТОРОННЕМ ДОСТУПЕ

Специальность 05.11Л 3. Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва - 2000

Работа выполнена в Московском научно-производственном объединении "Спектр"

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор

Доктор технических наук, профессор

Доктор технических наук

Воробьёв Владимир Александрович

Вопилкин Алексей Харитонович

Бобров Владимир Тимофеевич

Ведущая организация:

Государственный научный центр Научно-производственное объединение Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ)

Защита состоится 25 декабря 2000 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.109.01.01

при Московском научно-производственном объединении "Спектр" по адресу: 119048, г. Москва, ул. Усачёва, 35.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МНПО "Спектр" Автореферат разослан ¿у октября 2000 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

В. Н. Филинов

Н 53 ~01 -0¥с322 , 0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Бетон и железобетон являются основными строительными материалами. Их сфера применения продолжает расти с появлением новых технологий в строительстве и производстве бетонных конструкций.

Несущая способность конструкций и сооружений зависит не только от прочности бетона, но и от различных дефектов его внутренней структуры, не обнаруживаемых внешним осмотром. Это относится и к новым объектам и к построенным много лет назад. Дефектами внутренней структуры бетона могут быть пустоты, трещины, области рыхлого бетона, инородные включения, плохое сцепление цементного камня с арматурой или крупным заполнителем. Размеры дефектов, ослабляющих прочность конструкции, зависят от размеров самой конструкции, её формы, внутреннего устройства, вида и степени армирования и т. д. В зависимости от ответственности конструкции в её проектную прочность обычно закладывают более или менее значительный запас на неизбежные производственные дефекты и возможность появления новых дефектов с течением времени.

В процессе возведения бетонных сооружений и при обследовании давно эксплуатируемых применяются многие методы неразрушающего контроля (НК), но наиболее широко используемыми являются ультразвуковые, из-за своей информативности и относительной простоты применения. Среди них основное значение имеет метод определения прочности бетона по скорости ультразвука. Его применение регламентируется несколькими нормативными документами и специальными методиками. Наряду с оценкой прочности бетона значительный объём работ НК составляет дефектоскопия бетона при строительстве и эксплуатации сооружений, особенно энергетических.

Ультразвуковую дефектоскопию бетона в настоящее время проводят преимущественно методом сквозного прозвучиваиия. Для получения достоверных результатов контроля конструкцию прозвучивают по многим траекториям, переставляя ультразвуковые преобразователи по предварительно выполненной разметке, содержащей сотни и даже тысячи точек. При этом требуется соблюдение соосности установки преобразователей на противоположные поверхности конструкции и довольно точное знание базы прозвучивания, достигающей часто нескольких метров. Особо ответственные конструкции прозвучивают ещё и по перекрёстным траекториям для лучшего выявления внутренних дефектов.

Несмотря на большую трудоёмкость теневой дефектоскопии и отсутствие разрешающей способности по глубине (только перекрёстное прозвучивание даёт слабое разрешение) этот метод остаётся главным при'контроле качества конструкций и сооружений из бетона. При отсутствии двухстороннего доступа к объекту применяют поверхностное прозвучивание, позволяющее судить о прочности и дефектности лишь поверхностного слоя бекона в 10 - 15 см. Поэтому при проектировании конструкций в местах, где невозможно сквозное прозвучивание, часто закладывают повышенные запасы прочности. При оценке

несущей спосооности эксплуатируемых сооружении в чакил мсишл и^нлчд.и^ использовать частично разрушающие методы (например, выбуривание кернов) с последующим ремонтом. Это ещё более трудоёмкие и дорогие методы, не дающие, всё же, полной информации о состоянии обследуемого объекта.

. Однако часто встречаются сооружения с одной доступной поверхностью, размеры которых или условия эксплуатации не позволяют применять частично разрушающий контроль, а результатов поверхностного прозвучивания не достаточно. Такими объектами являются, например, защитные оболочки реакторов АЭС, трубы различного назначения, градирни, туннели. Некоторые из них до ввода в эксплуатацию допускают проведение ультразвуковой дефектоскопии сквозным прозвучиванием и её обязательно выполняют. Но в процессе эксплуатации такой контроль уже неприменим и в случае острой необходимости в обследовании может понадобиться серьёзное вмешательство в режим работы объекта или полная его остановка. Разрешить эту проблему могла бы аппаратура, позволяющая проводить дефектоскопию бетонных конструкций при одностороннем доступе на глубину, хотя бы в 5 - 7 раз превышающую возможности метода поверхностного прозвучивания.

Принципиально такая аппаратура должна основываться на методах отражения ультразвуковых волн, то есть на анализе сигналов, пришедших из объёма материала. В этих сигналах в принципе содержится исчерпывающая информация о координатах, размерах и даже свойствах дефектов, которые требуется обнаружить. Работы над созданием и совершенствованием такой аппаратуры ведутся в нашей стране и за рубежом уже на протяжении последних 15 - 20 лет, но до широкого её внедрения в практику ещё далеко.

Цели работы.

1. Создание теории ультразвуковой интроскопии бетона, позволяющей:

- рационально и обоснованно разрабатывать аппаратуру для визуализации внутренней структуры бетонных конструкций при одностороннем доступе;

- создавать методики применения этой аппаратуры для решения конкретных задач неразрушающего контроля.

2. Разработка ультразвуковых приборов для интроскопии бетонных сооружений при одностороннем доступе, пригодных к применению в различных практических условиях.

Задачи работы.

1. Исследовать статистические характеристики структурного шума бетона, в частности, взаимные корреляционные функции его реализаций, принятых в разных точках поверхности бетона.

2. Исследовать ожидаемые отношения полезного сигнала к структурному шуму в типичных бетонах для характерных отражателей при эхо-импульсном методе контроля на продольных и поперечных ультразвуковых волнах.

3. Разработать метод пространственно-временной обработки принимаемых из бетона колебаний, дающий требуемые отношения сигнал/шум и высо-

кую пространственную селекцию отражателей при ограниченном числе точек излучения и приёма на поверхности объекта контроля.

4. Разработать способы измерений скорости распространения упругих волн того же типа, который будет использоваться для зондирования объекта.

5. Разработать ультразвуковые преобразователи, необходимые для исследований бетона и создания практической аппаратуры. Они должны обладать:

- быстрозатухающей реверберационно-шумовой характеристикой (РШХ);

- способностью излучать и принимать из твёрдой среды как продольные, так и поперечные ультразвуковые волны;

- надёжным и легко достижимым акустическим контактом с бетоном;

6. Разработать ультразвуковые матричные антенные решётки. (АР), обеспечивающие производительный контроль бетонных конструкций разработанным для этого методом пространственно-временной обработки сигналов.

7. Разработать практическую аппаратуру, визуализирующую внутреннюю структуру бетонных конструкций при одностороннем доступе, подтверждающую правильность проведённых исследований и разработок.

8. Выпустить аппаратуру в широкую эксплуатацию и по её результатам определить направления совершенствования данного класса приборов.

Научная новизна работы.

1. Изучены свойства структурного шума при ультразвуковом контроле бетона эхо-методом и установлено:

- статистические характеристики структурного шума не зависят от способа его возбуждения и приёма;

- радиус корреляции структурного шума на поверхности бетона приблизительно равен половине длины поперечной волны.

2. Оценены ожидаемые и реальные отношения сигнал/шум при эхо-импульсном контроле бетона на продольных и поперечных волнах и обоснованы преимущества применения поперечных волн для интроскопии бетона; .

3. Предложен метод синтезированной фокусируемой апертуры с комбинационным зондированием (САФТ-К) полупространства элементами матричной антенной решётки, "позволяющий достичь требуемых отношений сигнал/шум при высокой пространственной селекции отражателей в бетоне. Метод даёт увеличение отношения сигнал/шум по мощности в половину квадрата числа антенных элементов, участвующих в синтезе апертуры, по сравнению с отношением сигнал/шум в колебаниях каждого элемента. >

4. Предложена и обоснована совокупность технических решений для разработки класса ультразвуковых низкочастотных преобразователей с малой длительностью РШХ, с жидкостным и сухим акустическим контактом, способностью к излучению и приёму как продольных, так и обоих типов объёмных волн при сухом контакте. Главными из них являются:

- демпфирование пьезоэлемента жидким материалом;

- частота рабочей моды пьезоэлемента наименьшая из всех частот его колебаний;

- заострённый протектор в виде конуса малых волновых размеров для создания сухого точечного акустического контакта (СТК) с бетоном;

- два противофазно колеблющихся пьезоэлемента или пьезоэлемент с из-гибной модой для создания касательных напряжений на поверхности бетона.

Практическая ценность работы.

1. В создании аппаратуры, визуализирующей внутреннюю структуру железобетонных сооружений при одностороннем доступе и позволяющей обнаруживать в них опасные дефекты и внутренние коммуникации. Аппаратура рассчитана на применение в полевых условиях, не нуждается в контактных жидкостях и обладает достаточной для практики производительностью. Аппаратура эксплуатируется как в нашей стране, так и за рубежом.

2. В разработке приборов для контроля свойств материалов, прочности бетона в изделиях и сооружениях и состояния его поверхностного слоя. Приборы эксплуатируют без контактных смазок в полевых условиях. Наибольшее распространение получил ультразвуковой тестер УК1401 при контроле несущей способности железобетонных опор контактной сети железных дорог.

3. В разработке ряда ультразвуковых низкочастотных преобразователей с сухим точечным контактом, используемых как в созданной аппаратуре, так и в составе других приборов для контроля бетона и горных пород.

Реализация результатов работы.

Созданы следующие ультразвуковые приборы для контроля бетона:

- толщиномер - дефектоскоп УТ201М с жидкостным контактом (изготовлено 25 шт.);

- томограф УИ201С с жидкостным контактом (изготовлено 4 шт.);

- томограф А1230 с сухим контактом (изготовлено 5 шт.);

- дефектоскоп А1220 с сухим контактом (изготовлено более 20 шт.);

- мультиметр AI 102 с сухим контактом для анализа свойств материалов по скоростям продольных« поперечных волн (изготовлено 10 шт.);

- тестер УК 1401 с сухим контактом для контроля прочности бетона и оценки глубины трещин (изготовлено более 250 шт.).

В настоящее время производится аппаратура только с сухим контактом.

На прибор AI 220 31 августа 2000 года выдан Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.27.004A № 8625, который зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 20148-00.

На прибор УК 1401 выданы Сертификат соответствия метрологическим нормам и требованиям № 0000374 от 25.11.99, зарегистрированный в Реестре системы сертификации средств измерений под № 990200014., а также Свидетельство о регистрации № 041.2000 от 25.05.2000, зарегистрированное в отраслевом Реестре средств измерений, допущенных к применению на железнодорожном транспорте под № МТ-041.2ООО.

На защиту вынесены:

1. Результаты анализа характеристик структурного.шума бетона.

2. Результаты изучения ожидаемых и реальных отношений сигнал/шум при эхо-импульсном контроле бетона с помощью продольных и поперечных ультразвуковых волн. Обоснование преимуществ использования,-поперечных волн перед продольными при интроскопии бетона. -о. - • :ц-,и ,

3. Сущность метода синтезированной фокусируемой апертуры с комбинационным зондированием полупространства элементами матричной антенной решётки и основные его характеристики.

4. Способы измерения скоростей распространения объёмных волн в материалах при одностороннем доступе.

5. Алгоритмы работы визуализирующей аппаратуры.

6. Совокупность технических решений, обеспечивающая создание ультразвуковых низкочастотных преобразователей с малой длительностью РШХ, с жидкостным и сухим акустическим контактом, способностью к излучению и приёму как продольных, так и обоих типов объёмных волн при сухом контакте.

7. Совокупность требований для разработки антенных решёток.

8. Созданная аппаратура и ультразвуковые преобразователи.

Апробация работы.

Основные материалы исследований опубликованы в отечественных и зарубежных периодических изданиях, доложены на международных и отечественных научных конференциях, приборы демонстрировались на различных выставках. Опубликовано 18 статей, 6 докладов, получено 7 авторских свидетельств СССР и 2 патента РФ (всего 33 работы).

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы (131 наименование) и приложения.

Объём диссертации без приложения составляет 228 страниц, включая бб рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, изложены основные проблемы и дана характеристика работ в данной области. Сформулированы цель, научная новизна и практическая ценность работы. Приведены сведения об её апробации.

В главе 1 дана общая характеристика бетона, его акустических свойств и возможностей ультразвукового контроля разными методами. Показано, что теория ультразвуковой интроскопии бетона при одностороннем доступе не разработана, и практически используемая аппаратура отсутствует.

UCOOeHHOCTII UKJCi 114CWIVUI и ivunijiu.... ----

Бетоны обладают весьма неоднородной внутренней структурой. Их акустические характеристики в значительной степени определяются крупным заполнителем: размерами и формой зёрен, происхождением пород и их водопо-глощаемостью. В частности, разброс скоростей ультразвука в породах крупного заполнителя обычно равен ± 20 % и иногда доходит до ± 35 %.

Коэффициент затухания 5 ультразвуковых волн и его зависимость от частоты колебаний определяет выбор рабочей частоты сигналов для контроля бетона и ширину их спектра. Нами экспериментально исследовано затухание в распространённых бетонах (см. рис. 1). Эти данные показывают, что возможный разброс значений коэффициента затухания в распространённых бетонах, может быть очень большим. Быстрый рост затухания с увеличением частоты, ограничивает сверху диапазон применимых для контроля бетона рабочих частот сигналов. Если не допускать значительных искажений спектра сигнала в области быстрого роста затухания, то верхней границей диапазона следует считать частоты 150 - 200 кГц.

Особенностью бетона является значительно больший, чем у других ма-

5 зоо

1X3 =t

; 200

■ 100

-е •е

h

' 1

_ ^^' \ ry О

ность 20 мм; 3 - преимущественно известняк, наибольшая крупность 20 мм.

о юо 200 :

Частота, кГц

Рис. 1. Частотные зависимости коэффициентов затухания продольных ультразвуковых волн в бетонах разных составов. Крупный заполнитель: 1 - наибольшая крупность 10 мм; 2 - смешанных пород с хериалов приведённый к длине волны X преобладанием гранита, наибольшая круп- коэффицие!;т затухания 5х = 5-Х, показывающий уменьшение уровня ультразвуковых колебаний при их распространении на расстояние, равное длине волны ультразвука. Так, например, 5-,. у стали равен 0,024 дБ/А, у плексигласа - 0,5 дБ/Х, а у бетона - 2 дБ/А,.

Нижнюю границу рабочего диапазона частот можно определить из требуемой разрешающей способности эхо-импульсной аппаратуры по глубине, оцениваемой, например, так: ha =0,66-с-ти, где с - скорость ультразвука в бетоне, хи - длительность зондирующих импульсов. Задавшись величиной Aj = 70 мм при скорости, продольных волн 4000 м/с, найдём необходимую длительность зондирующих импульсов: 26 мкс. Предельно короткий радиоимпульс в форме одного периода в 26 мкс, занимает полосу частот порядка 100 % от частоты максимума спектра, составляющей примерно 40 кГц. То есть в таком идеализированном случае низшая частота спектра сигнала будет близка к 20 кГц. Таким образом, для интроскопии бетонных изделий допустимо (и целесообразно) использовать диапазон частот от 20 до 150 кГц. При скорости ультразвука 4000 м/с длины волн X составят диапазон от 200 до 27 мм.

s

Обычные ультразвуковые преобразователи с апертурой в 30 - 40 мм при таких длинах волн сигналов не могут обладать заметной направленностью акустического поля. Протяжённость их ближней зоны = £>:/4-Л-Д/4, где О -

диаметр их апертуры при £> ~ X, практически равна нулю. Размеры контролируемых бетонных конструкций в большинстве случаев не превышают (20 - 30) X, а глубины залегания дефектов - единицы или доли X. Размеры возможных дефектов могут быть равны нескольким X или даже одной X.

Другая важная особенность контроля бетона - это структурная реверберация ультразвуковых колебаний, распространяющихся в его объёме, вследствие того, что зёрна крупного заполнителя соизмеримы с длиной волны и интенсивно рассеивают ультразвуковые волны. Скорость уменьшения эффективного значения структурного шума с„, от времени (после зондирующего сигнала), как показали наши эксперименты, обычно составляет 0,05 - 0,1 дБ/мкс. Она значительно меньше той, которую предсказывают расчёты с допущением однократного рассеяния ультразвуковых колебаний (0,25 дБ/мкс). Это значит, что структурный шум содержит существенную составляющую многократного рассеяния. Абсолютный уровень структурного шума на несколько порядков превышает собственный шум приёмного тракта аппаратуры.

Поверхности бетонных конструкций обычно грубые и пористые. Контактные жидкости (как правило, вязкие масла) плохо смачивают бетон и для улучшения акустического контакта их втирают в поверхностные поры. Вместо жидкостей иногда применяют эластичные прокладки, например, из резины или полиуретана. Однако, коэффициент передачи сигнала через прокладку более нестабилен, чем при контакте через жидкость, и требуется сильный прижим преобразователя к поверхности бетона.

Альтернативой жидкостному акустическому контакту и контакту через эластичную среду является сухой точечный контакт (СТК), осуществляемый обычно с помощью заострённых насадок или концентраторов. Недостаток их в том, что они существенно искажают и затягивают передаваемый сигнал.

Анализ методов ультразвукового контроля бетона. '

Ультразвуковой контроль бетонных изделий и конструкций проводят несколькими методами. Резонансные методы применяют для изделий простой формы. Они позволяют определить общее состояние конструкции по её собственным частотам колебаний и не дают информации о координатах внутренних дефектов. Методы прохождения ультразвуковых волн сквозь испытуемый объект наиболее широко применяют для дефектоскопии бетонных конструкций, но они требуют двухстороннего доступа к объекту контроля. Исключением является метод поверхностного прозвучнвания. Однако он даёт информацию о дефектах лишь в поверхностном слое бетона толщиной не более двух длин волн и не позволяет определять глубину залегания дефектов.

Методы отражения волн различаются способами излучения зондирующих импульсов и приёма отражённых сигналов. Метод волны удара (МВУ) (удар-

ный метол, в англоязычной литературе "impact memoa ; основан на 1ил»^пии в объект сигналов, близких по форме к видеоимпульсам с широким относительным спектром частот. Обычно в качестве излучателей используют специальные механические ударные устройства. Сигналы принимают широкополосными ультразвуковыми преобразователями. Характерные области применения MB У - это контроль качества забитых в грунт свай и поиск относительно крупных дефектов в бетонных конструкциях.

Классический эхо-метод, широко применяемый при контроле металлов на частотах в единицы мегагерц, для контроля бетона используется редко по причине очень низкой направленности ультразвуковых преобразователей и трудностей создания акустического контакта их с бетоном. В аппаратуре используют обычно импульсное излучение ультразвука с минимальной длительностью зондирующих импульсов, для получения возможно лучшей разрешающей способности по глубине.

Для создания направленного излучения и приёма ультразвука при контроле бетона при малых волновых размерах ультразвуковых преобразователей используют метод синтезированной апертуры, при котором излучение и приём колебаний ведут малыми в сравнении с длиной волны ультразвуковыми преобразователями. Принятые колебания обрабатывают в компьютере так, как будто на поверхности объекта находится большой ультразвуковой преобразователь, фокусирующийся в нужную точку внутри объекта. Этот метод контроля применительно к бетонным конструкциям отвечает всем требованиям поставленной перед нами цели: он работает при одностороннем доступе к объекту, позволяет благодаря фокусировке обнаруживать неоднородности среды и определять их координаты, а полученные результаты контроля представлять в наглядной форме - томографической.

Метод акустической эмиссии, позволяет обнаружить не все дефекты объекта контроля, а лишь те, что являются источниками акустических сигналов. Поэтому его нельзя использовать для полноценной визуализации внутренней структуры бетонных конструкций. Лазерные способы генерации и приёма ультразвука в бетоне с целью НК не вышли ещё из стадии исследований.

Импульсный эхо-метод при контроле бетона.

Ультразвуковой преобразователь с апертурой в (1 - 3) X, например, диаметром 80 мм (при л = 50 мм) позволяет иногда обнаруживать большие отражающие поверхности, в частности, донные на глубинах до полуметра. Большая апертура преобразователя, порядка 4 X, может дать увеличение чувствительности контроля, однако разрешающая способность по фронту будет ухудшена. Трудности же создания акустического контакта с бетоном возрастут.

Большая апертура не только позволяет пространственно селектировать отражатели, но и уменьшает относительный уровень структурного шума, усредняя его по поверхности бетона. Если сделать апертуру фокусируемой на нужный отражатель, то отношение сигнала к структурному шуму возрастёт, а пространственное разрешение улучшится. Это очевидное.утверждение, нашло

свое воплощение в методе синтезированнойапертуры. В частности, этим методом обнаруживают боковые отверстия, имитирующие каналы диаметром 55 мм на глубинах до 200 мм, или донные поверхности до глубин в 500 мм.

Анализируя уровень достигнутых успехов в области интроскопии бетона методом синтезированной апертуры, следует сказать, что характеристики аппаратуры не достигают таких значений, которые получены при высокочастотной дефектоскопии и томографии в медицинской диагностике: пространственное разрешение и чувствительность там имеют порядок длины волны. Глубины обнаружения отражателей в бетоне едва достигают 200 - 300 мм при наибольшей крупности заполнителя 8-16 мм. Это означает, что потенциальные возможности метода синтезированной апертуры ещё не достигнуты. Необходимо также отметить недостаточную изученность общей помеховой ситуации при эхо-импульсном контроле бетона и почти полное отсутствие анализа структурного шума в бетоне, его пространственных корреляционных свойств и, их влияния на отношения сигнал/шум в принимаемых элементами апертуры реализациях смеси полезных сигналов и шума. Проблема акустического контакта, практически, вообще обойдена вниманием. Иногда используют воду, глицерин или быстросохнущую замазку, что нельзя считать удачным для практической работы, требующей сканирования больших горизонтальных и вертикальных поверхностей. Исследования характеристик ультразвуковых низкочастотных преобразователей показали, что их собственные колебания затухают менее чем на 20 дБ за 10 периодов колебаний. Это делает их непригодными для контроля эхо-методом.

Выводы.

1. Решить задачу интроскопии бетонных конструкций при одностороннем доступе можно с помощью эхо-импульсного метода с синтезированием фокусирующей апертуры больших волновых размеров.

2. Существующие ультразвуковые системы с синтезированной апертурой обеспечивают недостаточные для практики характеристики и больше подходят для лабораторных исследований, чем для практического использования.

3. Нет теории ультразвуковой интроскопии бетона при одностороннем доступе.

4. Применяемые ультразвуковые преобразователи малопригодны для антенных решёток визуализирующей аппаратуры.

5. Жидкие и эластичные материалы для создания акустического контакта неудобны для контроля.

В главе 1 на основе численного моделирования распространения ультразвука в неоднородной среде исследованы статистические и корреляционные характеристики структурного шума. Предложен и разработан метод синтезированной апертуры с комбинационным зондированием. Изложены особенности использования продольных и поперечных волн, жидкостного и сухого акустического контакта для интроскопии бетона.

Шум структурной реверберации.

Структурный шум является главной помехой, препятствующей приёму эхо-сигналов при контроле бетона. В крупнозернистых металлах, например, в аустенитной стали, чугуне, латуни уровень структурного шума также высок. Бетон, в отличие от металлов, более неоднороден. Кроме заполнителя, он содержит множество микро- и макро пустот, расположенных как в цементном камне, так и в контактах между цементным камнем и заполнителем. Поэтому рассеяние ультразвука в бетоне происходит на многочисленных границах раздела сред с разными характеристическими импедансами при существенном изменении плотности материала по объёму. Наряду с рассеянием неизбежна взаимная трансформация продольных и поперечных волн.

Если представить бетон в виде среды с множеством рассеивающих центров, случайно распределённых по объёму с некоторой концентрацией, то можно вычислить реакцию такой среды на излучение в неё модели ультразвукового импульса, то есть вычислить реализацию структурного шума. Структурно неоднородную среду обычно характеризуют средним размером зерна 15. Пусть в первом приближении точки излучения и приёма будут совпадать. При моделировании шума будем учитывать колебания, приходящие в точку приёма непосредственно от каждого рассеивающего центра, облучённого из точки излучения, а также колебания, вторично рассеянные другим рассеивающим центром. Колебаниями, претерпевшими три и большее число переотражений пренебрежём вследствие их малости в сравнении с колебаниями вторичного рассеяния.

Определим матрицу МТ путей распространения акустического импульса в среде от точки излучения до каждого рассеивающего центра и обратно к точке приёма, а также траекторий, проходящих через каждую пару рассеивателей. Тогда временные задержки всех компонент шума составят матрицу

~МТ~

Т =

(1)

с

где с - скорость ультразвука в среде. Матрицы МТ и Г квадратные порядка {п + 1), где п - количество рассеивающих центров.

В качестве модели зондирующего сигнала возьмём короткий импульс Берлаге в виде 1,5 - 2 периодов колебаний и для задания начального момента умножим его на функцию Хевисайда Ф(0:

:(г) = В-Ф(г)-г-е'" -ьЩ2я■ /■ 1), (2)

где / - время, В - постоянный нормирующий коэффициент, е - основание натурального логарифма, а - постоянный коэффициент, /- частота заполнения сигнала. Реализация структурного шума будет иметь следующий вид:

п(0 = ££ Ач ■ В ■ Ф(Г- Т„) ■ (/- Г, )2 • е-<-т'' • мп[2.т - /- (г- Тя)} (3)

' 1

где Ац - амплитуда у - той составляющей шума, Ту - время задержки этой составляющей, то есть у- ый элемент матрицы (1).

Амплитуда каждой составляющей структурного шума А у зависит от длины траектории распространения акустического импульса, количества отраже-

ний его от рассеивагелей, коэффициентов отражения, частоты ультразвука, затухания в среде:

Выражение (4) не матричное произведение, а операция перемножения элемен-. тов матриц с одинаковыми индексами. В нём матрица МР учитывает отражающие свойства рассеивающих центров, MR - расхождение волн при распространении в среде, МА - ослабление шумовых составляющих вследствие затухания.

Созданная модель позволяет исследовать: ■<■•.

- плотности вероятности мгновенных значений шума;

- зависимости эффективного значения шума аш от времени;

- зависимости отношения сигнал/шум от различных факторов; ■

- зависимости аш от длительности зондирующего сигнала.

В частности, исследования показали, что реализация структурного шума -это нестационарный случайный процесс с нулевым средним значением, спадающей от времени дисперсией и в силу центральной предельной теоремы близким к нормальному распределением мгновенных значений.

Отношения сигнал/шум и пути их увеличения.

С помощью модели были оценены ожидаемые отношения сигнал/шум в бетоне, то есть отношения пиковых значений эхо-сигнала к эффективному значению структурного шума в момент времени, совпадающий с моментом пикового значения сигнала. Расчёты выполнены для сферических отражателей и средних параметров среды и зондирующего сигнала.' В частности, отношения сигнал/шум для отражателей диаметром 50 и ТОО мм на глубине 200 мм равны минус 23,6 и минус 17,5 дБ, соответственно. На больших глубинах отношения сигнал/шум ещё меньше, то есть эхо-сигналы почти на всей оси глубин лежат намного ниже уровня шума. 1 ;

Возможности повысить отношения сигнал/шум рациональным выбором рабочей частоты ультразвука или за счёт её изменения в нескольких зондирующих импульсах с межпериодной обработкой, декоррелирующей шум, очень ограничены узкими пределами этого изменения частоты. Отношения сигнал/шум нельзя повысить и увеличением энергии зондирующего сигнала. Повышение его амплитуды приведёт к такому же росту аш. Увеличение его длительности при той же частоте колебаний вызовет такое же увеличение длительности каждой шумовой компоненты, то есть в итоге энергия шума возрастёт, и отношение сигнал/шум уменьшится. Поэтому при контроле бетона число колебаний в зондирующем импульсе должно быть минимальным. Использовать сложные зондирующие сигналы с базой много больше единицы тоже нельзя, так как их широкий спектр будет искажаться средой, а большая их длительность приведёт к повышенному уровню структурного шума. Это и бесполезно из-за высокой корреляции зондирующего сигнала с каждой компонентой шума, порождённой любым рассеивающим центром, поскольку они не отличаются от дефектов материала ничем, кроме размеров и, возможно, величины коэффици-

ента отражения ультразвуковой волны. Поэтому, для улучшения отношений сигнал/шум остаётся использовать пространственную обработку сигналов, которая возможна лишь в виде фокусировки поля излучения/приёма в каждую точку визуализируемого объёма материала.

Принцип такой фокусировки заключается в облучении исследуемого полупространства из разных точек его поверхности, приёме колебаний также в разных точках поверхности и суммировании временных отрезков принятых реализаций, содержащих ожидаемый эхо-сигнал, со смещением каждого из них по оси времени на интервал, компенсирующий различия времён распространения сигнала от точки излучения до точки фокусировки и обратно в точку приёма. Этот принцип лежит в основе известного метода синтезированной апертуры, фокусируемой в точку пространства (САФТ).

В англоязычной литературе этот термин носит название "Synthetic Aperture Focusing Technique" (SAFT), что в буквальном переводе означает "Техника (метод) синтетической фокусирующей апертуры". Для удобства пользования этим термином на русском языке нам показалось логичным использовать аббревиатуру "САФТ", созвучную английскому аналогу, тем более что расшифровка её точно передаёт физическую суть метода и аппаратуры.

Метод синтезированной апертуры с комбинационным зондированием.

Основная идея того, что фокусирующая антенная система может дать требуемые отношения сигнал/шум, сострит в потенциальной возможности получить от системы большое количество некоррелированных реализаций принятых из объекта контроля колебаний. Под принятыми колебаниями мы понимаем преобразованную в электрическую форму сумму акустического структурного шума и эхо-сигналов от отражателей, действующую на любой элемент системы после излучения в объект зондирующего импульса. При фокусировке системы на некоторый отражатель, находящийся внутри объекта контроля, производится суммирование отрезков реализаций, содержащих наряду с шумом отражённый от этого отражателя сигнал. Суммируются отрезки реализаций, полученных всеми элементами системы. Результирующее отношение сигнал/шум пропорционально квадратному корню из количества'суммируемых реализаций, если отсутствует корреляция шума в них. Фокусировка - это один из вариантов метода накопления. w

Если антенная система синтезируется одним сканирующим преобразователем или парой излучатель - приёмник, как это происходит в оригинальном методе САФТ, то количество суммируемых реализаций равно количеству положений этого преобразователя (или пары) на поверхности объекта контроля, то есть количеству элементов. синтезированной апертуры. Видно, что такие системы мало пригодны для интроскопии бетона. Аппаратура с АР из нескольких сотен элементов будет неприемлемо сложной.

Однако, это не единственный способ синтеза апертуры. На.рис. 2 показана схема матричной АР из т элементов, расположенной на поверхности полупространства, то есть на плоскости 2=0. Поскольку условия некоррелирован-

V

-

.„..А'* ь.

(п-2 :?.:•' ж тП

—

Г' -1РГ

г

,т

. *А(х,у,г) ности принимаемых реализаций должны быть соблюдены, что достигается выбором расстояния (шага) между элементами АР, то колебания, принимаемые из элементом АР, пославшим в oбieкт зондирующий импульс, могут быть слабо или совсем некоррелированы с колебаниями, которые принимает в это же время соседний элемент решётки. И их тоже можно использовать в накоплении сигнала. Тем более некоррелированными; будут колебания, получаемые от более отдалённого элемента АР. Иными словами, при посылке зондирующего импульса в объект контроля каждым элементом АР для синтеза фокусированной апертуры нужно использовать колебания, принимаемые всеми остальными элементами

Рис. 2. Схема матричной антенной Решётки< не исключая приём и элементом, по-решётки и принципа комбинацион- славшим зондирующий импульс. Максимального зондирования. ное количество суммируемых колебаний в

этом случае получится равным квадрату числа элементов АР. Такой способ зондирования объекта и синтеза апертуры можно назвать комбинационным.

Механизм накопления сигнала от некоторого точечного отражателя (меньшего А,) методом САФТ при комбинационном зондировании в общих чертах состоит в следующем. Если количество элементов в АР равно т, то суммарная реализация колебаний иД?)> получаемая в процессе синтеза от каждого р-го элемента, складывается из составляющей %,(/)> порождённой излучением зондирующего сигнала самим элементом, и составляющих мРд(г). вызванных излучением зондирующих сигналов остальными элементами АР:

ир(') = ирр(0+^иРЧ(г):

<г=| ч*р

<5>.

где р, д - номера приёмного и излучающего элементов АР. Дисперсию шума в реализации ир(() можно выразить так:

(6)

Среди всех т2 составляющих шума от парных комбинаций элементов АР, включённых на излучение и приём, а также от всех элементов АР, включённых в совмещённом режиме, составляющие с индексами (рд) и (др) в силу принципа взаимности полностью коррелированны между собой. Это составляющие от каждой пары элементов АР при вариантах включения приёмник - излучатель и излучатель - приёмник. В результате дисперсия шума всей синтезированной апертуры

2 2 т-(т-\) ?

-- т-(2-т-\)-<з„

(7)

Сигнал от некоторого отражателя состоит из компонент spp\ij и ¿рчу w-шее количество которых, как и.составляющих шума равно т". Тогда амплитуда результирующего сигнала, накопленного всей синтезированной апертурой

■Ас=тг-Арр=тг-Арч. (8)

где Арр, Apq - амплитуды компонент сигнала, принятых р-ым элементом АР.

Отношение сигнал/шум, которое даёт синтезированная апертура с комбинационным зондированием и суммированием колебаний от всех возможных комбинаций её элементов, в результате получится:

г - Ас - ' т~'Аре (9)

где Ср - Лрр/арр- отношение сигнал/шум в каждой из суммируемых реализаций, в частности от р-ro элемента АР-при излучении зондирующего сигнала им же.

Из всех парных комбинаций излучатель - приёмник нужно исключить половину, чтобы любая пара элементов АР лишь однократно была использована для излучения и приёма колебаний. Тогда общее количество N суммируемых колебаний будет равно

N~m-(n*l>. (10)

Дисперсия шума в результирующих колебаниях синтезированной апертуры как сумма дисперсий некоррелированных колебаний выразится формулой:

, т-(т+1) 2 п t\

с« =-2--°рр■ (и)

Амплитуда результирующего сигнала, накопленного всей синтезированной апертурой, в этом случае будет равна

т-{т+1)

-j--w "'

Наконец, отношение сигнал/шум синтезированной апертуры с комбинационным зондированием и суммированием только некоррелированных колебаний

Ас _ 1т-(т + \) 2

Таким образом, для интроскопии бетона следует использовать метод САФТ с комбинационным зондированием (САФТ-К) и накоплением только некоррелированных реализаций принимаемых колебаний. Согласно (10) достаточно.30-элементной АР, чтобы при одном её положении на поверхности объекта контроля получить более 400 некоррелированных реализаций и увеличить отношение сигнал/шум (для удалённых отражателей) более, чем на 26 дБ, по сравнению с отношением сигнал/шум в каждой реализации. При т > 5 количество реализаций N ~ т~/2. Величина •. N показывает, во сколько раз потенциально отношение сигнал/шум при методе САФТ-К может быть больше, чем в одиночной реализации принимаемых колебаний.

Ещё больше увеличить отношение сигнал/шум можно, используя сканирование матричной АР поверхности объекта контроля в сочетании с методом САФТ-К в каждом положении АР на поверхности. В этом случае область кача-

(13)

ния точкой фокуса АР должна быть больше апертуры АР в направлении сканирования. Тогда эти области двух или нескольких положений АР будут перекрываться, и накопление эхо-сигналов для многих точек объекта будет идти с суммированием ещё большего количества реализаций принятых колебаний.

Пусть АР состоит из т = а-Ь элементов, расположенных с шагом Если шаг сканирования АР в направлении, совпадающем со стороной из а элементов, обозначить через а отношение sJs -И, то

Х^тк^^и.т-^Х 1(С-1> (14)

2 2 а \ а )

Формула (14) позволяет рассчитать общее количество реализаций Л^ принятых колебаний синтезированной апертуры, полученной поступательным сканированием поверхности объекта контроля вдоль некоторой прямой с относительным шагом И АР из т элементов, установленной на поверхность С раз. Она показывает, что шаг сканирования, равный расширенной апертуре АР в направлении сканирования даёт максимальное количество принятых реализаций при постоянном числе положений АР на поверхности. Сканирование с шагом, меньшим расширенной апертуры АР, даёт незначительный прирост отношения сигнал/шум, но требует существенного увеличения числа положений АР на поверхности. Расширенной апертурой АР мы называем расстояние между центрами её крайних элементов плюс один шаг между элементами.'

Пространственная корреляция структурного шума.

Если на поверхности крупноструктурного полупространства поместить точечный излучатель ультразвуковых импульсов, а на некотором расстоянии от него точечный приемник, то при неподвижном приёмнике реализации шума от каждой посылки зондирующего импульса будут точно повторяться. При перемещении приёмника в любом направлении коэффициент корреляции между реализациями шума, принятыми в начальной и смещённой точках приёма, будет, очевидно, уменьшаться с ростом этого смещения, приближаясь к нулю. Интервалом корреляции структурного шума на поверхности полупространства в данном случае является радиус некоторой круговой области, за пределами которой любая принятая реализация шума не будет коррелировать с реализацией, принятой в центре области.

Радиус корреляции гк определяет минимальный шаг расположения точечных элементов в АР. При уменьшении шага АР из т элементов до величин, .меньших гк, принимаемые реализации шума начнут частично коррелировать между собой, и отношение сигнал/шум на выходе системы начнёт падать. Стремление к предельному уменьшению шага между элементами АР возникает при необходимости добиться как можно большего отношения сигнал/шум, которое при выбранном шаге зависит от количества элементов в АР. Меньший шаг позволяет увеличить концентрацию точек приёма колебаний из объекта контроля, то есть увеличить общее их количество на той же площади.

Оценим величину радиуса корреляции, используя исииом (кирауи,и„-----

ранее модели бетонного образца. Точки приёма шума будем задавать, постепенно удаляя их от точки излучения. Реализация шума будет иметь вид:

e £ZAh 'В ■фС *Пч> ■>(t -Tl'J? } ■ sin[2^■f-(t-T\.J)]

-а(1-тг„)

а [гя •/■(-»

(15)

где

(16)

А1^[МР2^\Ж2Ь\\МЛ2^ (17)

По этим формулам, бьши вычислены реализации структурного шума в различных точках поверхности образца и рассчитаны, коэффициенты корреляции для всех их пар. Результаты приведены на рис. 3 и 4 в виде зависимостей средних значений коэффициентов корреляции шума от расстояния Л1 между точками приёма. Свяжем полученные данные с критерием выбора шага АР для метода САФТ-К. Задача состоит в определении такого значения А1о, чтобы при Л1 >А10 реализации шума можно было бы считать практически некоррелированными.

ct

ф

X

fe

сс

1 0.8 0.6 о.<

0.3

"(Н

\s

et о

t-о

-q

о:

1 0.8 0.6 0.4 0.2

Расстояние, мм

Рис. 3. Зависимость коэффициента корреляции структурного шума от расстояния между точками приёма при частоте заполнения зондирующего импульса 50 кГц: а - расчёт для реализаций шума длительностью 250 мке; б - расчёт для отрезков этих же реализаций в интервале от 70 до 140 мкс.

Расстояние, мм

Рис. 4. Зависимость коэффициента корреляция структурного шума от расстояния между точками приёма при частоте заполнения зондирующего импульса 100 кГц: а - расчёт для реализаций шума длительностью 250 мкс; 6 - расчёт для отрезков этих же реализаций в интервале от 70 до 140 мкс.

о

о

о

"0.2

0.6

Отношение сигнал/шум по мощности в результате суммирования колебаний с коррелированным шумом, как известно, записывается в виде

Чка№ = • (18)

1+7

где

г~2-!>-

Р

(19)

- параметр, учитывающий взаимную корреляцию шумовых реализаций, q - отношение сигнал/шум по мощности при некоррелированном шуме, р - количество суммируемых колебаний, содержащих шум, - нормированный коэффициент корреляции, g - модуль разности номеров суммируемых реализаций.

Для оценки проигрыша в отношении сигнал/шум при суммировании коррелированных колебаний от всех элементов АР нельзя впрямую использовать формулы (18), (19). Дело в том, что элементы АР располагаются на поверхности объекта контроля в виде двумерной матрицы, и поэтому существует гораздо больше вариантов расстояний по поверхности между парами элементов, чем в одномерном случае последовательного суммирования отсчётов колебаний сигнала с шумом, для которого справедливы (13) и (19). Для оценки параметра ^при каком-либо значении шага 5 решётки нужно просуммировать все количества возможных вариантов расстояний между элементами АР, умноженные на соответствующие значения коэффициента корреляции при таких расстояниях.

Считая АР квадратной, и, обозначая кратность расстояний между её элементами вдоль осей координат в плане через и и V, запишем:,

и«» ыпг

(20)

из ч

где -х) - значения некоторой функции, аппроксимирующей рассчитанную зависимость средних значений коэффициентов корреляции шума от расстояния Л1. В выражении (20) учитываются корреляционные связи между колебаниями всех пар элементов АР. Оно позволяет оценить результирующее отношение сигнал/шум /я-элементной АР при выбранном шаге

На рис. 5 построены зависимости проигрыша в отношении сигнал/шум от выбранного шага между элементами для решёток из 25 и 36 элементов. Проигрыш вычислен по формуле

+ (21)

Чкорр

При большом шаге АР корреляция шума в принятых почти отсутствует. При уменьшении шага АР корреляция возрастает и проигрыш в накоплении также растёт, но не монотонно. При шаге АР около 100 мм параметру об-

Шаг антенной решётки, мм

Рис. 5. Зависимость проигрыша в отношении сигнал/шум от шага между элементами антенной решётки: а - решётка 5x5 элементов, б - решётка бхб элементов.

ращается в нуль и проигрыш в накоплении сигнала пропадает. Это вызвано тем, что при шаге 100 мм часть реализаций шума от ближайших элементов, с отрицательным знаком коэффициента взаимной корреляции, суммируется с частью реализаций от более удалённых друг от друга элементов с положительным коэффициентом корреляции. В результате эти шумы компенсируются и в результирующих колебаниях АР остаётся только та часть шума, которая получилась при суммировании некоррелированных реализаций от ещё более удалённых друг от друга элементов решётки.

Дальнейшее уменьшение шага АР увеличивает долю компенсирующего шума в общем шуме и его дисперсия уменьшается, становясь даже меньше дисперсии шума при некоррелированных реализациях. Полная компенсация результирующего шума АР наступает при равенстве шумов от реализаций с положительным и отрицательным коэффициентами корреляции. На графике ?/<7корр эта точка находится в середине отрицательной области проигрыша в накоплении сигнала, что означает даже выигрыш, по сравнению с обработкой некоррелированного шума. При^= -1 шум как бы пропадает и отношение сигнал/шум становится равным бесконечности, хотя статистически, конечно, пол-, ной компенсации быть не может. Однако выбор шага АР в области, прилегающей к точке полной компенсации шума (около 80 мм), может дать существенное уменьшение уровня шума в результирующих колебаниях, в сравнении с АР с шагом 100 мм или более.

Ещё меньший шаг АР создаёт условия перекомпенсации шума. При шаге около 55 мм проигрыш в, ошащениихигнал/шум снова приближается к значению 0 дБ, то есть уровень шума становится таким же, как при некоррелированных входных колебаниях. И дальнейшее уменьшение шага АР уже ведёт к быстрому росту проигрыша в накоплении из-за суммирования большого числа реализаций шума с достаточно высоким коэффициентом взаимной корреляции одного знака. Область значений шага АР менее 20 мм (см. рис. 5) можно считать мало пригодной для практического использования. Здесь параметр корреляции^ весьма непостоянен. Поэтому небольшие деформации формы корреляционной функции, например, из-за изменений условий распространения сигналов в среде при смене объекта контроля, могут дать резкое увеличение проигрыша в накоплении сигнала.

Аналогичный механизм компенсации коррелированных помех используется в радиолокации. Там для этого колебания, принятые элементами АР, умножаются на комплексно-сопряжённый весовой вектор, выраженный через известную обратную корреляционную матрицу помех. Здесь компенсация получается при рационально выбранном шаге АР. Однако выигрыш от неё не стоит переоценивать, поскольку интервал компенсации достаточно узок.

Для оценки того, насколько значительна дополнительная декорреляция шума при реальном действии метода САФТ-К были вычислены автокорреляционные функции структурного шума, созданного в модели бетонного образца. По ним можно оценить интервалы корреляции: 25 - 30 мкс для частоты сигнала 50 кГц и 12 - 15 мкр, для частоты ¡00 кГц. То есть в процессе синтеза фокуси-

руемои апертуры происходит заметная декорреляция суммируемых колебани) из-за временных смещений, соизмеримых с интервалами корреляции шума.

Таким образом, радиус корреляции структурного шума в неоднородно! среде - величина достаточно условная. Его естественно сравнивать с длиной волны ультразвуковых колебаний. Известно, что чем прочней бетон, тем выше в нём скорость ультразвука и, как правило, меньше затухание» Поэтому, более прочные бетоны допускают использование более высоких частот для контроля. Но более высокая частота колебаний в среде с большей скоростью может дать примерно такую же длину волны. В результате этих качественных рассуждений и, анализируя рис. 3 и 4, можно заключить, что радиус корреляции структурного шума находится в интервале от половины до одной длины волны ультразвука, используемого для контроля. Шаг между элементами АР также должен лежать в этом интервале.

Синтез и отображение образа визуализируемого пространства.'

Конечным результатом работы аппаратуры интроскопии бетонных конструкций является изображение среза внутренней структуры материала конструкции, то есть томограмма, которая выражает распределение в пространстве некоторой величины, пропорциональной коэффициенту отражения ультразвуковых волн от точек выбранной плоскости внутри материала объекта. Последовательность операций её построения в общем виде заключается в следующем.

При излучении в объект зондирующих импульсов принятые из него акустические колебания записываются в память прибора. После приёма колебаний всеми элементами АР от всех элементов, пославших зондирующий сигнал, в памяти прибора окажется N = т(т+А)/2 реализаций принятых колебаний. АР устанавливают в следующее положение на поверхности объекта и все процессы повторяются. Из принятых реализаций стробнруются отрезки, приблизительно равные длительности зондирующего импульса. Начало каждого отрезка отстоит по времени от начала реализации на интервал, равный времени запаздывания эхо-сигнала от некоторой выбранной точки внутри объекта контроля при излучении в объект зондирующего импульса и приёме колебаний той парой элементов АР, из реализации колебаний которых взят данный отрезок. Внутри каждого отрезка содержится структурный шум и может находиться полезный эхо-сигнал от возможного отражателя в выбранной точке пространства.

Далее суммируются между собой те отрезки реализаций, которые соответствуют одним и тем же точкам пространства внутри объекта контроля. В результате получается Р сумм, состоящих из N слагаемых каждая. Р - это количество выбранных точек пространства в объекте контроля, отражающую способность которых нужно отобразить на экране в виде томограммы. Каждая сумма представляет собой некоторое колебание, длительность которого, как и каждого из суммируемых отрезков приблизительно равна длительности зондирующего сигнала. Это колебание и есть результат накопления эхо-сигнала.'

Для извлечения из полученного массива полезной информации каждое результирующее колебание преобразовывается в некоторую величину, пропор-

циональную, например, среднему значению энергии ультразвуковой волны, рассеянной соответствующей точкой пространства в сторону АР. Используя численное моделирование работы ультразвукового томографа с САФТ-К, оценим возможности аппаратуры по обнаружению точечных дефектов в бетоне.

Общее выражение для значения величины, отображаемой на экране томографа в виде яркости точки р, будет иметь вид:

г /V к „I J,| с с

(22)

где к — 0, 1, 2, ... - номера моментов времени, в которых взяты отсчёты мгновенных значений входных колебаний; ?? - интервал дискретизации колебаний; г- длительность интервала стробирования. Выражение (22) включает в себя все необходимые компоненты алгоритма формирования выходного изображения. В нём входная реализация корректируется по амплитуде функцией временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) (%), умножается на весовой коэффициент (Ч?,;, •1Р/ ), учитывающий функции направленности элементов АР, и из неё берётся отрезок длительностью г. Стробирование в (22) выражено произведением двух функций Хевисайда Ф((). Суммирование под знаком модуля ведётся по всем комбинациям элементов АР для данной точки изображения р. Результат этого суммирования - накопленный сигнал, который затем берётся по модулю, и все его значения в моменты времени суммируются. Окончательный результат нормируется на количество просуммированных отрезков реализаций N = т(т+1)/2 и количество отсчётов сигнала в интервале г.

Результаты моделирования представлены на рис. 6 и 7. Размеры образов по уровню минус 6дБ от максимальной яркости образа соизмеримы с длиной волны ультразвука при глубинах отражателей меньших размера апертуры.

При умножении накопленного сигнала на копию зондирующего сигнала и суммировании результирующих отсчётов по всему интервалу г дополнительно будет использоваться известная информация о форме ожидаемого эхо-сигнала. Знак выходной величины будет характеризовать фазу, эхо-сигнала, показывающую от какой неоднородности среды произошло отражение зондирующего импульса: пустоты или материала с большим, чем у среды импедансом.

Сухой и жидкостный акустический контакт при интроскопии бетона.

Проблема создания надёжного акустического контакта ультразвуковых преобразователей с бетонной конструкцией при её контроле достаточно сложна и традиционно решается с помощью различных вязких смазок или эластичных прокладок. Значительно реже применяется сухой точечный контакт (СТК).

При интроскопии конструкции создать надёжный акустический контакт многоэлементной АР с грубой поверхностью бетона и поддерживать акустическую связь в течение всего сеанса зондирования намного сложнее, чем при обычном контроле парой ультразвуковых преобразователей. Меньшие (чем X и

Х.ал

Рис. 6. Томограммы моделей точечных отражателей на акустической оси АР из 6x6 элементов с шагом 50 мм: отражатель на глубине 100 мм (а) и 300 мм (6). Координаты крайних элементов АР по оси X: 100 и 350 мм. Длина волны ультразвука 60 мм.

Рис. 7. Томограммы моделей точечных отражателей, смещённых по оси X на край апертуры АР из 6 х б элементов с шагом 50 мм: отражатель на глубине 100 мм (а) и 300 мм (б). Координаты крайних элементов АР по оси X: 100 и 350 мм. Длина волны ультразвука 60 мм.

даже Х/2) размеры элементов АР, в пределе нулевые, более предпочтительны из-за более широкой и равномерной диаграммы направленности элемента. Они предпочтительнее и из-за акустического контакта, который легче обеспечить через жидкость при меньшей площади контактной поверхности. При точечном контакте жидкость становится не нужной, то есть точечный контакт - естественное и, практически, единственное решение задачи сухого контакта.

АР томографа, состоящая из элементов с СТК, может быть работоспособной только при подвижных элементах, которые должны отслеживать все впадины и выступы на поверхности бетона. У АР с жидкостным контактом элементы могут быть неподвижны, а неровности бетонной поверхности выровнены слоем контактной смазки.

1 инт^ .. ....--------1----^---------------- 4 ------г

Жидкостный акустический контакт АР с объектом контроля, практически, определяет использование только продольных волн. При сухом контакте ' можно использовать и поперечные ультразвуковые волны. Сравним соотношения эхо-сигналов и различных помех при контроле бетона продольными и по. перечными ультразвуковыми волнами, основываясь на результатах наших экспериментальных исследований.

Приём эхо-сигналов при контроле бетона кроме структурного шума сопровождается ещё несколькими видами акустических помех. Наиболее интен-. сивная из них - помеха от волн Релея (II волн), приходящая к приёмному преобразователю по поверхности бетона. Менее существенна помеха от поперечных волн с горизонтальной поляризацией (БН волн). Ещё меньше уровень по.. мехи от продольной подповерхностной волны (головной, Н волны). На рис. 8 приведены результаты измерений амплитуд донных сигналов и эффективных значений структурного шума аш бетона при контроле его совмещёнными ультразвуковыми преобразователями на 70 кГц с апертурами 20 и 50 мм. По горизонтали отложено время от зондирующего импульса. По вертикали - амплиту-' ды эхо-сигналов и аш. 0 дБ - сигнал при непосредственном контакте пары оди-

-20 \

Г0\

725

-30

-35

-«

ш

ч

л' -45

X

Ф

ш о -50

о.

>

-55

-60

-65

-70

-75

Продольные волйы. жидкзэстный контакт

о

чз \Д

200 250 300

Воемя.мкс

500

Рис. 8. Уровни сигналов и шума при эхо-импульсном контроле бетона ультразвуковыми преобразователями с жидкостным контактом и апертурой 20 мм (а, в, д, ж), 50 мм (б, г, е, з): а, б - структурный шум; в (точки), г (кружки) - измеренный донный сигнал; д, е - рассчитанный донный сигнал; ж. з - рассчитанный сигнал от сферы диаметром 50 мм.

наковых преобразователей. Видно, что аш уменьшается от времени медленнее уровня эхо-сигналов, и отношение сигнал/шум падает с глубиной. Хорошее совпадение измеренных значений донных сигналов с расчётными позволяет оценить реальные отношения сигнал/шум для отражателей в виде сферы на разных глубинах. Слабая зависимость аш от размеров преобразователя (кривые сгм для преобразователей почти совпадают) обусловлена усреднением составляющих шума, приходящих на разные области апертуры преобразователя.

На рис. 9 и 10 представлены результаты измерений амплитуд донных сигналов, сти и уровней различных акустических помех при контроле бетона ультразвуковыми преобразователями с СТК. Если сравнить их соотношения, то можно заключить, что помеховая ситуация при контроле поперечными волнами более благоприятна. Некоторые причины этого попытаемся объяснить,

Во-первых, однотипные помехи от поверхностных волн, независимо от используемых преобразователей, имеют одинаковые времена прихода на приёмный преобразователь при равных базах, тогда как эхо-сигналы для одинаковых глубин располагаются на оси времени по-разному, поскольку скорости продольных и поперечных волн отличаются почти вдвое.

Во-вторых, уровни донных сигналов с одинаковых глубин приблизительно равны, что вполне логично, поскольку различие только в длине волны при отражении от плоскости и точечных излучателе и приёмнике не играет роли. Однако уровни Рэлеевских помех у преобразователей поперечных колебаний примерно на 10 дБ меньше. Это можно объяснить тем, что Рэлеевская волна сильнее действует на преобразователь продольных колебаний, чем поперечных, так как нормальные смещения точек поверхности в Рэлеевской волне в 1,4 - 1,6 раза больше касательных.

Наконец, в-третьих, кривая структурного шума у преобразователей поперечных колебаний на 10 - 12 дБ проходит ниже кривой шума, снятой преобразователями продольных колебаний. Это можно объяснить тем, что при любом направлении возбуждающей полупространство силы больше энергии источника уходит в объем в виде поперечных волн, а не продольных.

Волновые размеры локальных отражателей для поперечных волн почти вдвое больше, чем для продольных. Поэтому можно ожидать для них лучшие отношения сигнал/шум на поперечных волнах. Заполненные жидкостью трещины в бетоне лучше отражают поперечные волны, чем продольные, из-за большего скачка импедансов. Поэтому применение поперечных ультразвуковых волн для интроскопии бетона более предпочтительно, чем продольных.

Экспериментальные исследования пространственной корреляции структурного шума в бетоне при контроле его преобразователями продольных и поперечных колебаний с СТК, показали, что корреляционные свойства структурного шума, практически, не зависят от ориентации возбуждающей силы и от того, на какие смещения поверхности полупространства реагирует приёмный преобразователь. Любое возмущение, взаимодействуя с неоднородностями среды, порождает продольные и поперечные колебания, которые сами далее претерпевают многократные расщепления на два типа волн при отражении от

LQ ct

M x

Ф §

Q.

>

-so

-55

-60 I

-«!

¡

-70 ;

-85 "90 -S>5 -100

i : í

i 1 Продольные волны, сухой контакт |

Í \ К. 1 \ i ' V 1 i ' ! ! 1 ¡ ; ■ i i ¡

i \ • - 6 • i \ i ' 1 ■ • ! i i i ! • j . I

i • ¡ i 1 ¡ ! 1

!i \ Л • \. ' . 1 í ! ! !

IV! \ 1 T3 !

r i Í i ! i •

"S В : ¡ : j ! ; > i ;

1 . i i '■! 1 í ; i !

JO 100 150 500 150 300 350 400 450 500

Время. МКС

Рис. 9. Соотношения уровней сигналов и помех при эхо-импульсном контроле бетона ультразвуковыми преобразователями с СТК продольных колебаний: а - структурный шум, б - помеха от R волны, в - помеха от Н волны, г - донный сигнал.

LD d

-50 -55 -do!

-м-

i

-70 ;

i

-75;

X Ф

§ -SO i

Q. >

-90 -95 -¡00

Поперечные волны, сухой контакт

Г i ......... ! - 1 1 ! t-.в í ¡ 1 1

J 1 \ ' \ % ill: í i i . ; j 1

! \ Ev» 1 1

i \ ¡ \ i 1 i < i

i"' \ : i V.'"■»• , «N. o i

1 ( 1 I ¡

í ^ .! i b^» ( , j i

i i i : i i Д i — j a ;

50 100 150 300 250 300 350 400 450 500

Время, МКС

Рис. 10. Соотношения уровней сигналов и помех при эхо-импульсном контроле бетона ультразвуковыми преобразователями с СТК поперечных колебаний: а - структурный шум, б - помеха от R волны, в - помеха от SH волны, г - помеха от Н волны,-д - донный сигнал.

неоднородностей и прохождении сквозь них. Учитывая, практически, одинаковую скорость затухания структурного шума после посылки в бетон'зондирующего импульса любым ультразвуковым преобразователем, можно считать, что основные характеристики шума (исключая, конечно, общую интенсивность) не зависят от вида источника и приёмника ультразвука.

Радиус корреляции логично связывать с пространственным периодом возмущений на поверхности материала. Период определяется наиболее интенсивными колебаниями в материале, выходящими на поверхность. Это, как следует из экспериментальных данных, поперечные колебания. Мгновенный профиль возмущений поверхности, поэтому, должен иметь длину периода, близкую к длине волны поперечных колебаний. Он не может быть меньше её, так как она наиболее короткая из всех длин волн. Измерения подтвердили, что радиус корреляции близок к половине длины поперечной волны.

Измерение скорости ультразвука в бетоне при одностороннем доступе.

Скорость ультразвука в объёме бетона может меняться на 10 % и более. Поэтому её необходимо измерять при каждом положении АР на поверхности бетона. Возможны два варианта измерений скорости: по задержке сигнала, прошедшего вдоль поверхности бетонной конструкции, и по задержкам' минимум двух сигналов, отражённых от её донной поверхности.

В качестве сигналов, идущих вдоль поверхности бетона, можно использовать импульсы поперечных волн с горизонтальной поляризацией. Для этого преобразователями поперечных колебаний должны располагаться на поверхности так, чтобы векторы смещений их были параллельны.

Вычисление скорости ультразвука в изделии (и её толщины) по задержкам донных сигналов, принимаемых разнесёнными на расстояние В преобразователями, можно выполнить по формулам:

c*-JL,, (23)

.'J-'i г-А-')

где tB, td - задержки сигналов, пришедших к приёмному преобразователю, соответственно, наклонным и нормальным лучом, d - толщина материала.

В условиях контроля бетона, когда в реализаций принятых колебаний уровень донного сигнала ниже уровня шума, прямое использование формул (23) невозможно. Но поскольку в создаваемой аппаратуре от комбинационного зондирования объекта контроля с помощью АР мы получаем множество реализаций принятых колебаний, то для вычисления скорости можно использовать накопление донного сигнала. Для этого, итерационно задавая пробные значения скорости с и толщины d, для каждой пары элементов АР со своим значением базы В' мы будем вычислять по формулам (23) значения t'd и t'B. Суммируя отрезки реализаций, соответствующие вычисленным задержкам, мы будем получать результирующий сигнал для каждой пары значений d и с. Максимум амплитуды (или энергии) результирующего сигнала покажет, что заданные значения d и с правильны. Эта процедура поиска максимума сигнала является сущностью метода синтеза апертуры, "фокусируемой" на плоскость (САФП-К).

Метод САФП-К разработан нами для измерений толщины бетонных конструкций. Найденное значение скорости можно затем использовать в основном алгоритме визуализации с построением томограмм.

Характеристики визуализирующей аппаратуры.

Чувствительность аппаратуры можно оценить исходя из потенциальных возможностей накопления сигнала синтезированной апертурой и измеренных уровней донных сигналов и структурного шума в конкретном бетоне. Уровни донных сигналов можно пересчитать в уровни сигналов от отражателей заданной формы по известным формулам акустического тракта эхо-метода и, задавшись желаемым отношением сигнал/шум в томограмме, найти требуемое для обнаружения отражателя увеличение отношения сигнал/шум в реализациях принимаемых колебаний. Так, например, при синтезе апертуры 36-элементной АР с СТК, установленной на поверхность объекта контроля 9 раз (3 строки по 3 положения в каждой), будет принято 5994 реализации, которые дадут (в пределе) увеличение отношения сигнал/шум на 37,8 дБ. В этом случае возможно обнаружение с отношением сигнал/шум 6дБ сферического отражателя диаметром 50 мм на глубине 740 мм в бетоне с коэффициентом затухания 20 дБ/м на частоте 50 кГц и скоростью поперечных волн 2700 м/с.

Погрешность оценки координат отражателей по томограмме зависит от погрешности измерений скорости ультразвука в бетоне, длительности и рабочей частоты зондирующего сигнала, размеров синтезированной апертуры и отношения сигнал/шум в изображении. В идеализированном случае незначительных отклонений скорости ультразвука в бетоне от среднего значения и погрешности измерений скорости в 1 % (обычное значение для приборов контроля прочности бетона) на оценку координат отражателей влияет в основном отношение сигнал/шум в томограмме. Размеры образов отражателей по уровню, равному отношению сигнал/шум с обратным знаком, в этом случае соответствуют погрешностям оценки координат. В частности, при 1 положении АР из 6 х 6 элементов с шагом 50 мм на поверхности объекта контроля погрешность определения координат точечного отражателя на глубине 200 мм составит ± 45 мм по фронту и ± 35 мм по глубине при отношении сигнал/шум 6 дБ и длине волны 60 мм. Разрешающая способность томографа (по фронту и глубине) при этих же условиях соизмерима с погрешностями оценки координат отражателей.

В главе 3 рассмотрена совокупность технических решений, позволяющая разрабатывать ультразвуковые преобразователи с быстрозатухающей РШХ, и основные характеристики созданных преобразователей и антенных систем.

Принципы конструирования низкочастотных короткоимпульсных ультразвуковых пьезопреобразователей.

Собственная реверберация известных низкочастотных преобразователей затухает со скоростью (1 - 3) дБ за период колебаний рабочей частоты. Главная причина-этого - малое затухание ультразвука в материале демпфера и малые его

размеры в сравнении с длиной волны. Вторая причина длительной реверберации в том, что поперечные размеры пьезоэлемента соизмеримы с его толщиной. При таких соотношениях размеров частоты толщинных и радиальных мод колебаний пьезоэлементов мало отличаются, причём радиальные моды, как правило, ниже по частоте и ещё хуже, чем толщинные поглощаются демпфером.

Нами предложен жидкий композитный материал, представляющий собой пастообразную смесь вязкой жидкости и мелкодисперсного порошка тяжёлого металла. Соотношение компонентов выбирается таким, чтобы жидкость заполняла лишь промежутки между частицами металла, и не возникало его осаждения с образованием слоя чистой жидкости. Вследствие инерционности частиц металла и трения между ними, этот материал обладает повышенным затуханием ультразвука по сравнению с известными твёрдыми материалами. В нём не могут распространяться поперечные волны, что дополнительно повышает затухание. Акустический контакт его с пьезоэлементом непосредственный, стабильный и не нарушается при экстремальных температурах эксплуатации преобразователя. Отсутствие переходного слоя (клеевого, как у твёрдых демпферов) между пьезоэлементом и демпфером сравнивает этот материал по эффективности демпфирования с твёрдыми материалами, у которых характеристический импеданс всё же выше. Примером такого демпфирующего материала является смесь порошка вольфрама и эпоксидной смолы без отвердителя в соотношении 12-16 весовых частей вольфрама на 1 часть смолы. Коэффициент затухания в нём на частоте 100 кГц примерно равен 3000 дБ/м.

Другой способ улучшения РШХ преобразователей заключается в выборе таких поперечных размеров пьезоэлемента, чтобы частоты всех мод его радиальных колебаний стали выше частоты основной толщинной моды. Это делает форму пьезоэлемента похожей на стержень: его диаметр обычно составляет половину толщины и даже меньше. Соединение в одной конструкции такого пьезоэлемента с жидким (пастообразным) демпфером, покрывающим все поверхности пьезоэлемента кроме основания, граничащего с протектором, позволяет добиться скорости затухания собственных колебаний преобразователя более 10 дБ за период колебаний рабочей частоты. На рис. 11, а показана конструкция "такого преобразователя, в которой гармонично сочетается демпфирование боковой поверхности пьезоэлемента с демпфированием колебаний стенок корпуса одним и тем же тонким слоем жидкого демпфирующего материала.

Улучшение демпфирования пьезоэлемента возможно при согласовании акустического импеданса нерабочего основания пьезоэлемента с более низким импедансом жидкого демпфера. Простейшим согласующим устройством, предложенным нами, является стержень из материала с таким же, как у пьезокера-мики характеристическим импедансом и поперечным сечением, соответствующим сечению пьезоэлемента. Колебания основания пьезоэлемента возбуждают в стержне симметричные волны растяжения-сжатия нулевого порядка, которые, распространяясь вдоль стержня, излучают в демпфер продольные колебания, затухающие в нём. Для уменьшения длины стержня его выполняют с переменной площадью сечения (см. рис. 11,6).

Г" •г- ¡Чт-П

-ч

г о;

•у. и У - »

¿ГбэГЬ

Р 1Р щ ц

Рис. 12. Ультразвуковые преобразователи с жидким демпфером и пьезоэлементами с пазами: а - с малой апертурой н улучшенной РШХ; б - с апертурой, большей длины волны. 1 - пазы, 2 сплошное основание пьезоэлемента, 3 -проводник.

Рис. 11. Ультразвуковые преобразователи с жидким демпфером и пьезоэлементами, рабочая мода которых самая низкочастотная: а - с непосредственным демпфированием пьезоэлемента; б - с согласующим стержнем. I - корпус, 2 - пьезоэлемент, 3 - демпфер, 4 - согласующий стержень, 5 - герметичная перегородка, 6 -разъём, 7 - крышка.

Ещё один способ улучшения демпфирования преобразователя с жидким демпфером заключается в создании избыточного давления внутри герметичного корпуса преобразователя, содержащего пьезоэлемент и демпфер.

Пьезоэлементы преобразователей-с жидким демпфером выполняют многослойными па продольном пьезоэффекте, как у традиционных низкочастотных преобразователей, и на поперечном пьезоэффекте чаще всего из двух слоев, что технологически проще.

Увеличивая площадь боковой поверхности пьезоэлемента при сохранении соотношений его габаритных размеров, можно повысить степень демпфирования его собственных колебаний. Для этого в теле пьезоэлемента со стороны его боковой поверхности на всю толщину выполняют пазы. На рис. 12, а приведён пример преобразователя с таким пьезоэлементом.

Для повышения направленности преобразователя при сохранении быстрого затухания его реверберационных шумов нами предложено размещать е корпусе множество одинаковых пьезоэлементов в виде коротких стержней. Такой же результат даёт один пьезоэлемент с размерами рабочего основания (1 ■ 3) длины волны в бетоне, но с пазами, выполненными в двух взаимно перпендикулярных направлениях от поверхности нерабочего основания на глубину ш менее 90 % от толщины пьезоэлемента (см. рис. 12, б).

Ультразвуковые преобразователи и антенные системы с жидкостным акустическим контактом.

На рис. 13 приведены осциллограммы типичных сигналов ультразвуке вых преобразователей с жидкостным контактом. Там же даны их спектры, вы численные на интервалах, отмеченных вертикальными линиями.

g.

X I-

o

<s er

$

x K

o

«0 ?

s с с: ■

2 <

5

x t-

0

со

1

s с с

5

X

ь-о

го

4 ?

5

с

tr <

От

-025

50 100

Время, МКС

100 200 Время, мке

20 40

Время, мке

во

h

100 200 Время, мке

5

X (о.

га"

ч ?

s с; с

2 <

S

X I-

о

от

4 £

5

Е

5 <

0.75

20 од 00

Частота, кГц

50 100

Частота, кГц

50 100

Частота, кГц

=0 100 Частота, кГц

o^T^LT уЛЬТраМуковьк преобразователей с жидкостным акустическим

А преобразователь с апертурой 30 мм без акустической нагрузки-2 Он же на плите из фторопласта толщиной 115 мм; 3. 4-элеменгный преобразовател^с Ге'ртурой 20 мм без акустической неузки; 4. Ов-же на плите из фторопласта толщиной 115 мм

4

1"ис. 14. Антенные устройства с жидкостным акустическим контактом: а - с 8-элементной АР от толщиномера - дефектоскопа УТ201М; б • с 44-элементной АР от томографа УИ201С.

Антенные устройства приборов с жидкостным контактом для интроскопии бетонных конструкций показаны на рис. 14. Устройство, рис. 14, а, используется совместно с толщиномером -дефектоскопом УТ201М. Его АР из 8 элементов с апертурами 40 х 40 мм и шагом 50 мм работает на частоте 70 кГц. Антенное устройство, рис. 14, 6, от томографа УИ201С содержит АР из 44 элементов, расположенных в виде матрицы 4 х 11 с шагом 20 мм. Частота 80 кГц.

Особенности преобразователей с сухим точечным контактом.

Низкочастотные преобразователи с СТК известны и основаны на том, что колебания точек относительно большой апертуры преобразователя с помощью концентратора или волноводной насадки сводятся в точку контакта. Эти волноводы громоздки и имеют выраженные резонансные свойства.

Если использовать поперечный пьезоэффект, то поперечные размеры пьезоэлемента можно значительно уменьшить и концентратор станет не нужным. Чтобы передать колебания пьезоэлемента в объект контроля бе; искажений размеры протектора должнь: быть много меньше длины волны. Длина пьезоэлемента в данном случае определяет частоту его рабочей моды.

Используя эти конструктивны! решения, удалось разработать преобра зователи с СТК (см. рис. 15), способны! излучать и принимать короткие низко частотные ультразвуковые импульсг продольных и поперечных волн. Пре образователь с пьезоэлементом, колеб люшимся продольно по длине, наряду

Рис. 15. Ультразвуковые преобразователи с СТК, жидким демпфером и пьезоэлементами с поперечным пьезоэффектом: а - продольных колебаний; б - управляемый; в - поперечных колебаний на изгибной моде пьезоэлемента. 1 - протектор, 1 - пьезоэлемент, 3 -демпфер, 4 - герметичная перегородка, 5 -коммутатор, б - разъём, 7 - крышка.'

излучением продольных волн по нормали, излучает и поперечные волны с вертикальной поляризацией под углом к поверхности материала. Для излучения и приёма поперечных волн по нормали к поверхности, нами предложено использовать два стержневых пьезоэлемента, колеблющихся противофазно и стоящих рядом на одном коническом протекторе малых волновых размеров. Тот же результат даёт пьезоэлемент с изгибной модой колебаний.

Особая ценность конструкции с двумя пьезоэлементами состоит в возможности управлять направлением колебаний протектора. Для этого оба пьезоэлемента нужно сделать одинаковыми, а выводы от них независимыми. Тогда синфазное их возбуждение приведёт к продольным колебаниям протектора, противофазное - к поперечным колебаниям. Преобразователь, естественно, может работать и на приём. Необходимую фазировку пьезоэлементов в режимах излучения и приёма выполняет коммутатор.

При точечном акустическом контакте объём полупространства и вдоль его поверхности излучаются все основные типы объёмных и поверхностных акустических волн, поэтому преобразователи с СТК можно называть преобразователями продольных или поперечных волн лишь условно, подразумевая под этими названиями то, что они способны излучать (и принимать) по нормали к поверхности полупространства, соответственно, продольные или поперечные ультразвуковые волны. Более точно их следует называть преобразователями с продольными или поперечными колебаниями протектора.

Ультразвуковые преобразователи и антенные системы с сухим акустическим контактом.

На рис. 16 приведены осциллограммы типичных сигналов преобразователей с СТК и их амплитудные спектры. Осциллограммы, рис. 17, иллюстрируют применение преобразователей с СТК поперечных колебаний протектора для измерений скоростей объёмных и поверхностных волн в изотропных материалах способом поверхностного прозвучивания,

Созданные антенные устройства с сухим контактом можно разделить на 2 класса: устройства на основе АР с произвольной электронной коммутацией элементов и устройства, элементы АР которых соединены в группы, подключаемые к генератору зондирующих импульсов и приёмному тракту прибора в требуемые моменты времени. Произвольная коммутация элементов АР используется в аппаратуре, работающей методом САФТ-К. АР с элементами, соединёнными в группы, работают аналогично, но у них каждая группа выступает в роли одного элемента. Они, ценой несколько худшей чувствительности, обеспечивают намного большую производительность контроля.

На рис. 18 изображён ультразвуковой томограф А1230, основой которого является антенное устройство поперечных волн и компьютер. Элементы АР этого антенного устройства упруго-подвижны и расположены в виде матрицы 6 х б с шагом 20 мм. Их рабочая частота 55 кГц. Ширина спектра сигналов по уровню минус 6 дБ порядка 100 % от рабочей частоты.

§

со

С£

н §

в

со

I

60 100 180 бремя, мкс

100 2СО

Частота, кГц

от с!

£ <

50 1Ю 150 2от

Время, мкс

§

со

С£ £

з:

с с:

2 <

50 1ГО

Частота, кГц

Рис. 16. Сигналы и их спектры ультразвуковых преобразователей с СТК при сквозно прозвучивании ими образна из фторопласта толщиной 40 мм. 1. Преобразовател продольных колебаний; 2. Преобразователи поперечных колебаний.

На рис. 19 показано антенное устройство дефектоскопа А1220, работал щее на поперечных ультразвуковых волнах, с центральной частотой спект{ сигналов 55 кГц. Его основу составляет 24-элементная АР с двумя группами г 12 элементов в каждой. Все элементы акустически развязаны друг от друг расположены в плане ,с шагом 20 мм и имеют мягкий подпружиненный подве обеспечивающий контроль бетона с неровностями поверхности до 8 мм.

Время, мкс

О 40 80 123 180 200

Время, мкс

Рис. 17. Осциллограммы сигналов тгри поверхностном прозвучивании образца из калро-лона ультразвуковыми преобразователями с СТК и поперечными колебаниями протектора при соосном (а) н параллельном (б) расположении векторов смещений: 1 - импульс головной волны; 2 - импульс Рэлеевской волны; 3 - импульс 5Н волны.

В главе 4 приведены основные характеристики созданных приборов.

Толщиномер - дефектоскоп УТ201М предназначен для измерений толщины железобетонных конструкций в диапазоне от 50 до 500 мм с погрешностью не более ± 10 %. Он состоит из электронного блока с графическим дисплеем, антенного устройства с 8-элементной АР с рабочей частотой 70 кГц и устройства поверхностного прозвучива-ния с двумя встроенными в его корпус ультразвуковыми преобразователями с СТК для измерения скорости ультразвука. Габаритные размеры электронного блока 310 х 280 х 90 мм, масса 6 кг. Габаритные размеры антенного устройства 210 х 110 х 68 Рис. 18. Ультразвуковой томограф А1230. мм, масса 1,4 кг.

Хвашграф УИ201С предназначен для визуализации внутренней структуры из-.дезаш и конструкций из железобетона толщиной до 500 мм. Прибор состоит из антенного устройства с 44-элементной АР, блока антенного процессора, выполняющего пространственно-временной синтез трёхмерного массива данных о внутренней структуре контролируемого объекта, и компьютер. Габаритные размеры антенного процессора 440 х 330 х 108 мм, масса 7,4 кг. Габаритные размеры антенного устройства 244 х 115 х 108 мм, масса 5,4 кг. Прибор позволяет обнаруживать пустотные дефекты в виде сфер диаметром 30 мм на глубинах до 250 мм и в виде каналов того же диаметра до глубин в 400 мм. Рис. 19. Антенное устрой

сгво дефектоскопа AI 220 Томограф А1230 (см. рис. 18) предназначен для визуализации внутренней структуры железобетонных сооружений на глубину до 1 метра. А1230 состоит из антенного устройства с 36-элементной АР и персонального компьютера. Габаритные размеры антенного устройства (со снятыми ручками) 160 х 160 х 310 мм, масса 5,9 кг.

На рис. 20 приведена томограмма бетонного блока с моделями каналов, идущих параллельно доступной поверхности блока и перпендикулярно линии сканирования. Наибольшая крупность заполнителя 10 мм. Рис. 21 иллюстрирует отображение, моделей дефектов в виде пустотных сфер,,расположенных на глубинах 230 мм.

Структурный шум

...

>- ^Донная поверхность бетона

yfcgg^. Структурный шум ■

¡за. ¿¿-У£-А- : .

Сферические пустотк 100 мм 50 мм ■' 35 мм

онная поверхность бетон

Рис. 20. Томограмма бетонного блока каналами диаметром 30 мм на глубин 260 мм (слева) и диаметрами 13 мм н глубинах 240 и 345 мм (справа).

Рис, 21. Томограмма бетонного блока со сферич! скими полостями на глубине 230 мм.

Дефектоскоп А1220 (см. рис. 22) предназначен для интроскопии железобетонных конструкций на глубину до 1,5 метров. Он состоит из антенного устройства с 24-элементной АР с групповой коммутацией элементов, электронного бло ка с графическим дисплеем и дополнительных ультразвуковых преобразовате лей с СТК для сквозного и поверхностного прозвучивания изделий продольны

.ни и иинеречньши волнами. Габаритные размеры электронного блока 234 х 98 х 33 мм, масса 0,8 кг, антенного устройства 145 х 90 х 75 мм, масса 0,76 кг. Габаритные размеры ультразвуковых преобразователей 46 х 15 (диаметр) мм, масса 16 г. На рис. 23 приведены изображения с экрана дефектоскопа А1220.

;=- 32дБ слой г 25энв строка:. 1

idd гса т чае soa-.raa и» 1.

44д5 слой i» -12s«n ctpokr

ЬТОЦ .....

Рис. 23. Изображения с экрана дефектоскопа А1220 при контроле бетона: а - донный сигнал с глубины 800 мм; б -зхо-сигнал от пустотного канала диаметром 30 мм, ось которого на глубине 5 30 мм, и донный сигнал с глубины 400 мм. '

Рис. 22. Дефектоскоп А1220.

Мультимегр A11G2 предназначен для определения модуля нормальной упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона неметаллических материалов по результатам измерений скоростей распространения продольных и поперечных волн при сквозном и поверхностном прозвучивании изделий. Для прозву-чивания используются ультразвуковые преобразователи с СТК и электронным переключением типа волн. Спектр частот ультразвука от 30 до 150 кГц. Диапазон измеряемых скоростей от 1000 до 10000 м/с.

Тестер УК1401 предназначен для оценки прочности бетона по скорости ультразвука и глубины трещин, выходящих на поверхность. В приборе используются ультразвуковые преобразователи с СТК, встроенные в его.корпус на базе 150 или 120 мм. Рабочая частота ультразвуковых сигналов 70 кГц. Диапазоны измерений скорости распространения продольных ультразвуковых волн ;от 2000 до 10000 м/с, времени - от 15 до 75 мкс. Погрешность измерений не более 1 %.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты работы.

1. Структурный шум в бетоне - нестационарный случайный процесс с нормальным распределением мгновенных значений, статистические характеристики которого не зависят от способа его возбуждения и приёма.

2. Уровень полезных эхо-сигналов при контроле бетона в большинстве практических случаев лежит существенно ниже уровня структурного шума.

3. Для обнаружения соизмеримых с длиной волны отражателей в бетоне с пространственным разрешением такого же порядка необходим синтез акустической апертуры больших волновых размеров с помощью матричной антенной решётки и комбинационного зондирования объекта контроля.

4. Взаимно-корреляционные свойства структурного шума, действующего в разных точках поверхности бетона, позволяют располагать элементы антенной решётки с шагом порядка половины длины поперечной волны в бетоне. При таком шаге синтезируемая апертура при ограниченном количестве элементов в решётке обеспечивает накопление полезных сигналов с допустимыми потерями в отношении сигнал/шум из-за частичной корреляции шума в принимаемых колебаниях.

5. При синтезе апертуры ог нескольких положений антенной решётки на поверхности объекта оптимальным является шаг сканирования, равный расстоянию между крайними элементами решётки плюс 1 шаг элементов. Такой шаг даёт почти наибольшее отношение сигнал/шум при высокой производительности контроля.

6. Отражатели, соизмеримые с длиной волны и находящиеся внутри проекции синтезированной апертуры на параллельную ей плоскость в объекте контроля на глубинах не более размера синтезированной апертуры, отображаются на томограммах в виде компактных образов, соизмеримых с длиной волны.

7. При интроскопии бетонных изделий- лучшие характеристики обнаружения отражателей достигаются при использовании поперечных ультразвуковых волн. Излучение их в объект контроля и приём возможен с помощью элементов антенной решётки с сухим точечным контактом.

8. Измерение скорости поперечных волн в процессе контроля объекта возможно по задержке поперечных волн с горизонтальной поляризацией, распространяющихся вдоль поверхности объекта. Излучение и приём их происходит теми элементами антенной решётки, направления колебаний протекторов которых параллельны.

9. Оценки характеристик визуализирующей аппаратуры для бетона с коэффициентом затухания 20 дБ/м на частоте 50 кГц и скоростью поперечных волн 2700 м/с при отношении сигнал/шум 6 дБ в томограмме, показали:

- возможность обнаружения сферической полости диаметром 50 мм на глубине порядка 700 мм;

- - возможность разрешения двух таких отражателей на глубине около 200 мм, разнесённых на расстояния 90 мм по фронту и 70 мм по глубине.

10. Жидкостное демпфирование пьезоэлемента и его стержневидная форма, делающая рабочую моду колебаний самой низкочастотной, позволяют создавать различные практические конструкции ультразвуковых низкочастотны» преобразователей, особенностью которых является малая длительность ревер-берационно-шумовой характеристики.

11. Заострённый протектор (в виде конуса или пирамиды) с толщиной и поперечными размерами, много меньшими длины волны, обеспечивает, надёжный акустический контакт ультразвукового преобразователя с бетоном без контактных жидкостей, не внося существенных искажений формы коротких широкополосных сигналов.

12. Стержнеобразные пьезоэлементы с поперечным пьезоэффектом, демпфированные жидким материалом, в сочетании с заострённым протектором малых волновых размеров являются основой ультразвуковых преобразователей с сухим контактом для контроля бетона продольными, поперечными, головными, Рэлеевскими и БН ультразвуковыми волнами. Преобразователь с двумя пьезоэлементами на общем протекторе обладает способностью создавать либо нормальные, либо касательные напряжения в точке акустического контакта с материалом, то есть может менять рабочий тип акустической волны в зависимости от способа электрической коммутации пьезоэлементов.

13. Антенные решётки из элементов с малой длительностью ревербера-ционно-шумовой характеристики, как с жидкостным, так и с сухим акустическим контактом позволяют вести контроль бетонных конструкций в различных полевых условиях.

14. Созданная аппаратура для интроскопии конструкций из бетона с обойми видами акустического контакта, обладает дефектоскопическими и эксплуатационными характеристиками, достаточными для контроля бетонных сооружений различного назначения. Аппаратура, работающая с сухим контактом, более удобна в эксплуатации, обладает большими возможностями анализа результатов контроля и лучшими характеристиками обнаружения дефектов, по сравнению с аппаратурой с жидкостным контактом.

15. Разработанные ультразвуковые преобразователи с сухим точечным контактом используются в созданных нами приборах и как самостоятельные изделия с существующей низкочастотной аппаратурой для контроля бетона.

16. В ходе исследований созданы следующие ультразвуковые приборы:

- толщиномер - дефектоскоп УТ201М с жидкостным контактом;

- томограф УИ201С с жидкостным контактом;

- томограф А1230 с сухим" контактом;

- дефектоскоп А1220 с сухим контактом;

- мультиметр А1102 с сухим контактом для анализа'свойств материалов по скоростям продольных и поперечных волн;

- тестер УК 1401 с сухим контактом для контроля прочности бетона и оценки глубины трещин.

Толщиномер - дефектоскоп УТ201М Отображает на экране эхо-сигналы до глубин в 600 - 700 мм в бетоне в зависимости от скорости ультразвука и позволяет обнаруживать пустотные дефекты в виде сфер диаметром 50 мм на глубине 300 мм в мелкоструктурном бетоне. Прибор УТ201М приказом № 077 от 25.04.94 г. принят на вооружение ФСК.

Томограф УИ201С обеспечивает визуализацию бетона на глубину до 600 мм и позволяет обнаруживать пустотные дефекты в виде сфер диаметром порядка 30 мм на глубинах до 250 мм и в виде каналов того же диаметра до глубин в 400 мм. Совместным решением в/ч 68240 и МНПО "Спектр" утверждён акт государственных испытаний томографа УИ201С и прибор рекомендован с серийному производству.

Томограф А1230 позволяет визуализировать бетонные сооружения на глубину до 1 метра и обнаруживать в бетонах марки 400 пустоты объёмом 30 см3 на глубинах до 300 мм или каналы диаметром 20 мм до глубин в 500 мм. Для построения томограммы длиной 1 метр (в направлении сканирования) и шириной (по оси глубин) 600 мм требуется около 5 минут, включая время сканирования объекта. А1230 эксплуатируется в нескольких организациях РФ.

Дефектоскоп А1220 обеспечивает просмотр бетона на глубину 1,5 метра и обнаружение (в бетоне марки 400) с отношением сигнал/шум более 6 дБ: • - канала диаметром 50 мм до глубины 400 мм;

- сферы диаметром 80 мм до глубины 250 мм. Максимальная измеряемая толщина бетона марки 400 равна 600 мм. Погрешность измерений толщины и глубины залегания дефектов в бетоне марки 400 не превышает ±10 %. Для получения на экране 5-изображения среза объекта контроля размерами 2 м (в направлении сканирования) на глубину 1,5 м требуется около 1,5 минут. Для переноса этих данных-в ■ компьютер и их отображения нужно ещё не более 30 с. На прибор А1220 выдан Сертификат об утверждении типа средств измерений. А1220 эксплуатируется в нескольких странах СНГ и Западной Европы.

Список основных опубликованных работ по теме диссертации.

1. Ковалёв А. В., Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Импульсный эхо-метод при контроле бетона. Помехи и пространственная селекция. /Дефектоскопия, 1990, № 2, с. 29 - 41.

2. Ковалёв А. В., Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Яковлев Н. Н. Ультразвуковой прибор нового класса для контроля бетонных конструкций при одностороннем доступе // Бетон и железобетон. 1989. № 9 С. 3 обл.

3. Ковалёв А. В,, Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н., Самокрутов А. А. Яковлев Н. Н. Ультразвуковой контроль изделий из крупноструктурных мате риалов при одностороннем доступе. /Приборы и системы управления, 1989, N 5, с. 9-10.

4. Ковалёв А. В., Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н., Яковлев Н. Н. Некото рые проблемы развития ультразвукового эхо-метода контроля материалов и из делий. /Приборы и системы управления, 1988, № 5, с.18-20.

5. Козлов В. Н., Подольский В. И., Самокрутов Л. Л., Шевалдыкин В. Г. Оценка состояния железобетонных опор контактной сети ультразвуковым прибором поверхностного прозвучивания. // В мире неразрушающе го контроля. 2000. №1. С. 45 -47. ,

6. Козлов В. Н„ Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. 7 Научно-технические достижения. Межотраслевой научно-технический сборник. М.: ВИМИ. 1994. №5. С. 41 -43. «

7. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. Аппаратура для ультразвукового контроля и диагностики конструкций.' 15 Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика". Тезисы докладов. М.: 1999. Т. 1. С. 345.

8. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В, Г. Синфазные антенные решётки в ультразвуковой дефектоскопии бетона. 15 Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика". Тезисы докладов. М.: 1999. Т. 1. С. 305.

9. Козлов В. Н., Самокрутов А, А., Шевалдыкин В. Г. Ультразвуковая антенная решётка в виде двухмерной матрицы. - Патент РФ № 2080592. - Бюлл., изобр., 1997, № 15.

10. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. Ультразвуковой низкочастотный преобразователь. - Патент РФ № 2082163. - Бюлл., изобр., 1997, № 17.

И. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Ультразвуковой дефектоскоп. Авт. свид. № 1559280. Бюл. изобр. 1990, № 15.

12. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Яковлев Н. Н., Ковалёв А. В., Шевалдыкин В. Г. Акустическая В- и С-томография крупноструктурных материалов импульсным эхо-методом // Приборы и системы управления. 1989. № 7. С. 21-24.

13. Козлов В. Н., Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Ультразвуковой низкочастотный пьезопреобразователь. Авт. свид. № 1425534. Бюл. изобр. 1988, № 35.

14. Козлов В. Н., Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Ультразвуковой пьезопреобразователь. Авт. свид. № 1388785. Бюл. изобр. 1988, № 14, с. 197.

15. Козлов В. Н., Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Ультразвуковой пьезопреобразователь. Авт. свид. № 1462185. Бюл. изобр. 1989, № 8.

16. Козлов В. Н., Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Экспериментальная оценка затухания ультразвука в бетоне. Дефектоскопия, 1988, № 2, с.67-75.

17. Королёв М. В., Карпельсон А. Е., Шевалдыкин В. Г. О физическом представлении работы резонансных пьезопреобразователей. // Труды НИКИМ-Па. Неразрушающий контроль, виброметрия, диагностика. 1983. С. 21 - 27.

18. Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Ультразвуковой низкочастотный пьезопреобразователь. Авт. свид. № 1534387. Бюл. изобр. 1990, № 1.

19. Шевалдыкин В. Г. Безэталонная толщинометрия на основе объёмных акустических волн. // Дефектоскопия, 1985, № 9, с. 19-26.

20. Шевалдыкин В. Г. О безэталонном измерении толщины изделий с переменной по глубине скоростью звука. // Дефектоскопия, 1986, № 3, с.20 - 22.

21. Шевалдыкин В. Г. Экспериментальная оценка характеристик безэталонного толщиномера с акустическим трактом объёмных волн. // Труды НИКИМПа. Техническая диагностика промышленного оборудования. 1985. С.

22. Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н. Способ ультразвукового контроля изделий. Авт. свид. № 1265594. Бюл. изобр. 1986, № 39.

23. Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н., Яковлев Н. Н. Об искажении ультразвуковых импульсов в средах с большим затуханием. // Труды НИКИМПа. Современные методы и средства неразрушающего контроля. 1986. С. 60 - 63.

24. Шевалдыкин В. Г., Самокрутов А. А., Козлов В. Н. Новые аппара-турно-методические возможности ультразвукового прозвучивания композитов и пластмасс. II Заводская лаборатория. 1998. № 4. С. 29 - 39.

25. Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Материал для демпфера ультразвукового преобразователя. Авт. свид. № 1280535. Бюл. изобр. 1986, № 48, с.

26. Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н., Козлов В. Н. Новые ультразвуковые низкочастотные пьезопреобразователи // Дефектоскопия. 1990. № 6. С. 44 -

27. Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н., Козлов В. Н., Самокрутов А. А. Новые возможности ультразвукового контроля. // Контроль и диагностика общей техники. Ч..2..Тезисы докладов межотраслевых научных конференций, совещаний, семинаров. М.: ВНИИМИ," 1989. С. 32 - 33.

28. Яковлев Н. Н., Самокрутов А. А., Козлов В. Н., Шевалдыкин В. Г. Ультразвуковые низкочастотные пьезопреобразователи с низким уровнем собственных шумов. /Приборы и системы управления, 1989, № 8, с. 24 - 27.

29. Яковлев Н. Н., Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н. Результаты измерения затухания ультразвука в бетоне. //Тез. докл. XI всесоюз. конф. "Неразру-шающие физические методы и средства контроля". М.: МНПО "Спектр", 1987.

30. Kovalev A. V., Kozlov V. N., Samokrutov A. A., Shevaldykin V. G., Yakovlev. Ultrasonic testing of the structurally ingomogeneous materials by onesided access. Proceedings of the 13th World Conference on Non-Destructive Testing. Sao Paulo, Brazil, 18 - 23 October 1992. Vol. 2. pp. 911 - 913.

31. Kozlov V. N., Samokrutov A. A., Shevaldykin V. G. Thickness Measurements and Flaw Detection in Concrete Using Ultrasonic Echo Method. // Nondestructive Testing and Evaluation., 1997, Vol. 13, pp. 73 - 84.

; '32. Lange Yu. V., Moujitski V. F., Shevaldykin V. G., Kozlov V. N.: Samokrutov A. A. Non-destructive testing of multiplayer structures and concrete. L Insite, Vol. 40. No. 6. 1998. pp. 400 - 403.

33. Shevaldykin V. G., Kozlov V. N., Samokrutov A. A. Inspection of Concrete by Ultrasonic Pulse-Echo Tomograph with Dry Contact. 7th European confer-

. ence on Non-Destructive Testing. Copenhagen, 26 - 29 К

59 - 62.

221..

50.

С. 69.

4

1. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ БЕТОНА. МЕТОДЫ И ВОЗМОЖНОСТИ

1.1. Особенности акустического тракта аппаратуры для контроля бетона.

1.2. Анализ методов ультразвукового контроля бетона и их применимости для создания аппаратуры интроскопии.

1.3. Импульсный эхо-метод при контроле бетона.

1.4. Выводы.

1.5. Цели и задачи работы.

2. ТЕОРИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИНТРОСКОПИИ БЕТОНА ПРИ ОДНОСТОРОННЕМ ДОСТУПЕ

2.1. Шум структурной реверберации и его основные характеристики.

2.2. Отношения сигнал/шум и пути их увеличения.

2.3. Метод синтезированной апертуры с комбинационным зондированием.

2.4. Пространственная корреляция структурного шума.

2.5. Синтез и отображение образа визуализируемого пространства.

2.6. Сухой и жидкостный акустический контакт при интроскопии бетона.

2.7. Продольные и поперечные ультразвуковые волны при интроскопии бетона.

2.8. Измерение скорости ультразвука в бетоне при одностороннем доступе.

2.9. Характеристики визуализирующей аппаратуры.

2.10. Выводы.

3. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И АНТЕННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИНТРОСКОПИИ БЕТОНА

3.1. Принципы конструирования низкочастотных короткоимпульсных ультразвуковых пьезопреобразователей.

3.2. Ультразвуковые преобразователи и антенные системы с жидкостным акустическим контактом.

3.3. Особенности ультразвуковых преобразователей с сухим точечным контактом.

3.4. Ультразвуковые преобразователи и антенные системы с сухим акустическим контактом.

3.5. Выводы.

4. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ ИНТРОСКОПИИ

БЕТОНА ПРИ ОДНОСТОРОННЕМ ДОСТУПЕ

4.1. Аппаратура с жидкостным акустическим контактом.

4.1.1. Толщиномер - дефектоскоп УТ201М.

4.1.2. Томограф УИ201С.

4.2. Аппаратура с сухим акустическим контактом.

4.2.1. Томограф А1230.

4.2.2. Дефектоскоп А1220.

4.3. Приборы для анализа свойств бетона, повышающие достоверность интроскопии.

4.3.1. МультиметрА1102.

4.3.2. Тестер УК1401.

4.4. Выводы.

Бетон и железобетон на протяжении десятков лет и в настоящее время являются основными конструкционными строительными материалами. Область их применения весьма широка и продолжает расти благодаря появлению новых технологий в строительстве и производстве конструкций из бетона. Наряду с ростом объёмов использования этих материалов усложняются и сами конструкции из них.

Главной характеристикой бетона является прочность. Однако несущая способность бетонной конструкции или всего сооружения зависит не только от прочности самого материала, но и также от различных дефектов его внутренней структуры, которые невозможно обнаружить внешним осмотром. Это в равной мере относится и к новым объектам и к построенным много лет назад. Дефектами внутренней структуры бетона могут быть пустоты, трещины, области рыхлого (плохо уплотнённого) бетона, инородные включения, существенно меньшей, чем у цементного камня плотности, плохое сцепление бетона с арматурой или цементного камня с крупным заполнителем и т. п. Размеры дефектов, ослабляющих прочность конструкции, зависят от размеров самой конструкции, её формы, внутреннего устройства, вида и степени армирования и т. д. В зависимости от ответственности конструкции в её проектную прочность обычно закладывают более или менее значительный запас на неизбежные производственные дефекты и возможность появления новых дефектов с течением времени.

В процессе возведения бетонных сооружений и при обследовании давно эксплуатируемых применяются многие методы неразрушающего контроля (НК), но наиболее широко используемыми являются ультразвуковые методы, благодаря своей информативности и относительной простоте применения. Среди них основное значение имеет метод определения прочности бетона по скорости ультразвука. Его применение регламентируется несколькими нормативными документами и специальными методиками [15]. Наряду с оценкой прочности бетона значительный объём работ НК составляет дефектоскопия бетона при строительстве и эксплуатации сооружений, особенно энергетических.

Ультразвуковую дефектоскопию бетона в настоящее время проводят почти исключительно методами сквозного прозвучивания. Для получения достоверных результатов контроля конструкцию прозвучивают по многим траекториям, переставляя ультразвуковые преобразователи по предварительно выполненной разметке, содержащей сотни и даже тысячи точек [75, 87]. При этом требуется соблюдение соосности установки преобразователей на противоположные поверхности конструкции и довольно точное измерение базы прозвучивания, достигающей часто нескольких метров. Особо ответственные конструкции прозвучивают ещё и по перекрёстным траекториям для лучшего окон-туривания внутренних дефектов.

Несмотря на большую трудоёмкость теневой дефектоскопии и отсутствие разрешающей способности по глубине (только перекрёстное прозвучивание даёт слабое разрешение) этот метод остаётся главным методом контроля качества конструкций и сооружений из бетона. При отсутствии двухстороннего доступа к обследуемому объекту применяют поверхностное прозвучивание, позволяющее достоверно судить о прочности и дефектности лишь поверхностного слоя бетона толщиной до 10 - 15 см. Поэтому при проектировании конструкций в местах, где невозможно сквозное прозвучивание часто закладывают повышенные запасы прочности. При оценке несущей способности эксплуатируемых сооружений в таких местах приходится использовать частично разрушающие методы (например, выбуривание кернов) с последующим ремонтом. Это ещё более трудоёмкие и дорогие методы, не дающие, всё же, полной информации о состоянии обследуемого объекта.

Однако часто встречаются сооружения с одной доступной поверхностью, размеры которых или условия эксплуатации не позволяют применять частично разрушающий контроль, а результатов поверхностного прозвучивания не достаточно. Такими объектами являются, например, защитные оболочки реакторов АЭС, трубы различного назначения, градирни, туннели. Некоторые из них до ввода в эксплуатацию допускают проведение ультразвуковой дефектоскопии сквозным прозвучиванием и её обязательно выполняют. Но в процессе эксплуатации такой контроль уже неприменим и в случае острой необходимости в обследовании может понадобиться серьёзное вмешательство в режим работы объекта или полная его остановка. Разрешить эту проблему могла бы аппаратура, позволяющая проводить дефектоскопию бетонных конструкций при одностороннем доступе на глубину, хотя бы в 5 - 7 раз превышающую возможности метода поверхностного прозвучивания.

Принципиально такая аппаратура должна основываться на методах отражения ультразвуковых волн, то есть на анализе сигналов, пришедших из объёма материала. В этих сигналах в принципе содержится исчерпывающая информация о координатах, размерах и даже свойствах дефектов, которые требуется обнаружить. Однако извлечь эту информацию очень трудно.

Работы над созданием и совершенствованием такой дефектоскопической аппаратуры ведутся и в нашей стране и за рубежом уже на протяжении последних 15-20 лет, но до широкого её внедрения в практику ещё далеко. Причины этого в том, что бетон и тем более железобетон обладает весьма неоднородной внутренней структурой и грубой, часто неплоской, поверхностью с множеством микротрещин и пор. Внутреннее строение бетона - это множество бесформенных частиц из различных минералов с размерами от единиц до десятков миллиметров, соприкасающихся между собой, промежуточное пространство между которыми заполнено цементным камнем. Ультразвуковые колебания могут распространяться в такой среде на достаточные для практики расстояния, если частота колебаний почти на два порядка ниже частот, используемых при ультразвуковой дефектоскопии металлов. На тех же частотах, где контроль бетона возможен, затухание ультразвука в нём сильно зависит от частоты. Причём можно использовать довольно узкий диапазон частот, "зажатый" между резким подъёмом коэффициента затухания на частотах выше 150 кГц и неприемлемым для разрешающей способности аппаратуры увеличением длительности сигналов, при частотах менее 20 кГц.

Необходимость контроля бетона на таких низких частотах, при которых длины волн ультразвука лежат в диапазоне от 20 до 200 мм, не позволяет использовать хорошо разработанную технику и методологию ультразвуковой дефектоскопии металлов и других мелкоструктурных материалов. Используемые там способы создания направленных пучков излучения и анализ принятых сигналов, практически, всегда намного превышающих уровень шумов материала и аппаратуры, при контроле бетона неприменимы.

Размеры недопустимых дефектов, влияющих на прочностные свойства бетонных конструкций, зависят от множества причин и в крупных сооружениях могут достигать сотен миллиметров. Минимальные их размеры соизмеримы с крупным заполнителем бетона, то есть 20 - 70 мм. Это часто встречающиеся пустоты в местах густого армирования или неуплотнённые области с плохим сцеплением цементного камня с заполнителем и арматурой, усадочные трещины, случайно попавшие в бетон низкопрочные инородные включения. Таким образом, дефекты конструкций, которые часто требуется обнаруживать, соизмеримы с длиной волны ультразвука и ведут себя подобно точечным отражателя, то есть рассеивают упругие волны во все стороны. Глубина их залегания может быть любой. При одностороннем доступе к объекту диапазоном глубин контроля является вся толщина конструкции, то есть от нуля до метра и более.

Большие длины волн ультразвукового излучения требуют ещё больших размеров источников и приёмников ультразвука для создания сколько-нибудь направленных характеристик их акустических полей. Прямой совмещённый ультразвуковой преобразователь с апертурой в 3 длины волны, то есть порядка 150 мм, обладает худшей направленностью в сравнении с его высокочастотным аналогом, апертура которого 10 длин волн. С его помощью не только, практически, нельзя обнаружить пустоту, соизмеримую с размерами зёрен крупного заполнителя (даже более 70 мм), но и использовать его на грубой поверхности бетона очень трудно. Две такие пустоты на одинаковой глубине, например 500 мм, отстоящие одна от другой на размер апертуры преобразователя, вряд ли удастся раздельно зафиксировать из-за широкой диаграммы направленности преобразователя при условии малых отражений от структурных неоднородно-стей бетона. Однако это условие обычно не выполняется.

Одним из главных (если не самым главным) препятствий для обнаружения полезных сигналов в бетоне является шум многократных отражений ультразвука от зёрен его структуры. Этот специфический шум создаётся самим зондирующим сигналом и присутствует всегда. Его уровень, как будет показано ниже, как правило, больше амплитуд полезных сигналов и может их превышать на 20 - 30 дБ. Практически единственным способом борьбы с этим шумом является пространственное его усреднение, требующее обзора исследуемого объёма бетонной конструкции из разных точек её поверхности, то есть сканирования поверхности по значительной площади. Следствием этого встаёт проблема создания надёжного акустического контакта между аппаратурой и бетоном.

Эта проблема включает в себя и сохранение контакта в процессе контроля. Большие потери времени на подготовку к контролю и в процессе сканирования антенной системой объекта, очевидно, неприемлемы. Поверхность объекта после контроля не должна быть испорченной.

Таким образом, можно отметить, что традиционные методы высокочастотной ультразвуковой дефектоскопии при контроле бетонных конструкций неприменимы. Только контроль толщины бетонных панелей в достаточно ограниченном диапазоне можно в принципе вести аппаратурой, подобной высокочастотным толщиномерам или дефектоскопам, используя ультразвуковые преобразователи с большой апертурой (в несколько длин волн). А для выполнения достоверных измерений толщины в практически необходимом диапазоне нужна специальная аппаратура, созданию которой посвящена работа [77].

Ранние попытки использовать отражённые ультразвуковые волны для контроля бетонных изделий при одностороннем доступе были предприняты ещё в середине 60-х годов. Так, например, И. В. Защук в работе [31] приводит описание и результаты определения толщин бордюрных плит и бетонного покрытия дороги эхо-методом. Значительный вклад в развитие данной проблемы, особенно в части создания низкочастотных ультразвуковых преобразователей внесли отечественные учёные: Ю.М. Рапопорт, В.Е. Поляков, А.И. Потапов [71 - 74, 76]. Из зарубежных исследователей, существенно развивших классический эхо-метод применительно к контролю бетона, можно отметить У. Хиллгера (W. Hillger) [110], О. Кроггеля (О. Kroggel), Р. Джансона (R. Jansohn) и М. Ратманна (М. Ratmann) [117] (все из Германии). Значительных успехов в применении метода синтезированной апертуры для контроля бетона достигли М. Краус (М. Krause) (Германия) [115], М. Шикерт (М. Schickert) (Германия) [123, 124], П.А. Гейдеки (Р.А. Gaydecki) (Великобритания) и Ф.М. Бурдекин (F.M. Burdekin) (Великобритания) [109]. q

Однако аппаратура, созданная ими, позволяет обнаруживать отражатели только в мелкоструктурном бетоне на небольшой глубине и часто лишь на уровне шума. О проблеме акустического контакта в работах зарубежных коллег почти нет упоминаний, что говорит о лабораторных пока исследованиях, не вышедших в сферу практического применения. Только в работе [116], опубликованной в 2000 году, сообщается о системе, которая может быть установлена в автофургоне. В ней использован набор из 10 50-мм преобразователей устанавливаемых на горизонтальную поверхность бетона, смазанную водой или глицерином.

Созданием аппаратуры интроскопии конструкций из бетона при одностороннем доступе занимается и коллектив сотрудников МНПО "Спектр" уже более 15 лет. В исследованиях, отражённых в данной работе, вместе с автором принимали непосредственное участие А.В. Ковалёв, В.Н. Козлов, А.А. Самокрутов, [Н.Н. Яковлев|. На самом начальном этапе исследований над данной проблемой работал коллектив лаборатории "Голография" Ульяновского политехнического института под руководством Б.Б. Чернятьева.

Проводимые нами исследования были направлены на создание такой аппаратуры интроскопии, чтобы она могла применяться в практической работе дефектоскопистов по контролю качества возводимых сооружений и по обследованию давно эксплуатируемых. Причём под интроскопией с самого начала подразумевалась томография, как наиболее информативная, наглядная и просто анализируемая форма визуализации внутренней структуры бетонных конструкций, особенно при низких отношениях сигнал/шум. Традиционная А-развёртка, однако, никогда не исключалась из способов отображения информации по причине её общеизвестности и привычности. Такая цель требовала разработки всех сторон проблемы: исследования бетонов как среды распространения ультразвука, создания излучателей и приёмников акустических колебаний с требуемыми характеристиками (известные ультразвуковые преобразователи не подходили), поиска способов получения надёжного акустического контакта и, наконец, самого главного - разработки метода синтеза апертуры, который бы при ограниченном объёме точек съёма акустических данных с поверхности конструкции мог дать радикальное увеличение отношения сигнал/шум в результирующем изображении при одновременно высокой пространственной селекции.

Исторически вначале все эти задачи были решены при жидкостном акустическом контакте антенных устройств с поверхностью бетона. Была создана практическая аппаратура, работавшая на продольных ультразвуковых волнах: толщиномер бетонных изделий, по сути, низкочастотный дефектоскоп, и томограф, визуализирующий до 11 параллельных сечений бетонной конструкции. Её эксплуатация в течение нескольких лет показала, что жидкостный контакт, несмотря на специальные устройства подачи жидкости к антенной решётке и стабилизации её объёма в процессе зондирования конструкции, сильно ограничивает область применения созданных приборов.

Поиск возможности контроля без контактных жидкостей кроме успешного решения самой задачи акустического контакта открыл путь повышения дефектоскопических характеристик создаваемой аппаратуры. Это применение поперечных акустических волн, излучение и приём которых стали возможны с созданием ультразвуковых преобразователей с сухим точечным контактом (СТК). Преобразователи с СТК нашли применение и как самостоятельные изделия в приборах для оценки физико-механических свойств материалов и для контроля прочности бетона [40, 84, 96]. Последние разработки аппаратуры интроскопии основываются только на сухом акустическом контакте и использовании поперечных волн. Эксплуатация одной из них - томографа с 36-элементной антенной решёткой - показала простоту и удобство проведения контроля при высоких характеристиках получаемых изображений [127]. Другая разработка - дефектоскоп бетонных конструкций с возможностью квазитомографического отображения информации - оказалась ещё более доступной даже для малоквалифицированных операторов и простой при эксплуатации, решающей, однако, множество дефектоскопических задач при контроле бетона (см. прилож.).

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы.

Основные результаты работы составляют следующее:

1. Структурный шум в бетоне - нестационарный случайный процесс с нормальным распределением мгновенных значений, статистические характеристики которого не зависят от способа его возбуждения и приёма.

2. Уровень полезных эхо-сигналов при контроле бетона в большинстве практических случаев лежит существенно ниже уровня структурного шума.

3. Для обнаружения соизмеримых с длиной волны отражателей в бетоне с пространственным разрешением такого же порядка необходим синтез акустической апертуры больших волновых размеров с помощью матричной антенной решётки и комбинационного зондирования объекта контроля.

4. Взаимно-корреляционные свойства структурного шума, действующего в разных точках поверхности бетона, позволяют располагать элементы антенной решётки с шагом порядка половины длины поперечной волны в бетоне. При таком шаге синтезируемая апертура при ограниченном количестве элементов в решётке обеспечивает накопление полезных сигналов с допустимыми потерями в отношении сигнал/шум из-за частичной корреляции шума в принимаемых колебаниях.

5. При синтезе апертуры от нескольких положений антенной решётки на поверхности объекта оптимальным является шаг сканирования, равный расстоянию между крайними элементами решётки плюс 1 шаг элементов в направлении санирования. Такой шаг даёт почти наибольшее отношение сигнал/шум при высокой производительности контроля.

6. Отражатели, соизмеримые с длиной волны и находящиеся внутри проекции синтезированной апертуры на параллельную ей плоскость в объекте контроля на глубинах не более размера синтезированной апертуры, отображаются на томограммах в виде компактных образов, соизмеримых с длиной волны.

7. При интроскопии бетонных изделий лучшие характеристики обнаружения отражателей достигаются при использовании поперечных ультразвуковых волн. Излучение их в объект контроля и приём возможен с помощью элементов антенной решётки с сухим точечным контактом.

8. Измерение скорости поперечных волн в процессе контроля объекта возможно по задержке поперечных волн с горизонтальной поляризацией, распространяющихся вдоль поверхности объекта. Излучение и приём их происходит теми элементами антенной решётки, направления колебаний протекторов которых параллельны.

9. Чувствительность визуализирующей аппаратуры, оценённая для квадратной антенной решётки поперечных волн из 36 элементов с СТК и синтезированной апертуры из 9 (3 х 3) положений этой решётки на поверхности объекта с оптимальным шагом сканирования, позволит обнаружить отражатель в виде пустотной сферы диаметром 50 мм в среднем бетоне с затуханием ультразвука 20 дБ/м на глубине 740 мм с отношением сигнал/шум в томограмме 6 дБ. Разрешающая способность аппаратуры на глубинах до 500 мм при этих же условиях, частоте ультразвука 50 кГц и скорости 2700 м/с составит приблизительно 150 мм по фронту и 100 мм по глубине.

10. Жидкостное демпфирование пьезоэлемента и его стержневидная форма, делающая рабочую моду колебаний самой низкочастотной, позволяют создавать различные практические конструкции ультразвуковых низкочастотных преобразователей, особенностью которых является малая длительность ревер-берационно-шумовой характеристики.

11. Заострённый протектор (в виде конуса или пирамиды) с толщиной и поперечными размерами, много меньшими длины волны, обеспечивает надёжный акустический контакт ультразвукового преобразователя с бетоном без контактных жидкостей, не внося существенных искажений формы коротких широкополосных сигналов.

12. Стержнеобразные пьезоэлементы с поперечным пьезоэффектом, демпфированные жидким материалом, в сочетании с заострённым протектором малых волновых размеров являются основой ультразвуковых преобразователей с сухим контактом для контроля бетона продольными, поперечными, головными, Рэлеевскими и SH ультразвуковыми волнами. Преобразователь с двумя пьезоэлементами на общем протекторе обладает способностью создавать либо нормальные, либо касательные напряжения в точке акустического контакта с материалом, то есть может менять рабочий тип акустической волны в зависимости от способа электрической коммутации пьезоэлементов.

13. Антенные решётки из элементов с малой длительностью ревербера-ционно-шумовой характеристики, как с жидкостным, так и с сухим акустическим контактом позволяют вести контроль бетонных конструкций в различных полевых условиях.

14. Созданная аппаратура для интроскопии конструкций из бетона с обоими видами акустического контакта, обладает дефектоскопическими и эксплуатационными характеристиками, достаточными для контроля бетонных сооружений различного назначения. Аппаратура, работающая с сухим контактом, более удобна в эксплуатации, обладает большими возможностями анализа результатов контроля и лучшими характеристиками обнаружения дефектов, по сравнению с аппаратурой с жидкостным контактом.

15. Разработанные ультразвуковые преобразователи с сухим точечным контактом используются в разработанных нами приборах и как самостоятельные изделия с существующей низкочастотной аппаратурой для контроля бетона, горных пород, пластмасс.

16. В ходе исследований созданы следующие ультразвуковые приборы:

- толщиномер - дефектоскоп УТ201М с жидкостным контактом (изготовлено 25 шт.);

- томограф УИ201С с жидкостным контактом (изготовлено 4 шт.);

- томограф А123 0 с сухим контактом (изготовлено 5 шт.);

- дефектоскоп А1220 с сухим контактом (изготовлено более 20 шт.);

- мультиметр А1102 с сухим контактом для анализа свойств материалов по скоростям продольных и поперечных волн (изготовлено 10 шт.);

- тестер УК 1401 с сухим контактом для контроля прочности бетона и оценки глубины трещин (изготовлено более 250 шт.).

В настоящее время производится аппаратура только с сухим контактом.

Толщиномер - дефектоскоп УТ201М отображает на экране эхо-сигналы до глубин в 600 - 700 мм в бетоне в зависимости от скорости ультразвука и позволяет обнаруживать пустотные дефекты в виде сфер диаметром 50 мм на глубине 300 мм в мелкоструктурном бетоне. Прибор УТ201М приказом № 077 от 25.04.94 г. принят на вооружение ФСК.

Томограф УИ201С обеспечивает визуализацию бетона на глубину до 600 мм и позволяет обнаруживать пустотные дефекты в виде сфер диаметром порядка 30 мм на глубинах до 250 мм и в виде каналов того же диаметра до глубин в 400 мм. Совместным решением в/ч 68240 и МНПО "Спектр" утверждён акт государственных испытаний томографа УИ201С и он рекомендован с серийному производству.

Томограф А1230 позволяет визуализировать бетонные сооружения на глубину до 1 метра и обнаруживать в бетонах марки 400 пустоты объёмом 30 см3 на глубинах до 300 мм или каналы диаметром 20 мм до глубин в 500 мм.

Для построения томограммы длиной 1 метр (в направлении сканирования) и шириной (по оси глубин) 600 мм требуется около 5 минут, включая время сканирования объекта. А1230 эксплуатируется в нескольких организациях РФ.

Дефектоскоп А1220 обеспечивает просмотр бетона на глубину 1,5 метра и обнаружение (в бетоне марки 400) с отношением сигнал/шум более 6 дБ:

- канала диаметром 50 мм до глубины 400 мм;

- сферы диаметром 80 мм до глубины 250 мм.

Максимальная измеряемая толщина бетона марки 400 равна 600 мм. Погрешность измерений толщины и глубины залегания дефектов в бетоне марки 400 не превышает ± 10 %. Для получения на экране 5-изображения среза объекта контроля размерами 2 м (в направлении сканирования) на глубину 1,5 м требуется около 1,5 минут. Для переноса этих данных в компьютер и их отображения нужно ещё не более 30 с. На прибор А1220 31 августа 2000 года выдан Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.27.004A № 8625, который зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под № 20148-00. А1220 эксплуатируется в нескольких странах СНГ и Западной Европы.

Мультиметр All02 позволяет измерять скорости ультразвука в диапазоне от 1000 до 10000 м/с и вычислять по ним физико-механические характеристики неметаллических материалов. А1102 эксплуатируется в РФ и Чехии.

Тестер УК1401 обеспечивает измерения скорости продольных волн от 2000 до 10000 м/с и времени - от 15 до 75 мкс. Погрешность измерений 1 %. В эксплуатации более 2 сотен приборов. На прибор УК 1401 выданы Сертификат соответствия метрологическим нормам и требованиям № 0000374 от 25.11.99, зарегистрированный в Реестре системы сертификации средств измерений под № 990200014., а также Свидетельство о регистрации № 041.2000 от 25.05.2000, зарегистрированное в отраслевом Реестре средств измерений, допущенных к применению на железнодорожном транспорте под № МТ-041.2000. УК 1401 эксплуатируется в нескольких странах СНГ, Западной Европы и Японии.

17. Ближайший аналог созданной нами визуализирующей аппаратуры опубликован в журнале Insite, Vol. 42. No. 7. 2000. pp. 447 - 450 [116]. Эта визуализирующая система состоит из 10 преобразователей диаметром 50 мм, устанавливаемых с помощью шаблона на поверхность бетона, набора блоков для возбуждения преобразователей и приёма сигналов, цифрового осциллографа для записи сигналов и компьютера. Акустический контакт создаёт вода или глицерин. Приведены результаты измерения толщины бетонной плиты в 500 мм и обнаружения канала диаметром 40 мм на глубине 100 мм в бетоне.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Изучены свойства структурного шума при ультразвуковом контроле бетона эхо-методом и установлено:

- статистические характеристики структурного шума не зависят от способа его возбуждения и приёма;

- радиус корреляции структурного шума на поверхности бетона приблизительно равен половине длины поперечной волны.

2. Оценены ожидаемые и реальные отношения сигнал/шум при эхо

•1 импульсном контроле бетона на продольных и поперечных волнах и обоснованы преимущества применения поперечных волн для интроскопии бетона.

3. Предложен метод синтезированной фокусируемой апертуры с комбинационным зондированием полупространства элементами матричной антенной решётки, позволяющий достичь требуемых отношений сигнал/шум при высокой пространственной селекции отражателей в бетоне. Метод даёт увеличение отношения сигнал/шум по мощности в половину квадрата числа антенных элементов, участвующих в синтезе апертуры, по сравнению с отношением сигнал/шум в колебаниях каждого элемента.

4. Предложена и обоснована совокупность технических решений для разработки класса ультразвуковых низкочастотных преобразователей с малой длительностью реверберационно-шумовой характеристики, с жидкостным и сухим акустическим контактом, способностью к излучению и приёму как продольных, так и обоих типов объёмных волн при сухом контакте. Главными из них являются:

- демпфирование пьезоэлемента жидким материалом;

- частота рабочей моды пьезоэлемента наименьшая из всех частот его колебаний;

- заострённый протектор в виде конуса малых волновых размеров для создания сухого точечного акустического контакта с бетоном;

- два противофазно колеблющихся пьезоэлемента или пьезоэлемент с из-гибной модой для создания касательных напряжений на поверхности бетона.

Практическая ценность работы состоит:

1. В создании аппаратуры, визуализирующей внутреннюю структуру железобетонных сооружений при одностороннем доступе и позволяющей обнаруживать опасные дефекты и внутренние коммуникации в них. Аппаратура рассчитана на применение в полевых условиях, не нуждается в контактных жидкостях и обеспечивает достаточную для практики производительность. Аппаратура эксплуатируется в настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом.

2. В разработке приборов для контроля свойств материалов, прочности бетона в изделиях и сооружениях и состояния его поверхностного слоя. Приборы не требуют контактных смазок и просты в эксплуатации вплоть до полевых условий. Наибольшее распространение получил ультразвуковой тестер УК 1401 при контроле несущей способности железобетонных опор контактной сети железных дорог.

3. В разработке ряда ультразвуковых низкочастотных преобразователей с сухим точечным контактом, используемых как в созданной аппаратуре, так и самостоятельно в составе других приборов для контроля бетона, горных пород, пластмасс.

Использование результатов, полученных в работе, возможно в нескольких направлениях.

Конечная цель работы была достигнута в значительной степени благодаря двум техническим находкам: жидкому демпферу и комбинационному зондированию. Жидкий демпфер позволил создать хороший низкочастотный ультразвуковой преобразователь малых размеров, а значит легко сочетаемый с точечным акустическим контактом, то есть сухим, отрывшим возможность использовать поперечные волны. Комбинационное зондирование явилось мощным средством увеличения отношений сигнал/шум в принятых из бетона акустических колебаниях и далеко отодвинуло тот предел чувствительности метода САФТ, который задаёт неоднородная структура бетона.

Используя предложенные технические решения, можно конструировать различные ультразвуковые преобразователи. Простота управления типом используемых волн, их поляризацией, направлением излучения и приёма на столь низких ультразвуковых частотах не только обещает заметное улучшение характеристик известной аппаратуры, но и открывает пути создания множества новых приборов для решения самых разных задач контроля неметаллических материалов. Обладая малыми габаритными размерами и массой, эти преобразователи в сочетании с различными радиотехническими методами выделения полезных сигналов из помех, могут стать основным средством взаимодействия ультразвуковой аппаратуры с объектом контроля и вытеснить преобразователи с жидкостным контактом из большинства сфер ультразвукового контроля на низких частотах.

Созданные приборы, как и всякая новая техника быстро устаревают. Уже сегодня ясно, что в следующем поколении визуализирующей аппаратуры нужно заложить возможность селекции отражателей по поляризации отражённых волн, использовать фазу отражённого сигнала для определения характера неоднородности, ввести в алгоритм синтеза томограмм поиск по форме отражателя, то есть изменяющуюся фокусировку апертуры на разные типы дефектов: объёмные, плоские, протяжённые и т. д. Состояние и быстрое развитие электронной техники не оставляет никаких сомнений в том, что это возможно даже при меньшей стоимости аппаратуры.

Применение синтезированной апертуры с комбинационным зондированием при контроле крупноструктурных металлов и в первую очередь сварных соединений из аустенитных сталей может не только повысить чувствительность дефектоскопов, но и улучшит прорисовку формы дефектов из-за более диффузного облучения контролируемой области и возможности синтеза изображений на обоих типах объёмных волн. И первые эксперименты уже дали положительные результаты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ состояния методов и средств ультразвуковой интроскопии бетонных конструкций показал следующее:

1. Практически используемая аппаратура ультразвуковой интроскопии бетона отсутствует.

2. Существующие ультразвуковые системы с синтезированной апертурой при интроскопии бетона обеспечивают недостаточные для практики чувствительность, глубину и прочие характеристики обнаружения дефектов. Они более низкие, чем потенциальные возможности используемого метода. Системы больше подходят для лабораторных исследований, чем для практического использования.

3. Нет последовательно разработанной теории ультразвуковой интроскопии бетона при одностороннем доступе.

4. В полной мере решить задачу интроскопии бетонных конструкций при одностороннем доступе можно с помощью эхо-импульсного метода с синтезированием фокусирующей апертуры больших волновых размеров.

5. Применяемые в практике неразрушающего контроля бетона ультразвуковые преобразователи по своим акустическим и эксплуатационным характеристикам малопригодны для использования в качестве элементов антенных решёток визуализирующей аппаратуры.

6. Жидкие и эластичные материалы для создания акустического контакта антенной решётки с бетоном при практической работе с этой аппаратурой неудобны и не могут дать нужной производительности контроля.

Цели данной работы состояли в следующем:

1. В создании теории ультразвуковой интроскопии бетона, позволяющей:

- рационально и обоснованно разрабатывать аппаратуру для визуализации внутренней структуры бетонных конструкций при одностороннем доступе;

- создавать методики применения этой аппаратуры для решения конкретных задач неразрушающего контроля.

2. В разработке ультразвуковых приборов для интроскопии бетонных сооружений при одностороннем доступе, пригодных к применению в различных практических условиях.

Задачи работы сформулированы следующим образом:

1. Исследовать статистические характеристики структурного шума бетона, в частности, взаимные корреляционные функции его реализаций, принятых в разных точках поверхности бетона;

2. Исследовать ожидаемые отношения полезного сигнала к структурному шуму (сигнал/шум) в типичных бетонах для характерных отражателей при эхо-импульсном методе контроля на продольных и поперечных ультразвуковых волнах;

3. Разработать метод пространственно-временной обработки принимаемых из бетона колебаний, обеспечивающий требуемые отношения сигнал/шум и высокую пространственную селекцию отражателей при ограниченном количестве точек излучения и приёма на поверхности крупноструктурного полупространства;

4. Разработать способ измерения скорости распространения ультразвуковых волн того же типа, который будет использоваться для зондирования контролируемого объекта;

5. Разработать ультразвуковые преобразователи, необходимые для исследований бетона и создания практической аппаратуры интроскопии. Они должны обладать:

- быстрозатухающей реверберационно-шумовой характеристикой;

- способностью излучать и принимать из твёрдой среды как продольные, так и поперечные ультразвуковые волны;

- надёжным и легко достижимым на практике акустическим контактом с бетоном;

6. Разработать ультразвуковые матричные антенные решётки, обеспечивающие производительный контроль бетонных конструкций разработанным для этого методом пространственно-временной обработки сигналов;

7. Разработать практическую аппаратуру, визуализирующую внутреннюю структуру бетонных конструкций при одностороннем доступе, подтверждающую правильность проведённых исследований и разработок;

8. Выпустить созданную аппаратуру в эксплуатацию и по её результатам определить направления совершенствования данного класса приборов.

1. Анализ и выделение сейсмических сигналов: Пер. с англ. /Под ред. Ч. Чжаня. М.: Мир, 1986. 240 с.

2. Бадалян В. Г., Базулин Е. Г. Цифровое восстановление изображения рассеивателей методом проекции в спектральном пространстве. // Акустический журнал, 1988, 34. № 2. С. 222 231.

3. Баженов Ю. М. Способы определения состава бетонов различных видов. М.: Стройиздат, 1975. 307 с.

4. Балабаев С. М., Ивина Н. Ф. Компьютерное моделирование колебаний и излучений тел конечных размеров, (методы конечных и граничных элементов). Владивосток.: Дальнаука, 1996. 213 с.

5. Бархатов В. А., Нестерова Л. А. Применение эластичных протекторов для ввода ультразвуковых колебаний в изделия. // Дефектоскопия, 1994. № 11. С. 70 77.

6. Бобров А. В., Духненко В. П. Устройство для акустического контроля крупноструктурных материалов. Авт. свид. № 1573417. Бюл. изобр. 1990, № 23.

7. Вахитов Я. Ш. Теоретические основы электроакустики и электроакустическая аппаратура. М.: Искусство, 1982. 415 с.

8. Викторов И. А. Звуковые поверхностные волны в твёрдых телах. М.: Наука, 1981.288 с.

9. Виноградов Н. В., Данилов В. П., Иванов А. Л. Ультразвуковой концентратор. Авт. свид. № 545924. Бюл. изобр. 1977, № 5.

10. Воларович М. П., Баюк Е. И. Исследование упругих свойств образцов горных пород при всесторонних давлениях до1000 кг/см . Сб. МОПИ

11. Применение ультраакустики к исследованию вещества". М.: МОПИ, вып. 11. С. 147.

12. Глухов Н. А. Точечные источники ультразвука как инструмент контроля физико-механических свойств материалов. // Дефектоскопия, 1992, № 8, с. 49-51.

13. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1986. 512 с.

14. Городжа А. Д. Дефектоскопия бетонных конструкций эхо-методом. // Неразрушающие методы контроля бетонных и железобетонных конструкций. Тезисы докладов к Всесоюзному научно-техническому семинару (Москва, 1977 г.). Киев.: 1977. С. 73 75.

15. ГОСТ 10268-80. Бетон тяжёлый. Технические требования к заполнителям. М.: Стандарты, 1980. 20 с.

16. ГОСТ 17624-87. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности. М.: Стандарты, 1987. 25 с.

17. Гринченко В.Т., Мелешко В.В. Гармонические колебания и волны в упругих телах. Киев. Изд. "Наукова думка", 1981. 284 с.

18. Гурвич А. К., Ермолов И. Н. Ультразвуковой контроль сварных швов. Киев.: Техника. 1972. 460 с.

19. Гурвич И. И., Боганик Г. Н. Сейсмическая разведка. М.: Недра, 1976.286 с.

20. Данилов В. Н. К оценке уровня структурных помех с учётом повторного Рэлеевского рассеяния упругих волн. // Дефектоскопия, 1989. № 5. С. 79 83.

21. Данилов В. Н., Ямщиков B.C. Рассеяние продольных упругих волн на совокупности малых сферических неоднородностей. // Дефектоскопия, 1984. № 5. С. 14 19.

22. Джонс Р., Фэкэоару И. Неразрушающие методы испытаний бетонов. Пер. с румынск. М.: Стройиздат, 1974. 292 с.

23. Джураев Г. Г. Поглощение энергии упругих колебаний в материале образцов и в конструкциях. / Труды МИСИ: Неразрушающие методы испытания материалов. М., 1971, № 82. С. 34 82.

24. Дзенис В. В. Применение ультразвуковых преобразователей с точечным контактом для неразрушающего контроля. Рига.: Зинатне, 1987. С. 39 -75.

25. Домаркас В. Й., Кажис Р. -И. Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. Вильнюс.: Минтис. 1975. 258 с.

26. Домаркас В. Й., Пилецкас Э. JI. Ультразвуковая эхоскопия. М.: Машиностроение, Ленингр. отдел., 1988. 276 с.

27. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1981, 240 с.

28. Ермолов И.Н., Пилин Б. П. Расчёт уровня структурных помех и схема устройства для временной регулировки чувствительности эхо-дефектоскопа. // Дефектоскопия. 1972. № 3. С. 26 33.

29. Ермолов И.Н., Пилин Б. П. Современное состояние и перспективы развития ультразвукового контроля металлов с крупнозернистой структурой. // Заводская лаборатория. 1979. № 1. С. 46 52.

30. Залесский В. В. Анализ и синтез пьезоэлектрических преобразователей. Ростов.: Изд-во РГУ, 1971. 152 с.

31. Зарецкий-Феоктистов Г.Г., Рапопорт Ю.М. Ультразвуковые преобразователи для поверхностного прозвучивания крупноструктурных материалов. // Дефектоскопия. 1990. № 2. С. 89 91.

32. Защук И. В. Электроника и акустические методы испытания строительных материалов. М.: Высшая школа, 1968. 248 с.

33. Кайно Г. Акустические волны: Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов. Пер с англ. М.: Мир, 1990. 656 с.

34. Каневский И. Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977. 336 с.

35. Карташёв В. Г., Кузьмин С. В. Анализ структурного шума в задачах ультразвуковой дефектоскопии. // Труды МЭИ. Вып. 642. М.: МЭИ, 1991. С. 128- 138.

36. Кеслер Н. А., Шрайфельд JI. И. Исследование рассеяния ультразвука с учётом статистики распределения величин зёрен поликристаллических металлов. // Дефектоскопия, 1975. № 1. С. 95 100.

37. Ковалёв А. В., Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Импульсный эхо-метод при контроле бетона. Помехи и пространственная селекция. /Дефектоскопия, 1990, № 2, с. 29 41.

38. Ковалёв А. В., Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Яковлев Н. Н. Ультразвуковой прибор нового класса для контроля бетонных конструкций при одностороннем доступе // Бетон и железобетон. 1989. № 9 С. 3 обл.

39. Ковалёв А. В., Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Яковлев Н. Н. Ультразвуковой контроль изделий из крупноструктурных материалов при одностороннем доступе. /Приборы и системы управления, 1989, № 5, с. 9- 10.

40. Ковалёв А. В., Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н., Яковлев Н. Н. Некоторые проблемы развития ультразвукового эхо-метода контроля материалов и изделий. /Приборы и системы управления, 1988, № 5, с. 18-20.

41. Козлов В. Н., Подольский В. И., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. Оценка состояния железобетонных опор контактной сети ультразвуковым прибором поверхностного прозвучивания. // В мире неразрушающего контроля. 2000. № 1.С. 45-47.

42. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. / Научно-технические достижения. Межотраслевой научно-технический сборник. М.: ВИМИ. 1994. №5. С. 41 -43.

43. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. Аппаратура для ультразвукового контроля и диагностики конструкций. 15 Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика". Тезисы докладов. М.: 1999. Т. 1. С. 345.

44. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. Синфазные антенные решётки в ультразвуковой дефектоскопии бетона. 15 Российская научно-техническая конференция "Неразрушающий контроль и диагностика". Тезисы докладов. М.: 1999. Т. 1. С. 305.

45. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. Ультразвуковая антенная решётка в виде двухмерной матрицы. Патент РФ № 2080592. -Бюлл., изобр., 1997, № 15.

46. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. Ультразвуковой низкочастотный преобразователь. Патент РФ № 2082163. - Бюлл., изобр., 1997, №17.

47. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Ультразвуковой дефектоскоп. Авт. свид. № 1559280. Бюл. изобр. 1990, № 15.

48. Козлов В. Н., Самокрутов А. А., Яковлев Н. Н., Ковалёв А. В., Шевалдыкин В. Г. Акустическая В- и С-томография крупноструктурных материалов импульсным эхо-методом // Приборы и системы управления. 1989. № 7. С. 21-24.

49. Козлов В. Н., Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Ультразвуковой низкочастотный пьезопреобразователь. Авт. свид. № 1425534. Бюл. изобр. 1988, №35.

50. Козлов В. Н., Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Ультразвуковой пьезопреобразователь. Авт. свид. № 1388785. Бюл. изобр. 1988, № 14, с. 197.

51. Козлов В. Н., Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Ультразвуковой пьезопреобразователь. Авт. свид. № 1462185. Бюл. изобр. 1989, № 8.

52. Козлов В. Н., Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Экспериментальная оценка затухания ультразвука в бетоне. Дефектоскопия, 1988, № 2, с.67-75.

53. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. /Под общ. ред. И. Г. Арамановича. М.: Наука, 1974. 832 с.

54. Королёв М. В., Карпельсон А. Е. Широкополосные ультразвуковые пьезопреобразователи. М.: Машиностроение, 1982. 157 с.

55. Королёв М. В., Карпельсон А. Е., Шевалдыкин В. Г. О физическом представлении работы резонансных пьезопреобразователей. // Труды НИКИМ-Па. Неразрушающий контроль, виброметрия, диагностика. 1983. С. 21 27.

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

57. Крауткремер И., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. Справочник. Пер. с нем. М.: "Металлургия", 1991. 752 с.

58. Крылов Н. А., Калашников В. А., Полищук А. М. Радиотехнические методы контроля качества железобетона. JL- М.: Стройиздат, 1966. 380 с.

59. Ланге Ю. В. Акустические низкочастотные методы и средства не-разрушающего контроля многослойных конструкций. М.: Машиностроение, 1991.272 с.

60. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория упругости. М.: Наука, 1988.204 с.

61. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга первая. /М.: Сов.радио, 1974, 552 с.

62. Лейбензон Б. И. Ультразвуковая локация в горном деле. М.: Недра. 1968.180 с.

63. Методы акустического контроля металлов. /Под ред. Н.П. Алёшина. М.: Машиностроение, 1987. 456 с.

64. Методы неразрушающих испытаний: Пер. с англ. /Под ред. Р. Шарпа. М.: Мир, 1972. 496 с.

65. Немзоров Н. И., Никитин С. Н., Сарсадских К. И., Холодных С. И. Методико-аппаратно-программные средства для измерения скоростей распространения Р- и S-волн. // Дефектоскопия, 1991, № 11, с. 17-27.

66. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник. /Под ред. В. В. Клюева. М.: Машиностроение, 1995. 488 с.

67. Никитин А. А. Статистические методы выделения геофизических аномалий. М.: Недра. 1979. 280 с.

68. Ногин С. И., Бобров А. В., Носаль М. В. Устройство для ультразвукового контоля качества бетона. Авт. свид. № 1490620. Бюл. изобр. 1989, № 24.

69. Осетров А. В. Акустическая томография. // Зарубежная радиоэлектроника, 1991. № 5. С. 3 29.

70. Осетров А. В. Теория пространственно-временной дифракционной томографии при сканировании одиночного приёмоизлучателя по плоскости. // Акустический журнал. 1991. Том 37. № 3. С. 528 534.

71. Питолин А. И., Попко В. П., Рябов Г. Ю. Применение мозаичных ультразвуковых преобразователей для контроля изделий из композиционных материалов. // Труды МЭИ. Вып. 642. М.: МЭИ, 1991. С. 71 88.

72. Поляков В. Е., Потапов А. И., Карапетян О. О. и др. Широкополосный пьезоэлектрический преобразователь. Авт. свид. № 548096. Бюл. изобр. 1979, №40.

73. Поляков В. Е., Потапов А. И., Сборовский А. К. Ультразвуковой контроль качества конструкций. Л.: Судостроение. 1978. 200 с.

74. Потапов А. И. Применение импульсных низкочастотных ультразвуковых методов для контроля качества изделий из крупноструктурных материалов. // Дефектоскопия, 1979. № 7. С. 46 58.

75. Потапов А. И., Поляков В. Е. Эхо-импульсная низкочастотная дефектоскопия изделий из стеклопластиков. Л.: ЛДНТП, 1972. 40 с.

76. Почтовик Г. Я., Липник В. Г., Филонидов А. М. Дефектоскопия бетона ультразвуком в энергетическом строительстве. М.: Энергия. 1977. 121 с.

77. Рапопорт Ю.М. Ультразвуковая дефектоскопия строительных деталей и конструкций. /Л.: Стройиздат, Ленингр. отд. 1975, 128 с.

78. Самокрутов А. А. Ультразвуковая эхо-импульсная толщинометрия бетона. Диссертация (в форме научного доклада) на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МНПО "Спектр", 1996. 33 с.

79. Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Ультразвуковой низкочастотный пьезопреобразователь. Авт. свид. № 1534387. Бюл. изобр. 1990, № 1.

80. Свистов В. М. Радиолокационные сигналы и их обработка. М.: Советское радио. 1977. 448 с.

81. Смажевская Е. Г., Фельдман Н. Б. Пьезоэлектрическая керамика. М.: Советское радио, 1971. 199 с.

82. Сороко JI. М. Интроскопия. М.: Энергоатомиздат. 1983. 128 с.

83. Теоретические основы радиолокации. /Под ред. Я. Д. Ширмана. М.: Советское радио, 1970. 560 с.

84. Ультразвуковой низкочастотный пьезопреобразователь. Проспект МНПО "Спектр". М.: НИИ интроскопии, 1987.

85. Ультразвуковые приборы для неразрушающего контроля бетона, горных пород, керамики, пластмасс. // Заводская лаборатория. 1998. Т. 64. № 4. Раздел «Реклама. Объявления».

86. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля. /Под ред. И.Н. Ермолова. М.: Машиностроение, 1986. 280 с.

87. Фалькович С. Е., Хомяков Э. Н. Статистическая теория измерительных радиосистем. М.: Радио и связь, 1981. 288 с.

88. Филонидов А. М., Третьяков А. К. Контроль бетона ультразвуком в гидротехническом строительстве. М.: Энергия, 1969. 120 с.

89. Харкевич А. А. Борьба с помехами. М.: Физматгиз, 1965. 276 с.

90. Хэвлайс Дж. Ф., Тейнзер Дж. К. Ультразвуковая визуализация в медицине: Принципы и аппаратура. // ТИИЭР, 1979. Т. 67. № 4. С. 209 234.

91. Чабанов В. Е. Лазерный ультразвуковой контроль материалов. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1986. 232 с.

92. Шевалдыкин В. Г. Безэталонная толщинометрия на основе объёмных акустических волн. // Дефектоскопия, 1985, № 9, с. 19-26.

93. Шевалдыкин В. Г. О безэталонном измерении толщины изделий с переменной по глубине скоростью звука. // Дефектоскопия, 1986, № 3, с.20 22.

94. Шевалдыкин В. Г. Экспериментальная оценка характеристик безэталонного толщиномера с акустическим трактом объёмных волн. // Труды НИКИМПа. Техническая диагностика промышленного оборудования. 1985. С. 59 62.

95. Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н. Способ ультразвукового контроля изделий. Авт. свид. № 1265594. Бюл. изобр. 1986, № 39.

96. Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н., Яковлев Н. Н. Об искажении ультразвуковых импульсов в средах с большим затуханием. // Труды НИКИМПа. Современные методы и средства неразрушающего контроля. 1986. С. 60 -63.

97. Шевалдыкин В. Г., Самокрутов А. А., Козлов В. Н. Новые аппара-турно-методические возможности ультразвукового прозвучивания композитов и пластмасс. // Заводская лаборатория. 1998. № 4. С. 29 39.

98. Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н. Материал для демпфера ультразвукового преобразователя. Авт. свид. № 1280535. Бюл. изобр. 1986, № 48, с. 221.

99. Шевалдыкин В. Г., Яковлев Н. Н., Козлов В. Н. Новые ультразвуковые низкочастотные пьезопреобразователи // Дефектоскопия. 1990. № 6. С. 44 -50.

100. Ширман Я. Д., Манжос В. Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981. 416 с.

101. Штагер Е.А., Чаевский Е. В. Рассеяние волн на телах сложной формы. М.: Соверское радио. 1974. 240 с.

102. Шутилов В.А. Основы физики ультразвука. /Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1980, 280 с.

103. Яблоник Л. М. //Заводская лаборатория. 1963. № 1. С. 46 48.

104. Яковлев Н. Н., Самокрутов А. А., Козлов В. Н., Шевалдыкин В. Г. Ультразвуковые низкочастотные пьезопреобразователи с низким уровнем собственных шумов. /Приборы и системы управления, 1989, № 8, с. 24 27.

105. Яковлев Н. Н., Шевалдыкин В. Г., Козлов В. Н. Результаты измерения затухания ультразвука в бетоне. //Тез. докл. XI всесоюз. конф. "Неразру-шающие физические методы и средства контроля". М.: МИЛО "Спектр", 1987. С. 69.

106. Azar L., Wooh S-C. Experimental Characterization of Ultrasonic Phased Arrays for Nondestructive Evaluation of Concrete Structures. // Materials Evaluation, 1999. No. 2. pp. 134- 140.

107. Bossi R. H., Hildebrand B. P. Stepped-Frequency Ultrasonic Holography. // Materials Evaluation, 1988, 46. No. 4, pp. 659 670.

108. Corl P.D., Grant P.M., Kino G.S. A Digital Synthetic Focus Acoustic Imaging System for NDE.-Proc. IEEE Ultrasonics Symp., 1978, p. 263 268.

109. Gaydecki P. A., Burdekin F. M. Nondestructive Testing of Reinforced and Pre-stressed Concrete Structures. // Nondestructive Testing and Evaluation., 1998, Vol. 14, pp. 339-392.

110. Hillger W. Inspection of Concrete by Ultrasonic Pulse-Echo-Technique. 6th European conference on Non-Destructive Testing. Nice, 1994, pp. 1159 1163.

111. Karaoguz M., Bilgutay N., Akgul Т., Popovics S. Ultrasonic Testing of Concrete Using Split Spectrum Processing. // Materials Evaluation, 1999. No. 11. pp. 1183 1190.

112. Kozlov V. N., Samokrutov A. A., Shevaldykin V. G. Thickness Measurements and Flaw Detection in Concrete Using Ultrasonic Echo Method. // Nondestructive Testing and Evaluation., 1997, Vol. 13, pp. 73 84.

113. Kraus H.G. Generalized Synthetic aperture, focused transduser, pulse-echo, ultrasonic scan data processing for non-destructive inspection. // Ultrasonics, 1983, 21, No.l, p.l 1 18.

114. Krause M., Mielentz F., Milman В., Wiggenhauser H., Muller W., Schmitz V. Ultrasonic imaging of concrete members using an array system. // Insite, Vol. 42. No. 7. 2000. pp. 447 450.

115. Kroggel O., Jansohn R., Ratmann M. Progress in Application of Ultrasound in Pulse-Echo-Technique to Examine Concrete Structures. 6th European conference on Non-Destructive Testing. Nice, 1994, pp. 1145 1152.

116. Lange Yu. V., Moujitski V. F., Shevaldykin V. G., Kozlov V. N., Samokrutov A. A. Non-destructive testing of multiplayer structures and concrete. // Insite, Vol. 40. No. 6. 1998. pp. 400 403.

117. Mayer K., Marklein R., Langenberg K. J., Kreutter T. Three-dimensional imaging system based on Fourier transform synthetic aperture focusing technique. // Ultrasonics, 1990, 28, No.7, pp. 241 255.

118. Moshfeghi M. Side-lobe suppression for ultrasonic imaging arrays. // Ultrasonics, 1987, 25, JsTo.ll, p. 322 327.

119. Saniie J., Wang Т., Bilgutay N. M. Analysis of Homomorphic Processing for Ultrasonic Grain Signal Characterization. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. Vol. 36, No. 3, May 1989, pp. 365 375.

120. Sansalone M., Carino N., J. Impact-Echo: A Method for Flaw Detection in Concrete Using Transient Stress Waves. U.S. Department of commerce. National Bureau of Standards. Washington, 1986. 237 p.

121. Schickert M. Towards SAFT-Imaging in Ultrasonic Inspection of concrete. // International Symposium Non-Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE) September 26 28, 1995, pp. 411-418.

122. Shandiz H. Т., Gaydecki P. A New SAFT Method in Ultrasonic Imaging at Very Low Frequency by Using Pulse Echo Method // NDT.net November 1999, Vol. 4. No. 11. 6 p.

123. Shandiz H. Т., Gaydecki P. Low Frequency Ultrasonic Images Using Time Domain SAFT in Pitch Catch Method. // NDT.net November 1999, Vol. 4. No. 11. 6 p.

124. Shevaldykin V. G., Kozlov V. N., Samokrutov A. A. Inspection of Concrete by Ultrasonic Pulse-Echo Tomograph with Dry Contact. 7th European conference on Non-Destructive Testing. Copenhagen, 26 29 May, 1998.

125. Tasker C.G., Milne J.M., Smith R.L., Recent Work at the National NDT Centre on Concrete Inspection, British Journal of NDT, vol. 32, No.7, (1990), pp. 355359.

126. Thomson R.N. A Portable System for high Resolution Ultrasonic Imaging on Site. -Brit. J. NDT, 1984, 26, No.5, p. 281 285.

127. Thomson R.N. Transverse and longitudinal resolution of the synthetic aperture focusing technique. // Ultrasonics, 1984, 22, No.l, p. 9 -15.

128. Ultrasonic Concrete Thickness Gaude. Newsletter of National NDT Centre. Issue № 32, March, 1988.