Разработка помехоустойчивых методов и средств многофункциональной ультразвуковой дефектоскопии сложноструктурных изделий

• Автор: Соколов, Игорь Вячеславович
• Шифр специальности: 05.02.11
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 275 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
Диссертационная работа посвящена разработке новых помехоустойчивых методов и устройств ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля изделий с большим интегральным затуханием сигналов и сложной неоднородной структурой.
Рассматривается разработанный автором многофункциональный программно-аппаратный адаптивный комплекс УЗ контроля сложноструктурных изделий (полимерных композиционных материалов, бетонов, пластмасс, металлов с большим уровнем структурного шума) основанный на предложенном автором оригинальном Сплит-способе УЗ контроля. Программно-аппаратный комплекс позволяет осуществлять адаптацию алгоритмов контроля, параметров зондирующих сигналов, алгоритмов обработки эхо-сигналов, параметров пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) к характеристикам контролируемого изделия из ПКМ. За счёт использования предложенных автором сложномодулированных высокочувствительных гибких Сплит-сигналов и адаптации параметров программно-аппаратного многофункционального адаптивного комплекса под характеристики контролируемых изделий обеспечивается высокая чувствительность УЗ НК, обнаружение, выделение и точное измерений информационных эхо-сигналов.
Рассмотрены вопросы выделения УЗ эхо-сигналов из белого и структурного шума при одноканальном и многоканальном контроле. Разработаны алгоритмы выделения эхо-сигналов из структурного шума при использовании пространственно-временной обработке сигналов. Предложены интегральные пространственно-временные характеристики широкополосных преобразователей — корреляционная диаграмма направленности и корреляционное распределение поля. Определены принципы и методика проектирования и конструирования широкополосных мозаичных ПЭП с заданными пространственными и временными характеристиками. Разработана интерактивная среда алгоритмического «структурно-модульного проектирования» многофункциональной адаптивной аппаратуры УЗ контроля, позволяющая создавать в процессе контроля различные алгоритмы формирования и обработки сигналов.
Приведены многочисленные примеры УЗ дефектоскопии, толщинометрии, томографии сложноструктурных изделий с большим интегральным затуханием сигналов и высоким уровнем структурного шума.

Актуальность темы
Цель работы
Научная новизна
Практическая ценность и внедрение результатов работы
Достоверность выносимых на защиту научных положений
Основные положения, выносимые на защиту
Публикация результатов
Апробация работы
Структура и объём работы
1. ПРОБЛЕМЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ 14 СЛОЖНОСТРУКТУРНЫХ ИЗДЕЛИЙ С БОЛЬШИМ ИНТЕГРАЛЬНЫМ ЗАТУХАНИЕМ СИГНАЛОВ.
1.1 .Этапы развития помехоустойчивых методов ультразвукового 14 контроля сложноструктурных изделий.
1.2. Постановка проблемы обнаружения УЗ эхо-сигналов, 17 замаскированных шумами и помехами
1.3. Проблема обнаружения и выделения эхо-сигналов из белого 20 шума (проблема чувствительности при УЗ контроле протяженных изделий с большим затуханием сигнала).
1.4. Проблемы ультразвукового низкочастотного контроля
1.5. Влияние шумов и помех на результаты УЗ НЧ контроля 28 протяженных сложноструктурных изделий
1.6. Проблемы выделения ультразвуковых сигналов из 30 структурного шума при контроле изделий из сложноструктурных материалов
1.7. Проблемы создания широкополосных НЧ ПКП. Требования к 36 параметрам оптимизированных широкополосных ПКП
1.8. Проблема создания широкополосных ПКП с узкой диаграммой 42 направленности
1.9.Требования к пространственно-временным характеристикам 43 широкополосных ПКП
1.10.Выводы по разделу 1
2. ОСОБЕННОСТИ ПРМЕНЕНИЯ СЛОЖНОМОДУЛИРОВАННЫХ 49 СИГНАЛОВ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ.
2.1. Необходимость использования сложномодулированных 49 сигналов в УЗ дефектоскопии
2.2. Преимущества использования сложномодулированных

сигналов в УЗ дефектоскопии
2.3. Основные свойства ФМ сигналов применительно к задачам УЗ 53 дефектоскопии
2.4. Основные свойства ЧМ сигналов применительно к задачам УЗ 62 дефектоскопии.
2.5. Выводы по разделу 2
3. ПРИМЕНЕНИЕ СПЛИТ-СПОСОБА ПРИ УЗ КОНТРОЛЕ ИЗДЕЛИЙ 68 С БОЛЬШИМ ЗАТУХАНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА
3.1. Мгновенные спектры сложномодулированных сигналов
3.2. Понятие о Сплит-способе и Сплит-сигнале
3.3. Характеристики Сплит-сигнала
3.4. Соображения по выбору параметров и способа обработки 80 Сплит-сигнала
3.5. Алгоритмическая гибкость Сплит-сигнала
3.6. Коррекция частотно-зависимого затухания ультразвука в 86 материале контролируемого изделия
3.7. Непрерывные Сплит-сигналы
3.8. Резонансный спектрально-мультипликативный метод 96 толщинометрии протяженных бетонных строительных конструкций
3.9. Ортогональность Сплит-сигналов
3.10. Особенности аппаратной реализации Сплит-алгоритма
3.11. Выводы по разделу З
4. РАЗРАБОТКА МОЗАИЧНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ 106 УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ЗАДАННЫМИ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫМИ И ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
4.1. Мозаичные широкополосные преобразователи
4.2. Корреляционная диаграмма направленности широкополосного 107 преобразователя
4.3. Мозаичные широкополосные преобразователи с заданной ДН
4.4. Синтез широкополосных мозаичных антенн с равномерным 114 акустическим полем
4.5. Разработка широкополосного мозаичного монолитного 120 пьезопреобразователя с ограниченной апертурой
4.6. Выводы по разделу 4
5. ВЫДЕЛЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ЭХО-СИГНАЛОВ ИЗ 128 СТРУКТУРНОГО НГУМА
5.1. Статистические характеристики структурного шума
5.2. Пример частотной декорреляции сигнала и помехи в
импульса ударного возбуждения может достигать сотен вольт, однако при контроле протяженных изделий с аномально большим частотно-зависимым затуханием УЗ колебаний амплитуда эхо-сигнала от дефекта часто оказывается ниже уровня шума (порога) приемной части УЗ дефектоскопа (рис. 1.1). Увеличивать амплитуду зондирующего сигнала удается до определенного предела определяемого или выходным каскадом генератора, или ограничениями, накладываемыми на ПЭП или на объект контроля. Разрешающая способность контроля также ограничена, т.к. определяется длительностью сигната Тс, которая обычно составляет не менее 3-4 периодов несущей частоты. Тем самым при контроле таких изделий с помощью традиционных методов одновременно возникает и проблема обнаружения, и проблема разрешения эхо-сигналов от дефектов.

и (о
ОФ ФМ Ц(0 г

у и2«) г
и
и >и
с ш
Рис 2 1. Основная идея использования сложномодулированных сигналов в УЗ дефектоскопии для увеличения одновременно чувствительности и разрешающей способности эхо-контроля
Если решать проблему чувствительности контроля за счйт снижения частоты зондирующего сигнала, то при этом увеличивается длительность сигнала Тс и, тем самым, ухудшается разрешающая способность. Другими словами, в традиционных УЗ дефектоскопах, использующих ударное возбуждение зондирующего сигнала, имеет место противоречие между требуемыми высокими значениями чувствительности и разрешающей способности. Выход из этого противоречия (как это было сказано в разделе 1), в использовании «длинных» сложномодулированных сигналов с последующей их оптимальной фильтрацией. Идея повышения одновременно и чувствительности и лучевой разрешающей способности УЗ эхо-контроля за счет использования СМ сигнала показана на рис.2.1.
В изделие (а) излучается "длинный" зондирующий УЗ ФМ сигнал с максимально возможной амплитудой (б). Предполагается, что в крупногабаритном изделии с большим интегральным зату ханием УЗ сигналы