Разработка и создание ультразвуковых низкочастотных широкополосных мозаичных раздельно-совмещённых пьезопреобразователей с ограниченной апертурой

• Автор: Синицын, Алексей Алексеевич
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 131 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Цель работы
Научная новизна
Практическая значимость и внедрение результатов работы
Результаты исследований были использованы при выполнении:
Основные положения, выносимые на защиту:
Апробация работы
Объем и структура работы
1. ПРОБЛЕМЫ УЗ КОНТРОЛЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ СЛОЖНОСТРКУТУРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ БЕТОНА
1.1. Проблема обнаружения эхо-сигналов, замаскированных белым шумом
1.2. Проблема обнаружения УЗ эхо-сигналов на фоне сигнала структурного шума
1.3. Особенности УЗ низкочастотного контроля
1.4. Современное состояние проблемы по разработке ультразвуковых низкочастотных широкополосных пьезопреобразователей
1.5. Особенности работы раздельно-совмещенных НЧ преобразователей в составе УЗ толщиномеров
1.6. Выводы по разделу
2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ СОЗДАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ЗАДАННЫМИ ЧАСТОТНЫМИ И ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
2.1. Выбор параметров УЗ низкочастотного широкополосного ПЭП для контроля сложноструктурных изделий из бетона при ограниченной площади контакта преобразователя с изделием
2.2. Способы и возможности оценки пространственных свойств ультразвуковых широкополосных низкочастотных преобразователей
2.3. Интегральные способы представления пространственных характеристик УЗ широкополосных низкочастотных преобразователей
2.4. Использование пространственных характеристик для создания УЗ мозаичных широкополосных ПЭП с максимально равномерным акустическим полем
2.5. Выводы по разделу
3. МОЗАИЧНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ОГРАНИЧЕННОЙ АПЕРТУРОЙ
3.1. Методология и технология проектирования и изготовления УЗ широкополосных мозаичных ПЭП на основе использования разновысоких стержневых ПЭ с продольным пьезоэффектом

3.2. Конструирование и изготовление низкочастотных раздельно-совмещенных широкополосных мозаичных ПЭП с ограниченной апертурой. Технологические пути решения проблемы минимизации амплитуды сигнала электроакустической наводки
3.3. Алгоритмический метод компенсации сигнала
электроакустической наводки и сигнала собственных реверберационных шумов
3.4. Выводы по разделу
4. КОМПОЗИТНО-МОЗАИЧНЫЙ ПЭП
4.1. Предпосылки создания многоканального композитно-мозаичного ПЭП
4.2. Моделирование работы композитно-мозаичного ПЭП
4.3 Пространственно-временные алгоритмы
4.4 КМПЭП на базе 12 элементного преобразователя с СТК
4.5 Экспериментальная установка и результаты практического испытания многоканального преобразователя на базе ПЭП с СТК
4.6 Композитно-мозаичный пьезоэлектрический преобразователь
4.7. Сравнительные результаты применения предложенных алгоритмов, зарегистрированных КМПЭП и АР с СТК
4.8. Сравнительные результаты применения предложенных алгоритмов в отношении полезный сигнал/структурный шум для КМПЭП.
4.9. Применение КМПЭП для толщинометрии изделий из бетона с неплоскопараллельными поверхностями
4.10 Выводы к разделу
5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛАСТИЧНЫХ ПРОТЕКТОРОВ УЗ ПЭП ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ С НЕРОВНОЙ И ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
5.1. Проблемы акустического контакта УЗ ПЭП с контролируемым изделием
5.2. Разработка эластичных протекторов из силиконовых каучуков.
5.3. Выводы по разделу
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
АКФ - автокорреляционная функция;
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика;
Б - база сигнала БШ- белый шум;
ВКФ - взаимно-корреляционная функция;
ВЧ - высокая частота, высокочастотный;
ДН - диаграмма направленности;
ИП - излучающий преобразователь;
КДН - корреляционная диаграмма направленности;
КРП - корреляционное распределение поля;
ЧМ -частотно-модулированный сигнал
ЛЧМ - линейно-частотно-модулированный сигнал;
НК - неразрушающий контроль;
НЧ - низкая частота, низкочастотный;
ОСП - осесимметричный преобразователь;
ОФ - оптимальный фильтр;
ПВОС - пространственно-временная обработка сигналов; ПВХ - пространственно-временная характеристика;
ПП - приёмный преобразователь;
ПЭП - пьезоэлектрический преобразователь;
РС - раздельно-совмещенный (преобразователь)
СВП - сферически вогнутый преобразователь;
СД - синхронный детектор;
СМ - сложномодулированный (сигнал);
СТК - сухой точечный контакт;
СШ - структурный шум;
С/Ш - отношение сигнал/шум С/СШ - отношение сигнал/структурный шум >1 УЗ - ультразвук;
ФМ - фазоманипулированный сигнал;
ЭАН - электроакустическая наводка;
ЭАТ - электро-акустический тракт;

На рис.2.4,б показан эхо-сигнал после оптимальной фильтрации, а на рис.2.4,в - после оптимальной фильтрации и синхронного детектирования. Из диаграмм на рис.2.4,б,в видно, что простейшие временные методы радиотехнической обработки сигналов лишь частично улучшают отношение сигнал/белый шум, однако при этом уровень СШ по-прежнему маскирует и искажает вторые, третьи донные эхо-сигналы. Существенное улучшение результатов контроля, выражающееся в повышении отношения «сигнал/структурный шум» на 15-20 дБ, было получено при сканировании раздельно-совмещенным преобразователем по поверхности изделия с одновременным накоплением 100 реализаций измерений (рис.2.4,г).
Из этого эксперимента следует что:
- предложенный алгоритм ПВОС в ряде практических применений позволяет повысить отношение ИС/СШ, однако реализовать аналогичный алгоритм при контроле бетонного изделия (т.е. осуществить сканирование ПЭП-ем вдоль поверхности) не представляется возможным из-за ограничений на величину площади контакта и из-за отсутствия условий контакта ПЭП с неровной поверхностью бетона;
- при использовании УЗ низкочастотных ПЭП (диаграмма направленности которых существенно шире, по сравнению со случаем толщинометрии стального изделия ВЧ преобразователем), необходимы более сложные алгоритмы обработки сигналов, так как при широкой ДН ПЭП степень корреляции эхо-сигналов для двух соседних положений УЗ НЧ широкополосного ПЭП существенно выше;
Таким образом, поставленная в диссертации проблема УЗ толщинометрии бетонного изделия может быть решена при использовании композитного (многоэлементного) ПЭП, в котором, во-первых, все элементы электрически и акустически развязаны между собой; во-вторых, имеется возможность независимого электрического доступа к каждому из элементов матрицы, причем каждый ПЭП может работать как в режиме излучения, так и в режиме приема; и в-третьих, каждый элемент такого композитного ПЭП должен быть низкочастотным, широкополосным и малоапертурным; в четвертых, такой НЧ составной (композитный) ПЭП должен быть восприимчив к различным алгоритмам управления (в том числе, к алгоритмам типа САФТ); в-пятых, для такого НЧ составного