Способы измерения параметров ультразвукового сигнала при наличии помехи
METHODS OF MEASURING ULTRASONIC SIGNAL PARAMETERS IN PRESENCE OF INTERFERENCE

Изобретения относятся к неразрушающему контролю и могут быть использованы для измерения параметров ультразвуковых волн (УЗВ) при исследованиях физико-механических характеристик материалов и дефектоскопии в тех случаях, когда сигнал исследуемой УЗВ приходит в точку приема позже УЗВ помехи.
Известен способ измерения скорости распространения поперечных волн (а.с. №1221581 - прототип), основанный на выделении сигнала, соответствующего поперечной волне, на фоне продольной волны, приходящей в точку приема раньше поперечной и являющейся помехой. В известном способе в исследуемой среде под углом к поверхности располагают излучающий и приемный преобразователи, снабженные волноводами, обеспечивающими точечный ввод-прием УЗВ, возбуждают и принимают ультразвуковые импульсы. Для подавления помехи излучающий и приемный преобразователи располагаются под углом к поверхности исследуемого материала, обеспечивающим максимальное отношение сигнал-помеха. Недостатком известного способа является то, что не удается полностью подавить помеху, что отрицательно сказывается на точности измерения скорости поперечной волны.
Технической задачей данного изобретения является повышение точности измерения параметров ультразвуковой волны.
Технический результат заключается в том, что перед проведением основного измерения получают информацию о помехе, для чего в исследуемой среде располагают излучающий и приемный преобразователи, возбуждают и принимают ультразвуковые импульсы, нормируют амплитуду первого вступления, соответствующего волне помехи, запоминают полученный импульс, после чего проводят основное измерение, нормируют амплитуду первого вступления импульса, совмещают его с первым вступлением импульса, полученного при предварительном измерении, и производят вычитание импульсов. Причем при предварительном измерении излучающий и приемный преобразователи располагают так, чтобы после компенсации помехи в результирующем импульсе первое вступление формировалось полезным сигналом.
При первом способе технический результат достигается тем, что в способе измерения параметров ультразвукового сигнала при наличии помехи, имеющей меньшую акустическую задержку, чем сигнал, заключающийся в том, что в исследуемой среде на выбранной базе располагают излучающий и приемный преобразователи, снабженными волноводами, обеспечивающими точечный ввод-прием и расположенными под углами к поверхности изделия, возбуждают и принимают ультразвуковые импульсы. Предварительно располагают излучающий и приемный преобразователи на выбранной базе измерений под углами к поверхности изделия, обеспечивающими первое значение отношения сигнал-помеха, возбуждают и принимают ультразвуковые импульсы, нормируют амплитуду первого вступления импульса, сформированного волной помехи, и запоминают принятый импульс, поворачивают излучающий и приемный преобразователи для основного измерения под углами, обеспечивающими отношение сигнал-помеха, отличное от первого, нормируют амплитуду первого вступления импульса и вычитают из полученного импульса запомненный при предварительном измерении импульс, причем частоту колебаний и длину волноводов выбирают из условия, что на первое вступление волны сигнала не накладываются первое вступление волны помехи и импульс переотражения в волноводе.
На фигурах 1, 3 показана схема проведения измерения параметров ультразвуковой волны. В представленном примере способ позволяет определить параметры сигнала (поперечной волны) на фоне помехи (продольной волны), имеющей меньшую акустическую задержку при сквозном прозвучивании объекта контроля. Способ осуществляется следующим образом.
1
2
На контролируемый образец 1 устанавливают излучающий П и приемный П преобразователи и на расстоянии L друг от друга (фиг. 1), возбуждают и принимают ультразвуковые импульсы, нормируют амплитуду первого вступления импульса, образованного помехой (фиг. 2), запоминают полученный импульс, после чего поворачивают преобразователи относительно контролируемого образца 1 на угол, при котором отношение сигнал-помеха будет отличаться от отношения при первом положении преобразователей (фиг. 3). Так как расстояние между преобразователями не изменилось, время прихода первого вступления импульса останется неизменным (фиг. 4). Нормируют амплитуду первого вступления полученного импульса и вычитают из него запомненный ранее импульс (фиг. 5). При этом помехи в первом и во втором импульсах компенсируются, и в результирующем импульсе первое вступление образуется сигналом поперечной волны. Для полной компенсации помехи необходимо, чтобы первые вступления полученных импульсов формировались только помехой (без наложения на них сигнала), поэтому необходимо выполнение условия
п
где V - скорость распространения помехи;
c
V - скорость распространения сигнала;
- длительность первого вступления импульса.
Кроме того, так как основная информация об ультразвуковом сигнале содержится в параметрах первого вступления импульса (время прихода, амплитуда, полярность), необходимо, чтобы первое вступление сигнала не было искажено импульсом, дважды прошедшим через волновод, для чего минимальная длина волновода должна выбираться из условия
в
где L - длина волновода;
в
V - скорость продольной волны в волноводе;
c
V - скорость распространения сигнала.
При втором способе технический результат достигается тем, что в способе измерения параметров ультразвукового сигнала при наличии помехи, имеющей меньшую акустическую задержку, чем сигнал, заключающемся в том, что в исследуемой среде на выбранной базе располагают излучающий и приемный преобразователи, снабженные волноводами, обеспечивающими точечный ввод-прием и расположенными под углами к поверхности изделия, возбуждают и принимают ультразвуковые импульсы. Предварительно располагают излучающий и приемный преобразователи на первой базе измерений, отличной от выбранной, возбуждают и принимают ультразвуковые импульсы, нормируют амплитуду первого вступления импульса, сформированного волной помехи, и запоминают принятый импульс, нормируют по амплитуде первое вступление импульса, полученного на выбранной базе измерений, совмещают с первым вступлением импульса, полученного при предварительном измерении, производят вычитание импульсов, причем частоту колебаний, первую базу измерения и длину волноводов выбирают из условия, что на первое вступление волны измеряемого сигнала не накладываются первое вступление волны помехи, импульс переотражения в волноводе и сигнал, полученный при измерении на первой базе и задержанный в процессе совмещения первых вступлений импульсов.
На фигурах 6-10 показан пример измерения параметров продольной волны, распространяющейся под некоторым углом α к поверхности образца толщиной Н. На фиг. 6 показаны ходы лучей помехи (продольная волна вдоль свободной поверхности образца) и сигнала (продольная волна, отраженная от противоположной поверхности образца).
1
1
1
Способ осуществляется следующим образом. Предварительно получают информацию о помехе, для чего на поверхности контролируемого образца 1 устанавливают излучающий 2 и приемный 3 преобразователи на расстоянии L (фиг. 6), отличающимся от расстояния L между датчиками при основном измерении, возбуждают и принимают ультразвуковые импульсы ультразвуковым прибором 4, нормируют амплитуду первого вступления принятого импульса, сформированного волной помехи и запоминают полученный импульс (фиг. 7). Переставляют один из преобразователей вдоль прямой, соединяющей точки ввода и приема ультразвука для основного измерения на расстояние L (фиг. 8). Возбуждают и принимают ультразвуковые импульсы, нормируют амплитуду первого вступления импульса (фиг. 9), совмещают с первым вступлением этого импульса первое вступление импульса, запомненного при измерении при установке датчиков на расстояние L и задержанного на разницу времен распространения помехи на расстояниях L, L, и производят вычитание двух импульсов (фиг. 10). Первое вступление полученного импульса соответствует ультразвуковой волне, прошедшей через исследуемый образец под углом α. Углы установки преобразователей выбирают из условия надежного выявления первого вступления помехи, требований по отличию отношения сигнал-помеха при предварительном и основном измерениях не предъявляется. Для полной компенсации помехи необходимо соблюдение условия
где Н - толщина контролируемого материала;
пов
V - скорость распространения импульса вдоль свободной поверхности изделия;
α
V - скорость распространения импульса вдоль направления, заданного углом α;
1
- скорость распространения импульса вдоль направления, заданного углом α,
1
α, α - углы между свободной поверхностью контролируемого изделия и соответствующими направлениями распространения волн.
Следует отметить, что в общем случае  (анизотропный материал). Минимальную длину волновода выбирают из соотношения
в
где L - длина волновода;
в
V - скорость продольной волны в волноводе.
Первый способ измерения параметров ультразвукового сигнала применяется в случае, когда при измерениях на заданной базе отношение сигнал-помеха существенно зависит от углов установки преобразователей. В предлагаемом способе при компенсации помехи происходит частичная компенсация сигнала. Когда отношение сигнал-помеха при двух измерениях изменяется не существенно, результирующий сигнал становится трудно различимым на фоне электрических шумов. В этом случае целесообразно применять второй способ выделения сигнала на фоне помехи, так как в нем во время компенсации помехи не происходит уменьшения амплитуды первого вступления сигнала, при этом нужно учитывать, что второй способ измерения применяется при схемах (базе) измерения, когда при вычитании основного и вспомогательного импульсов на измеряемый сигнал не накладывается сигнал, полученный при измерении на первой базе и задержанный в процессе совмещения первых вступлений импульсов.
Применение данных способов позволяет повысить точность измерения параметров ультразвуковых волн при исследованиях физико-механических характеристик материалов и дефектоскопии.