СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ
METHOD OF ULTRASONIC TESTING OF MATERIALS AND PRODUCTS

I Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к акустическим методам контроля, основанным на излучении и приёме упругих акустических (ультразвуковых) колебаний и волн в контролируемом объекте, и может быть использовано в области ультразвукового неразрушающего контроля, в медицинской диагностике, гидроакустике, импульсной акустической микроскопии, толщинометрии, измерении скорости ультразвука.
II Предшествующий уровень техники
Акустические методы контроля основаны на излучении и приёме упругих акустических (ультразвуковых) колебаний и волн в контролируемом объекте [ГОСТ 23829-85]. Излучающий пьезопреобразователь (далее - ИПЭП) возбуждается электрическим импульсом и излучает акустические (ультразвуковые) колебания, которые взаимодействуют с дефектом. После взаимодействия отражённые от дефекта или от дефектов акустические колебания принимает тот же, или другой приёмный пьезопреобразователь (далее - ППЭП) и преобразует их в электрические эхоимпульсы (далее - эхоимпульсы) по характеристикам которых судят о качестве изделия. (Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля, М.; Машиностроение, 1981, с. 8). Суждение о наличии или отсутствии, взаиморасположении, количестве, размере, координатах дефектов выносят по амплитудам и длительностям эхоимпульсов, которые также определяют чувствительность и лучевую разрешающую способность метода контроля.
Для улучшения разрешения эхоимпульсов применяют различные дополнительные способы, цель которых, используя компьютерную обработку, в том числе применяя различные преобразования (Фурье, Гильберта и т.д.), извлечь максимум информации, связав её с дефектами, и, таким образом, выделить из эхоимпульса информативные признаки. В этом случае измеряют абсолютные или относительные значения временных, амплитудных, спектральных, вейвлетных характеристик принимаемых эхосигналов, формируют из них информативные признаки и по конкретным значениям этих информативных признаков судят о качестве изделия, материалов. [RU 2524451, МПК G01N 29/00 (2006.01), опубл. 27.07.2014; SU 523346, МПК G01N 29/04 (2000.01), опубл. 30.07.1976; SU 1061709, МПК G01N 29/04 (2000.01), опубл. 15.12.1983; SU 932391, МПК G01N 29/04 (2000.01), опубл. 30.05.1982; SU 607137, МПК G01N 29/04 (2000.01), опубл. 15.05.1978].
Недостатком данных технических решений является то, что во всех случаях суждение о качестве изделия или материала принимается по эхоимпульсу, а не по сигналам от дефектов (далее - СД) «скрытых» в эхоимпульсе импульсными характеристиками (далее - ИХ) преобразователя (далее - ПЭП) при излучении и приёме, что снижает практическую значимость этих технических решений, отрицательно сказываясь на результативности измерений и, в конечном счете, точности и достоверности контроля.
Другие способы ультразвукового контроля материалов, направленные на улучшение разрешения эхоимпульсов и снижения влияния ИХ ПЭП при излучении и приёме, связаны с расширением полосы частот ПЭП. При этом широкополосный ПЭП возбуждают коротким электрическим импульсом, в изделие излучают акустический импульс, принимают отражения акустических импульсов от дефектов, преобразуя их в эхоимпульсы, по которым, либо по спектру которых судят о качестве изделия [Коновалов С.И., Кузьменко А.Г. Исследование возможности излучения и приёма коротких импульсов при использовании механического демпфирования или согласующих слоёв. - Дефектоскопия. 1998, № 8, с. 3-12, Методы неразрушающих испытаний. Под ред. Шарпа Р. - М.: «Мир», 1972, с. 58-87, SU 607137, МПК G01N 29/04 (2000.01), опубл. 15.05.1978].
Возбуждение коротким электрическим импульсом широкополосного ИПЭП и приём широкополосным ППЭПом позволяет получить наиболее короткий эхоимпульс и, следовательно, высокое разрешение эхоимпульса за счет меньшего искажения СД импульсными характеристиками ПЭП. Реализация излучения акустического колебания с изменяющейся частотой в широком спектре частот позволяет по изменению амплитуд полупериодов эхоимпульса получить, а затем анализировать амплитудный спектр и по результатам анализа судить о качестве изделий, материалов.
Однако в данных способах используются ПЭП с низкой чувствительностью (либо сильнодемпфированные широкополосные, либо с изменяющейся толщиной или шириной), что снижает спектральную плотность энергии и, следовательно, чувствительность, уменьшая диапазон толщин контролируемых материалов и изделий.
Известен способ ультразвукового контроля материалов и изделий, заключающийся в том, что излучающий преобразователь возбуждают электрическим импульсом, в изделие излучают акустическое колебание, принимают его отражения от дефектов приёмным преобразователем, преобразуют полученный от него эхоимпульс, используя например, преобразование Фурье, Гильберта, в комплексный спектр эхоимпульса, из которого выделяют амплитудный и фазовый спектры, сравнивают с характеристиками эталонного отражателя и по результатам анализа судят о качестве изделия [SU 1061709, МПК G01N 29/04 (2000.01), опубл. 15.12.1983].
Достоинством способа является то, что для принятия решения о качестве изделия используют большее количество информации об эхоимпульсе в виде комплексного спектра, используя его амплитудный, фазовый спектры, осуществляют сравнение с эталонным отражателем.
Недостатком известного способа является то, что анализ контроля материалов и изделий проводится на основе анализа эхоимпульса, как сигнала на выходе ППЭП, а не на основе анализа СД, имеющего лучшее, чем у эхоимпульса разрешение.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ ультразвукового контроля материалов и изделий, заключающийся в том, что излучающий и приёмный ПЭП имеют идентичные импульсные характеристики, при этом излучающий пьезопреобразователь возбуждают коротким электрическим импульсом, в изделие излучают акустическое колебание, которое после отражения от дефектов принимают приёмным преобразователем, с выхода которого полученный эхоимпульс преобразуют в комплексный спектр эхоимпульса из которого восстанавливают сигнал отражений акустических колебаний от дефектов, и по нему судят о качестве изделия.
Достоинством способа является то, что для принятия решения о качестве материала, изделия используют уже не эхоимпульс, как сигнал на выходе ППЭП, а сигнал на входе ППЭП - то есть сигналы, отражённые от дефектов без учёта влияния ИХ ППЭП. При прочих равных условиях данный сигнал позволяет достичь большее разрешение, чем при анализе эхоимпульса.
Недостатком известного способа - прототипа является то, что сигнал на входе ППЭП тоже не является СД и "скрыт" ещё ИХ ИПЭП (операцией свёртки СД с ИХ ИПЭП), ухудшающей разрешение.
III Раскрытие изобретения
Задача и достигаемый при использовании изобретения технический результат - повышение разрешения акустических методов контроля при сохранении чувствительности.
Это достигается тем, что в способе ультразвукового контроля материалов и изделий, заключающимся в том, что используют излучающий и приёмный преобразователи с идентичными импульсными характеристиками, при этом излучающий преобразователь возбуждают коротким электрическим импульсом, в изделие излучают акустическое колебание, которое после отражения от дефектов принимают приёмным преобразователем, эхоимпульс с выхода которого преобразуют в комплексный спектр эхоимпульса,согласно изобретению дополнительно акустическое колебание излучают в изделие без дефектов, принимают отражения приёмным преобразователем, с выхода которого эхоимпульс преобразуют в эталонный комплексный спектр эхоимпульса,а далее из результата от отношения полученных комплексных спектров восстанавливают сигнал от дефектов, и по нему судят о качестве изделия.
Сущность данного технического решения иллюстрируется фигурами графических изображений.
На фиг. 1 представлена блок-схема для реализации способа ультразвукового контроля материалов и изделий.
На фиг. 2 представлены:
а) излученное акустическое колебание, импульсная характеристика ИПЭП, ППЭП, отражённое колебание от единичного дефекта, эталонного отражателя, поверхности ввода, дна изделия;
б) эхоимпульс с выхода ППЭП с импульсной характеристикой, представленной на фиг. 2а при приёме отражённого колебания от поверхности изделия, единичного эталонного отражателя, дефекта, приведённого на фиг. 2а;
в) отражённое акустическое колебание от двух дефектов с отражательными способностями как 1 и 0,75, соответственно;
г) эхоимпульс с выхода ППЭП с импульсной характеристикой, представленной на фиг. 2а, при приёме отражённого колебания от двух дефектов, приведённого на фиг. 2в;
д) восстановленное колебание с сигналами от двух дефектов с отражательными способностями как 1 и 0,75, соответственно.
При возбуждении ИПЭП (см. фиг. 1) коротким электрическим импульсом с длительностью меньшей, чем половина периода его собственных колебаний, происходит излучение акустического колебания в среду, которое является его ИХ ИПЭП (см. фиг. 2а). Это акустическое (ультразвуковое) колебание взаимодействует с отражающими поверхностями, каковыми могут быть поверхность ввода, донная поверхность, поверхность эталонного отражателя, дефекта или дефектов и образует отражённое колебание (см. фиг. 2а, фиг. 2в). Как установил автор, отражённое от дефекта колебание является свёрткой ИХ ИПЭП и сигнала от дефекта. Если дефектов несколько, то образуется свёртка ИХ ИПЭП и суммы сигналов от дефектов с учетом временной задержки между этими дефектами (см. фиг. 2в). СД характеризует отражательную способность дефекта и через операцию свёртки воздействует на амплитуду и фазу колебания ИХ ИПЭП в зависимости от коэффициента отражения и его знака, площади отражающей поверхности.
Отражённое от дефекта или дефектов колебание (см. фиг. 1, фиг. 2а, фиг. 2в) поступает на ППЭП, который осуществляет операцию свёртки этого отражённого колебания с ИХ ППЭП в результате чего на выходе образуется эхоимпульс (см. фиг. 2б, фиг. 2г). При отсутствии дефекта эхоимпульс, например, от поверхности изделия (фиг. 1), также представляет собой свёртку импульсных характеристик ПЭП (фиг. 2б), но с максимальной амплитудой и с фазой, пропорциональной знаку коэффициента отражения от поверхности. За счёт операции свёртки в ПЭП у эхоимпульса есть достоинство - это амплитуда, которая увеличивается относительно максимума сигнала отражений от дефектов в зависимости от степени демпфирования ПЭП и достигает значения в 15 раз при минимальном демпфировании. Вопрос необходимости демпфирования ПЭП в предложенном способе не стоит остро, что удешевляет стоимость ПЭП и стоимость контроля. Однако операция свёртки приводит и к недостатку - большой длительности эхоимпульса, которую предлагается уменьшить, восстановив из эхоимпульса более короткий СД свободный от ИХ ИПЭП и ППЭП. При этом сохраняется чувствительность способа и повышается разрешение.
Восстановление из эхоимпульса более короткого СД осуществляют следующим образом:
- полученный электрический эхоимпульс (фиг. 2б или фиг. 2г) преобразуют преобразователем Фурье (фиг. 1) в комплексный спектр эхоимпульса (с дефектами);
- полученный электрический эхоимпульс от поверхности изделия или материала без дефектов, эталонного отражателя (фиг. 2б), преобразуют преобразователем Фурье в эталонный комплексный спектр эхоимпульса, при необходимости его запоминают (фиг. 1);
- затем, осуществляя обратное преобразование Фурье (фиг. 1) от отношения комплексного спектра эхоимпульса к эталонному комплексному спектру, восстанавливают сигнал с СД (фиг. 1, фиг. 2д), по которому судят о качестве материалов и изделий.
Анализ качества материала или изделия по предложенному способу проводится по колебанию, приведённому на фиг. 2д. Из фигуры 2д видно наличие двух коротких импульсов, представляющих СД и следующих отдельно друг от друга с задержкой между ними, соответствующей расстоянию между дефектами равного 7 длинам волн. Форма и длительность импульсов позволяет повысить точность определения этого расстояния. Отношение амплитуд импульсов соответствует отношению площадей дефектов, как 1 к 0,75. Высокое разрешение также позволяет оценить фазу импульсов. В данном случае, одинаковая фаза у обоих импульсов указывает на близость акустического сопротивления материала дефектов. Полярность импульсов, соответствующая знаку коэффициентов отражения от границ дефектов, позволяет оценить характер отражения - как отражение от "мягкой" границы, при котором отражение происходит от материала с меньшим акустическим сопротивлением, чем у изделия, например, таким как газ.
Анализ качества материала или изделия по способу прототипу проводится по восстановленному сигналу (фиг. 2в), представляющего собой свёртку ИХ ИПЭП с СД. По этому сигналу можно определить наличие двух дефектов, отметить превышение амплитуды от второго дефекта над амплитудой от первого дефекта, что в приведённом случае может привести к отбраковке, так как действительная площадь второго дефекта в относительных единицах 0,75, а первого 1. Оценить знак коэффициентов отражения от границ дефектов невозможно из-за наложения сигналов.
Из сказанного выше следует, что предлагаемый способ позволяет повысить разрешающую способность, то есть уменьшить (мёртвую зону), минимальную глубину прозвучивания, повысить точность определения координат дефекта, площади дефекта, материала, заполняющего объём дефекта при сохранении чувствительности. Кроме того, форма восстановленного сигнала отражений от дефектов весьма удобна для измерительных задач, связанных с измерением задержки между импульсами, например: измерение скорости звука в материалах, жидкостях, толщинометрии, измерение расхода жидкостей и др..
Осуществление изобретения.
Способ осуществляют следующим образом.
Излучающий преобразователь (на фиг. 1 обозначен как ИПЭП) с частотой 4,3 МГц без протектора возбуждают коротким электрическим импульсом генератора дефектоскопа USD-60 производства фирмы «Кропус» с длительностью в половину периода колебаний на частоте 4,29 МГц. Полученное акустическое колебание (см. фиг 2а) вводят в изделие, где оно отражается от поверхности ввода, донной поверхности, эталонного отражателя (на фиг. 1 обозначен как Д1) и поступает на тот же преобразователь или другой (на фиг. 1 обозначен как ППЭП) с импульсной характеристикой идентичной излучающему преобразователю (см. фиг 2а). Приёмный преобразователь преобразует его в эхоимпульс, приведённый на фиг. 2б, который является автосвёрткой колебания приведённого на фиг. 2а. Этот эхоимпульс, полученный с выхода дефектоскопа USD-60 в цифровой форме, подают в среду программы «Mathcad», где его преобразовывают в эталонный комплексный спектр эхоимпульса, применяя преобразование Фурье (фиг. 1). Эталонный комплексный спектр эхоимпульса при необходимости заносят в устройство памяти и далее могут использовать для преобразований. В этом случае устройство преобразования Фурье освобождается и используется для поиска дефектов.
Если в изделии имеется дефект или два близко расположенных дефекта (на фиг. 1 обозначены как Д1 и Д2), например, с отражательной способностью 1 от Д1 и 0,75 от Д2, то в этом случае свёртка СД с ИХ ИПЭП, поступающая на вход приемного преобразователя будет иметь форму, приведенную на фиг. 2а (для одиночного дефекта), на фиг. 2в (для двух дефектов), а электрический эхоимпульс на его выходе будет иметь вид, представленный на фиг. 2б и на фиг. 2г, соответственно.
Эхоимпульс от одиночного дефекта (см. фиг. 2б) или эхоимпульс от дефектов (см. фиг. 2г), полученный с выхода дефектоскопа USD-60 в цифровой форме, подают в среду программы «Mathcad», где его преобразовывают в комплексный спектр эхоимпульса, используя преобразование Фурье с учетом полосового фильтра ФП (фиг. 1).
Далее, выделяют реальную часть обратного преобразования Фурье от отношения комплексного спектра эхоимпульса к эталонному комплексному спектру, то есть восстанавливают форму (см. фиг. 1г) сигналов от дефектов, по которой судят о качестве изделия.
По измерениям (см. фиг. 2 а и д) разрешение данных сигналов, то есть разрешение метода контроля, реализованного в соответствии с заявляемым способом и измеренное по ГОСТ 23829-85 составляет К = 0,7 полупериодов колебаний на частоте преобразователя, что в 7 раз превышает разрешение метода контроля по способу-прототипу (см. фиг. 2б и фиг. 2г) и других способов аналогов.
Чтобы исключить взаимозависимость чувствительности и разрешения при сравнении методов контроля друг с другом авторы вначале фиксировали чувствительность сравниваемых методов, сделав равными амплитуды эхоимпульсов, и после этого проводили сравнение значений условной лучевой разрешающей способности метода (разрешение) по ГОСТ 23829-85.
С другой стороны, так как чувствительность и разрешение взаимозависимы, то по расчётным и экспериментальным данным близкое к этому разрешение возможно достичь, используя максимально демпфированный ПЭП, что практически нереально, и с минимальной, на уровне шумов чувствительностью.
Значение разрешающей способности для приведённого метода, реализованного в соответствии с заявляемым способом, выбранного материала и ПЭП можно определить по известным формулам. Так, например, для стали со скоростью звука с = 5000 м/с и ПЭП с центральной частотой f = 4,3 МГц это значение составит К/2*c/2f = 0,2 мм для предлагаемого способа и для прототипа 1,3 мм.
Дополнительно фиг. 2в и 2д хорошо иллюстрирует случай, когда два дефекта с близкой отражательной способностью (фиг. 2в, дефект с большей глубиной залегания имеет на 15% меньшую отражательную способность) и расположенные вблизи акустической оси преобразователя легко разрешаются (фиг. 2д) предложенным способом, хуже разрешаются при использовании прототипа (фиг. 2в), и не разрешаются при использовании способов аналогов (см. фиг. 2г). Кроме того, за счёт наложения эхоимпульсов от двух дефектов суммарная амплитуда от второго эхоимпульса не соответствует реальной (см. фиг. 2в, фиг. 2г). При принятии решения о качестве изделия, материала такое увеличение амплитуды и, соответственно, отражательной способности, связанной с площадью дефекта, может привести к перебраковке изделия, материала.
Улучшение разрешения при сохранении чувствительности позволяет повысить лучевую разрешающую способность, точность определения координат дефекта, уменьшить «мертвую» зону, получить возможность контроля тонких металлических листов.