УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКУСТИКО-ЭМИССИОННОГО КОНТРОЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR ACOUSTIC-EMISSION CONTROL OVER COMPOSITE MATERIALS

Изобретение относится к средствам неразрушающего контроля строительных материалов, в частности к средствам неразрушающего контроля, основанным на анализе сигналов акустической эмиссии.
Областью применения изобретения является обнаружение изменений внутренней структуры строительных материалов, в частности - изменений внутренней структуры наномодифицированных и наноструктурированных строительных композитов.
Выделение информативных сигналов акустической эмиссии на фоне посторонних помех является одной из наиболее сложных задач, решение которой затрудняется наличием на входе электронного тракта регистрирующих устройств помех различного рода (акустических помех от соударений и трения в узлах испытательного оборудования, электромагнитных помех и т.д.). Решение этой задачи особенно важно для контроля качества ответственных изделий, изготовленных из наномодифицированных и наноструктурированных композиционных строительных материалов. Контроль качества обычно выполняется для образцов заданной формы и не требует локации дефектов.
Известен способ акустико-эмиссионного контроля (патент РФ 2379677 «Способ акустико-эмиссионного контроля качества сварного шва в процессе сварки и устройство для его осуществления»), в соответствии с которым осуществляют прием возникающих в зоне сварки акустических сигналов смещенными друг относительно друга и относительно сварного шва К широкополосными акустическими преобразователями, регистрируют непрерывные сигналы, усредняют их амплитуду на заданном интервале времени и по ее значению регулируют порог селекции канала преобразования информации. Недостатком известного способа применительно к решаемой задаче является необходимость использования К широкополосных акустических преобразователей, а также сложность выполнения обратной коррекции АРУ в аналоговой части электронного тракта (учет коэффициента усиления аналоговой части целесообразно совмещать с постобработкой сигнала в цифровом тракте).
Известно устройство неразрушающего контроля материалов (патент США 4738137 «Acoustic emission frequency discrimination»), включающее один первичный датчик импульсов акустической эмиссии и три электронных тракта, причем первый тракт содержит узкополосный усилитель (полоса 80…160 кГц), пороговый детектор и счетчик событий акустической эмиссии; второй и третий тракты включают общий широкополосный усилитель (50…1000 кГц), второй тракт включает ФНЧ и генератор блокирующих импульсов, запускаемый акустическим сигналом в полосе частот 80…160 кГц, третий тракт включает ФВЧ и генератор блокирующих импульсов, запускаемый акустическим сигналом в полосе частот 325…360 кГц, причем импульсы генераторов второго и третьего трактов управляют логической цепью, отбрасывающей сигнал первого тракта тогда и только тогда, когда прием импульса акустической эмиссии сопровождается импульсами генераторов второго и третьего трактов. Применительно к решаемой задаче недостатками известного устройства являются: необходимость применения трех электроакустических трактов и отдельной логической схемы, выполняющей частотную дискриминацию сигнала; необходимость применения широкополосного (неселективного) приемного преобразователя акустической эмиссии, АЧХ которого достаточно равномерна в полосе 50…1000 кГц и, как следствие, сильная зависимость параметров устройства от АЧХ единственного приемного преобразователя.
Функционально близким (в части наличия детектора огибающей) является устройство (патент США 4884449 «Apparatus for detecting a failure in bearings»), включающее приемный преобразователь, предварительный усилитель, полосовой фильтр (100…500 кГц), детектор для выделения огибающей и пороговый детектор. Применительно к решаемой задаче недостатками устройства являются: высокое значение нижней частоты среза полосового фильтра, фиксированное значение коэффициента усиления аналогового тракта (как следствие - потеря возможности расширения динамического диапазона), а также наличие в аналоговой части электронного тракта элементов, без необходимости усложняющих аналоговую часть и увеличивающих стоимость устройства. Особенности схемотехнической и программно-алгоритмической реализации цифрового тракта в источнике с достаточной полнотой не оговариваются.
Функционально близкими (в части метода селекции информативного сигнала акустической эмиссии) являются устройство и метод (пат. США 5557969 «Apparatus and method for detection ultrasonic waves propagated from withing a selected distance») регистрации акустической эмиссии, при этом устройство включает низкочастотный и высокочастотный каналы, а метод состоит в вычислении частного от деления сигнала высокочастотного канала на сигнал низкочастотного, причем сигнал классифицируется как информативный в том случае, если указанное отношение превышает заранее заданный уровень. Недостатком метода является ложная классификация сигнала как полезного при малом уровне сигнала низкочастотного тракта (который может быть обусловлен нарушением акустического и/или электрического контакта или иными неисправностями низкочастотного тракта).
Наиболее близким по технической сущности является устройство (патент РФ 2207561 «Устройство для акустико-эмиссионного контроля строительных материалов»), включающее два разнесенных в пространстве контролируемого объекта идентичных резонансных первичных пьезоэлектрических датчика на основе керамики ЦТС-19 и два электроакустических тракта, содержащех в каждом тракте предварительный усилитель с коэффициентом усиления 40 дБ, полосовой фильтр, усилитель и детектор, причем выходы детекторов каждого электроакустического тракта соединены с линейными входами 16-разрядного аналого-цифрового преобразователя, работающего на частоте 44,1 кГц, а сигналы с аналого-цифрового преобразователя принимаются как несущие информацию об акустическом событии тогда и только тогда, когда разность их уровней по абсолютной величине не превышает некоторого заранее установленного порогового уровня, причем дискриминация сигналов осуществляется программно ПЭВМ. Особенности схемотехнической и программно-алгоритмической реализации цифрового тракта в источнике также не раскрываются в достаточной полноте.
Известному устройству присущи недостатки:
1. В электронном тракте используется АЦП со сравнительно низкой частотой дискретизации, ненормированным отношением сигнал/шум и ненормированной неравномерностью АЧХ. Это затрудняет количественный анализ регистрируемой информации.
2. Фиксированное значение коэффициента усиления аналоговой части сужает динамический диапазон регистрируемых сигналов.
3. Использование идентичных приемных преобразователей и электроакустических трактов затрудняет селекцию информативных сигналов. Селекция возможна при возникновении помехи только в одном из трактов, в то время как помеха, возникшая в трактах одновременно, будет классифицирована как информативный сигнал. Это снижает помехозащищенность устройства.
Целью изобретения является увеличение помехозащищенности и расширение динамического диапазона устройства акустико-эмиссионного контроля композиционных материалов, предназначенного для регистрации сигналов акустической эмиссии в полосе частот 20…200 кГц, возникающих в композиционных материалах на стадии структурообразования и при механических испытаниях.
Поставленная цель достигается тем, что устройство акустико-эмиссионного контроля композиционных материалов (рис.1), содержащее два электроакустических тракта, включающих приемный преобразователь, предварительный усилитель с коэффициентом усиления 40 дБ, фильтр, основной усилитель, в первом электроакустическом тракте содержит приемный преобразователь с резонансной частотой 100…200 кГц, полосовой фильтр с полосой пропускания 20…200 кГц и подавлением вне полосы 40 дБ, основной усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 20…60 дБ, детектор огибающей и АЦП, во втором электроакустическом тракте содержит приемный преобразователь с резонансной частотой 20…50 кГц фильтр нижних частот с частотой среза 20 кГц и подавлением верхних частот 40 дБ, основной усилитель с коэффициентом усиления 20 дБ, детектор огибающей и АЦП, причем выход детектора огибающей первого канала и выход основного усилителя второго канала подключены к АЦП дискретного звукового адаптера с частотой дискретизации 192 кГц, нормируемым отношением сигнал/шум и нормируемой неравномерностью АЧХ, а ЦАП интегрированного на системной плате ПЭВМ звукового адаптера используется для генерации меандра переменной амплитуды, используемого в цепи регулировки коэффициента усиления усилителя первого канала, при этом сигналы с аналого-цифрового преобразователя первого канала принимаются как несущие информацию об акустическом событии тогда и только тогда, когда разность уровней сигналов первого и второго каналов по абсолютной величине превышает некоторое заранее установленное пороговое значение, причем дискриминация сигналов и выбор значения коэффициента усиления осуществляются управляющей программой.
Отличительными признаками предлагаемого технического решения являются:
- использование двух различных электроакустических трактов: высокочастотного (полоса 20…200 кГц) и низкочастотного (полоса до 20 кГц);
- использование сигнала низкочастотного тракта для селекции информативного сигнала и помех;
- использование в высокочастотном тракте основного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления.
Классификация сигнала низкочастотного тракта как сигнала помехи позволяет увеличить помехозащищенность устройства.
Использование в высокочастотном тракте основного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления позволяет расширить динамический диапазон устройства.
Использование двух электроакустических трактов позволяет применить АЦП, входящие в состав двухканальных дискретных звуковых адаптеров, выпускаемых серийно.
Рис.1. Функциональная схема устройства для акустико-эмиссионного контроля композиционных материалов:
1 - приемный преобразователь первого канала;
2 - предварительный усилитель первого канала;
3 - полосовой фильтр;
4 - основной усилитель (с переменным коэффициентом усиления) первого канала;
5 - ЦАП, управляющий коэффициентом усиления основного усилителя первого канала;
6 - детектор, выделяющий огибающую информативного сигнала акустической эмиссии;
7 - приемный преобразователь второго канала;
8 - предварительный усилитель второго канала;
9 - фильтр нижних частот;
10 - основной усилитель второго канала;
11 - АЦП первого и второго каналов, конструктивно объединенные на дискретном звуковом адаптере.