Способ определения типа отражателя по амплитуде рассеянных им ультразвуковых импульсов
METHOD FOR DETERMINING THE TYPE OF REFLECTOR BASED ON THE AMPLITUDE OF THE ULTRASONIC PULSES SCATTERED THEREBY

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля.
Известен способ определения типа отражателей по высококачественному изображению, восстановленному методом комбинационного SAFT (C-SAFT) с учетом отражения импульсов от границ объекта контроля (Базулин Е.Г. Определение типа отражателя по изображению, восстановленному по эхосигналам, измеренным ультразвуковыми антенными решетками // Дефектоскопия. 2014. №3. С. 12-22).
Недостатком способа является обязательная регистрации эхосигналов, отраженных от дна известной формы. Если форма дна объекта контроля неизвестно или дно изъязвлено, то использование эхосигналов, отраженных от дна становится невозможным.
Известен способ определения типа отражателей с использованием акустического коэффициента формы (Щербинский В.Г., Белый В.Е. Новый информационный признак характера дефектов при ультразвуковом контроле // Дефектоскопия. 1975. №3. С. 27-37).
Недостатком способа является необходимость сделать предположение, не всегда обоснованное, что два эхосигнала рассеяны одним и тем же отражателем.
Известен способ определения типа отражателей с использованием амплитуды эхосигнала полученного специальным преобразователем при преобразовании типа волны при отражении от отражателя (Цомук С.Р. Экспериментальное исследование отношения амплитуд волн различного типа как идентификационного признака дефекта // Сб. трудов XI Всесоюзной научно-технической конференции по неразрушающим физическим методом и средствам контроля. 1978. Том. 1, с. 134).
Недостатком способа является его низкая чувствительность, необходимость разработки и изготовления специализированных двухэлементных преобразователей.
Наиболее близким, принятым за прототип, является способ определения типа отражателей по высококачественному изображению, восстановленному методом комбинационного SAFT (C-SAFT) с учетом отражения импульсов от границ объекта контроля.
Предложен способ определения типа отражателя (объемный или плоскостной), заключающийся в том, что антенной решеткой, установленной на призму, регистрируются эхосигналы, рассеянные отражателем, в режиме двойного сканирования, по которым методом комбинационного SAFT восстанавливается изображение отражателя по акустической схеме в предположении излучения и приема продольной или поперечной волны,
отличающийся тем, что по тем же эхосигналами дополнительно восстанавливаются еще два изображения по акустической схеме при излучении и приеме поперечной или продольной волны и по акустической схеме при излучении продольной волны и приеме поперечной волны, и, если амплитуда блика отражателя на изображении, восстановленном при преобразовании типа волны меньше 0.1 половины суммы амплитуд бликов двух изображений, восстановленных без преобразования типа волны, то делается вывод, что отражатель объемный, в противном случае отражатель считается плоскостным.
Предлагаемый способ позволяет решить задачу определения типа отражателя с использованием трех его изображений, восстановленных методом C-SAFT по одному набору эхосигналов, измеренному в режиме двойного сканирования.
Для излучения и регистрации эхосигналов в режиме двойного сканирования [1], рассеянных отражателем, используется антенная решетка, установленная на призму. Предлагаемый способ определения типа отражателя основан на разном поведении коэффициента рассеяния разных типов волн на объемных и плоскостных отражателях.
Для расчета поля, рассеянного цилиндром с мягкой границей, при падении плоской гармонической волны, можно воспользоваться точными формулам [1]. На Фиг. 1 показаны значения коэффициентов рассеивания на отверстии бокового сверления диаметром 1 мм в стальном образце при падении импульса с центральной частотой 5 МГц. Прямоугольником с красной полупрозрачной заливкой показаны области, соответствующие рассеянию в направлении обратном направлению падающей плоской волны. Видно, что при рассеянии продольной волны в продольную (LdL), и при рассеянии поперечной волны в поперечную (TdT), значения индикатрисы рассеяния принимают значения больше 0.5. Но при рассеянии продольной волны в поперечную (LdT) значения индикатрисы рассеяния меньше 0,15 в диапазоне углов ±10 градусов в обратном направлении. Подобная картина наблюдается и при рассеянии поперечной волны в продольную (TdL).
В работах [2, 3]приведены выражения для расчета в рамках теории геометрической дифракции плоской волны на крае полубесконечной трещины. На Фиг. 2 показаны значения коэффициентов рассеивания на краю трещины в стальном образце при падении плоской волны с частотой 5 МГц в направлении обратном направлению падения плоской волны в диапазоне углов ±10 градусов. Показаны результаты расчетов для углов падения к плоскости трещины 65, 70, 75 и 80 градусов. Это соответствует рассеянию на верхнем крае трещины. Видно, что для всех типов рассеяния (LdL, LdT и TdT) для углов падения 65, 70, 75 градусов коэффициенты рассеяния отличаются друг от друга примерно в два раза. Но при увеличении угла падения до 80 градусов коэффициент рассеивания без трансформации типа волны (LdL и TdT) уже может на порядок превышать амплитуду рассеянного поля при смене типа волны (LdT). Такая ситуация соответствует значительному удалению антенной решетки от отражателя (Фиг. 4). Подобная картина наблюдается и при рассеянии поперечной волны в продольную (акустическая схема TdL).
x
x
w
w
Для проверки предложенного способа определения типа отражателя использовались эхосигналы, рассчитанные программой CIVA [4] по теории лучевых трубок в твердом теле. Полагалось, что эхосигналы регистрируются в режиме двойного сканирования с помощью антенной решетки (5 МГц, 32 элемента размерами 0,55×10 мм, зазор между краями элементов 0,05 мм) установленной, либо на рексолитовую 35-градусную призму, либо на плексигласовую 20-градусную призму. Расчет поля проходил в 5 точках  по передней грани призмы с координатами -50, -40, -30, -20 и -10 мм. На Фиг. 3 призма показана в самой удаленной точке =-50 мм. Рассчитывались эхосигналы, рассеянные, трещиной высотой 10 мм с центром в точке (0, 30) мм (на Фиг. 3 показана толстой линией черного цвета) и эхосигналы, рассеянные двумя боковыми отверстиями диаметром 1 мм с центром в точках (0, 25) и (0, 35) мм. Центры отверстий имеют такие же координаты, что и края трещины. На фигуре  схематически показан вариант рассеяния плоской волны на верхнем крае трещины по схеме LdT с преобразованием типа волны. Зеленым цветом обозначаются лучи на продольной волне, а красным на поперечной.
По рассчитанным эхосигналам методом C-SAFT [1] восстанавливались изображения трещины по трем акустическим схемам LdL, LdT и TdT. На Фиг. 4 показаны изображения трещины полученные с использованием 35-градусной рексолитовой призмы при расположении ее в точке -30 мм. Краям трещины, которая показана на фигурах линией черного цвета, соответствуют блики, восстановленные по импульсам, дифрагированных на ее краях (окружности красного цвета на Фиг. 3). Об амплитуде бликов можно судить по цветовой шкале справа от каждой фигуры. На изображении, полученном по акустической схеме TdT, как будто бы видны диффузные блики поверхности трещины. Их появление объясняется использованием для расчета эхосигналов приближения Кирхгофа. При наличии шума присутствующего при измерении экспериментальных эхосигналов блики малой амплитуды могут быть незаметны на фоне помехи. Строго говоря, утверждать, что обнаружена трещина нельзя, так как эти блики могут быть сформированы двумя объемными отражателями расположенных в местах, совпадающих с краями трещины.
На Фиг. 5 показаны изображения двух отверстий бокового сверления диаметром 1 мм полученные с использованием 35-градусной рексолитовой призмы при расположении ее в точке -30 мм. Видно, что границе отверстий (отображены на фигурах окружностями черного цвета) советуют блики, об амплитуде которых можно судить по цветовой шкале справа от каждой фигуры. На изображениях, кроме бликов границ отверстий видны блики, сформированные эхосигналами обегания/соскальзывания разной природы. Теоретически их можно рассматривать как косвенные признаки наличия объемного отражателя, но при анализе реальных изображений эти блики могут быть незаметны на фоне помехи, и их будет сложно однозначно связать с бликом границы отверстия. Как и при анализе изображений на Фиг. 4, уверено утверждать, что обнаружены два объемных отражателя невозможно.
Изображения подобные тем, что на Фиг. 4 и Фиг. 5 получаются и при использовании 20-и градусной плексигласовой призмы и поэтому здесь не приводятся. Но и по ним так же невозможно уверено определить тип отражателя.
Способ определения типа отражателя заключается в следующем. По единожды измеренному набору эхосигналов, измеренных в режиме двойного сканирования, методом C-SAFT восстанавливаются три изображения отражателя по акустическим схемам LdL, LdT и TdT для определения амплитуды их бликов. Если обозначить через , и  амплитуды бликов одного отражателя на изображениях разных акустических схем, то можно ввести коэффициент
,
h
x
w
Если  меньше некоторого уровня  и стремится к нулю, то можно утверждать, что обнаружен отражатель объемного типа. Если  будет больше уровня , то можно утверждать, что обнаруженный отражатель плоскостной. Для этого нужно определить уровень , который, строго говоря, является функцией глубины  залегания отражателя и координат призмы .
На Фиг. 6 показано значение коэффициента  при расчете его для бликов верхнего и нижнего краев трещины для пяти положений рексолитовой 35-градусной рексолитовой призмы. Видно, что за исключением двух точек для нижнего края трещины коэффициент  больше 0,1. Появление этих двух точек объясняется комментарием к Фиг. 2.
На Фиг. 7 показано значение коэффициента  при расчете его для бликов верхнего и нижнего краев трещины для пяти положений 20-градусной плексигласовой призмы. Видно, что за исключением одной для нижнего края трещины коэффициент  больше 0,1.
На Фиг. 6 показано значение коэффициента  при расчете его для бликов двух отверстий бокового сверления для пяти положений 35-градусной рексолитовой призмы. Видно, что для всех положений призмы коэффициент  меньше 0.1.
На Фиг. 7 показано значение коэффициента  бликов верхнего и нижнего краев трещины для пяти положений рексолитовой 20-градусной плексигласовой призмы. Видно, что для всех положений призмы коэффициент  меньше 0.1.
x
w
Анализ графиков на Фиг. 6, Фиг. 7, Фиг. 8 и Фиг. 9 позволяет сделать вывод, что для объемных отражателей , а для плоскостных отражателей , то есть . Это утверждение справедливо при размещении призмы на расстояиниях  больше чем -40 мм.
Модельные эксперименты проводились с использованием ЦФА-дефектоскопа АВГУР-АРТ, разработанного и изготовляемого в «Научно-производственном центре «ЭХО+» [5]. Эхосигналы регистрировались антенной решеткой (5 МГц, 32 элемента, ширина пьезоэлемента 0,55×10 мм, зазор 0,05 мм) установленной на рексолитовую 35-градусную призму.
Измерения проводились на образце, с моделью трещины высотой 5 мм на глубине примерно 20 мм (Фиг. 10). Образец изготавливался следующим образом: в стальной заготовке просверливалось боковое отверстие, далее она нагревалась до 1000 градусов, и помещалась в пресс для схлопывания отверстия в модель трещины. Из полученной заготовки изготавливался прямоугольный образец.
На Фиг. 11 показаны изображения трещины высотой 5 мм по трем акустическим схемам LdL, LdT и TdT восстановленные методом C-SAFT. Как и на изображениях на Фиг. 4, блики краев трещин на всех трех изображениях хорошо заметны и находятся в одном месте. Так как при восстановлении изображения изменялся только признак акустической схемы, то изображения на Фиг. 11 дают представление об амплитуде бликов. Коэффициент  для блика нижней границы трещины равен примерно 0,32, что позволяет сделать заключение, что обнаружен плоскостной отражатель. Для блика верхней границы коэффициент  больше 0,5.
Измерения проводились на образце (Фиг. 12), с двумя отверстиями бокового сверления диаметром 2 мм на глубинах 13 и 18 мм.
На Фиг. 13 показаны изображения двух отверстий бокового сверления №1 и №2 диаметром 2 мм по трем акустическим схемам LdL, LdT и TdT. Как и на Фиг. 5, амплитуда бликов границ отверстий на изображениях, восстановленных по акустическим схемам LdL и TdT, на порядок больше амплитуды бликов изображения, восстановленного по акустической схеме LdT. Коэффициент  для блика отверстия №2 равен примерно 0,1. Это позволяет предположить, что тип обнаруженного отражателя объемный.
Таким образом, предлагаемый способ определения типа отражателя с помощью значения коэффициента  и уровня  позволяет сделать обоснованный вывод о типе обнаруженного отражателя. Конкретное значение  должно определяться методикой контроля заданного объекта.
Источники информации
1. Голубев А.С. Отражение плоских волн от цилиндрического дефекта // Акустический журнал. 1961. Т. VII, №2. С. 174-180.
2. Achenbach J.D., Gautesen A.K., McMaken H. Ray Methods For Waves In Elastic Solids: With Applications To Scattering. Boston/London/Melbourne : Pitman Advanced Publishing Program, 1982.
3. Djakou A.K., Darmon M., Fradkin L.J., Chatillon S. A system model for ultrasonic NDT based on the Physical Theory of Diffraction (PTD) // DOI: 10.1016/j.ultras.2015.08.006.
4. Официальный сайт фирмы EXTENDE. URL: http://www.extende.com/ (дата обращения: 20. 04.2020).
5. Официальный сайт фирмы «ЭХО+» URL: http://www.echoplus.ru (дата обращения: 20.04.2020).