СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ТРЕХМЕРНОГО ИЗДЕЛИЯ
METHOD FOR RENDERING ULTRASONIC FLAW DETECTION OF THREE-DIMENSIONAL ARTICLE

Изобретение относится к области анализа с помощью ультразвуковых волн материалов или изделий из металлов, керамики, пластмасс и может быть использовано в промышленности для контроля дефектов внутри деталей, для дефектоскопии различных материалов, а также в медицине для диагностики внутренних органов.
1
opt
Известен способ формирования акустического изображения контролируемого объекта [RU 2246723 С1, МПК7 G01N29/04, опубл. 20.02.2005], в котором возбуждают ультразвуковые колебания в контролируемом объекте передающим пьезопреобразователем с широкой диаграммой направленности излучения, принимают акустическую волну приемным преобразователем, который последовательно располагают в различных точках на поверхности контролируемого объекта, запоминают принятые сигналы и производят их обработку, заключающуюся в том, что контролируемый объект разбивают на локальные области, затем поочередно, считая каждую из локальных областей в качестве локального сосредоточенного отражающего элемента, принятые для каждого из положений приемного пьезопреобразователя эхосигналы сдвигают назад во времени на величину, равную времени распространения отраженной волны от рассматриваемой локальной области до соответствующего положения приемного пьезопреобразователя. Затем суммируют сдвинутые во времени сигналы соответственно для каждой из локальных областей. После чего для каждой из локальных областей контролируемого объекта определяют амплитуду суммарного сигнала. Причем излучение и прием акустических волн выполняют для двух частотных вариантов, в каждом из которых частоты акустических волн, используемые при ультразвуковом контроле, различны. В каждом частотном варианте для М различных предполагаемых значений скорости распространения акустической волны в материале формируют М предварительных изображений в виде значений амплитуд суммарных сигналов, соответствующих различным локальным областям контролируемого объекта. Затем проводят попарное сравнение каждой из М пар предварительных изображений, определенных в обоих частотных вариантах при одинаковых значениях предполагаемой скорости распространения М, выбирают предполагаемую скорость распространения М, при которой указанная выше пара изображений наименее отличается друг от друга, и формируют окончательное акустическое изображение контролируемого объекта в виде полусуммы этих изображений.
Недостатком этого способа является необходимость последовательного расположения в различных точках на поверхности контролируемого объекта приемного пьезопреобразователя и перестройка частотного диапазона усилителя для каждого из частотных вариантов, сложность сравнения каждой из М пар предварительных изображений.
Известен способ для визуализации ультразвуковой дефектоскопии трехмерного изделия [RU 2008120366 A, G01N29/06 (2006.01), опубл., 10.12.2009], выбранный в качестве прототипа, в котором ультразвуковые волны вводят в изделие посредством одного ультразвукового преобразователя или нескольких ультразвуковых преобразователей, и ультразвуковые волны, отраженные внутри изделия, принимают несколькими ультразвуковыми преобразователями и преобразуют в ультразвуковые сигналы, образующие основу неразрушающей визуализации ультразвуковой дефектоскопии, при которой:
а) n ультразвуковых преобразователей располагают в трехмерном распределении вокруг изделия в виде стержня, перемещаемого по производственной линии, и первый ультразвуковой преобразователь или первую группу из i ультразвуковых преобразователей активируют, чтобы реализовать акустическое облучение с образованием первого ультразвукового поля или первых i ультразвуковых полей внутри изделия бесконтактным образом или посредством иммерсионной среды взаимодействия, при этом i<n.
N ультразвуковых преобразователей расположены в равномерном пространственном распределении вокруг изделия при их линейном расположении, при этом эти ультразвуковые преобразователи разнесены один от другого на расстояние, которое превышает половину длины ультразвуковой волны.
b) Ультразвуковые волны, отраженные внутри изделия, принимают m ультразвуковыми преобразователями, расположенными в трехмерном распределении вокруг изделия, и генерируют m ультразвуковых временных сигналов, содержащих информацию о распределении амплитуды во времени. Приемные апертуры m ультразвуковых преобразователей по меньшей мере частично перекрываются одна с другой в пространственном отношении попарно между двумя соседними ультразвуковыми преобразователями.
c) m ультразвуковых временных сигналов сохраняют.
d) Другой ультразвуковой преобразователь или другую группу из i ультразвуковых преобразователей, которые отличаются от первой группы по меньшей мере одним ультразвуковым преобразователем, активируют и выполняют стадии b) и c), при этом активация, прием и сохранение соответствуют одному циклу,
e) Этап d) выполняют повторяющимся образом, при этом другой ультразвуковой преобразователь или другую группу из i ультразвуковых преобразователей выбирают соответствующим образом, а именно так, чтобы другой ультразвуковой преобразователь или другая группа из i ультразвуковых преобразователей отличались от уже выбранного ультразвукового преобразователя или от уже выбранной группы из i ультразвуковых преобразователей.
f) Объемные изображения, B-изображения, и/или A-изображения реконструируют при использовании сохраненных ультразвуковых временных сигналов, которые зарегистрированы и сохранены для последовательности нескольких циклов, при этом сумма указанных ультразвуковых временных сигналов представляет акустическое поле изделия, полученное всеми n ультразвуковыми преобразователями. Несколько B-изображений формируют и объединяют послойно для получения объемного изображения.
Таким образом, ультразвуковые преобразователи как передают, так и принимают ультразвуковые волны, причем n=m, а акустическое облучение с образованием ультразвукового поля или i ультразвуковых полей выполняют циклическим образом, и тем, что акустическое облучение выполняют в каждом цикле с разного направления в пространстве. Различие между указанными направлениями в пространстве, вдоль которых выполняется акустическое облучение в ходе цикла, для двух последовательных акустических облучений так велико, насколько это возможно.
Циклическое акустическое облучение с образованием ультразвуковых полей внутри изделия от не более, чем n ультразвуковых преобразователей выполняют за период времени, в течение которого изделие, перемещаемое в продольном направлении, рассматривается как квазистационарное.
Недостатком этого способа является его низкая разрешающая способность, определяемая шириной главного лепестка синтезированной диаграммы направленности нескольких ультразвуковых преобразователей и низкое отношение сигнал/шум.
Задачей изобретения является улучшение четкости визуализации полученного изображения контролируемого изделия за счет увеличения разрешающей способности, для раздельной визуализации нескольких рядом расположенных дефектов, а также увеличение отношения сигнал/шум.
Поставленная задача решена за счет того, что так же, как в прототипе, способ визуализации ультразвуковой дефектоскопии трехмерного изделия заключается в том, что размещают пьезопреобразователи антенной решетки на объекте контроля, причем расстояние между соседними положениями антенной решетки, при которой получают одно В-изображение, превышает половину длины ультразвуковой волны, производят циклическое ультразвуковое облучение объекта контроля поочередно каждым пьезопреобразователем антенной решетки и одновременный прием ультразвуковых волн и их преобразование в электрические сигналы всеми преобразователями антенной решетки, преобразование в цифровые коды полученных электрических сигналов, их сохранение, обработку цифровых кодов, реконструкцию изображения и его визуализацию путем объединения послойно нескольких В-изображений.
Согласно изобретению, после преобразования принятых ультразвуковых волн в электрические сигналы осуществляют их усиление и преобразование в цифровые коды, проводят когерентную обработку сохраненных цифровых кодов, при которой разбивают объект контроля на локальные области, которые рассматривают в качестве локального сосредоточенного отражающего элемента. Сохраненные цифровые коды сдвигают назад во времени на величину, равную времени распространения отраженной волны от рассматриваемой локальной области до соответствующего пьезопреобразователя антенной решетки. Затем перемножают сдвинутые во времени цифровые коды соответственно для каждой из локальных областей. Сохраняют полученные произведения цифровых кодов и используют их для реконструкции изображения и его визуализации.
За счет использования произведения сохраненных цифровых кодов при когерентной обработке сужается ширина главного лепестка синтезированной диаграммы направленности пьезопреобразователей антенной решетки. Это улучшает четкость визуализации полученного изображения контролируемого изделия за счет увеличения разрешающей способности, при которой возможна раздельная визуализация нескольких рядом расположенных дефектов, а также увеличивает отношение сигнал/шум.
На фиг.1 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ.
На фиг.2 показаны результаты визуализации ультразвуковой дефектоскопии колесной оси, где а) - полученные с использованием способа-прототипа, б) - полученные заявляемым способом; причем на а) и б) слева представлены томографические изображения продольного сечения колесной оси по диаметру, а справа - томографические изображения поперечного сечения колесной оси.
На фиг.3 представлены результаты визуализации ультразвуковой дефектоскопии двух точечных дефектов, расположенных на расстоянии 2,4 мм друг от друга, где а) - полученные с использованием способа-прототипа, б) - полученные предлагаемым способом.
Предложенный способ визуализации ультразвуковой дефектоскопии трехмерного изделия осуществлен с помощью устройства, содержащего микроконтроллер 1 (фиг.1), связанный с входом многоканального генератора 2, к выходу которого подключена антенная решетка 3, которая связана с первым входом многоканального усилителя 4, второй вход которого соединен с микроконтроллером 1. Выход многоканального усилителя 4 подключен к многоканальному аналого-цифровому преобразователю 5 (многоканальный АЦП), выход которого соединен с первым входом первого оперативного запоминающего устройства 6 (ОЗУ1), выход которого соединен с входом блока умножения 7, выход которого подключен к входу второго оперативного запоминающего устройства 8 (ОЗУ2), выход которого связан с микроконтроллером 1, который связан с блоком управления 9, выход которого связан со вторым входом первого оперативного запоминающего устройства 6 (ОЗУ1). Блок индикации 10 связан с микроконтроллером 1, который подключен к персональному компьютеру 11.
Микроконтроллер 1 может быть выбран любым, например, ATMEGA64, фирмы ATMEL. Многоканальный генератор 2 может быть выполнен на микросхемах, имеющих импульсный ток коллектора не менее 2А и выходное напряжение 90 В, например, STHV748. Антенная решетка 3 является набором 16 или более пьезопреобразователей, располагаемых линейно или матрично, например, OLYMPUS 2L16-A1. Многоканальный усилитель 4 с многоканальным аналого-цифровым преобразователем 5 выполнен по типовой схеме, например, на микросхемах AD9272. Первое оперативное запоминающее устройство 6 (ОЗУ1), объемом не менее 64 Кб, выполнено совместно с блоком управления 9, например, на микросхемах IDT72V293. Блок умножения 7 может быть выполнен на микросхемах ПЛИС, например, XILINX SPARTAN-3 XC3S1000-4FG676. Блок индикации 10 может быть выполнен на матричной панели или на мониторе персонального компьютера, например, BENQ G2320HDB. Второе оперативное запоминающее устройство 8 (ОЗУ2), объемом не менее 100 МГб, может быть выполнено, например, на модулях памяти, используемых в персональных компьютерах, 1ГБ DDR SDRAM PC3200, 400МГц. Персональный компьютер может быть любым, например, Acer "Revo RL70".
При контроле колесной оси размещали на ее торце антенную решетку 3, содержащую 32 пьезопреобразователя, расположенных матрично. После выдачи разрешения микроконтроллера 1 на работу блока управления 9 первого запоминающего устройства 6 (ОЗУ1) и многоканального генератора 2 многоканальный генератор 2 поочередно формировал импульсы возбуждения для каждого пьезопреобразователя антенной решетки 3. Пьезопреобразователи антенной решетки 3 поочередно излучали ультразвуковые волны в колесную ось, а прием ультразвуковых волн и их преобразование в электрические сигналы осуществляли одновременно всеми преобразователями антенной решетки 3. Причем поочередное излучение осуществлялось циклически. Полученные электрические сигналы усиливали многоканальным усилителем 4, преобразовывали в цифровые коды в многоканальном аналого-цифровом преобразователе 5 и сохраняли в первом оперативном запоминающем устройстве 6 (ОЗУ1). Данные из первого оперативного запоминающего устройства 6 (ОЗУ1) подвергали когерентной обработке в блоке умножения 7, которая заключалась в следующем: разбивали колесную ось на локальные области, которые рассматривали в качестве локального сосредоточенного отражающего элемента (6489600 при следующих размерах объекта контроля: длина - 900 мм, диаметр - 156 мм), и сохраненные цифровые коды сдвигали назад во времени на величину, равную времени распространения отраженной волны от рассматриваемой локальной области колесной оси до соответствующего пьезопреобразователя антенной решетки 3 [Й. Й. Крауткремер, "Ультразвуковой контроль материалов: справочное издание", М., "МЕТАЛЛУРГИЯ", 1991, 753 с.].
Время распространения ультразвуковой волны до каждой локальной области определяли из выражения:
<mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>d</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>C</mi><mrow><msqrt><mrow><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>x</mi><mi>d</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>y</mi><mi>i</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>y</mi><mi>d</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
, (1)
где i - номер локальной области;
<mrow><msub><mi>x</mi><mi>i</mi></msub><mo>,</mo><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>y</mi><mi>i</mi></msub></mrow>
- координаты i-й локальной области;
<mrow><msub><mi>x</mi><mi>d</mi></msub><mo>,</mo><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext></mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><msub><mi>y</mi><mi>d</mi></msub></mrow>
- координаты преобразователя с номером d;
С - скорость распространения ультразвуковой волны.
Расчет времени распространения ультразвуковой волны до каждой локальной области осуществлялся заранее на персональном компьютере в соответствии с параметрами антенной решетки и объекта контроля. Полученные данные использовались в блоке умножения 7.
Затем перемножали цифровые коды, сдвинутые во времени соответственно для каждой из локальных областей:
<mrow><msub><mi>A</mi><mrow><mi>р</mi><mi>е</mi><mi>з</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∏</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>0,</mn></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>d</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow></mtd></mtr></mtable><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mrow><mi>n</mi><mo>,</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>n</mi></mtd></mtr></mtable></munderover><mrow><mi>A</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>d</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mstyle></mrow>
, (2)
<mrow><mi>A</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>i</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>d</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где
- цифровой код электрического сигнала, соответствующий рассчитанному времени по формуле (1);
n - количество преобразователей в антенной решетке.
Полученные данные для каждой локальной области сохраняли во втором оперативном запоминающем устройстве 8 (ОЗУ2) и через микроконтроллер 1 передавали в блок индикации 10 для отображения или в персональный компьютер 11. Реконструкция изображения и его визуализация осуществлялась путем объединения послойно нескольких В-изображений.
Сравнение результатов визуализации ультразвуковой дефектоскопии колесной оси, полученных с использованием способа-прототипа, показанного на фиг.2 а) и предлагаемого способа показывают, что при использовании заявляемого способа для визуализации ультразвуковой дефектоскопии трехмерного изделия увеличилось отношение сигнал/шум, что показано на фиг.2 б).
Сравнение результатов визуализации ультразвуковой дефектоскопии двух точечных дефектов колесной оси, расположенных на расстоянии 2,4 мм друг от друга, полученных с использованием способа-прототипа и предлагаемого способа, показывает, что при использовании способа-прототипа нельзя различить два дефекта раздельно (фиг.3 а)), а предлагаемый способ позволяет их видеть раздельно (фиг.2 б)), следовательно увеличилась разрешающая способность.