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

I Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к акустическим методам контроля, основанным на излучении и приеме 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 приеме 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 отраженные от дефекта или от дефектов акустические колебания принимает тот же, или другой приемный 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 ее 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 и 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 существу, не по исходному сигналу отражения акустического колебания от дефекта (который является входным сигналом на ППЭП), а по сформированному и искаженному ППЭПом эхоимпульсу (выходному сигналу с ППЭП), что снижает практическую значимость этих технических решений, отрицательно сказываясь на результативности измерений и, в конечном счете, точности и достоверности контроля.
Известен способ ультразвукового контроля материалов, заключающийся в том, что ИПЭП 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 приема коротких импульсов при использовании механического демпфирования или согласующих слоев. - Дефектоскопия. 1998, №8, с. 3-12; Методы неразрушающих испытаний. Под ред. Шарпа Р. - М.: «Мир», 1972, с. 58-87].
Возбуждение коротким электрическим импульсом ИПЭП позволяет получить наиболее короткий эхоимпульс и, следовательно, высокое разрешение эхоимпульса за счет меньшего искажения ППЭПом отражений акустических колебаний от дефектов.
Однако для реализации такого способа требуется достижение наиболее короткой по длительности импульсной характеристики преобразователя. Это достигается за счет максимального демпфирования преобразователей и приводит к снижению чувствительности. Низкая чувствительность резко уменьшает диапазон контролируемых материалов и изделий.
Известен способ ультразвукового контроля материалов, заключающийся в том, что в изделие излучают акустическое колебание, принимают отражения акустических колебаний от дефектов, преобразуют полученный эхоимпульс в амплитудный спектр эхоимпульса, по результатам анализа которого судят о качестве изделия [SU 607137, МПК G01N 29/04 (2000.01), опубл. 15.05.1978].
В данном способе реализована возможность излучения акустического колебания с изменяющейся частотой в широком спектре частот, что позволяет по изменению амплитуд полупериодов эхоимпульса получить, а затем анализировать амплитудный спектр и по результатам анализа судить о качестве изделий, материалов.
Однако данный способ требует использования специализированных сильнодемпфированных преобразователей, либо преобразователей с изменяющейся толщиной или шириной, которые обладают низкой чувствительностью, что в свою очередь снижает чувствительность метода, уменьшая диапазон толщин контролируемых материалов и изделий.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ ультразвукового контроля материалов и изделий, заключающийся в том, что ИПЭП возбуждают электрическим импульсом, в изделие излучают акустическое колебание, принимают его отражения от дефектов ППЭП, преобразуют полученный от него эхоимпульс, используя, например преобразование Фурье, Гильберта в комплексный спектр эхоимпульса, из которого выделяют амплитудный и фазовый спектры и по результатам анализа которых 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, а именно: его амплитудный и фазовый спектры, которые полностью характеризуют эхоимпульс.
Недостатком известного способа, принятого за прототип, является то, что анализ контроля материалов и изделий проводится на основе анализа эхоимпульса, как сигнала на выходе ППЭП, а не на основе анализа сигнала на входе ППЭП. Этот сигнал отражений акустических колебаний от дефектов со входа ППЭП, проходя преобразователь, искажается интегральным преобразованием - сверткой, увеличивающей амплитуду и длительность, и на выходе ППЭП преобразуется в эхоимпульс. Увеличение длительности эхоимпульса ухудшает разрешение.
III Раскрытие изобретения
Задача и достигаемый при использовании изобретения технический результат - повышение разрешения акустического метода контроля при сохранении его чувствительности.
Это достигается тем, что в способе ультразвукового контроля материалов и изделий, согласно изобретению, излучающий преобразователь возбуждают коротким электрическим импульсом, в изделие излучают акустическое колебание, отражения акустических колебаний от дефектов принимают приемным преобразователем с импульсной характеристикой идентичной излучающему преобразователю, который преобразует отражения акустических колебаний в эхоимпульс, полученный эхоимпульс преобразуют в спектр эхоимпульса, из которого выделяют амплитудный и фазовый спектры, полученные амплитудный и фазовый спектры эхоимпульса преобразуют соответственно в амплитудный и фазовый спектры отражений от дефектов для создания комплексного спектра отражений от дефектов, из которого восстанавливают сигнал отражений акустических колебаний от дефектов, и по нему судят о качестве изделия.
При этом преобразование амплитудного спектра эхоимпульса в амплитудный спектр отражений осуществляется с помощью последовательно соединенных блока извлечения корня и блока полосового фильтра, а преобразование фазового спектра эхоимпульса в фазовый спектр отражений осуществляется с помощью последовательно соединенных блока полосового фильтра, блока перемножения на мнимую экспоненту и аттенюатора.
IV Краткий перечень фигур графических изображений
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 или импульсная характеристика ИПЭП, ППЭП или отраженное колебание от единичного дефекта;
б) эхоимпульс с выхода ППЭП с импульсной характеристикой, представленной на фиг. 2а, при приеме отраженного колебания от единичного дефекта, приведенного на фиг. 2а;
в) отраженное (оно же восстановленное) акустическое колебание от двух дефектов с близкой отражательной способностью;
г) эхоимпульс с выхода ППЭП с импульсной характеристикой, представленной на фиг. 2а, при приеме отраженного колебания от двух дефектов с близкой отражательной способностью, приведенного на фиг. 2в.
На фиг. 3 представлены амплитудные спектры эхоимпульса (кривая 1) и отражений (кривая 2).
На фиг. 4 приведены фазовые спектры отражений (кривая 1) и эхоимпульса (кривая 2).
На фиг. 5 представлен амплитудный спектр эхоимпульса, представленный на фиг. 2г.
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 импульсной характеристикой (фиг. 2а). Это акустическое (ультразвуковое) колебание взаимодействует с дефектом, обладающим некоей отражательной способностью, и образует отраженное от дефекта колебание, которое поступает на ППЭП, на выходе которого образуется эхоимпульс (фиг. 1 и фиг. 2б).
Авторами было установлено, что эхоимпульс, снимаемый с выводов ППЭП, является сверткой отраженного от дефекта колебания с импульсной характеристикой ППЭП. Другими словами, ППЭП является свертщиком (конвольвером). За счет операции свертки ППЭП, у эхоимпульса есть достоинство - это амплитуда, которая увеличивается относительно сигнала отражений от дефектов в зависимости от степени демпфирования ПЭП и достигает своего максимума 15 раз при минимальном демпфировании. Однако операция свертки приводит и к недостатку - большой длительности эхоимпульса, которую предлагается уменьшить, восстановив из эхоимпульса более короткий сигнал отражений акустических колебаний от дефектов. При этом сохраняется чувствительность способа и повышается разрешение.
Восстановление из эхоимпульса более короткого сигнала отражений акустических колебаний от дефектов осуществляют следующим образом:
- полученный электрический эхоимпульс (фиг. 2б или фиг. 2г) преобразуют преобразователем Фурье (фиг. 1) в спектр эхоимпульса, из которого выделяют амплитудный (фиг. 1, фиг. 3 кривая 1) и фазовый спектры (фиг. 1, фиг. 4 кривая 1);
1
- амплитудный спектр эхоимпульса преобразуют в амплитудный спектр отражений от дефектов (фиг. 3 кривая 2), используя (фиг. 1) последовательно соединенные блок извлечения корня  и блок полосового фильтра (ФП);
2
- фазовый спектр эхоимпульса преобразуют в фазовый спектр отражений от дефектов (фиг. 4 кривая 1), используя (фиг. 1) последовательно соединенные блоки полосового фильтра (ФП), перемножения на мнимую экспоненту (X) и аттенюатор (AT);
- затем, осуществляя обратное преобразование Фурье (фиг. 1) от произведения спектров отражений от дефектов, восстанавливают сигнал отражений акустических импульсов от дефектов (фиг. 1, фиг. 2а или фиг. 2в), по которому судят о качестве материалов и изделий.
Анализ качества материала или изделия по предложенному способу проводится по сигналу отражений акустических импульсов от дефектов, приведенному на фиг. 2в. Из фиг. 2в видно наличие двух следующих друг за другом импульсов с задержкой между ними, которая составляет 7 длин волн. Каждый импульс соответствует отражению от дефекта, амплитуда импульса - площади дефекта, задержка между импульсами - расстоянию между дефектами.
Анализ качества материала или изделия по способу-прототипу проводится по эхоимпульсу (фиг. 2г), его спектральным характеристикам (фиг. 4 и фиг. 5), по которым можно определить вместо двух допустимых дефектов наличие одного большого дефекта с большей площадью относительно допустимой, поскольку разрешение эхоимпульса мало для различения двух дефектов, а это в конечном итоге приводит к отбраковке изделия.
Из сказанного выше и сравнения характеристик эхоимпульса и сигнала отражений от дефектов следует, что предлагаемый способ позволяет повысить разрешающую способность, то есть уменьшить «мертвую зону», повысить точность определения координат дефекта, площадь дефекта при сохранении чувствительности. Кроме того, форма восстановленного сигнала отражений от дефектов весьма удобна для измерительных задач, связанных с измерением задержки между импульсами, например: при измерении скорости звука в материалах и жидкостях, в толщинометрии, при измерении расхода жидкостей и др.
Осуществление изобретения.
Способ осуществляют следующим образом.
Излучающий иммерсионный преобразователь (на фиг. 1 обозначен как ИПЭП) с частотой 4,3 МГц без протектора возбуждают коротким электрическим импульсом генератора дефектоскопа USD-60 с длительностью в половину периода колебаний на частоте 4,29 МГц. Полученное акустическое колебание (см. фиг 2а) вводят в изделие, где оно отражается от дефекта (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. Приемный преобразователь преобразует его в эхоимпульс, приведенный на фиг. 2б, который является сверткой колебаний, приведенных на фиг. 2а.
Если в изделии имеются два близко расположенных дефекта (на фиг. 1 обозначены как Д1 и Д2), например, с близкой отражательной способностью, то в этом случае сигнал отражений от дефектов, поступающий на вход приемного преобразователя будет иметь форму, приведенную на фиг. 2в, а электрический эхоимпульс на его выходе будет иметь вид, представленный на фиг. 2г.
Этот эхоимпульс (фиг. 2б или фиг. 2г), полученный с выхода дефектоскопа USD-60 в цифровой форме, подают в среду программы «Mathcad», где его преобразовывают в спектр эхоимпульса, используя преобразование Фурье (фиг. 1).
Затем из него выделяют амплитудный (фиг. 1, фиг. 3 кривая 1) и фазовый спектры (фиг. 1, фиг. 4 кривая 1).
1
Амплитудный спектр эхоимпульса преобразовывают в амплитудный спектр отражений от дефектов (фиг. 3 кривая 2), используя (фиг. 1) последовательно соединенные блок извлечения корня  и блок полосового фильтра (ФП), осуществляя операции извлечения корня и ограничения спектра полосой пропускания ППЭП.
2
Фазовый спектр эхоимпульса преобразовывают в фазовый спектр отражений от дефектов (фиг. 4 кривая 2), используя (фиг. 1) последовательно соединенные блок полосового фильтра (ФП), блок перемножения (X) и аттенюатор (А), осуществляя соответственно операции ограничения спектра полосой пропускания ППЭП, перемножения на мнимую экспоненту и деления результата пополам.
После произведения полученных выше спектров отражений от дефектов получают комплексный спектр отражений.
Далее выделяют реальную часть обратного преобразования Фурье из комплексного спектра отражений, то есть восстанавливают форму сигнала акустического колебания с отражениями от дефектов (фиг. 1в.), по которому судят о качестве изделия.
По измерениям (см. фиг. 2а и фиг. 2в) разрешение по сигналу отражений от дефекта, то есть разрешение метода контроля, реализованного в соответствии с заявляемым способом и измеренное по ГОСТ 23829-85, составляет К=4,5 полупериода колебаний на частоте преобразователя, что в 4,5 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 расчетным и экспериментальным данным, существует возможность достижения разрешения близкого к разрешению заявленного способа контроля, используя сильнодемпфированный преобразователь, и увеличив тем самым демпфирование преобразователя в 4,7 раз, но при этом чувствительность уменьшится в 6 раз.
Значение разрешающей способности для приведенного метода, реализованного в соответствии с заявляемым способом, выбранного материала и преобразователя можно определить по известным формулам. Так, например, для стали со скоростью звука с=5000 м/с и преобразователя с центральной частотой f=4,3 МГц это значение составит К/2*c/2f=1,3 мм для предлагаемого способа и для прототипа 5,89 мм.
Дополнительно фиг. 2в и фиг. 2г 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. 2в) предложенным способом, а при использовании прототипа, или способов аналогов - нет (см. фиг. 2г и его амплитудный спектр, представленный на фиг. 5). Кроме того, за счет наложения эхоимпульсов от двух дефектов суммарная амплитуда такого эхоимпульса выросла в 1,5 раза. 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.