авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

«МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

СИНИЦЫН Алексей Алексеевич

РАЗРАБОТКА

И СОЗДАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ

НИЗКОЧАСТОТНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ МОЗАИЧНЫХ

РАЗДЕЛЬНО-СОВМЕЩЁННЫХ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

С ОГРАНИЧЕННОЙ АПЕРТУРОЙ

Специальность 05.11.13 – Приборы и методы контроля природной

среды, веществ, материалов и изделий

ДИССЕРТАЦИЯ

На соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель д.т.н., проф. Соколов И.В.

Москва, 2013 год ОГЛАВЛЕНИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ........................................................... 4 ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................ Актуальность темы..................................................................................... Цель работы................................................................................................. Научная новизна.......................................................................................... Практическая значимость и внедрение результатов работы.................. Результаты исследований были использованы при выполнении:......... Основные положения, выносимые на защиту:...................................... Апробация работы.................................................................................... Объем и структура работы....................................................................... 1. ПРОБЛЕМЫ УЗ КОНТРОЛЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ СЛОЖНОСТРКУТУРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ БЕТОНА.................................... 1.1. Проблема обнаружения эхо-сигналов, замаскированных белым шумом.................................................................................................................. 1.2. Проблема обнаружения УЗ эхо-сигналов на фоне сигнала структурного шума............................................................................................ 1.3. Особенности УЗ низкочастотного контроля................................... 1.4. Современное состояние проблемы по разработке ультразвуковых низкочастотных широкополосных пьезопреобразователей.......................... 1.5. Особенности работы раздельно-совмещенных НЧ преобразователей в составе УЗ толщиномеров.............................................. 1.6. Выводы по разделу 1......................................................................... 2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ СОЗДАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ЗАДАННЫМИ ЧАСТОТНЫМИ И ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ....................................................................................... 2.1. Выбор параметров УЗ низкочастотного широкополосного ПЭП для контроля сложноструктурных изделий из бетона при ограниченной площади контакта преобразователя с изделием.

............................................ 2.2. Способы и возможности оценки пространственных свойств ультразвуковых широкополосных низкочастотных преобразователей....... 2.3. Интегральные способы представления пространственных характеристик УЗ широкополосных низкочастотных преобразователей.... 2.4. Использование пространственных характеристик для создания УЗ мозаичных широкополосных ПЭП с максимально равномерным акустическим полем........................................................................................... 2.5. Выводы по разделу 2......................................................................... 3. МОЗАИЧНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ОГРАНИЧЕННОЙ АПЕРТУРОЙ........... 3.1. Методология и технология проектирования и изготовления УЗ широкополосных мозаичных ПЭП на основе использования разновысоких стержневых ПЭ с продольным пьезоэффектом.............................................. 3.2. Конструирование и изготовление низкочастотных раздельно совмещенных широкополосных мозаичных ПЭП с ограниченной апертурой. Технологические пути решения проблемы минимизации амплитуды сигнала электроакустической наводки........................................ 3.3. Алгоритмический метод компенсации сигнала электроакустической наводки и сигнала собственных реверберационных шумов.................................................................................................................. 3.4. Выводы по разделу 3......................................................................... 4. КОМПОЗИТНО-МОЗАИЧНЫЙ ПЭП................................................... 4.1. Предпосылки создания многоканального композитно-мозаичного ПЭП..................................................................................................................... 4.2. Моделирование работы композитно-мозаичного ПЭП................. 4.3 Пространственно-временные алгоритмы......................................... 4.4 КМПЭП на базе 12 элементного преобразователя с СТК.............. 4.5 Экспериментальная установка и результаты практического испытания многоканального преобразователя на базе ПЭП с СТК............. 4.6 Композитно-мозаичный пьезоэлектрический преобразователь.... 4.7. Сравнительные результаты применения предложенных алгоритмов, зарегистрированных КМПЭП и АР с СТК.............................. 4.8. Сравнительные результаты применения предложенных алгоритмов в отношении полезный сигнал/структурный шум для КМПЭП.

............................................................................................................................ 4.9. Применение КМПЭП для толщинометрии изделий из бетона с неплоскопараллельными поверхностями...................................................... 4.10 Выводы к разделу 4......................................................................... 5. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ЭЛАСТИЧНЫХ ПРОТЕКТОРОВ УЗ ПЭП ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ С НЕРОВНОЙ И ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ......................................................... 5.1. Проблемы акустического контакта УЗ ПЭП с контролируемым изделием............................................................................................................ 5.2. Разработка эластичных протекторов из силиконовых каучуков. 5.3. Выводы по разделу 5....................................................................... ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................................. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................. ПРИЛОЖЕНИЕ............................................................................................ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ АКФ – автокорреляционная функция;

АЧХ – амплитудно-частотная характеристика;

Б - база сигнала БШ- белый шум;

ВКФ – взаимно-корреляционная функция;

ВЧ – высокая частота, высокочастотный;

ДН – диаграмма направленности;

ИП – излучающий преобразователь;

КДН – корреляционная диаграмма направленности;

КРП – корреляционное распределение поля;

ЧМ -частотно-модулированный сигнал ЛЧМ – линейно-частотно-модулированный сигнал;

НК – неразрушающий контроль;

НЧ – низкая частота, низкочастотный;

ОСП – осесимметричный преобразователь;

ОФ – оптимальный фильтр;

ПВОС – пространственно-временная обработка сигналов;

ПВХ – пространственно-временная характеристика;

ПП – приёмный преобразователь;

ПЭП – пьезоэлектрический преобразователь;

РС - раздельно-совмещенный (преобразователь) СВП – сферически вогнутый преобразователь;

СД – синхронный детектор;

СМ – сложномодулированный (сигнал);

СТК - сухой точечный контакт;

СШ – структурный шум;

С/Ш – отношение сигнал/шум С/СШ – отношение сигнал/структурный шум УЗ – ультразвук;

ФМ – фазоманипулированный сигнал;

ЭАН – электроакустическая наводка;

ЭАТ – электро-акустический тракт;

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы.

Существует ряд строительно-эксплуатационных задач, применяющих ультразвуковые (УЗ) эхо-методы измерения толщины крупногабаритных строительных бетонных конструкций и в которых желательно производить измерения с применением "сухого" контакта пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) с поверхностью контролируемого изделия, а для выполнения измерений доступным оказывается ограниченный участок поверхности, или, более того, измерения необходимо производить изнутри технологических отверстий (рис.В.1). При этом измеряемая толщина, как правило, не превышает 500 мм, поперечный размер доступной для контакта поверхности не более 150 мм, а диаметр технологических отверстий 50 100 мм. Погрешность измерений в большинстве случаев должна быть не хуже 5 – 7 % от измеряемой толщины.

Эти условия определяют совокупность противоречивых требований, предъявляемых к УЗ ПЭП:

1. Большое частотно зависимое затухание УЗ сигналов в сложноструктурном бетоне определяет низкую частоту f0 УЗ контроля, лежащую в диапазоне частот от 50 до 150 кГц. Высокая точность измерений Рис.В.1. Измерение толщины толщины возможна лишь при бетонного изделия с помощью ПЭП при ограниченной величине площади использовании возбуждающих контакта преобразователя с радиоимпульсных сигналов поверхностью контролируемого изделия длительностью не более 1 - 2 периода несущей частоты, что предполагает широкую полосу f электроакустического преобразования низкочастотных (НЧ) ПЭП:

50% f/f0 100%.

2. Значительная толщина контролируемых изделий, и связанное с этим существенное ослабление амплитуды эхо-сигнала (до 60…80 дБ) предполагает создание ПЭП с максимально возможным значением коэффициента электроакустического преобразования.

3. Следствием сложной структуры бетона является высокий уровень коррелированного с возбуждающим сигналом структурного шума (СШ). Для повышения достоверности толщинометрии таких объектов необходимо разработать ПЭП, обладающий высокой эффективностью электро-акустического преобразования и подавляющий помеховые сигналы структурного шума.

4. Контроль в условиях ограниченной величины площади контактной поверхности и изнутри технологических отверстий предполагает ограниченную величину апертуры D широкополосного ПЭП и предполагает конструирование прямых раздельно-совмещенных (РС) широкополосных низкочастотных ПЭП с минимально-возможным уровнем паразитной электроакустической наводки (ЭАН), т.е. обуславливает необходимость разработки методов подавления (минимизации) сигнала ЭАН.

5. Необходимость достоверного УЗ контроля толщины изделий по неподготовленной поверхности бетона требует поиска технических решений, которые могли бы без использования контактных жидкостей с высокой эффективностью излучать и принимать акустические сигналы с неровной, шероховатой и неплоской поверхности изделия.

Совокупность приведенных выше, во многом противоречивых, требований, определила актуальность разработки и создания УЗ раздельно совмещенных низкочастотных широкополосных ПЭП с ограниченной апертурой, сухим акустическим контактом, минимальным уровнем электроакустической наводки, в том числе нового типа композитно мозаичных пьезоэлектрических преобразователей (КМПЭП) с независимым управлением каждым элементом мозаики, предназначенных для использования в эхо-импульсных толщиномерах крупногабаритных изделий из бетона в условиях ограниченной площади поверхности контакта ПЭП с изделием, в том числе и изнутри технологических отверстий.

Цель работы – создание УЗ преобразователей для толщинометрии бетонных конструкций со сложной, неплоской и ограниченной по площади поверхностью доступа.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка и создание УЗ широкополосных низкочастотных композитно-мозаичных пьезопреобразователей с ограниченной апертурой, которые характеризуются широкой полосой электроакустического преобразования, акустическим полем, оптимизированным по критерию сигнал/структурный шум, малым уровнем электроакустической наводки, а также сухим контактом преобразователя с неровной поверхностью бетонного изделия;

2. Разработка и модификация алгоритмов САФТ и пространственно-временной обработки сигналов, позволяющих повысить достоверность и точность УЗ толщинометрии за счет повышения отношения сигнал/структурный шум и минимизации уровня и протяженности сигнала электроакустической наводки;

3. Разработка аппаратуры аппаратно-программного комплекса, позволяющего независимо и в любой последовательности возбуждать и регистрировать эхо-сигналы элементов мозаичного ПЭП, с целью реализации разработанных в диссертационной работе алгоритмов пространственно временной обработки сигналов;

4. Исследование предложенных оригинальных пространственно временных характеристик (ПВХ) пьезопреобразователей, позволяющих оптимизировать по различным критериям акустические поля разработанных НЧ широкополосных ПЭП;

5. Разработка технологии изготовления малоапертурных мозаичных НЧ преобразователей, в том числе на основе пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом, являющихся структурными элементами композитно мозаичного ПЭП.

6. Разработка рецептуры и технологии изготовления эластичных протекторов на базе силиконовых каучуков, обеспечивающих сухой акустический контакт ПЭП с поверхностью бетона.

В рамках диссертации обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований по созданию новых конструкций УЗ НЧ мозаичных широкополосных ПЭП, выполненных при непосредственном участии автора диссертационной работы в МЭИ в период с 2009 по 2013 г.г.

в рамках выполнения х/р и г/б НИР и ОКР по программам Минобрнауки РФ, Минобороны РФ.

Научная новизна.

1. Поставлена и решена задача создания УЗ низкочастотных широкополосных композитно-мозаичных преобразователей (КМПЭП), состоящих из акустически и электрически независимых малоапертурных ПЭП с раздельным возбуждением/регистрацией сигнала каждого ПЭП в соответствии с различными пространственно-временными алгоритмами (включая алгоритмы САФТ), использование которых в составе ультразвуковых толщиномеров расширяет их функциональные возможности и позволяет измерять толщину изделий из бетона в условиях ограниченной площади поверхности контакта ПЭП с изделием, в том числе и изнутри технологических отверстий.

2. Разработаны различные алгоритмы независимого возбуждения/регистрации и обработки сигнала для каждого элемента КМПЭП, применение которых расширяет функциональные возможности толщиномеров, увеличивает диапазон измеряемых толщин изделий, минимизирует уровень и длительность электроакустической наводки, повышает отношение донный сигнал/структурный шум, обеспечивает повышенную точность толщинометрии.

3. Предложены новые и модернизированы существующие интегральные пространственно-временные характеристики УЗ широкополосных пьезопреобразователей (пространственная АЧХ, корреляционное пространственное поле), позволяющие анализировать по различным критериям структуру акустического поля ПЭП и синтезировать топологии широкополосных ПЭП, формирующие акустическое поле требуемого вида.

4. Разработаны и в ходе выполнения нескольких ОКР практически апробированы новые технологии изготовления мозаичных преобразователей, в том числе на основе разночастотных пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом.

5. Разработана на базе силиконовых каучуков новая разновидность эластичных протекторов, обеспечивающих надежный сухой акустический контакт ПЭП с неподготовленной поверхностью изделия из сложноструктурного бетона.

Практическая значимость и внедрение результатов работы.

1. Предложенные интегральные пространственно-временные характеристики широкополосных мозаичных преобразователей, технология изготовления ПЭП на основе разновысоких пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом и новые алгоритмы пространственно-временной обработки сигналов, обеспечивающие измерения толщины бетонных изделий (в том числе и не плоскопараллельных) могут использоваться при создании средств УЗ контроля изделий и конструкций из структурно-неоднородных и композиционных материалов, таких как бетоны, полимерные композиционные материалы и т.п.

2. Разработанные УЗ НЧ широкополосные мозаичные ПЭП с ограниченной апертурой внедрены в практику УЗ контроля и используются в аппаратуре УЗ толщинометрии строительных конструкций из бетона и железобетона.

Результаты исследований были использованы при выполнении:

Г/б НИР «Исследование и разработка нового класса мозаичных многоканальных помехоустойчивых ПЭП с заданными частотными и пространственными характеристиками для УЗ НК крупногабаритных сложноструктурных изделий». ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-12 г.г. (проект № П1137).

Х/р НИР "Исследование возможности создания комплекса для измерения толщины неоднородных диэлектрических материалов (шифр «Каравелла-Т»), 2010-2011 г.г., х/д., 2009-11 г.г. (Гособоронзаказ).

Х/д ОКР "Линкор-Т", 2012-2013 г.г. (Гособоронзаказ).

Х/д ОКР "Локализация - БМ". 2012-2014 г. (Гособоронзаказ).

Результаты расчёта акустических полей УЗ НЧ ПЭП, по созданию УЗ низкочастотных широкополосных малоапертурных преобразователей для фазированных антенных решёток, по согласующим эластичным протекторам для обеспечения сухого контакта ПЭП с поверхностью бетонных изделий были использованы в ЦНИИРТК (г. Санкт-Петербург) и ПК ВТОРМЕТ (г. Люберцы).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. УЗ низкочастотный широкополосный композитно-мозаичный пьезопреобразователь, состоящий из акустически и электрически независимых малоапертурных элементов с раздельным возбуждением/регистрацией сигнала каждого ПЭП в соответствии с различными пространственно-временными алгоритмами (включая алгоритмы САФТ), использование которых в составе ультразвуковых толщиномеров расширяет их функциональные возможности и позволяет измерять толщину изделий из бетона в условиях ограниченной площади поверхности контакта ПЭП с изделием, в том числе и изнутри технологических отверстий.

2. Интегральные пространственно-временные характеристики УЗ широкополосных пьезопреобразователей (корреляционное пространственное поле, пространственная амплитудно-частотная характеристика), позволяющие анализировать по различным критериям структуру акустического поля ПЭП и синтезировать топологию широкополосного ПЭП, формирующего акустическое поле требуемого вида.

3. Способ подавления сигнала электроакустической наводки в РС преобразователях, заключающийся в регистрации при отсутствии акустического контакта ПЭП с поверхностью контролируемого изделия сигнала электроакустической наводки, позиционировании пьезопреобразователя на поверхности контролируемого изделия, регистрации эхо-сигнала и вычитании из эхо-сигнала запомненного сигнала электроакустической наводки.

4. Технологии изготовления УЗ низкочастотных широкополосных мозаичных пьезопреобразователей на основе разночастотных пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом.

5. Технология изготовления эластичных протекторов на базе силиконовых каучуков, обеспечивающих сухой акустический контакт ПЭП с неподготовленной поверхностью контролируемого изделия.

Апробация работы.

По результатам исследований было опубликовано 18 печатных работ, получены 3 патента на изобретение. Результаты исследований были доложены на 5-ти НТ конференциях. Опубликованы 4 статьи в изданиях из списка ВАК: «Дефектоскопия» № 9, 2010 г., «Дефектоскопия» №10, 2010г., «Дефектоскопия» №8, 2011г., «Измерительная техника» №11, 2011г.

(переводы на английский язык опубликованы издательством Springer).

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, состоящего из 70 источников, акта внедрения и акта использования.

Объем работы составляет 132 страницы, включая 114 рисунков и таблицы.

1. ПРОБЛЕМЫ УЗ КОНТРОЛЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ СЛОЖНОСТРКУТУРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ БЕТОНА.

Возможности УЗ контроля крупногабаритных изделий из бетона ограничены сложностью проблем, обусловленных свойствами материалов:

- высокого интегрального затухания УЗ сигналов в изделии, приводящего к тому, что донные эхо-сигналы (как и эхо-сигналы от дефектов) сильно ослабевают и становятся соизмеримыми с белым шумом шумом приемной части УЗ дефектоскопа;

- неоднородной структурой материала изделий, являющейся причиной структурного шума, как совокупности эхо-сигналов переотражений от структурных неоднородностей, маскирующего донные эхо-сигналы и сигналы от дефектов.

1.1. Проблема обнаружения эхо-сигналов, замаскированных белым шумом.

Амплитуды УЗ эхо-сигналов А21,А22,А23 (рис.1.1) зависят как от глубины залегания дефектов x, так и от затухания УЗ в бетоне [1]:

A2 A1e f x, (1.1) - где А1 – амплитуда УЗ возбуждающего сигнала, (f) – показатель затухания[1/см, дБ/м], который определяется поглощением погл(f) и рассеиванием расс(f) УЗ колебаний (УЗК) на структурных неоднородностях материала:

f погл f расс f f m f n D, k (1.2) - где,, m, n, k – константы, зависящие от акустических свойств материала среды, D – средний размер структурных неоднородностей материала[1].

Зависимость (f) для различных сортов бетонов показана на рис.1. [1].

При контроле изделий большой протяженности из мелкоструктурного бетона, из-за высокого интегрального затухания УЗК отраженные от дефектов эхо-сигналы сильно ослабевают, и их амплитуда может оказаться ниже уровня белого шума приёмного тракта УЗ дефектоскопа (эхо-сигнал А23 U порог U белый шум на рис.1.1,а). В подавляющем большинстве традиционных УЗ эхо-импульсных дефектоскопов эхо-сигналы, находящиеся ниже уровня белого шума, отрезаются пороговым ограничителем с пороговым напряжением UпорогUбел.шум, которое определяет нижний предел чувствительности дефектоскопа [2].

Рис.1.1. Ослабление УЗ сигнала за счет Рис.1.2. Обобщенная f затухания в материале изделия. зависимость для различных сортов бетонов.

На рис.1.1,б амплитуда электрического возбуждающего сигнала определена величиной U1max=60 В. Если принять уровень белого шума (уровень порога) U2minUпорогUбел.шум6 мкВ, то оказывается, что динамический диапазон (ДД1) сигналов (определяющий абсолютную чувствительность УЗ эхо-импульсных дефектоскопов) в данном случае составляет[1]:

ДД1 дБ 20lg U1max 20 lg107 140дБ (1.3) U 2 min Таким образом, в большинстве традиционных УЗ эхо-импульсных дефектоскопов с ударным возбуждением сигналов возможность обнаружения слабых эхо-сигналов ограничена и на практике, как правило, не превышает значения 100–110 дБ [2,3].

Увеличить абсолютную чувствительность УЗ контроля возможно различными способами.

Во-первых, за счёт увеличения амплитуды УЗ возбуждающего сигнала А1. Увеличивать амплитуду можно до определенного предела, определяемого максимально возможной амплитудой электрического сигнала U1, прикладываемого к излучающему преобразователю (ИП) [4,5].

Во-вторых, в последние годы активно используется ещё один путь увеличения чувствительности УЗ эхо-контроля, заключающийся в использовании в УЗ дефектоскопии известных в радиотехнике сложномодулированных сигналов с последующей их оптимальной фильтрацией [6-8]. Первые результаты применения сотрудниками МЭИ радиолокационных сигналов в УЗ дефектоскопии были опубликованы в 1974 г. [9]. В последующем они получили широкое применение [10-15] в нашей стране и за рубежом.

В-третьих, абсолютная чувствительность зависит от эффективности пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП), однако и этот путь объективно имеет ограничения[5].

Четвертый путь повышения абсолютной чувствительности УЗ контроля изделий из бетона связан с уменьшением ослабления затухания УЗ колебаний за счет снижения частоты возбуждающего сигнала до 100 кГц и ниже (см. зависимость f для бетона на рис.1.2). Вместе с тем, контроль на низких частотах порождает ряд новых проблем (см. раздел 1.3).

1.2. Проблема обнаружения УЗ эхо-сигналов на фоне сигнала структурного шума.

При контроле изделий из сложноструктурных материалов основной помехой, ограничивающей чувствительность контроля, чаще всего является не белый, а структурный шум (СШ), представляющий собой совокупность многочисленных переотражений от элементов структуры [16,17].

Природа СШ отлична от природы белого шума, поэтому и алгоритмы выделения информационного донного эхо-сигнала или эхо-сигнала от дефектов на фоне коррелированного с возбуждающим сигналом СШ и из белого шума различны. Для выделения информационного эхо-сигнала из СШ необходимо вначале декоррелировать информационные сигналы (ИС) и сигналы СШ, а затем выделить ИС из смеси с СШ [18,21]. Этот алгоритм мало эффективен и не нашел практического применения. Наиболее эффективным алгоритмом, предложенным впервые в МЭИ, является алгоритм пространственной декорреляции, реализуемый на практике использованием многоканальных методов контроля [19].

Суть его заключается в том, что реализации СШ, зарегистрированные в различных пространственных каналах оказываются некоррелированными в случае, если эти каналы пространственно разнесены на расстояние большее, чем радиус rk корреляции сигнала структурного шума, значение которого характерно для каждого материала. Обычно в средах с мелкозернистыми неоднородностями rk(1-2) и для бетона значение rk 20 -30 мм [18-19].

Причем величина rk существенно зависит от плотности упаковки неоднородностей, их формы, размера D и пр. Если ИС, зарегистрированные в нескольких пространственных каналах идентичны, т.е. когерентны и синфазны, реализации СШ некоррелированы, то в результате их алгебраического суммирования амплитуда ИС вырастет в N раз, а амплитуда сигнала СШ лишь в N раз, что означает увеличение отношения ИС/СШ в N раз. Зарегистрировать N реализаций на практике возможно последовательно излучая излучающим преобразователем зондирующий сигнал и помещая ПП в N точек на поверхности изделия, либо с помощью набора (матрицы) коммутируемых к входу входного усилителя приемных преобразователей ПП1…ППN. В этом случае матрица составных приемных преобразователей ПП1–ППN образует многоканальный (матричный, составной) ПЭП, помехоустойчивый к СШ. В случае если при УЗ контроле используются УЗ широкополосные сигналы, то каждый из ПЭП из матрицы приемных преобразователей ПП1–ППN, должен представлять собой самостоятельный широкополосный ПЭП [20].

Эта идея и положена в основу управляемого мозаичного широкополосного УЗ НЧ ПЭП.

1.3. Особенности УЗ низкочастотного контроля.

Как уже отмечалось выше, для увеличения чувствительности контроля приходится снижать частоту контроля, что предполагает использование УЗ низкочастотных ПЭП, значения ряда характеристик которых существенно отличается от значений характеристик высокочастотных преобразователей, используемых при контроле изделий из металлов.

Снижение частоты УЗК приводит к увеличению длины волны УЗ колебаний, которая по порядку величины оказывается в ряде случаев соизмеримой с размерами контролируемого изделия. Так при частоте контроля f0=1105 Гц и скорости УЗК С = 4000 м/с длина УЗ волны равна =СT0=С/f0=4.103/1.105=4 см. Это, в свою очередь, означает, что и лучевая разрешающая способность x C Tc 2 соизмерима с контролируемым размером. В ряде случаев частота f0150 – 200 кГц является компромиссной частотой, при которой удается обеспечить относительно высокую чувствительность контроля при удовлетворительной разрешающей способности контроля, а дальнейшее снижение частоты не позволяет обеспечить требуемую точность измерения толщины изделия.

Для обеспечения удовлетворительной разрешающей способности и точности измерения приходится использовать максимально короткие импульсы длительностью в один - два периода несущей частоты (Тс=То).

Применение коротких, а значит, широкополосных импульсов предполагает использование УЗ НЧ широкополосных ПЭП с относительной полосой пропускания f/fo 100%.

Следствием уменьшения частоты УЗ сигнала является увеличение угла раскрыва диаграммы направленности НЧ ПЭП ~ arcsin(/D), что в свою очередь приводит к увеличению объема озвучиваемого пространства и, тем самым, к увеличению числа акустических неоднородностей, участвующих в формировании суммарной помехи (СШ).

В УЗ дефектоскопии чётко разделяются пространства ближней и дальней зоны пьезопреобразователя. Как известно, достоверный УЗ контроль возможен только при условии, что дефекты находятся в зоне, где акустическое поле равномерно, и отсутствуют на картине поля явно выраженные осцилляции (что характерно для дальней зоны). При УЗ НЧ контроле протяженность Z ближней зоны Z D2/ может оказаться сопоставимой с толщиной контролируемого изделия, Например, при диаметре апертуры преобразователя D=100 мм и длине волны =40 мм протяженность ближней зоны ПЭП достигает 250 мм. По этой причине возникает очевидная необходимость в разработке УЗ НЧ преобразователей с равномерным полем ближней зоны.

Анализ известных характеристик широкополосных преобразователей показывает, что само понятие «диаграммы направленности широкополосного преобразователя» в УЗ дефектоскопии фактически не определено.

Действительно, перешедшее из радиолокации понятие ДН ПЭП дает определение ДН для узкополосного преобразователя при использовании непрерывного гармонического сигнала (рис.1.3,а). Определение ДН широкополосного ПЭП (или акустического поля) при использовании широкополосных сигналов как в радиолокации, так и в УЗ дефектоскопии Рис.1.3. а) - диаграмма направленности практически отсутствует. Те или узкополосного преобразователя;

иные способы характеризовать б) - распределение давления в звуковом поле для «длинного» и «короткого» импульсов.

поле широкополосного преобразователя по его распределению вдоль оси излучения короткого (широкополосного) импульса (пунктир на рис.1.3,б) ничего не говорят о ширине ДН, о структуре поля широкополосного сигнала. Таким образом, для широкополосных УЗ ПЭП не предложены характеристики, учитывающие особенности широкополосного акустического поля. Однако, при НЧ контроле протяженность ближней зоны достаточно велика и пространственная картина поля широкополосного преобразователя может оказывать существенное влияние на качество преобразования УЗ сигналов в ПЭП, что вызывает потерю информации за счёт искажения УЗ сигнала.

Покажем это на примере круглого широкополосного УЗ ПЭП с апертурой D. Наиболее простой и очевидный способ описания пространственной картины поля широкополосного ПЭП заключается в представлении одновременно набора парциальных (одночастотных) пространственных характеристик в диапазоне рабочих частот ПЭП (рис.1.4) для различных составляющих спектра: D/ = 1 соотвествует нижней частоте сигнала, а D/ =4 соответствует верхней составляющей спектра. Однако простой набор нормированных диаграмм направленности узкополосного ПЭП не позволяет отобразить все нюансы картины поля. По этой причине на рис.1.5 показаны набор ненормированных ДН, амплитуды которых соответствуют реальным значениям амплитуд спектральных составляющих широкополосного сигнала.

D/ = 1 D/ =2 D/ =3 D/ = Рис.1.4. Представление пространственных характеристик широкополосного ПЭП с помощью набора нормированных ДН в полярных координатах Если наложить все парциальные ДН одна на другую (рис.1.5,д), то станет видно, что УЗ колебания разных частот в широкополосном ПЭП распространяются в пространстве различным образом. Если рассматривать акустическое поле даже только вдоль оси излучения Z, то и в этом случае видно, что на разных расстояниях от ПЭП различные спектральные составляющие а б вг д сигнала в формировании поля участвуют Рис.1.5. Набор ненормированных по-разному, что приводит к различному парциальных ДН широкополосного (неравномерному) характеру поля ПЭП широкополосного ПЭП. Т.к. при толщинометрии бетонных изделий отражающая поверхность дна велика, то совокупный отраженный донный сигнал состоит как из отражений, расположенных на оси Z, так и расположенных вне оси Z, что, в конечном счёте, приводит к тому, что УЗ эхо-сигнал может оказаться сильно искаженным. Всё это приводит к необходимости формирования УЗ НЧ широкополосным преобразователем равномерного поля в пределах угла раскрыва ДН преобразователя.

К перечисленным выше особенностям УЗ НЧ широкополосных ПЭП следует добавить проблемы, возникающие при УЗ толщинометрии изделий изнутри технологических отверстий. Это условие определяет, во-первых, необходимость использования ПЭП с ограниченным диаметром, что усугубляет требования к пространственным характеристикам ПЭП, а также требования к помехоустойчивости к СШ. Во-вторых, ограниченная площадь контакта ПЭП с изделием предполагает применение прямого раздельно совмещенного преобразователя, что является причиной большой амплитуды сигнала электроакустической наводки, маскирующего ИС. Это, в свою очередь, обосновывает актуальность создания УЗ НЧ РС ПЭП с минимизированным уровнем сигнала электроакустической наводки.

При использовании УЗ НЧ преобразователей с большой апертурой трудно обеспечить равномерный акустический контакт по всей поверхности преобразователя с неровной (а часто и неплоской) поверхностью бетонного изделия. Кроме того, в силу других причин зачастую требуется обеспечение надежного и одновременно "сухого" акустического контакта ПЭП с поверхностью изделия.

Все это обусловило еще одно требование к УЗ НЧ преобразователям – обеспечение равномерного сухого акустического контакта с неплоской и шероховатой поверхностью бетонных изделий.

1.4. Современное состояние проблемы по разработке ультразвуковых низкочастотных широкополосных пьезопреобразователей.

В отличие от активно развивающегося направления УЗ неразрушающего контроля изделий из металлов, УЗ низкочастотный контроль изделий из бетона долгие годы практически не развивался в т.ч. из за отсутствия УЗ преобразователей, которые удовлетворяли бы всем перечисленным выше требованиям. Рассматривая вопрос создания УЗ НЧ широкополосных высокоэффективных ПЭП, кратко перечислим известные способы расширения полосы преобразования пьезоэлектрических преобразователей.

1.4.1. УЗ широкополосные демпфированные ПЭП.

В УЗ дефектоскопии для обеспечения широкой полосы электроакустического преобразования чаще всего используется механическое демпфирование пьезоэлемента (ПЭ). [1,5].

а Kб АЧХ а) б) АЧХ АЧХ N f f f f Рис.1.6.а - пьезоэлектрический преобразователь;

б – АЧХ демпфированного ПЭ Демпфер, как правило, выполняется из материала с акустическим сопротивлением, близким к акустическому сопротивлению пьезокерамики, что позволяет избежать отражений УЗК на границе "ПЭ-демпфер". При этом затухание УЗК в материале демпфера должно быть большим, чтобы поступающая в демпфер акустическая волна максимально ослаблялась в нём и практически не возвращалась в ПЭ. (рис.1.6,а). При этом демпфирование одновременно приводит к снижению эффективности электроакустического преобразования ПЭП (рис.1.6,б).

Протектор кроме механической защиты ПЭ осуществляет функции акустического согласования ПЭ с объектом контроля [1,13], обеспечивающий максимальное пропускание акустического сигнала. В результате конструкция традиционного УЗ ПЭП представляет собой многослойную структуру (рис.1.6,а), параметры которой подлежат строгому расчету для каждого конкретного случая УЗ контроля.

В низкочастотном УЗ диапазоне демпфирование монолитных ПЭ не столь эффективно из-за малой эффективности демпфирования, сильного снижения эффективности электроакустического преобразования, а также из за существенно возрастающих габаритов демпфера и всего ПЭП.

1.4.2. УЗ Широкополосные ПЭП со сферически вогнутой поверхностью.

Иной, в сравнении с демпфированием, принцип расширения полосы пропускания ПЭП удалось реализовать И.Н.Ермолову и А.Х.Вопилкину за счёт использования пьезоэлементов с переменной резонансной толщиной [22-24]. В показанном на рис.1.7 варианте конструкции пьезоэлемент осесимметричен, что позволяет сформировать осесимметричную диаграмму направленности. Ширина полосы эффективного электроакустического преобразования такого ПЭП может достигать величины f/fo 100%.

Двойной коэффициент преобразования у осесимметричного преобразователя переменной толщины (ОППТ) на порядок меньше, чем у резонансного ПЭП [1]. ОППТ отличаются Рис.1.7.Осесемметричный ПЭП с вогнутым профилем достаточно простой технологией изготовления для высоких частот (f01 МГц и более), однако НЧ (f0100 кГц) монолитный ОППТ реализовать достаточно трудно.

В [5,22-27] описывается взаимосвязь вида АЧХ с конфигурацией профиля поверхности ОППТ. Там же определены основные конструктивные особенности, описана технология изготовления ВЧ сферически вогнутых широкополосных ПЭП (СВП), и выработаны технологические рекомендации по корректировке формы АЧХ, в том числе за счет электрического демпфирования, секционирования зон электродов преобразователя и др.

Однако, предположения, сделанные в работе и положенные в основу методики изготовления ПЭП, не всегда оправданы. Так авторы [5] считают, что УЗ сферически вогнутый ПЭП можно представить как набор вложенных друг в друга колец постоянной толщины, но различного диаметра. Они полагают, что УЗК определенной частоты излучаются и принимаются кольцом, для которого данная частота соответствует резонансной толщине, а другие кольца на этой частоте не работают. При этом каждое элементарное кольцо «работает» изолировано и не связано механически с другими кольцами. Максимум передаточной функции достигается на частоте свободных колебаний кольца, а явления иных резонансов не учитываются.

Однако, в аргументах авторов СВП не учитывается, что широкополосные осесимметричные НЧ монолитные СВП обладают весьма низкой эффективностью электроакустического преобразования из-за 100% акустомеханической взаимосвязи между резонирующими и не резонирующими частотными кольцами. Кроме того, сигналы, создаваемыми парциальными кольцами, имеют различные амплитуды и требуют соответствующего амплитудного «взвешивания», что невозможно сделать в монолитном СВП. Эти проблемы можно значительно уменьшить, а в ряде случаев и полностью устранить, если выполнить механическую сепарацию частотных колец, что будет использоваться в настоящей работе в мозаичных низкочастотных широкополосных ПЭП.

Еще одним существенным недостатком монолитных СВП является значительный уровень паразитного радиального резонанса, который проявляется как продолжительное послезвучание НЧ колебаний, увеличивающий мертвую зону контроля. Это объясняется, тем, что верхняя и нижняя поверхности монолитного сферически вогнутого ПЭП непараллельны. Как следствие, нормальная по отношению к верхней поверхности составляющая вектора электрического поля, направленная под углом, определяет повышенный уровень амплитуды радиальной моды колебаний. Как будет показано в последующих разделах, у выполненных по мозаичной технологии составных СВП этот негативный эффект отсутствует.

Рассмотренные в [5,22-27] СВП использовались не только как широкополосные ПЭП, но и как фокусирующие ПЭП, что позволяет улучшить как чувствительность, так и разрешающую способность контроля, точность определения координат и размеров дефекта. [28-39]. Фокус такого ПЭП лежит на его акустической оси и располагается вблизи центра кривизны оболочки. Однако, менять координаты фокального пятна у преобразователей этой конструкции не представляется возможным. Лишены этих недостатков мозаичные фокусирующие ПЭП, разработанные в МЭИ еще в 1970-е г.г. [40 41], а также современные составные ФАР [25,26], в которых фокусировка осуществляется электрически.

1.4.3. Мозаичные пьезопреобразователи с продольным возбуждением сигнала.

Все рассмотренные выше способы увеличения широкополосности ПЭП сопровождались уменьшением величины коэффициента преобразования. Для решения задач УЗ НЧ контроля и особенно контроля изделий с большим затуханием ультразвука, расширение полосы пропускания ПЭП не должно приводить к потере их эффективности.

Мозаичные ПЭП отличаются одновременно широкой полосой пропускания и большим коэффициентом преобразования.

В 1970-х г.г. в трудах МЭИ было показано, что в сравнении с композитными ПЭП потенциал мозаичных ПЭП гораздо выше и заключается в увеличенной конструкционно-параметрической вариативности, технологической пластичности и гибкости мозаичных ПЭП. Мозаичная технология позволяет создавать разнообразные ПЭП, комбинируя в их составе пьезоэлементы различной резонансной частоты и конфигурации.

[40,41,44].

В широкополосном мозаичном ПЭП h h (рис.1.8,а), в пределах аппретуры в h hh определенном порядке расположены n частотных групп разновысоких продольно а.

поляризованных стержневых ПЭ (на рис.1.8,а показаны n =5 групп разновысоких ПЭ с резонансными высотами h1, h2, h3, h4, h5). В каждой из групп высота hn постоянна и выбрана из условия:

hn h1 2Q 1 2Q 1n1, где Q –добротность ПЭ, нагруженного на контролируемый объект. Интегральная полоса преобразования мозаичного ПЭП Рис.1.8. Принцип обеспечивается соответствующим выбором построения широкополосного значения резонансных размеров ПЭ, выбором мозаичного ПЭП.

количества парциальных ПЭ в каждой группе n, топологией - взаимным расположением разновысоких ПЭ, видом и количеством матрицы (эпоксидной смолы) (рис.1.8,б).

Следует отметить ряд недостатков, присущих мозаичным конструкциям. Прежде всего, для мозаичных ПЭП характерна чрезмерная (в пределах полосы пропускния) неравномерность АЧХ, являющаяся следствием дискретного характера мозаики. Этот порок легко может корректироваться подстройкой коэффициента преобразования каждого ПЭ с помощью весовых резисторов R1, R2, R3, (см. рис.1.8,в). Иной вариант амплитудно-частотной коррекции может быть реализован применением в качестве возбуждающих Сплит-сигналов [45].

Другой недостаток также определяется "дискретностью" мозаики и заключается в неравномерности значений пространственных характеристик широкополосного мозаичного ПЭП [21]. Но именно и этот недостаток устраняется именно с помощью выбора оптимальной топологии мозаики.

В приведенном выше примере использовались акустически связанные группы пьезоэлементов. Однако, мозаичные ПЭП могут быть выполнены и из отдельных ПЭ, которые акустически и электрически изолированы друг от друга. Такой мозаичный ПЭП с пространственно-независимыми элементами имеет большой потенциал использования в УЗ НК. Кроме разработанных в МЭИ в 1960-е г.г. УЗ ФАР с электронным сканированием УЗ луча [46-48], а также УЗ фокусирующих мозаичных ПЭП [40-41], пространственное разделение каналов мозаичных ПЭП может быть положено в основу технических средств УЗ толщинометрии бетонных изделий сложной пространственной конфигурации, что является одной из задач настоящей диссертации.

Таким образом, предложенный учеными МЭИ мозаичный преобразователь совпадает по основным существенным признакам с композитным ПЭП, однако технологическая идея мозаики позволяет продвинуться существенно дальше. Применение технологии мозаики позволяет значительно больше расширить полосу пропускания в сравнении с композитным ПЭП;

благодаря возможности электронного управления каждым элементом мозаики, возможно формирование АЧХ практически любой заданной формы;

выбор топологии мозаики позволяет в пределах угла раскрыва его ДН эффективно корректировать форму акустического поля широкополосного ПЭП [49].

Технология синтеза УЗ широкополосных мозаичных ПЭП на основе использования разновысоких стержневых ПЭ была разработана в МЭИ в 1970-е – 1990-е г.г. в работах А.И.Питолина, В.П.Попко, Г.Ю.Рябова. В третьей главе будут показаны общие принципы технологии мозаики, которые необходимо соблюдать при разработке УЗ НЧ широкополосных мозаичных ПЭП независимо от их целевого назначения на примере синтеза УЗ НЧ широкополосного раздельного ПЭП-24 (состоящего из 24 ПЭ) со средней частотой f0 = 100 кГц;

эффективной полосой частот f =50…160 кГц, имеющего относительно небольшую апертуру (D 50 мм).

Эффективность разработанных в МЭИ УЗ НЧ широкополосных преобразователей видна из сравнения АЧХ недемпфированного монолитного ПЭП (рис.1.9,а), недемпфированный композитного ПЭП типа "ПЭП-24-К", образованного 24-мя ПЭ размером 7х7х14 мм каждый, сильно демпфированного композитного ПЭП типа S0208 фирмы "Акустические контрольные системы" с диаметром апертуры, равным 25 мм и спроектированной в процессе выполнения диссертационной работы мозаичного ПЭП типа "ПЭП-24".

А - монолитный ПЭП Б - композитный В - ПЭП Г - мозаичный (диаметр 50мм) ПЭП-К-24(без ПЭП- AKS S демпфера, (диаметр 25мм) (диаметр 50мм) диаметр 50мм) Рис.1.9. Различные низкочастотные широкополосные преобразователи Рис.1.10. Сравнительные АЧХ различных НЧ ПЭП, выполненных по различным технологиям Как видно из рис.1.10, самой узкой АЧХ обладает монолитный ПЭП (f = 9 кГц), композитный ПЭП-24-К имеет более широкую полосу (f= кГц). ПЭП AKS0208 имеет полосу f = 100 кГц при средней частоте 100 кГц.

По эффективности монолитный и композитный ПЭП практически эквивалентны с относительным значением величины максимума АЧХ, равным 1,0. Относительное значение максимума АЧХ мозаичного ПЭП- составляет 0,5, а для ПЭП АКС S0208 всего 0,06.

Приведенные выше результаты позволяют сделать вывод о том, что мозаичная технология позволяет создавать широкополосные НЧ ПЭП без существенной потери эффективности электроакустического преобразования.

1.4.4. Ультразвуковые низкочастотные малоапертурные ПЭП с сухим точечным контактом.

Как уже отмечалось выше, УЗ НЧ эхо-импульсная томография изделий из бетона долгое время не развивалась из-за отсутствия НЧ широкополосных ПЭП с надёжным акустическим контактом и широкой ДН.

Однако, как это отмечается в работе немецких исследователей [50], с появлением в середины 1990-х г.г. на рынке УЗ НЧ преобразователей с сухим точечным контактом (СТК) стало возможным использование УЗ АР для контроля бетонных изделий на частотах до 50 кГц.

Создание УЗ НЧ АР возможно при наличии малоапертурных УЗ НЧ ПЭП, у которых размер апертуры D не превышает значения /2.

Разработанные учеными российской фирмы «Акустические Контрольные Системы» ПЭП с СТК соответствуют этим условиям, причем надежный акустический контакт с шероховатой, неровной поверхностью бетонного изделия обеспечивается применением керамического концентратора [51].

Т.к. площадь контакта концентратора незначительна и диаметр концентратора много меньше длины волны, то коэффициент преобразования ПЭП на 20…30 дБ ниже в сравнении с пьезопреобразователем общепринятой конструкции. Широкополосность такого ПЭП с СТК достигается за счет сильного демпфирования пьезоэлементов, из-за чего эффективность преобразования снижается еще на 10…15 дБ. ПЭП данного типа имеет широкополосную АЧХ [52], широкую ДН. Это позволяет успешно использовать такие ПЭП при конструировании УЗ АР.

УЗ НЧ малоапертурный преобразователь с СТК удовлетворяет практически всем перечисленным выше требованиям, предъявляемым к элементам антенных решеток, за исключением требования высокой эффективности электро-акустического преобразования.

Создание альтернативного высокоэффективного малоапертурного широкополосного ПЭП с надежным акустическим контактом для использования в УЗ НЧ АР также является одной из задач настоящей диссертации.

1.5. Особенности работы раздельно-совмещенных НЧ преобразователей в составе УЗ толщиномеров.

Как уже отмечалось выше, в ряде случаев приходится выполнять УЗ контроль бетонных изделий с ограничением по возможной площади контакта преобразователя. В других случаях, требуется проводить изнутри технологических отверстий измерение остаточной толщины бетонных строительных конструкций (например, для контайнмента АЭС). Во всех этих и подобных им случаях приходится использовать УЗ преобразователи с ограниченной апертурой.

Большое затухание УЗК вынуждает использовать УЗ низкочастотные (f0~100 кГц) ПЭП. Резонное желание повысить точность измерения определяет малую длительность УЗ возбуждающего сигнала, равную длительности 1 периода колебаний несущей частоты, что и обуславливает необходимость обеспечения широкой полосы электроакустического преобразования НЧ ПЭП (f~100 кГц). Требование реализации возможности выполнения измерений толщины изделий при ограниченной величине площади контакта (в том числе и изнутри технологических отверстий) определяет необходимость создания раздельно-совмещенного ПЭП с минимальным уровнем собственной реверберационной помехи и электроакустической наводки. Таким образом, возникает необходимость разработки класса УЗ НЧ раздельно-совмещенных (РС) широкополосных ПЭП с высокой эффективностью преобразования и с ограниченной апертурой, не имеющих аналогов среди серийно выпускаемых преобразователей.

Основной проблемой низкочастотных ПЭП являются различного рода паразитные сигналы электроакустических наводок (рис.1.11).

Суммарный сигнал ЭАН состоит, во первых, из сигнала электрической наводки (ЭН), возникающего внутри РС ПЭП из-за проникновения Рис.1.11. Паразитные наводки: возбуждающего импульса через электрическая наводка (ЭН);

различного рода паразитные акустическая наводка (АН), (ПВ), электрические емкости вследствие акустическая наводка акустическая наводка (ГВ) недостаточно качественного электрического экранирования приемного пьезопреобразователя. Во-вторых, это сигнал акустической наводки (АН), возникающей внутри РС ПЭП из-за недостаточно качественной акустической развязки преимущественно ИП и ПП и сигнал собственной паразитной реверберации ПЭП. Обе эти наводки (ЭН и АН) как правило, мало изменяются в процессе УЗ контроля и характерны для каждого конкретного ПЭП. Кроме того, при контроле изделия возникают различные акустические наводки с ИП на ПП, обусловленные возбуждением излучающим преобразователем не только требуемой для контроля объемной продольной волны, но и поверхностных (ПВ) и подповерхностных - головных (ГВ) типов волн.


Все перечисленные выше наводки можно разделить по времени их прихода на ПП: электрическая наводка "синхронна" с возбуждающим сигналом, а акустические наводки приходят с различными задержками. На рис.1.12 приведена эпюра эхо-сигнала, зарегистрированная на бетоном тестовом образце, при излучении в качестве возбуждающего УЗ широкополосного ЛЧМ сигнала со средней частотой f0=200 кГц и базой порядка В=102.

Скорость УЗК в материале изделия определяет время прихода сигналов ПВ и ГВ. Скорость продольной волны в бетоне составляла Спр, = 4000 м/с;

скорость поверхностной волны Спов Сl/2;

скорость головной волны Сгол Спр). По этой причине сигнал АН совпадает с сигналом ЭН, а сигнал ГВ появляется раньше, чем сигнал ПВ.

В данном случае контроля изделий с большим интегральным затуханием УЗК информационный эхо-сигнал, отразившийся от дна изделия по амплитуде чуть больше Рис.1.12. Различные виды наводок в РС паразитного сигнала наводки.

ПЭП при толщинометрии бетона.

Искомая поверхность в данном случае расположена достаточно далеко от поверхности контроля, поэтому "полезный" эхо-сигнал приходит на ПП по времени позже сигнала наводки (как это показано на рис.1.12), что позволяет его уверенно дифференцировать во времени.

Для близко расположенного отражателя акустическая составляющая наводки оказывает "маскирующее" действие на принятый эхо-сигнал:

- в результате "полезный" эхо-сигнал совпадает по времени с сигналом ЭАН и малый по амплитуде "полезный" сигнал на фоне ЭАН не обнаруживается.

1.6. Выводы по разделу 1.

Приведенный обзор существующих проблем УЗ неразрушающего контроля (в том числе и толщинометрии) крупногабаритных сложноструктурных изделий из бетона и анализ УЗ широкополосных НЧ преобразователей показал, что при УЗ контроле крупногабаритных изделий из бетона возникает преимущественная проблема выделения УЗ эхо-сигналов из коррелированной с возбуждающим сигналом помехи – сигнала структурного шума.

Для обеспечения высоких значений чувствительности и разрешающей способности контроль (в том числе и толщинометрию) крупногабаритных бетонных изделий следует выполнять на низких УЗ частотах (f0~ 100 кГц) широкополосными сигналами, длительность которых не превышает 1- периода несущей частоты. Это, в свою очередь, определяет необходимость и актуальность разработки и создания широкополосных высокоэффективных УЗ НЧ ПЭП, осуществляющих неискажающее преобразование широкополосных сигналов.

Успешное выделение УЗ эхо-сигналов из структурного шума возможно лишь на базе пространственно-временных алгоритмов обработки эхо-сигналов. Основные структурные элементы алгоритма пространственно временной обработки сигналов следует положить в основу методики конструирования УЗ многоканального ПЭП.

Особенности УЗ низкочастотного контроля (в том числе и толщинометрии) крупногабаритных сложноструктурных бетонных изделий со сложной, неплоской и ограниченной по площади поверхностью доступа определили основное направление исследований в настоящей диссертации:

разработка и создание ультразвуковых низкочастотных широкополосных малоапертурных преобразователей с высоким коэффициентом преобразования для эхо-импульсного измерения толщины бетонных изделий при ограниченной площади контакта и сухом контакте преобразователя с контролируемым изделием.

В настоящей диссертационной работе предполагается создание принципиально нового типа УЗ НЧ широкополосных раздельно совмещенных ПЭП, в которых будут решены указанные выше противоречивые проблемы. При этом в качестве основного инструментария предполагается использование разработанного варианта мозаичной технологии конструирования преобразователей ("мозаики"), обладающих при высоком коэффициенте преобразования широкой полосой пропускания, а также позволяющую создавать на их основе композиции, в которых конструктивно объединены в двухмерную матрицу электрически и акустически независимые широкополосные высокоэффективные ПЭП, что позволяет с помощью различных пространственно-временных алгоритмов обеспечивать выделение "полезного" донного сигнала из структурного шума при минимальном уровне электро-акустической наводки.

2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ СОЗДАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ НИЗКОЧАСТОТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ЗАДАННЫМИ ЧАСТОТНЫМИ И ПРОСТРАНСТВЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ.

2.1. Выбор параметров УЗ низкочастотного широкополосного ПЭП для контроля сложноструктурных изделий из бетона при ограниченной площади контакта преобразователя с изделием.

В предыдущем разделе были сделаны ряд основополагающих выводов, которые положены в основу методологии разработки и конструирования УЗ НЧ широкополосных преобразователей для эхо импульсной толщинометрии сложноструктурных бетонных изделий при условии ограниченной площади сухого контакта преобразователя с контролируемым изделием.

В разделах 1.3 и 1.5 было показано, что при конструировании УЗ толщиномеров с использованием УЗ низкочастотных широкополосных преобразователей следует учитывать пространственные характеристики ПЭП, т.к. у УЗ НЧ широкополосных ПЭП форма акустического поля в пределах угла раскрыва ДН ПЭП в существенной мере влияет на погрешности результатов контроля.

В разделе 1.2, было показано, что выделение УЗ донного сигнала из структурного шума может быть осуществлено с помощью различных вариантов алгоритма пространственно-временной обработки сигналов (ПВОС). Один из таких алгоритмов реализуется сканированием ПЭП вдоль поверхности контролируемого изделия с шагом d и с последующим накоплением результатов парциальных измерений.

В разделе 1.4.3 было показано, что для контроля протяженных бетонных изделий с высоким интегральным затуханием УЗК следует использовать мозаичные широкополосные низкочастотные преобразователи.

Действительно, практическая реализация упомянутого выше алгоритма ПВОС легко осуществляется с применением ВЧ широкополосных ПЭП, у которых раскрыв ДН не превышает 3-4 градусов. В [53] описан результат толщинометрии изделия из высокопрочной стали (цилиндр диаметром 100 мм и толщиной 100 мм показан на рис.2.1), в котором затухание УЗК мало, а основной помехой является структурный шум. В качестве возбуждающего сигнала использовался радиоимпульс с длительностью в один период несущей частоты, равной f0 = 1,25 МГц. Пьезопреобразователем Рис.2.1. УЗ НК изделия служил широкополосный прямой РС ПЭП с из сложноструктурной стали f/f0 125% и апертурой L=20 мм.

На рис.2.2,а показаны результаты одноканального контроля без какой либо радиотехнической обработки сигналов. На осциллограмме представляется возможным выделить несколько последовательных донных эхо сигналов (отмечены 1-й и 2-й а донные сигналы) на фоне СШ высокого уровня, причем 2-й и последующие донные эхо б сигналы столь сильно замаскированы СШ, что фиксируются нечётко.

На рис.2.2,б показан эхо в сигнал после оптимальной фильтрации, а на рис.2.2,в – после оптимальной фильтрации и синхронного детектирования. Из г Рис.2.2. Эхо-сигнал при одноканальном диаграмм на рис.2.2,б,в видно, ударного что простейшие временные контроле импульсами возбуждения: а) без использования методы радиотехнической обработок;

б)после ОФ;

в) после СД и ОФ;

г) обработки сигналов лишь после ОФ, СД и пространственного частично улучшают отношение перемещения ПЭП с накоплением m= сигнал/белый шум, однако при реализаций эхо-сигналов от дна изделия этом уровень СШ по-прежнему маскирует и искажает вторые, третьи донные эхо-сигналы. Существенное улучшение результатов контроля, выражающееся в повышении отношения «сигнал/структурный шум» на 15-20 дБ, было получено при сканировании раздельно-совмещенным преобразователем по поверхности изделия с одновременным накоплением 100 реализаций измерений (рис.2.2,г). Из этого эксперимента следует что:

предложенный алгоритм ПВОС в ряде практических применений позволяет повысить отношение ИС/СШ;

практически реализовать аналогичный алгоритм при контроле бетонного изделия (т.е. осуществить сканирование ПЭП-ем вдоль поверхности) не представляется возможным из-за ограничений на величину площади контакта и из-за отсутствия условий контакта ПЭП с неровной поверхностью бетона.

Таким образом, поставленная в диссертации проблема УЗ толщинометрии бетонного изделия может быть решена при использовании композитного (многоэлементного) ПЭП, в котором, во-первых, все элементы электрически и акустически развязаны между собой;

во-вторых, имеется возможность независимого электрического доступа к каждому из элементов матрицы, причем каждый ПЭП может работать как в режиме излучения, так и в режиме приема;

и в-третьих, каждый элемент такого композитного ПЭП должен быть низкочастотным, широкополосным и малоапертурным.

Исходя из совокупности перечисленных требований, в рамках выполнения диссертационной работы был сконструирован, изготовлен и экспериментально исследован низкочастотный опытный образец широкополосного композитно Рис.2.3. УЗ низкочастотный композитно- мозаичного преобразователя (КМПЭП), широкополосный представляющего собой матрицу ПЭП мозаичный ПЭП (КМПЭП).

размерностью 4х4=16 широкополосных низкочастотных элементов (средняя частота f0=80 кГц, f/f070-80%), изготовленных по мозаичной технологии. Величина апертуры каждого элемента КМПЭП выбирается минимально возможного размера из условия Dmin, где min - длина акустической волны на максимальной частоте спектра возбуждающего сигнала (для верхней частоты спектра 140 кГц была выбрана апертура D=25 мм).

Внешний вид мозаичного НЧ широкополосного КМПЭП с раздельным управлением элементами мозаики показан на рис.2.3, на котором видны разработанные в диссертации специальные эластичные силиконовые протекторы квадратной формы, обеспечивающие высокое качество акустического контакта (см. главу 5). Величина апертуры КМПЭП составляет 120х120 мм.

2.2. Способы и возможности оценки пространственных свойств ультразвуковых широкополосных низкочастотных преобразователей.


Как было отмечено в предыдущем разделе, при проектировании и испытаниях широкополосных ПЭП весьма актуальной является задача создания нового анализаторного инструментария, т.е. определения новой совокупности характеристик, параметров и критериев, предназначенных для проведения максимально полного, объективного анализа и сравнительной количественной оценки пространственных свойств УЗ НЧ широкополосных ПЭП. Причем желательно, чтобы предлагаемые критерии одинаково объективно и полно позволяли оценивать дефектоскопическое качество как, в частности, малоапертурных ПЭП, являющихся структурным элементом КМПЭП, так и композиционно-мозаичных широкополосных ПЭП в целом.

Наиболее очевидно это задача проявляется, а решение оказывается востребованном на заключительном этапе проектирования и изготовления ПЭП с равномерной, сглаженной картиной акустического поля, обеспечивающего максимально достоверное, неискажающее прямое и обратное электроакустическое преобразование широкополосных сигналов, как для ближней, так и для дальней зоны ПЭП [54]. Таким образом, очевидно, что перед началом разработки алгоритмов и методик изготовления УЗ НЧ ПЭП необходимо создание адекватного инструментария, позволяющего проводить объективный, однозначный и достоверный анализ пространственно-временных характеристик УЗ НЧ широкополосных ПЭП.

В УЗ дефектоскопии понятия "пространственная характеристика широкополосного ПЭП" или "ДН широкополосного ПЭП" практически отсутствуют. ГОСТ 23702–90 [55], дающий формальное определение характеристик широкополосных УЗ ПЭП, говорит Рис.2.4. Метод измерения АЧХ ПЭП только о АЧХ ПЭП, а при измерении методом возбуждения прямоугольного АЧХ ПЭП (рис.2.4) никак не радиоимпульса изменяемой частоты оговаривается координаты точки согласно ГОСТ 23702–90. переднего полупространства, в которой измеряются эти АЧХ (и, тем более, пространственные АЧХ ПЭП).

Упоминание о пространственных характеристиках УЗ широкополосных ПЭП встречается только в работах И.Н.Ермолова и А.Х.Вопилкина [5, 22-24], где при анализе сферически вогнутых преобразователей с целью определения оптимальной формы поверхности широкополосного ПЭП обсуждаются их диаграммы направленности. Однако, при этом не обращается внимание на структуру поля, не исследуется форма УЗ сигнала в различных точках переднего полупространства широкополосного ПЭП. Это, вероятно, объясняется тем, что в [5] анализировались высокочастотные ПЭП, предназначенные для работы в мегагерцовом диапазоне частот, и у которых угол раскрыва ДН не превышает нескольких градусов, и потому неравномерность акустического поля практически не заметна.

В разделе 1.3 были приведены некоторые возможные способы представления пространственных характеристик УЗ НЧ широкополосных ПЭП. Было показано, что использование набора парциальных диаграмм направленности для нескольких промежуточных частот из диапазона f = fв – fн неинформативно: приведённый на рис.1.4 набор парциальных нормированных диаграмм направленности ничего не говорит о некой результирующей диаграмме направленности, построенной как угловая зависимость какой-либо характеристики самого широкополосного сигнала или его акустического поля. Более информативен набор ненормированных парциальных диаграмм направленности (рис.1.5). Однако и здесь использование именно диаграмм направленности не позволяет определить особенности пространственных характеристик широкополосного ПЭП.

Нагляден и информативен способ представления парциальных полей УЗ широкополосных ПЭП.

На рис.2.5 показана картина поля круглого широкополосного ПЭП фирмы "PANAMETRICS videoscan" типа V1011 на частоте fj=100 кГц. Очевидно, что такое представление более наглядно, оно а позволяет наблюдать "тонкие" интерференционные явления поля в передней полусфере ближней зоны преобразователя. В частности, можно увидеть различие поля при излучении УЗК в воду (скорость б УЗК составляет С=1500 м/с) и в Рис.2.5. Трехмерное изображение НЧ бетон (С=4000 м/с). Однако для парциального поля УЗ широкополосного ПЭП (в воде (а) и в представления поля во всём частотном диапазоне необходимо бетоне (б) на одной частоте 100 кГц.

визуализировать и анализировать набор парциальных трехмерных эпюр, что крайне неудобно, малопроизводительно и выглядит достаточно громоздко.

Проще представить пространственные характеристики широкополосного ПЭП на разных частотах с помощью набора двухмерных сечений акустического поля преобразователя для каждой из частот f1- f4 в полосе пропускания преобразователя. На рис.2.6 показан такой набор цветных парциальных двухмерных сечений для четырёх частот f1 f2 f3 f4;

(в диапазоне частот от f1 = 50 кГц до f4 = 150 кГц). При их построении учитывалось, что преобразователь излучает широкополосный сигнал, состоящий из набора парциальных гармоник, при этом для каждой j-ой гармоники имеет место своя парциальная ДН, параметры которой определяются соотношением j/D.

При моделировании учитывалось, что в режиме излучения при постоянной площади излучателя S амплитуды парциальных давлений на поверхности излучателя Р0 для каждой спектральной составляющей широкополосного сигнала в пределах полосы пропускания ПЭП одинаковы. В этом случае амплитуда акустического поля на оси z обратно пропорциональна длине волны : Рz = РоS/(z) [5].

Представление в виде набора цветных двухмерных сечений акустического поля менее громоздко, оно позволяет судить о амплитудном распределении акустического поля. В частности видно, что парциальные акустические поля для каждой спектральной составляющей отличаются друг от друга;

видно различие между акустическими полями при излучении в воду и в бетон;

видно, что в ближней зоне ПЭП для каждой из частот имеется существенная неоднородность поля, которая больше при излучении в воду.

а - излучение вводу (моделирование) б - излучение в бетон (моделирование) Рис.2.6. Набор цветных сечений акустического поля для круглого широкополосного преобразователя для дискретного набора частот f1 - f4.

Однако и такая форма представления акустического поля не может претендовать на роль универсальной, интегральной пространственной характеристики, позволяющую оценивать степень неравномерности поля в процессе проектирования топологии УЗ НЧ широкополосного ПЭП и тем самым определить, в какой мере исказится в той или иной точке поля форма УЗ широкополосного сигнала.

2.3. Интегральные способы представления пространственных характеристик УЗ широкополосных низкочастотных преобразователей.

В диссертационной работе для оценки характеристик широкополосных преобразователей впервые были использованы оригинальные интегральные способы представления пространственно временных характеристик УЗ широкополосного НЧ ПЭП.

2.3.1. Первая из представленных здесь характеристик, это «корреляционное распределение поля» (КРП) УЗ преобразователя. КРП представляет собой в декартовых или полярных координатах график значений максимумов модуля функции взаимной корреляции (ВКФ) регистрируемого эхо-сигнала и широкополосного возбуждающего сигнала [6, 21].

Трехмерный график КРП представляет собой интегральную пространственную характеристику широкополосного пьезопреобразователя, излучающего или принимающего широкополосный сложномодулированный круглого сигнал. Такое корреляционное поле Рис.2.7. КРП широкополосного демпфированного максимумов ВКФ (рис.2.7) внешне похоже ПЭП PANAMETRICS (D=45мм) для на трехмерное изображение поля ЧМ сигнала 70-130 кГц, в воде узкополосного ПЭП при использовании узкополосного радиоимпульса большой длительности (рис.2.5). Однако корреляционное поле характеризует широкополосный ПЭП не на одной парциальной частоте, а даёт интегральную характеристику ПЭП сразу во всём диапазоне частот. Так, КРП круглого широкополосного преобразователя фирмы PANAMETRICS на рис.2.7 (при излучении УЗК в воду) позволяет увидеть существенное различие с парциальной характеристикой поля того же преобразователя на рис.2.5,а (также при излучении УЗК в воду).

КРП характеризует не только пространственные, но и частотные свойства ПЭП, оно существенно упрощает анализ акустического поля широкополосного ПЭП, позволяет характеризовать пространственно временные характеристики широкополосных ПЭП в компактной форме, позволяет прогнозировать качество преобразования сигнала.

2.3.2. Другой способ характеризовать качество акустического поля УЗ широкополосного ПЭП - анализ "пространственных" амплитудно-частотных характеристик преобразователя.

Парциальные акустические поля, построенные или зарегистрированные для ряда спектральных составляющих в рабочем диапазоне частот ПЭП на рис.2.6,а отличаются друг от друга. В частности, амплитуды парциальных полей на том или ином удалении от плоскости (соответственно в точке 1, в точке 2 или в точке 3, расположенных на оси z) различны. А одинаковые амплитуды в различных парциальных полях соответствуют разным расстояниям от излучателя. Так, максимальная амплитуда (которой соответствует темно красный цвет) располагается тем дальше по оси z, чем выше частота. Следовательно, если для разных точек пространства (точек оси z 1, 2 или 3) построить пространственные АЧХ, т.е.

АЧХ соответствующие спектрам сигналов, регистрируемых в этих точках, то окажется, что АЧХ отличаются одна от другой.

Рис.2.8. Экспериментальная АЧХ Рис.2.9. "Пространственные" ПЭП PANAMETRICS videoscan V1011 в АЧХ ПЭП PANAMETRICS videoscan совмещённом режиме. V1011 на различных расстояниях по оси z (моделирование) На рис.2.8 приведена экспериментально снятая в совмещенном режиме амплитудно-частотная характеристика круглого широкополосного преобразователя PANAMETRICS videoscan типа V1011, имеющая характерный для демпфированного ПЭП вид (назовём такую характеристику АЧХ0).

Рис.2.10. Пространственное Рис.2.11. Зависимость мгновенных распределение частотных спектров широкополосного ПЭП характеристик ПЭП PANAMETRICS от расстояния z.

PANAMETRICS по оси z.

На рис.2.9 показан полученный (по данным парциальных двухмерных сечений поля на рис.2.6) набор "пространственных" АЧХ для различных точек поля на оси z на расстоянии 1, 5, 10.....100 мм от ПЭП.

На рис.2.10 приведена трехмерная пространственно-частотная характеристика мм акустического поля широкополосного ПЭП, построенная по совокупности "пространственных" АЧХ, изображенных на рис.2.9. На рис.2.11 приведена еще одна мм пространственная характеристика рассматриваемого широкополосного ПЭП – зависимость мгновенных спектров ПЭП от мм расстояния z.

Из приведенных выше 2.3.3.

характеристик видно, что у мм широкополосного ПЭП в каждой точке на оси имеют место различные z 50 "пространственные" АЧХ. В результате, за мм счет пространственной неравномерности Рис.2.12. Форма сигналов на поля сигналы в каждой точке поля будут искажаться различным образом, что и различном удалении от ПЭП показано на рис.2.12, где видно существенное различие формы импульсов в ближней и в дальней зоне ПЭП.

Очевидно, что следует определить те условия, при которых такие искажения сигналов допустимы и, тем самым, определить, при каких соотношениях, D, f возможно создание УЗ широкополосных ПЭП с относительно равномерным акустическим полем.

Из предыдущих рассуждений ясно, что при контроле изделий наибольшие искажения эхо-сигналов возникают в ближней зоне преобразователя. Для рассматриваемого НЧ ПЭП протяженность ближней зоны при излучении в воду составляет N =(D2 – 2)/40 ~20…40 мм;

при излучении в бетон протяженность ближней зоны рассматриваемого ПЭП близка к нулю. Тем самым, можно полагать, что приемлемая форма поля, не вызывающая появление искажений эхо-сигналов будет у ПЭП с апертурой D. По мере роста значения отношения D/ появится и будет увеличиваться протяженность ближней зоны. При D=50 мм для частоты кГц в бетоне =40 мм;

N=(D2 – 2)/40 = (2500-1600)/40=22,5 мм. При этом arcsin(/D) = 300. При D=50 мм для частоты 100 кГц в воде =15 мм:

N=(2500-225)/40 =56,8 мм.

В дальней зоне искажения не столь велики и ими можно пренебречь при следующих условиях:

1. Если преобразователь имеет относительно небольшую полосу пропускания f, то в этом случае в узкополосном ПЭП пространственное искажение сигнала будет небольшим.

2. Если у преобразователя относительно большая апертура D/1, т.е. D(8…10), что характерно для ВЧ широкополосных преобразователей, то диаграмма направленности будет узкая, и пространственными искажениями спектра, а значит и формы широкополосного сигнала можно пренебречь, но только в дальней зоне.

3. Если преобразователь – "точечный"(D), то в этом случае протяженность ближней зоны будет нулевая и диаграмма направленности ПЭП будет одинакова для всех гармоник сигнала, а искажения сигнала будет отсутствовать.

Таким образом, существенное влияние пространственная неравномерность акустического поля широкополосного ПЭП будет иметь место в случае широкополосного сигнала (f/f01) и при условии, что D=(3 6). Именно такие параметры, как правило, присущи УЗ НЧ широкополосным ПЭП, используемые при контроле крупногабаритных изделий из бетона. При таких соотношениях диаграмма направленности широка ( = 700–1000) и велика протяженность ближней зоны, что отрицательно сказывается на качестве электроакустического преобразования УЗ широкополосного сигнала.

2.3.4. Таким образом, ширина спектра сигнала, размеры ПЭП, форма АЧХ а преобразователя, форма акустического поля широкополосного ПЭП оказывает существенное влияние на форму регистрируемого сигнала.

б Из сказанного выше следует, что при проектировании УЗ НЧ широкополосных мозаичных ПЭП следует анализировать не только частотные, но и их пространственные в характеристики и для каждой задачи контроля, в том числе определять степень неравномерности акустического поля преобразователя.

г Как будет показано ниже, при проектировании раздельно-совмещенного НЧ широкополосного ПЭП также следует Рис.2.13. Принцип учитывать связь его пространственных синтеза широкополосного характеристик с амплитудой и формой ПЭП с равномерным полем из «вложенных» паразитного сигнала электроакустической набора наводки.

разночастотных колец.

2.4. Использование пространственных характеристик для создания УЗ мозаичных широкополосных ПЭП с максимально равномерным акустическим полем.

Выше отмечалось, что параметрически вариативно и технологически гибко синтез УЗ НЧ раздельно-совмещенных ПЭП осуществим с применением мозаичных технологий и основываясь на результаты анализа пространственных характеристик.

Пример подобного синтеза - создание УЗ НЧ широкополосного ПЭП с равномерным акустическим полем, обеспечивающего неискажающее электроакустическое преобразование широкополосного сигнала - описан в [44]. Идея построения подобного неискажающего ПЭП иллюстрируется ниже на примере СВП, который можно рассматривать как набор большого числа вложенных один в другой кольцевых преобразователей разных диаметров, в частности, с диаметрами D1 … D3 (рис.2.13,а,б,в).

Если положить, что все парциальные ДН одинаковы: 1/D1~1=, 2/D2~2=, 3/D3~3=, то и суммарная ДН на рис.2.13,г будет иметь такой же угол раскрыва, что и парциальные ДН. В этом случае, акустическое поле в пределах угла раскрыва диаграммы направленности у сконструированного таким образом сферически вогнутого ПЭП будет на всех частотах иметь практически одинаковую форму и без упомянутых в предыдущем разделе ограничений по значениям, D, f.

Создать сферически вогнутый профиль монолитного, массивного, низкочастотного ПЭП достаточно сложно. Однако его легко реализовать, применяя технологию мозаики, имеющей ряд конструктивных возможностей, недоступных для монолитного ПЭП:

в СВП, выполненном с применением технологии разночастотной мозаики, отсутствует взаимосвязь между частотными кольцами, что позволяет секционировать по частоте зоны кольцевых сигнальных электродов;

на каждый из кольцевых сигнальных электродов частотных зон возможно подавать отличный от других, характерный для этого значения частоты, взвешивающий электрические сигнал;

регулируя форму частотного профиля взвешенных возбуждающих сигналов, можно в некоторых пределах управлять картиной акустического поля, например с целью изменения положения фокального пятна.

В [44] приведены результаты компьютерного моделирования акустического поля широкополосного НЧ мозаичного СВП. Преобразователь образован несколькими кольцевыми группами разновысоких ПЭ, расположенных по принципу СВП. Для выглаживания акустического поля было использовано достаточно большое число элементов мозаики: при апертуре D 70 мм удалось разместить 52 разновысоких ПЭ сечением 77 мм. По этой причине мозаичный ПЭП назван в [44] антенной решеткой типа "АР52". При компьютерном моделировании топологии АР были сделаны допущения:

Рис.2.14. Топология - каждый ПЭ считался точечным, т.е. имел антенны АР52.

косинусоидальную ДН;

- не учитывалось присутствие эпоксидного наполнителя, создававшего взаимосвязь соседних ПЭ;

-обеспечивалась возможность амплитудного взвешивания сигнала на каждом ПЭ.

Предполагалось, что в основу топологии АР52 будет положен а принцип осесимметричного широкополосного СВП, в соответствии с которым каждая частотная группа ПЭ должна располагаться осесимметрично по концентрическим окружностям.

Однако при выбранных размерах б Рис.2.15. КРП мозаичных сечения пьезоэлементов (77 мм) широкополосных НЧ преобразователей обеспечить соблюдение этого АР52 (а) и АР55 (б) при использовании принципа не удалось и ЛЧМ сигнала большой базы с девиацией обеспечивалось только некоторое частоты от 80 кГц до 180 кГц.

приближение формы частотных групп к форме симметричных концентрических окружностей (рис.2.14). элемента были разбиты на 6 групп по 8…10 ПЭ;

с целью получения равномерной АЧХ значения резонансных частот ПЭ выбраны в полосе 90…170 кГц и имели следующие значения: 90 кГц (группа 1), 100 кГц (группа 2), 120 кГц (группа 3), 140 кГц (группа 4), 156 кГц (группа 5) и 175 кГц (группа 6). ПЭ высоких резонансных частот располагались соответственно ближе к центру ПЭП, низких – на периферии АР52. Поле в каждой точке вычислялось как сумма полей, излучаемых каждым ПЭ с учетом фазы. Учитывался только один, главный резонанс каждого пьезоэлемента. Добротность Q каждого элемента предполагалась равной 10, что позволило ожидать получение П-образной АЧХ ПЭП, равномерной в области частот 90-170 кГц.

При моделировании осуществлялось выравнивание АЧХ антенны амплитудным взвешиванием а [44]. Анализ результатов моделирования акустического поля широкополосной мозаичной антенны АР52 проводился с на основе анализа характеристики КРП, которое на рис.2.15,а построено для б сечения ПЭП плоскостью ХZ по диаметру АР52. В качестве возбуждающего сигнала при вычислениях использовался ЛЧМ сигнал в с девиацией частоты в пределах 80… кГц с последующим вычислением ВКФ сигнала для каждой точки поля в пределах угла раскрыва ДН. КРП г Пространственные строилось по совокупности максимумов Рис.2.16.

АЧХ и импульсные характеристики ВКФ ЛЧМ сигнала. По виду КРП широкополосного сигнала для ПЭП широкополосной АР52 (рис.2.15,а) легко АР52 на расстояниях от ПЭП: а- оценить и направленность излучения, и 5 мм;

б- 10 мм;

в -20 мм;

г - 50 мм.

степень "изрезанности" поля в ближней зоне. Качество АР52 было также оценено с помощью набора «пространственных» АЧХ, измеренных на разных расстояниях от плоскости ПЭП, а также по результатам анализа формы сжатых после оптимальной фильтрации ЛЧМ сигналов в различных точках на оси Z. На рис.2. показаны АЧХ1, АЧХ2, АЧХ3, АЧХ4, а также формы сигнала для 4-х точек поля с разными значения координат вдоль акустической оси, совпадающей с осью аппликат Z, а именно в точках с координатами z1 = 5 мм (а), z2 = 10 мм (б), z3 = 20 мм (в), z4 = 50 мм (г).



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.