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:     | 1 || 3 |

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ» СИНИЦЫН Алексей Алексеевич РАЗРАБОТКА ...»

-- [ Страница 2 ] --

Результаты моделирования КРП «пространственных» АЧХ и формы сигналов показали, что на разных расстояниях от антенны АР52 акустическое поле и пространственные АЧХ неравномерны, потому и форма зарегистрированного в точках с указанными выше координатами сигнала после оптимальной фильтрации сильно искажена. Только по мере удаления от ПЭП, в дальней зоне АР52 акустическое поле становится относительно равномерным, искажение сигнала уменьшается.

Таким образом, в [44] был сделан вывод, что синтез ПЭП типа АР52 с расположением элементарных ПЭ по концентрическим окружностям не обеспечивает равномерное акустическое поле. Амплитудное взвешивание парциальных сигналов к существенному улучшению характеристик не привело.

Поэтому на следующем этапе исследований с целью формирования более равномерной картины поля в [44] была проведена оптимизация топологии широкополосной мозаичной антенны. С этой целью был синтезирован новый мозаичный ПЭП, в увеличенным до Рис.2.17. Топология ПЭП АР55 числом элементарных ПЭ, в следствие чего увеличился до 90 мм и размер апертуры. Топология широкополосного 55-элементного мозаичного преобразователя АР55 с октавной полосой частот приведена на рис.2.17.

В основу данной модели был положен не принцип осесимметричного широкополосного СВП, а использованы узкополосные мозаичные малоэлементные пьезопреобразователи разреженных топологий, каждый из которых имеет лучшую, в сравнении с кольцевыми СВП, форму ДН, структуру КРП и размеры, допускающие пространственное вложение одна в другую.

Требуемая рабочая полоса частот обеспечивалась пятью вложенными узкополосными мозаичными пьезопреобразователями. Значения резонансных частот ПЭП выбраны в полосе 85…180 кГц и имели следующие значения:

89 кГц (группа 1), 104 кГц (группа 2), 125 кГц (группа 3), 150 кГц (группа 4), 176 кГц (группа 5). Тем самым формировалась такая же, как у преобразователя АР52 полоса рабочих частот. В центре антенны располагался центральный высокочастотный мозаичный ПЭП, состоящий из пяти элементарных ПЭ. Топология АР55 характеризуется бльшей «равномерностью» в отношении топологии расположения элементов мозаики при сохранении принципа осесимметричности профиля.

Сравнивая КРП для АР52 (рис.2.15,а) и КРП для АР55 (рис.2.15,б), можно сделать вывод о том, что у АР55 картина поля значительно более выглажена и равномерна как дальней, так и в ближней зоне.

а) Расстояние z = 5 мм x10, Гц t, мс 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 2,1 2,2 2,3 2, б) Расстояние z= 10 мм x10, t, мс Гц 2,1 2,2 2,3 2, 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 в) Расстояние z= 20 мм x10, Гц t, мс 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 2,1 2,2 2,3 2, г) Расстояние z= 50 мм x10, t, мс Гц 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 2,1 2,2 2,3 2, Рис.2.18. Пространственные АЧХ и форма сигналов на разных расстояниях от плоскости апертуры 55-элементной антенны АР55 (х = y = 0) Такой же результат даёт сравнение «пространственных» АЧХ и связанных с ними форм сигналов, регистрируемых на разных расстояниях от плоскости ПЭП (рис.2.18). Если «пространственные» АЧХ антенны АР52, показанные на рис.2.16, были сильно изрезаны, а форма АЧХ и соответствующая ей форма сигнала в зависимости от расстояниях от плоскости ПЭП сильно изменялась, то характеристики АР55 (рис.2.18) существенно слабее зависит от расстояния, а искажения сигнала, как в ближней, так и в дальней зоне, невелики, что позволяет достоверно регистрировать сигналы и в ближней зоне АР55.

Таким образом, технология мозаики в совокупности с разработанным аппаратом для анализа пространственных характеристик УЗ широкополосных преобразователей позволил синтезировать УЗ НЧ широкополосный ПЭП с равномерным акустическим полем. Очевидно, что использование приведенной выше методологии конструирования УЗ НЧ мозаичных преобразователей целесообразно использовать в рамках настоящей диссертации для синтеза УЗ НЧ широкополосных раздельно совмещенных преобразователей с минимизированным уровнем паразитного сигнала электроакустической наводки.

2.5. Выводы по разделу 2.

2.5.1. В разделе изложены разработанные методы анализа пространственных характеристик акустического поля НЧ широкополосного ПЭП, включающие использование характеристики "корреляционное распределение поля", набор пространственных амплитудно-частотных характеристик, пространственное распределение мгновенного спектра широкополосного ПЭП и др.

2.5.2. Показано, что разработанный набор пространственных характеристик акустического поля НЧ широкополосного ПЭП позволил синтезировать топологию УЗ НЧ мозаичного широкополосного ПЭП с равномерным акустическим полем, обеспечивающим неискажающее преобразование УЗ широкополосных сигналов, как в дальней, так и в ближней зоне ПЭП.

2.5.3. Разработанные методики анализа полей и синтеза УЗ НЧ широкополосных мозаичных ПЭП могут быть использованы для синтеза УЗ мозаичных широкополосных преобразователей с иной, требуемой картиной акустического поля, в том числе и для синтеза УЗ НЧ широкополосных композитно-мозаичных ПЭП с ограниченной апертурой.

2.5.4. Разработанные методики анализа полей и синтеза УЗ НЧ широкополосных мозаичных ПЭП могут быть использованы для синтеза УЗ раздельно-совмещённых мозаичных широкополосных преобразователей с минимизированным уровнем акустической наводки.

3. МОЗАИЧНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ОГРАНИЧЕННОЙ АПЕРТУРОЙ.

Выше было показано, что мозаичная технология универсальна и позволяет создавать УЗ ПЭП с вполне определенными электро акустическими характеристиками. Очевидно, что потенциал у технологии мозаичных преобразователей высок и позволяет решать другие задачи.

Например, в разделе 2.3 было показано, что с помощью мозаичных преобразователей возможно формировать заданное, а именно равномерное, акустическое поле в широкой области озвучиваемого пространства. В данном разделе приводятся примеры конструирования и изготовления малоапертурных мозаичных широкополосных преобразователей для использования в составе раздельно-совмещенных НЧ широкополосных ПЭП с ограниченной апертурой и минимальным уровнем сигнала электроакустической наводки, а также в качестве элементов УЗ антенных решёток.

3.1. Методология и технология проектирования и изготовления УЗ широкополосных мозаичных ПЭП на основе использования разновысоких стержневых ПЭ с продольным пьезоэффектом.

В процессе выполнения диссертационной работы были разработаны или модернизированы различные "технологии" изготовления мозаичных преобразователей низкочастотного диапазона. Ниже показан пример конструирования и изготовления УЗ НЧ широкополосного раздельного ПЭП с ограниченной апертурой на основе использования разновысоких стержневых ПЭ. Относительно небольшая апертура D, размер которой определен техническим заданием и равен 50 мм, не позволяет использовать большое число элементарных ПЭ (как, например, в преобразователе "АР55" с равномерным акустическим полем). Поэтому при конструировании ПЭП с ограниченной апертурой используются упрщенные топологии с меньшим числом ПЭ, что неизбежно должно приводить к появлению неравномерности акустического поля. Однако в ряде случаев, в том числе и для РС ПЭП, задача формирования равномерного акустического поля не является приоритетной задачей на фоне других задач, например проблемы минимизации амплитуды сигнала ЭАН.

3.1.1. Основные технологические этапы изготовления УЗ раздельных широкополосных мозаичных ПЭП с ограниченной апертурой на основе набора разновысоких пьезоэлементов с продольным пьезоэффектом.

Как было отмечено в разделе 1.4.3, в МЭИ выработаны общие принципы технологии создания мозаичных преобразователей, которые необходимо соблюдать при разработке УЗ НЧ широкополосных мозаичных ПЭП независимо от их целевого назначения. На первом этапе, в зависимости от поставленной задачи, определяется конфигурация ПЭП, средняя частота f и полоса пропускания f. Далее производится выбор типа базовых пьезоэлементов (ПЭ), их размеры (высота и сечение). Затем определяется топология мозаики, проводится моделирование ожидаемого формы акустического поля ПЭП. И, наконец, в определенной последовательности проводятся необходимые технологические операции по изготовлению мозаичного ПЭП.

Ниже приведено описание основных технологических этапов на примере изготовления УЗ НЧ широкополосного раздельного ПЭП со следующими параметрами: средняя частота f0 = 140 кГц;

эффективная полоса частот f = 80…200 кГц;

размер апертуры не более 50 мм [58].

Для размещения ПЭ мозаики изготавливается корпус в виде плоскодонного чаши из оргстекла с наружным диаметром 50 мм, внутренним 46 мм (рис.3.1,а).

Рис.3.1. Подготовительный этап изготовления УЗ НЧ широкополосного ПЭП-24: а) корпусная чашка;

б) набор разновысоких ПЭ для мозаичного ПЭП;

в) топология расположения 24-х пьезоэлементов.

Толщина Hд дна чашки выбрана Hд=1 мм исходя из условия: Hд ср/10 = 1.93 мм (где ср = С/f0, С+2700 м/сек – скорость УЗК в оргстекле).

Выбраны пьезоэлементы из керамики типа ЦТС-19 в виде разновысоких брусков сечением 7х7 мм с добротностью отдельного ПЭ Qн 6…7, что определяет относительную полосу отдельного ПЭ fп/fn 12…14 %.

Т.к. для полосы частот f=80…200 кГц относительная полоса f/f 85%, то выбраны N=6 групп разновысоких ПЭ: (f/f0)/(fп/f n) 6. Высота ПЭ выбиралась из стандартного ряда высот серийно изготавливаемых ПЭ (шаг высоты 1 мм) в соответствии с требуемым значением резонансной частоты, рассчитанным по формуле: Hпэ =1400 [кГц*мм]/f0n. Использовались ПЭ шести высот: 15 мм (93,3 кГц), 13 мм (107,8 кГц), 11 мм (121,3 кГц), 9 мм 155,6 кГц), 8 мм (175 кГц), 7 мм (200 кГц) (рис.3.1,б). Количество ПЭ в каждой группе выбрано равным 4. Таким образом, широкополосный ПЭП изготовлен из 24 пьезоэлементов, что определило его как ПЭП-24 [58].

Выбранное количество ПЭ обеспечивает плотное заполнение корпусной чашки и максимальное значение коэффициента электроакустического преобразования. Топология расположения всех 24 ПЭ соответствует принципу формирования сферически вогнутой поверхности, что обеспечивает относительную "равновеликость" парциальных ДН на шести опорных частотах.

На рис.3.2 показаны последующие технологические этапы:

облуживание (а);

объединительная распайка верхних обкладок пьезоэлементов (б) с целью формирования сигнального электрода;

формирование общего (земляного) электрода (в);

сверка посадочных размеров (г);

формирование сигнального и общего выводов (д);

"замоноличивание" (формирование монолитной конструкции ПЭП-24 за счет заполнения эпоксидной смолой внутреннего объема корпуса с помещенным внутрь корпуса мозаичным пьезомодулем) (е,ж);

формирование корпуса ПЭП-24 (з);

окончательная обработка корпуса ПЭП-24 (и) - после полимеризации эпоксидной смолы с готового ПЭП был снят бандаж, острые края были обработаны на токарном станке.

а б в Облуживание (а) и формирование сигнального электрода Формирование общего мозаичного ПЭП-24 (б) ("земляного") электрода.

г е д Сверка посадочных Формирование внешних Позиционирование мозаики в размеров выводов ПЭП-24 чашке з ж и Замоноличивание (корпус Корпус ПЭП-24, ПЭП-24 после обработки на ПЭП-24 заполняется заполненный эпоксидной токарном станке эпоксидной смолой) смолой Рис.3.2. Основные технологические этапы изготовления ПЭП- В процессе изготовления ПЭП-24 измеряются промежуточные АЧХ одиночных ПЭ, групп ПЭ и целиком мозаики на разных стадиях изготовления с целью контроля, как технологического процесса, так и возможных влияний корпуса, эпоксидной смолы и др.

Эффективность разработанных в МЭИ УЗ НЧ широкополосных преобразователей была продемонстрирована в разделе 1.4.3. На рис.1. видно, что технология мозаики позволяет изготавливать НЧ ПЭП с широкополосной АЧХ без существенной потери в эффективности электроакустического преобразования. К недостаткам мозаики можно отнести некоторую изрезанность АЧХ, которая легко устраняется как применением весовых резисторов, так и использованием сигналов с амплитудно-частотными предъискажениями.

3.1.2. Основные технологические этапы создания УЗ малоапертурных широкополосных мозаичных ПЭП на основе сепарированных пьезоэлементов с продольным пьезоэффектом.

Современная УЗ аппаратура на базе АР использует в качестве возбуждающих сигналов короткие импульсы и предполагает применение широкополосных пьезоэлектрических преобразователей с апертурой, не превышающей /2. Для УЗ НЧ контроля бетона в диапазоне частот 80- кГц при скорости УЗ волн в бетоне С = 3000 – 4000 м/сек апертура элементарного элемента АР D 15 мм.

Для создания соответствующих малоапертурных широкополосных ПЭП (элементов АР) в МЭИ была разработана технология изготовления НЧ мозаичных преобразователей с применением сепарированных пьезоэлементов, выполненных из единого исходного керамического пьезоэлемента и представляющих, тем самым, механически связанные по основанию разновысокие пьезоэлементы [59].

На рис.3.3,а показан исходный пьезокерамический элемент, представляющий собой квадратный в сечении брусок из относительно низкодобротной пьезокерамики типа ЦТС-19 размером 7х7 мм. Высота пьезоэлемента выбирается исходя из значения низшей частоты полосы электроакустического преобразования сигнала. Для ПЭ высотой 14 мм резонансная частота составляет 100 кГц.

а) б) в) г) Рис.3.3. Последовательность изготовления малоапертурных широкополосных мозаичных ПЭП (элементов АР) на основе сепарированных торцевых пьезоэлементов: а) исходный ПЭ ЦТС-19;

б) ПЭ после механической обработки;

в) внешний вид малоапертурного ПЭП-16 до замоноличивания;

г) внешний вид малоапертурного ПЭП-16.

Для придания соответствующей конфигурации на пьезокерамическом элементе делались два ортогональных разреза. Резы выполнялись на высокооборотистом (n 20000 об/мин) циркулярном станке с помощью тонкого сепарационного алмазного диска (толщина 200 мкм). Таким образом, были сформированы из одного исходного пьезоэлемента четыре «субпьезоэлемента» одинаковой высоты, механически и акустически связанные в нижней части бруска (рис.3.3,б). Величина акустической связи Кэа регулируется в процессе изготовления за счет изменения глубины пропила и может принимать значение от 100% (что соответствует отсутствию пропила) до 0% (что соответствует полностью разрезанному пьезокерамическому элементу). Далее высоты трех субпьезоэлементов уменьшались до размеров 12, 10 и 8 мм, что соответствует их резонансным частотам 120 кГц, 140 кГц и 175 кГц. На торцы укороченных субпьезоэлементов наносилась серебросодержащая паста, которая после полимеризации в термошкафу при температуре 110…1200С, формировала отсутствующие сигнальные электроды (удаленные в процессе уменьшения высоты субпьезоэлементов). После формирования электродов, последние соединяются электрически параллельно, образуя верхний сигнальный вывод мозаичного пьезоэлемента.

При нагруженной механической добротности Q пьезоэлемента, равной 5, полоса эффективного электроакустического преобразования первого субпьезоэлемента лежит в диапазоне от 90 кГц до 110 кГц, второго от 108 кГц до 132 кГц, и т.д. При объединении четырех таких ПЭ, формируется АР16, т.к. в состав датчика входит 16 субпьезоэлементов (рис.3.3.,в).

Для уменьшения осцилляций суммарной АЧХ из состава конструкции были исключены два из четырех сепарированных ПЭ максимальной высотой 14 мм, и были изготовлены два дополнительных сепарированных ПЭ, но с исходной высотой бруска ПЭ, равной 13 мм, с шагом по высоте, также равным 2 мм. В конечном счете, конструкция представляет собой набор из двух пар сепарированных ПЭ с максимальной высотой в основной паре мм и максимальной высотой в дополнительной паре 13 мм, а общий набор субпьезоэлементов представляется следующим рядом: 2х14 мм, 2х13 мм, 2х12 мм, 2х11 мм, 2х10 мм, 2х9 мм, 2х8 мм. Габаритные размеры малоапертурных ПЭП вписываются в куб с величиной ребер 14х14х14 мм.

На рис.3.3,г показан внешний вид не герметизированного малоапертурного ПЭП.

Рис.3.4. АЧХ малоапертурного Рис.3.5. УЗ НЧ АР из пяти ПЭП. преобразователей На рис.3.4 показана итоговая АЧХ широкополосного, мозаичного, высокоэффективного малоапертурного ПЭП, изготовленного в соответствие с описанной выше технологией. АЧХ итогового элемента АР существенно изрезана из-за малой полосы электроакустического преобразования каждого из субпьезоэлементов, а также из-за влияния на АЧХ деталей корпуса датчика.

Описанный выше УЗ широкополосный мозаичный ПЭП с апертурой 14х14 мм является «точечным», при характерной для железобетонных конструкций длине волны 30-50 мм. Именно по этой причине, малоапертурный широкополосный НЧ ПЭП нашёл применение в различных УЗ устройствах для исследования структуры бетонных изделий.

Кроме использования данного ПЭП в качестве элемента АР (см.рис.3.5), также возможно применение:

в качестве составного ПЭП для излучения/приёма двух комплементарных ФМ сигналов Голлея для определения параметров контролируемого сложноструктурного изделия [60];

в качестве совмещённого ПЭП, перемещаемого по поверхности сложноструктурного изделия с излучением и приёмом УЗ сигнала в каждой точке для применения пространственно-временных алгоритмов с целью декорреляции полезного сигнала от дна изделия и коррелированного сигнала структурной помехи, а, следовательно, увеличения отношения сигнал/структурный шум (см. раздел 1.2) [61].

в качестве излучающего и двух приёмных преобразователей для одновременного измерения скорости распространения УЗ колебаний и толщины изделия по методу [62].

К недостаткам НЧ широкополосных преобразователей с ограниченной апертурой можно указать асимметрию в топологии мозаики, что приводит к неоднородному и ассиметричному акустическому полю излучения (приема) и требует учета при расположении ПЭП в УЗ АР.

3.1.3. Основные технологические этапы создания УЗ малоапертурных широкополосных мозаичных низкочастотных ПЭП на основе пьезопреобразователя с поперечным пьезоэффектом.

Рассмотренная в предыдущем разделе технология создания малоапертурного мозаичного широкополосного ПЭП позволяет синтезировать элементы АР со средней частотой f0 200 кГц и полосой f ~100200 кГц. Однако эта технология изготовления малоапертурного ПЭП из пьезоэлементов с продольным пьезоэффектом не позволяет создавать еще более низкочастотные широкополосные ПЭП, так как для снижения резонансной частоты отдельных ПЭ до 50 - 70 кГц требуется увеличение их резонансной высоты до 25 – 30 мм, вследствие чего, снижается эффективность их возбуждения на требуемой резонансной частоте.

Таким образом, для снижения рабочей частоты малоапертурного широкополосного низкочастотного преобразователя (элемента АР) до 50 кГц и ниже (для обеспечения полосы f ~ 50 - 150 кГц) была разработана принципиально иная мозаичная технология, обеспечивающая одновременно высокую эффективность электроакустического преобразования и широкую полосу АЧХ (с относительной полосой f/f0(70100)%). Такой низкочастотный мозаичный малоапертурный преобразователь сформирован из пластинчатых ПЭ с поперечным пьезоэффектом, в которых направление электрического поля ортогонально направлению излучения УЗ волны [63].

Для создания одного такого малоапертурного мозаичного ПЭП требуемой полосы частот (50 - 120 кГц) и малых габаритов (24х24 мм) используется набор из шести - семи пьезопластин толщиной h = 3 мм, шириной L = 20 мм с различной резонансной высотой Hрез, лежащей в диапазоне от 13,5 до 26 мм.

Точные значения резонансных высот f0 рассчитывались в соответствии с соотношением: f0=K/h0, где K = 1500 мм/кГц – коэффициент связи между размером и частотой для пьезокерамики ЦТС-19. Значения резонансных частот и соответствующих им резонансных высот определенные экспериментальным путем, приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Резонансные частоты пьезоэлементов малоапертурного мозаичного ПЭП Hрез (мм) 26.0 24.0 22.0 18.5 16.5 13. f0 (кГц) 57 63 68 81 91 Последовательность технологических этапов изготовления малоапертурного низкочастотного мозаичного ПЭП (элемента КМПЭП) показана на рис.3.6.

В качестве исходных пьезоэлементов использовались пьезокерамические диски диаметром D = 40 мм и толщиной h = 3 мм (рис.3.6,а). Заготовки, полученные из такого диска, имеют технологическое "скругление" одного торца, что обеспечивает дополнительные приливы эпоксидной смолы в углах преобразователя для обеспечения необходимой прочности контактной поверхности. Кроме того, скругление обеспечивает большую широкополосность каждого пьезоэлемента, исключая выраженные резонансные размеры. Для обеспечения надёжной пайки металлизированная поверхность диска полировалась (рис.3.6,б) с целью удаления окисла серебра на поверхности ПЭ. Далее происходила маркировка каждого ПЭ для определённости его поляризации (рис.3.6, в). Затем проводился "раскрой" ПЭ - разметка для сепарации на оборотной стороне ПЭ (рис.3.6,г). Схема раскроя пьезодисков 40х3 мм приведена на рис.3.6,д.

а б в г д Рис.3.6. Подготовка пьезодисков и схема их "раскроя" Далее с помощью ленточной пилы с алмазным полотном толщиной 0,5 мм производилась сепарация ПЭ-тов в соответствии с раскроем (рис. 3.7,а-б). Для исключения замыкания медной фольги на соседние электроды при сборке ПЭ-тов в пакет с их краёв удалялась полоса металлизации шириной 1 мм при помощи алмазного шлифовального диска.

а) б) Рис.3.7. Заготовки ПЭ (а), набор ПЭ для одного ПЭП (б) а) б) Рис.3.8. Схема компоновки ПЭ-тов внутри корпуса ПЭП (а) и схема формирования электродов (б).

В результате были изготовлены наборы разнорезанансных пьезопластин, готовые для мозаичного пакетирования. Схема компоновки пьезоэлементов в пакете показана на рис.3.8,а. Необходимо отметить, что при сборке ПЭ в пакет необходимо учитывать направление вектора поляризации каждого из них. Для скрепления пьезопластин между собой и одновременно формирования сигнальных электродов по схеме, показанной на рис.3.8,б использовалась медная фольга с нанесённым на обе её стороны токопроводящим клеем. Этапы сборки ПЭ в пакет показаны на рис. 3.9.

Затем, каждый мозаичный пакет продольно сепарировался (как показано на рис. 3.10,а с целью повышения значения частоты паразитного поперечного резонанса. Частота fп.рез = 75 кГц на резонансном поперечном размере L = 20 мм повышалась до значения fп.рез = 150 кГц на резонансном поперечном размере L = 10 мм с целью выведения ее значения за пределы рабочего частотного диапазона.

Рис.3.9. Этапы сборки ПЭ-тов в пакет и элемент готовый для дальнейшей сепарации После чего, к пакету припаивались два штырьковых вывода, один к сигнальной стороне пластины и второй к земляной, как показано на рис.3.10,б. Следует отметить, что на каждом этапе создания ПЭП после его склеивания в пакет отслеживалась его ёмкость (значения ёмкости ПЭП 1025 нФ) во избежание отделения выводов от пьезопластины или отслоения пластин друг от друга, приводящие к потери электрического контакта.

Далее, с помощью специально заготовленных силиконовых форм, формировался акустически прозрачный слой для излучающей поверхности ПЭП. В силиконовую форму (рис.3.11,а) заливался слой эпоксидной смолы достаточный для погружения в него мозаичного пакета на 10-20 процентов от его высоты. После высыхания этого слоя, конструкция полностью герметизировалась смесью эпоксидной смолы ЭД-20 и вольфрама в соотношении массовых долей 1:6, так, чтобы на поверхности оставались только электрические выводы. Таким образом, формировался корпус ПЭП (рис. 3.11,б) и, одновременно, происходило частичное демпфирование, что позволило снизить добротность каждого ПЭ, а, как следствие, расширить полосу частот всего ПЭП. На следующем этапе производилось формирование акустически прозрачного слоя для излучающей поверхности ПЭП с помощью силиконовых форм.

а б а б Рис.3.10. Мозаичный пакет после Рис.3.11. Формировался корпус продольной сепарации (а), ПЭП с помощью эпоксидной смолы, исключающей поперечный заливаемой в силиконовую форму паразитный резонанс на АЧХ ПЭП и заданной конфигурации элемент со сформированными электрическими выводами (б).

На следующем этапе осуществляется фрезеровка, обработка абразивом и обезжиривание верхней поверхности ПЭП и наклеивание на неё акустического изолятора – кожи.

а б Рис.3.12. Элементы КМПЭП с обработанной поверхностью (а) и процесс приклеивания кожи к поверхности ПЭП (б).

На следующем этапе (рис.3.12) осуществлялась фрезеровка верхней поверхности ПЭП до необходимой высоты (26 мм). Далее происходила подготовка поверхности для приклеивания акустического изолятора – кожи.

Для лучшей адгезии поверхность ПЭП обрабатывалась абразивной бумагой и обезжиривалась с помощью бензина. Затем, на поверхность ПЭП и на вырезанный слой кожи с отверстиями для электрических выводов наносился слой клея, после чего посредством сильного прижатия происходило приклеивание. На этом этапе ПЭП готов для вклеивания в КМПЭП [65].

Для приклеивания силиконового протектора, контактные поверхности ПЭП зачищались с помощью абразивной бумаги и обезжиривались с помощью бензина. Затем, тонким слоем наносился ацетатный силиконовый герметик, являющийся склеивающим элементом между поверхностью ПЭП и силиконовым протектором. Далее, заранее подготовленные полосы силиконового протектора размером 25х25 мм приклеивались к поверхности каждого ПЭП [65].

Импульсная и частотная характеристики изготовленных по приведенной выше технологии элементов КМПЭП показаны на рис.3.13.

Рис. 3.13. Сквозные импульсная и Рис.3.14. Экспериментальный амплитудно-частотная характеристики график нормированной Uкдн() двух ПЭП, измеренная в теневом режиме. корреляционной диаграммы направленности для НЧ ПЭП.

Схема установки для измерения одной из пространственных характеристик широкополосного ПЭП - корреляционной диаграммы направленности, изображена на рис.3.15. Для измерения КДН был изготовлен бетонный тестовый образец в форме шайбы с наружным диаметром 500 мм и с диаметром отверстия, равным 40 мм.

В качестве приёмного преобразователя использовался широкополосный демпфированный малоапертурный ПЭП (обозначен как ПП) с равномерной АЧХ. Исследуемый ПЭП (на рисунке обозначен как ИП) помещался внутрь цилиндрического отверстия в бетонном тестовом образце, а ПП – соосно с ИП на внешней поверхности.

Рис. 3.15. Структурная схема стенда для измерения корреляционной диаграммы направленности НЧ ПЭП.

В процессе измерения КДН излучался широкополосный ЛЧМ сигнал с девиацией частоты, соответствующей исследуемому частотному диапазону и значительной длительностью, обеспечивающей величину базы возбуждающего сигнала не менее 100. Принимаемый сигнал регистрировался и определялась максимальное значение амплитуды вычисляемого графика функции взаимной корреляции Uкдн() излучаемого и принимаемого сигналов. Затем угол между акустическими осями ИП и ПП изменялся с шагом 10 и строился график Uкдн() (рис.3.14).

3.2. Конструирование и изготовление низкочастотных раздельно совмещенных широкополосных мозаичных ПЭП с ограниченной апертурой. Технологические пути решения проблемы минимизации амплитуды сигнала электроакустической наводки.

Как было отмечено в разделе 1.5, для УЗ эхо-контроля бетонных изделий в условиях ограничения величины контактной площадки, доступной для позиционирования датчика на поверхности изделия, необходимо использовать малоапертурные УЗ НЧ раздельно-совмещенные высокоэффективные широкополосные ПЭП. В разделе 1.5 подробно изложены особенности УЗ раздельно-совмещенных ПЭП, где показывается проблематичность использования УЗ НЧ РС преобразователей из-за высокого уровня акустической наводки с ИП на ПП при относительно небольшой амплитуде информационного донного эхо-сигнала или эхо сигнала от дефекта. Для близко расположенного отражателя протяжённая во времени акустическая составляющая помехового сигнала электроакустической наводки оказывает маскирующее действие на принятый эхо-сигнал и не позволяет достоверно регистрировать последний.

Необходимость устранения паразитных наводок в раздельно совмещенном НЧ ПЭП предопределила направления поиска новых способов их минимизации. В данной диссертации был предложен "технологический" способ снижения АН, позволяющий вследствие конструктивной универсальности мозаичной технологии формировать такую топологию каждой излучающей и приемной частей РС ПЭП, чтобы электроакустическая связь ИП и ПП была минимальной.

Ниже рассматриваются варианты конструкции НЧ широкополосных мозаичных РС преобразователей с пяти различными топологиями мозаики.

3.2.1. Мозаичный раздельно-совмещенный ПЭП на основе топологии мозаики со сферически вогнутой поверхностью.

Все три РС мозаичных преобразователя выполнены по единой конструктивной схеме и состоят из опорной цилиндрической плиты, образованной двумя дисками 1 и 2, акустического экрана 3 и двух мозаичных датчиков: ИП и ПП (рис.3.16). Диски опорной плиты (1 и 2) в общем случае могут быть выполнены из различных материалов, так как они выполняют различные функции. Так, верхний (на чертеже) диск опорной плиты (1) предназначен для укрепления конструкции ПЭП и потому выполнен из прочной эпоксидной смолы, усиленной наполнителем.

Рис.3.16. Эскиз конструкции раздельно-совмещенных пьезопреобразователей, выполненных по мозаичной технологии.

Нижний диск опорной плиты (2) выполнен из материала с высоким затуханием УЗ волн (из пеноэпоксидной смолы), что позволяет уменьшить ЭАН с ИП на ПП. Акустический экран (3 и 8) из натуральной кожи толщиной 2-3 мм обеспечивает акустическую развязку мозаичных датчиков, значительно (на 60 дБ и более) уменьшая амплитуду акустической наводки зондирующего сигнала с "обратного" торца передающего датчика на "обратный" торец приемного датчика.

Рис.3.17. Внешний вид малоапертурного (D=50мм) мозаичного широкополосного РС ПЭП.

Каждый из мозаичных датчиков (ИП и ПП) укреплены на акустически прозрачном основании (6), и помещены в пеноэпоксидную смолу (4), которая формирует корпус датчика и, также, выполняет роль дополнительного акустического экрана.

Вместо пеноэпоксидной смолы были опробованы эпоксидная и полиэфирная смолы, однако в этом случае за счет увеличения акустической наводки на АЧХ ПЭП появлялись паразитные "корпусные" резонансные пики. Акустический протектор (7) толщиной 1-2 мм выполнен из силиконового каучука марки Пентэласт-750Б и приклеен к рабочим торцам датчиков. Между ИП и ПП помещен акустический (8) и электрический (9) экраны, которые на 60 дБ и более уменьшают уровень паразитной электро-акустической наводки между боковыми поверхностями датчиков. ИП и ПП при помощи экранированных кабелей (10) соединены соответственно с генератором и приемным усилителем.

На рис.3.17 показан вид одного из вариантов конструкции УЗ НЧ РС широкополосного мозаичного ПЭП с ограниченной апертурой, где виден также разделенный на 2 равные половинки протектор, подробное описание которого будет приведено в разделе 5.

Каждый из двух изображенных на рис.3.18 ПЭП конструкционно представляет собой половину рассмотренного в разделе 1.4.3 мозаичного широкополосного ПЭП-24 (рис.1.24), выполненного из стержневых пьезоэлементов сечением 7х7 мм, топология расположения которых соответствует конструкции "сферически вогнутого широкополосного преобразователя", что сделано с целью выглаживания акустического поля (рис.3.18). Как показали экспериментальные исследования, раздельно совмещенный ПЭП-24, обладает высокой эффективностью электро акустического преобразования, требуемой широкополосностью, относительно гладким акустическим полем. Однако, топология мозаики, организованная по принципу СВП, характеризуется неприемлемо высоким уровнем акустической наводки.

Рис.3.18. ИП и ПП раздельно-совмещенного мозаичного ПЭП-24-РС с топологией, организованной по принципу сферически-вогнутого ПЭП.

По этой причине в диссертации были проведены исследования по влиянию связи топологии мозаики и амплитуды сигнала акустической наводки в УЗ НЧ широкополосном раздельно-совмещенном преобразователе.

3.2.2. РС ПЭП на основе топологии мозаики с пространственной ориентацией частотных групп параллельно акустическому экрану (№1).

На рис.3.19 показана топология мозаики одного из разработанных в диссертации РС преобразователей, обозначаемых как " ПЭП".

Рис.3.19. Топология расположения частотных групп пьезоэлементов в пределах ИП и ПП.

Особенностью этой топологии является формирование N=7 частотных групп стержневых пьезоэлементов сечением 4х4 мм, ориентированных параллельно плоскости электроакустического экрана (вдоль оси Х).

Каждая частотная группа образована 4-мя идентичными ПЭ, расположенными в ряд. Резонансные высоты hn в диапазоне от 7 мм до 14 мм соответствуют резонансным частотам от 100 кГц до 200 кГц. В соответствии с разработанной в диссертации технологией для каждой частотной группы подбирались ПЭ нужных высот. Если среди серийно выпускаемых ПЭ отсутствовали пьезоэлементы с требуемым значением высоты, то нужный размер обеспечивался его укорачиванием до нужного размера при помощи алмазного сепарационного диска.

Далее на торцевую поверхность ПЭ наносилась паста на основе насыщенной смеси алкидной эмали и порошкообразного серебра для формирования сигнального электрода. Затем ПЭ собирались в пакет (рис.3.20,а) и склеивались клеем на основе цианоакрилата.

а) б) г) в) Рис.3.20. Изготовление РС ПЭП с "параллельным" расположением групп ПЭ: а) - пакет частотных групп ПЭ;

б) - распаянный пьезодатчик;

в)- после механической обработки;

г) - общий вид ПЭП.

Затем осуществлялась распайка контактных площадок с формированием сигнального и земляного выводов (рис.3.20,б). После герметизации эпоксидной смолой мозаичный пьезодатчик подвергался механической обработке (рис.3.20,в).

Как показали экспериментальные исследования, этот раздельно совмещенный ПЭП, обозначаемый как " ПЭП", с расположением групп ПЭ параллельно акустическому экрану также отличается повышенным уровнем поверхностной АН. Это объясняется тем, что волновой размер апертуры частотных групп в направлении распространения поверхностной наводки на порядок меньше длины продольной волны и в 4-5 раз меньше волнового размера апертуры в перпендикулярном направлении, вследствие чего эффективность излучения Релеевской и головной волн в направлении оси Y (в направлении распространения наводки) значительно выше, чем в направлении X, особенно на верхних частотах рабочего диапазона.

3.2.3. РС ПЭП на основе топологии мозаики с пространственной ориентацией частотных групп нормально акустическому экрану (№2).

Исходя из приведенных выше рассуждений, был сделан вывод о том, что следует изменить пространственную ориентацию частотных групп излучающей и приемной частей мозаичного РС ПЭП. По этой причине для уменьшения амплитуды Релеевской и головной волн у ПЭП, обозначаемого как " ПЭП", топология расположения преобразователей была изменена таким образом, чтобы оси линеек частотных групп ПЭ были перпендикулярны плоскости электроакустического экрана (рис.3.21).

Рис.3.21. Топология расположения частотных групп пьезоэлементов Количество частотных групп, количество ПЭ в группах, значения резонансных высот, тип пьезокерамики, исходные размеры ПЭ и технология изготовления идентичны с предыдущей конструкцией (см.рис. 3.22).

Некоторые этапы изготовления ПЭП показаны на рис.3.22.

Экспериментальные исследования показывают, что суммарная амплитуда Релеевской и головной волн для преобразователя типа " ПЭП" на 10 – 15 дБ меньше, чем у преобразователя типа " ПЭП". По этой причине для конструирования УЗ НЧ широкополосного РС мозаичного ПЭП была выбрана топология ПЭП с перпендикулярной ориентацией частотных групп ПЭ.

а) б) г) в) Рис.3.22. Изготовление РС ПЭП с нормальным расположением групп ПЭ: а) пьезопреобразователь с распаянными пьезоэлементами;

б) пьезопреобразователь перед герметизацией эпоксидной смолой;

в) ПЭП после герметизации и механической обработки;

г) общий вид ПЭП.

3.2.4. Конструкция мозаичного пьезопреобразователя " ПЭП" типа, изготовленного из пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом (№3).

Одновременно с поиском оптимальной топологии мозаики были проведены исследования с целью поиска и оптимизации технических решений конструкций мозаичных ПЭП с повышенной эффективностью электроакустического преобразования. В результате была предложена оригинальная конструкция мозаичного ПЭП, использующего ПЭ с поперечным пьезоэффектом.

Для изготовления отдельных пьезопреобразователей разных резонансных частот были выбраны в качестве заготовок одинаковые пьезоэлементы в виде пластины размером 60 х 20 х 2 мм. На первом технологическом этапе две пластины соединялись в пакет плоскостями посредством пайки припоем Вуда, причем направления вектора поляризации пластин выбиралось встречным. На рис.3.23 приведены эскизы раскроя пакета пьезопластин для формирования отдельных пьезорезонаторов, объединенных в частотные группы. Красной сплошной линией обозначен исходный контур пьезопластин, а красными штриховыми линиями – линии разреза.

Рис. 3.23. Схема раскроя пакетов пьезопластин На рис.3.24 показаны технологические этапы изготовления мозаичного пьезопреобразователя " ПЭП" типа на базе пластин пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом.

б в а Рис.3.24. Этапы изготовления мозаичного пьезопреобразователя " ПЭП" типа на базе пластин пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом: а) Сепарированные пьезопластины, сформированные в частотные группы;

б) Пьезопластины в литьевой форме перед герметизацией;

в) Внешний вид ПЭП 3.2.5. Конструкция мозаичного пьезопреобразователя " ПЭП" типа, изготовленного из пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом (№4).

Описанная выше технология конструирования мозаичного ПЭП из набора ПЭ с поперечным пьезоэффектом была применена для изготовления УЗ НЧ широкополосного преобразователя типа " ПЭП" [66].

Рис.3.25. Эскизный чертеж заготовки мозаичного ПЭП На рис. 3.25 показан эскизный чертеж заготовки пакета пьезоэлементов, который образован 13 пьезопластинами размером 20 х 10х мм каждый и 12 пластинами текстолита размером 16 х 10 х 1 мм, в некоторой степени выполняющими роль акустических экранов. Пьезопластины собираются в пакет так, чтобы ориентация векторов поляризации пьезопластин была поочередно встречная. Это позволяет электрически соединять соседние обкладки ПЭ в пакете, формируя, таким образом, сигнальный и земляной выводы. Пластины склеиваются в пакет цианоакрилатным клеем, после полимеризации которого разрезаются алмазным сепарационным диском вдоль направления, отмеченного на рис.3.25 синей штриховой линией. Это позволяет после сепарации пакета получить два идентичных мозаичных модуля, пригодных для изготовления набора широкополосных датчиков.

Последовательность технологичных операций показана на рис.3.26.

На рис.3.26,а показан зажатый в струбцине пакет ПЭ в процессе полимеризации цианоакрилатного клея. На рис.3.26,б - пакет ПЭ с электрически соединенными сигнальными обкладками и подготовленный к операции сепарирования, а на рис.3.26,в приведена фотография двух мозаичных пакетов, готовых к герметизации.

а) б) в) Рис.3.26. Последовательность основных технологичных операций изготовления мозаичного " ПЭП" с использованием пластинчатых ПЭ с поперечным пьезоэффектом: а) пакет пьезопластин керамики ЦТС-19 размером 20х10х2 мм в процессе полимеризации цианоакрилатного клея;

б) пакет ПЭ подготовленный к операции сепарирования;

в) мозаичные пакеты, готовые к герметизации.

На рис.3.27,а приведен эскиз пьезопакета, на котором показан порядок чередования, а также численные значения резонансных высот. На рис.3.27,б показаны установленные в литьевую форму и подготовленные к герметизации пакеты ПЭ, а на рис.3.27,в – готовый мозаичный РС ПЭП.

а) б) в) Рис.3.27. Мозаичный РС ПЭП с поперечным возбуждением разночастотных ПЭ и с перпендикулярным расположение пластин по отношению к экрану;

а) Порядок чередования ПЭ в пакете и численные значения резонансных высот;

б) Установленные в литьевую форму и подготовленные к герметизации эпоксидной смолой пакеты ПЭ;

в) Внешний вид пьезопреобразователя.

3.2.6. Сравнительные характеристики УЗ широкополосных мозаичных раздельно-совмещенных пьезоэлектрических преобразователей №1, №2, №3, №4.

В процессе выполнения диссертации были изготовлены и испытаны различных по топологии УЗ широкополосных мозаичных раздельно совмещенных ПЭП диаметром 50 мм для применения в составе аппаратуры толщинометрии бетонных конструкций:

-Преобразователь №1 – мозаичный ПЭП с параллельным по отношению к акустическому экрану расположением частотных групп пьезоэлементов с продольным пьезоэффектом (рис.3.20,г);

-Преобразователь №2 – мозаичный ПЭП с перпендикулярным по отношению к акустическому экрану расположением частотных групп пьезоэлементов с продольным пьезоэффектом (рис.3.22,г);

-Преобразователь №3 – мозаичный ПЭП с параллельным по отношению к акустическому экрану расположением частотных групп пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом (рис.3.24,в);

-Преобразователь №4 – мозаичный ПЭП с перпендикулярным по отношению к акустическому экрану расположением частотных групп пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом (рис.3.27,в).

На рис.3.28 приведены в одинаковом масштабе АЧХ разработанных преобразователей №1, №2, №3, №4. Там же показана (зелёный цвет) АЧХ ПЭП фирмы АКС S1803 с сухим точечным контактом.

а) б) Рис.3.28. АЧХ преобразователей а)-№3 (красный цвет), №4 (синий цвет);

б)-№ (красный цвет), №2 (синий цвет) и ПЭП фирмы АКС S1803 (зелёный цвет).

Из сравнения АЧХ видно, что:

- мозаичные ПЭП с поперечным пьезоэффектом разночастотных ПЭ (№3 и №4) отличается повышенной эффективностью электроакустического преобразования (рис.3.28.а) по сравнению с ПЭП с продольным пьезоэффектом разночастотных ПЭ (№1 и №2 на рис.3.28.б);

-разработанные в МЭИ УЗ широкополосные мозаичные ПЭП более чем на порядок превышает эффективность ПЭП с СТК S1803 фирмы АКС.

а) б) Рис.3.29. Сравнение уровней донных эхо-сигналов и сигналов ЭАН при различных топологиях ПЭП: а - параллельное расположение ПЭ;

б перпендикулярное расположение ПЭ.

Сравнение значений амплитуд донного эхо-сигнала и сигнала наводки (см. рис.3.29) в РС ПЭП с пластинчатыми ПЭ, расположенным параллельно экрану (рис.3.29,а) с пластинчатыми ПЭ, расположенными перпендикулярно экрану (рис.3.29,б) выявляет преимущество топологии последнего ПЭП:

соотношения отношений абсолютных значений максимумов и уровня сигнала ЭАН больше на 7 дБ.

3.3. Алгоритмический метод компенсации сигнала электроакустической наводки и сигнала собственных реверберационных шумов.

Рассмотренные выше конструктивно-технологические приемы минимизации амплитуды сигнала ЭАН в раздельно-совмещенных широкополосных малоапертурных ПЭП (экранировка ИП и ПП, изменение топологии мозаики и пр.) позволяют до 10 – 12 дБ понизить амплитуду паразитного сигнала наводки. Однако в низкочастотных малоапертурных РС ПЭП амплитуда наводки столь велика, что в большинстве случаев этих мер недостаточно. В процессе выполнения диссертации были разработаны ряд новых приемов компенсации (подавления) сигнала ЭАН.

Ниже рассматривается метод подавления сигнала ЭАН, который реализуется в соответствии со следующим алгоритмом (см.рис.3.30): до начала процедуры контроля регистрируется и запоминается сигнал ЭАН в отсутствии акустического контакта ПЭП с поверхностью контролируемого изделия (рис.3.30.а), а затем в процессе проведения УЗ контроля запомненный сигнал ЭАН вычитается из регистрируемого эхо сигнала(рис.3.30.б).

а) б) Рис. 3.30. Схема эксперимента по компенсации сигнала ЭАН: а) регистрация сигнала ЭАН;

б) компенсация сигнала ЭАН.

Сигналы для каждого РС ПЭП хранятся, как паспорта на все время текущего сеанса контроля в памяти дефектоскопа.

На рис.3.31 показаны реализации донных эхо-сигналов тестового образца из оргстекла без компенсации паразитного сигнала ЭАН и с его компенсацией. Таким образом, удается понизить уровень ЭАН на 30…40 дБ и более, что существенно уменьшает протяженность мертвой зоны Рис.3.31. Компенсация преобразователя и повышает достоверность сигнала ЭАН.

контроля.

3.4. Выводы по разделу 3.

3.4.1. В разделе рассмотрены различные технологии изготовления УЗ низкочастотных широкополосных мозаичных преобразователей, с помощью которых возможно синтезировать ПЭП в диапазоне от 50 до 200 кГц.

3.4.2. Показано, что гибкая технология мозаики позволяет не только расширять полосу пропускания или обеспечивать равномерное акустическое поле преобразователя, но и даёт возможность минимизировать электроакустическую наводку в раздельно-совмещенном преобразователе с помощью выбора специальной топологии мозаики.

3.4.3. Подробно описаны различные технологии мозаики, обеспечивающие синтез НЧ широкополосных преобразователей с ограниченной или с малой апертурой. Показано, что:

- для создания ПЭП с ограниченной апертурой (в том числе и РС ПЭП) следует использовать технологию мозаики на основе использования разновысоких стержневых ПЭ с продольным пьезоэффектом;

- для создания малоапертурных широкополосных мозаичных ПЭП (элементов АР) в диапазоне 100-200кГц следует использовать технологию сепарированных пьезоэлементов с продольным пьезоэффектом;

- для создания раздельно-совмещенных ПЭП с минимальным уровнем сигнала электроакустической наводки следует использовать технологию изготовления ПЭП из пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом;

- для создания малоапертурных широкополосных мозаичных ПЭП (элементов АР) в диапазоне 50-100 кГц следует использовать технологию изготовления ПЭП из пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом.

3.4.4. Разработанные технологии были использованы для изготовления четырех различных раздельно-совмещенных НЧ широкополосных мозаичных преобразователей с ограниченной апертурой для УЗ толщинометрии бетонных изделий при ограниченной площади контакта. Испытания этих ПЭП показали, что использование традиционных раздельно-совмещенных НЧ широкополосных преобразователей с ограниченной апертурой не всегда позволяет решить задачу толщинометрии бетонных изделий из-за высокого уровня сигнала электроакустической наводки. Частично решить проблему минимизации сигнала ЭАН удалось с помощью оптимизации топологии мозаики. Другой способ уменьшения наводки - использование предложенного в диссертации алгоритма запоминания части наводки (создаваемой в ПЭП) с последующим вычитанием запомненного сигнала ЭАН из итоговой реализации.

3.4.5. Вместе с тем, кардинальное решение подавления сигнала электроакустической наводки в НЧ широкополосном РС преобразователе может быть получено иным путем - с помощью составного широкополосного композитно-мозаичного преобразователя, описание которого дано в разделе 4. В данном разделе были синтезированы малоапертурные широкополосные (f ~ 50 - 150 кГц) мозаичные ПЭП - элементы КМПЭП на основе использования мозаики с поперечным пьезоэффектом.

4. КОМПОЗИТНО-МОЗАИЧНЫЙ ПЭП.

4.1. Предпосылки создания многоканального композитно мозаичного ПЭП.

В предыдущей главе были рассмотрены варианты конструкций низкочастотных широкополосных совмещённых и раздельно-совмещённых преобразователей, предназначенных для использования в составе толщиномеров бетонных конструкций. Были отмечены их достоинства, которые заключаются в высокой эффективности электроакустического преобразования, широкополосности, малой величине мёртвой зоны, низком уровне ЭАН, высокой технологичности. Было показано преимущество мозаичных преобразователей над композитными, слабо демпфированными монолитными и сильно демпфированными монолитными. Особо отмечено, что мозаичная технология позволяет существенно расширить полосу пропускания ПЭП без существенных потерь в эффективности электроакустического преобразования. На базе мозаичной технологии и с использованием пьезоэлементов с поперечным пьезоэффектом были сконструированы и изготовлены широкополосные ПЭП для работы в низкочастотном УЗ диапазоне (от 40 до 150 кГц). Также было показано, что универсальная мозаичная технология позволят конструировать широкополосные ПЭП с необходимыми параметрами акустического поля, в частности, сглаженное, равномерное поле характерно для преобразователей с топологией вложенных мозаик. Во многом, для раздельно-совмещённых преобразователей была решена задача минимизация амплитуды акустической наводки по поверхности контролируемого изделия с помощью подбора размера пьезопластин и геометрии их расположения в приёмной и передающей частях РС ПЭП.

Кроме того, были выявлены проблемы, характерные для контроля бетонных конструкций с помощью ПЭП совмещённой и раздельно совмещённой схемы. Показано, что увеличить помехозащищённость по отношению к структурному шуму можно за счёт применения разнообразных пространственно-временных алгоритмов [66]. Совокупность исследований пространственно-временных алгоритмов, алгоритма компенсации сигнала ЭАН, а также исследования механизмов образования ЭАН внутри ПЭП и по поверхности изделий привели к идее создания многоканального композитно мозаичного ПЭП (КМПЭП).

КМПЭП за счет присущей ему пространственно-сигнальной структурированности, а именно, раздельном излучении и приеме сигналов каждым элементом пространственной матрицы, позволит практически реализовать ряд алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов, как с целью решения задачи минимизации амплитуды сигнала ЭАН, так и для обеспечения повышенной помехоустойчивости по отношению к структурному шуму.

При этом за структурную единицу при конструировании КМПЭП предлагается взять разработанный в диссертации малоапертурный высокоэффективный низкочастотный (f0=100кГц) широкополосный (f/f070 90%) ПЭП, выполненный по технологии мозаики с использованием поперечного возбуждения ПЭ.


Решить проблему выделения донного сигнала из структурного шума только за счет сканирования ПЭП вдоль поверхности изделия по алгоритму, описанному в разделе 1.2 невозможно вследствие ограниченной величины площади контакта ПЭП с изделием. Вместе с тем, в разделе 1.2 отмечалось, что возможно использование многоэлементного ПЭП, работающего по соответствующему пространственно-временному алгоритму. В основу такого многоэлементного ПЭП может быть положен композитный преобразователь, который в первоначальном своем варианте был узкополосен. Очевидно, что для решения поставленной задачи такой композитный ПЭП должен состоять из набора малоапертурных широкополосных ПЭП. Тем самым, объединяя идею композитного и малоапертурного мозаичного широкополосного преобразователей, в настоящей работе был предложен многоэлементный композитно-мозаичный преобразователь (КМПЭП). Многоканальный компьютерный программно-аппаратный комплекс снабженный таким КМПЭП позволяет реализовывать различные сигнальные, пространственно временные и частотно-фазовые алгоритмы обработки сигналов.

Таким образом, в описываемом ниже КМПЭП каждый элементарный преобразователь представляет собой мозаичный малоапертурный НЧ широкополосный ПЭП, высокое качество акустического контакта которого с поверхностью контролируемого изделия обеспечивается применением оригинальных эластичных силиконовых протекторов, технология изготовления которых описана в разделе 5.

4.2. Моделирование работы композитно-мозаичного ПЭП.

Значение шага элементов КМПЭП выбирается таким, чтобы удовлетворять условию максимизации отношения полезный сигнал/структурный шум:

где N– количество элементов, – дисперсия СШ на выходе.

Дисперсию СШ на выходе с учетом корреляции можно рассчитать по формуле [66]:

N СШвых N СШвх 2ri, j СШвх 2 2 i, j где ri,j – нормированная ВКФ.

Для КМПЭП, представляющего собой двумерную матрицу пьезоэлементов размерностью 4 х 4, в которой каждый элемент может излучать, а остальные принимать сигнал, получаем (алгоритм САФТ-К):

СШвых 120 СШвх 2 2 24r12 (d ) 16r12 (2d ) 8r12 (3d ) 18r12 ( 2d ) 8r12 (2 2d ) 2r12 (3 2d ) 24r12 ( 5d ) 12r12 ( 10d ) 8r12 ( 13d ) СШвх Оптимальное значение дисперсии СШ на выходе достигается при расстоянии между элементами ПЭП примерно равным 0,9, что может в среднем составлять величину 3035 мм и меняться в зависимости от конкретного значения скорости УЗ в железобетонном изделии. Для этого шага значения нормированной ВКФ: r12(d)–0,08;

r13(2d)0;

r14(3d) r12 ( 2d ) 0,005, r12 (2 2d ) 0, r12 (3 2d ) 0, r12 ( 5d ) 0,02, r12 ( 10d ) r12 ( 13d ) 0.

Тогда отношение сигнал/СШ на выходе:

NU c Uc Uc 11, 120 2 24 (0,08) 18 0,005 24 (0,02) СШвх СШвх СШвых Отношение сигнал/СШ увеличивается в ~11,2 раза при выборе шага между элементами КМПЭП равного ~ 0,9.

Апертура каждого элемента выбиралась таким образом, чтобы все они в совокупности при плотной упаковке максимально заполняли площадь контакта КМПЭП с изделием. При максимально используемой площади для излучения/приёма продольной волны достигается максимальная эффективность электроакустического преобразования. Таким образом, апертура каждого элемента составляет 25х25 мм.

Для подтверждения преимуществ КМПЭП были проведены эксперименты, моделирующие его работу. Моделирование было основано на позиционировании двух раздельных преобразователей, имеющих апертуру, равную апертуре элемента КМПЭП, в узлах сетки размерностью 4х4 с шагом, равным апертуре элемента КМПЭП. В качестве используемых элементов были выбраны преобразователи АКС S0208 в связи с их схожестью с параметрами элемента КМПЭП по центральной частоте, полосе частот и апертуре.

На поверхность тестовых образцов маркером наносилась сетка (4х ячейки) размером 120х120 мм с ячейкой, имеющей размер 30х30 мм.

После этого, выбирается направление осей обозначающих строки и столбцы (индекс i соответствует столбцам матрицы, индекс j – строкам) для обозначения конкретного положения преобразователей в сетке. Излучающий и приёмный преобразователи, подключенные к УЗ программно-аппаратному экспериментальному комплексу на базе ПК, устанавливаются в начальную комбинацию позиций 1/1–2/1 (см. рис. 4.1).

Рис. 4.1. Алгоритм САФТ-К перемещения преобразователей по сетке размерностью 4х4, эмулирующий работу КМПЭП в совмещённом режиме.

Излучающий преобразователь занимает крайнюю левую позицию первой строки, приёмный преобразователь занимает соседнее в строке положение. Излучается зондирующий импульс, регистрируется и запоминается реализация эхо-сигнала U1/1-2/1(t). Далее приёмный преобразователь перемещается вправо в позицию 3/1, повторяется процедура сбора информации, запоминается реализация эхо-сигнала U1/1-3/1(t) и так далее, пока приёмный ПЭП не займёт позицию соответствующую крайнему правому положению нижней строки. После чего, излучающий преобразователь перемещается в соседние справа положение 2/1, приёмный перемещается в соседнюю с излучающим преобразователем позицию 3/1, запоминается реализация эхо-сигнала U2/1-3/1(t) и всё повторятся. Алгоритм завершается, когда происходит процедура сбора информации в конечной комбинации позиций 3/4–4/4 и запоминается реализация эхо-сигнала U3/4 4/4(t). Всего алгоритм занимает 120 тактов, то есть 120 парных комбинаций позиций излучающего и приёмного преобразователей. Таким образом, в памяти ПК оказывается записано 120 частных реализаций эхо-сигналов.

Эксперименты по моделированию работы КМПЭП проводились на блоке из оргстекла толщиной Hо =170 мм (Рис. 4.2.а) и двух тестовых образцах №1 и №2 из бетона. Тестовый образец №1 – блок из мелкоструктурного бетона толщиной H1 =150 мм, тестовый образец № (рис.4.2.б) – блок из крупноструктурного бетона толщиной H2 =350 мм.

Блок из оргстекла не имеет структурных неоднородностей, и затухание УЗ в таком образце невелико. Такой блок идеален для изучения алгоритмов по компенсации ЭАН по поверхности изделия. Тестовый образец №1 имеет высокое затухание УЗ, но структурные неоднородности в таком блоке много меньше длины волны на рабочей частоте КМПЭП. Тестовый образец №2 имеет шероховатую неровную поверхность, структурные неоднородности размерами 0,5-0,8, большую толщину (H2 =350 мм) и высокое затухание УЗ. Такой образец подходит для исследования работы КМПЭП в реальных условиях и для испытаний силиконовых протекторов.

Полученные 120 частных реализации эхо-сигналов для каждого из 3-х образцов были перенесены в среду MATHCAD для их обработки в соответствии пространственно-временным алгоритмам.

а) б) Рис.4.2. Внешний вид: а) тестового блока из оргстекла;

б) тестового образца № из крупноструктурного бетона.

Для сравнения с результатами применяемых алгоритмов на рис. 4. приведены осциллограммы детектированных сигналов соответствующих одной промежуточной позиции излучающего и приёмного преобразователя на исследуемых образцах.

а) б) в) Рис.4.3. – Осциллограммы детектированных сигналов соответствующих одной промежуточной позиции излучающего и приёмного преобразователя на а-блоке из оргстекла;

б-тестовом образце №1;

в-тестовом образце № Из осциллограмм видно наличие высокого уровня сигнала прошедших головной и поверхностной волн маскирует донный эхо-сигнал. Полезный сигнал еле различим на фоне наводки.

4.3 Пространственно-временные алгоритмы.

В процессе выполнения диссертационной работы были предложены, экспериментально апробированы и практически реализованы в составе библиотеки программ универсального компьютеризированного программно аппаратного комплекса следующие алгоритмы пространственно-временной обработки частных реализаций эхо-сигналов.

4.3.1 Аддитивный алгоритм.

Суть аддитивного алгоритма заключается в самом названии: значение искомой величины результирующего сигнала, соответствующего целому объекту, равно сумме значений величин отдельных сигналов, соответствующих его частям.

U1/1-1/2(t) + U1/1-1/3(t)+… U2/3-4/2(t)+…+ U4/3-4/4(t) = U(t) Другими словами, используя аддитивный алгоритм, мы суммируем все полученные 120 реализаций сигналов и в результате получаем нужный нам итоговый сигнал U(t) (см.рис. 4.4).

Рис.4.4. – Аддитивный алгоритм Как показали результаты эксперимента, при реализации аддитивного алгоритма происходит частичная компенсация сигнала акустических поверхностных наводок. Действительно, головная и поверхностная волны, проходя различное расстояние от излучающего до приёмного преобразователя, суммируются не когерентно и частично компенсируют друг друга. На рис.4.5 приведены осциллограммы детектированных сигналов соответствующих применению аддитивного алгоритма при контроле тестовых образцов.

а) б) в) Рис.4.5. Осциллограммы детектированных сигналов соответствующих применению аддитивного алгоритма при контроле: а-блока из оргстекла;

б тестового образца №1;

в- тестового образца №2.

Из осциллограмм видно, что отношение сигнал/акустическая наводка возрастает на 18 дБ для блока из оргстекла, на 6 дБ для тестового образца № из мелкоструктурного бетона и тестового образца №2 из крупноструктурного бетона. Кроме того, видно увеличение отношения сигнал/СШ в окрестностях донного эхо-сигнала при контроле тестового образца №2.

К недостаткам данного алгоритма следует отнести некоторое увеличение длительности донного эхо-сигнала и уменьшение, в сравнении с потенциальной, разрешающей способности, которое происходит из-за того, что расстояние, которое проходит УЗ импульс, различно для разных комбинаций передающего и приёмного преобразователей. Потеря разрешающей способности оказывается пропорциональна отношению максимального расстояния от ИП до ПП к толщине образца.

а) б) Рис.4.6. – Расфазирование донных эхо-сигналов.

Значение расстояния, которое проходит УЗ волна от излучающего преобразователя к приёмному для i-й комбинации положений, рассчитывается по формуле:

где Xi – расстояние между парой «излучающий/приёмный» ПЭП в i-й комбинации положений;


H – толщина изделия.

Временная задержка донного сигнала для i-й комбинации положений при заданной скорости продольных УЗ волн в материале изделия C рассчитывается по формуле:

На рис. 4.6 для 3-х положений приёмных преобразователей относительно излучающего показаны продетектированные донные сигналы в каждой из 3-х реализаций. Из рис.4.6 видно, что сигнал для каждой реализации имеет различные временные задержки, связанные с разным расстоянием, пройденным УЗ волной от излучающего ПЭП к приёмному.

При математическом сложении всех реализаций в аддитивном алгоритме, донные сигналы складываются с некоторым набегом фазы, что приводит к затягиванию донного сигнала на результирующей реализации, как это показано на рис.4. 4.3.2 Алгоритм «Круг».

С целью уменьшения потери разрешающей способности из-за увеличения длительности сигнала U(t) в данном алгоритме предполагается суммирование лишь тех реализаций сигналов, при которых индексы строк и столбцов приёмного и передающего преобразователей различаются не более, чем на единицу. Схематично данный алгоритм можно представить как круг из приёмных преобразователей, расположенных вокруг излучающего (рис.4.7). Как видно из рисунка в приёме сигнала участвуют как соседние с излучающим преобразователи, так и стоящие от него по диагонали.

Рис. 4.7. – Алгоритм «Круг»

К преимуществам данного алгоритма следует отнести меньшую по длительности и по амплитуде акустическую наводку по сравнению с аддитивным алгоритмом. Действительно, головная и поверхностная волны проходят расстояние равное шагу сетки (при расположении излучающего и приёмного преобразователя по соседству) или шагу умноженному на (при расположении излучающего и приёмного преобразователя по диагонали).

Кроме того, путь, который проходит волна от излучающего преобразователя до приёмного, для каждой реализации практически одинаков, следовательно, донный эхо-сигнал, при суммировании реализаций выбранных по алгоритму «круг», будет складываться когерентно, т.е. не будет увеличиваться длительность сигнала и уменьшаться разрешающая способность.

а) б) в) Рис.4.8. – Осциллограммы детектированных сигналов соответствующих применению алгоритма «круг» при контроле: а-блока из оргстекла;

б- тестового образца №1;

в- тестового образца №2.

На рис.4.8 приведены осциллограммы детектированных сигналов соответствующих применению алгоритма «круг» при контроле тестовых образцов. Анализ полученных осциллограмм позволяет сделать вывод о том, что отношение донный сигнал/акустическая наводка выросло на 22 дБ для блока из оргстекла, 8,5 дБ для тестового образца №1 и 4 дБ тестового образца №2. Отношение донный сигнал/СШ возросло на 6 дБ по отношению к одной случайно взятой реализации.

К недостаткам данного алгоритма следует отнести худшую помехозащищённость по отношению к структурному шуму, так как, по сравнению с предыдущим алгоритмом, количество просуммированных реализаций гораздо меньше.

4.3.3 Алгоритм «Крест».

Данный алгоритм предполагает суммирование лишь тех реализаций сигналов, при которых приёмный преобразователь находился по соседству с излучающим. Иными словами, у излучающего и приёмного преобразователя не более чем на единицу различаются индексы строк (при равных индексах столбцов) или индексы столбцов (при равных индексах строк). Схематично данный алгоритм можно представить как крест из приёмных преобразователей, в центре которого располагается излучающий (рис.4.9).

Как видно из рисунка, в отличие от предыдущего алгоритма, в приёме сигнала участвуют только соседние с излучающим преобразователи.

Рис.4.9. – Алгоритм «Крест»

К преимуществам данного алгоритма следует отнести наименьшую по длительности акустическую наводку по сравнению с предыдущими алгоритмами. Применяя данный алгоритм, мы выбираем для суммирования лишь те реализации, в которых головная и поверхностная волны проходят одинаковое расстояние равное шагу сетки. Значит, на осциллограммах не будут присутствовать пики пришедших наводок, соответствующих другим расстояниям между излучающим и приёмным преобразователями, кроме равного шагу сетки. Кроме того, путь, пройденный волной от излучающего преобразователя до приёмного, для каждой из сложенных реализации одинаков при условии плоско-параллельности поверхностей, следовательно, донный эхо-сигнал при суммировании реализаций, выбранных по данному алгоритму, будет складываться синфазно, т.е. разрешающая способность уменьшаться не будет. На рис.4.10 приведены осциллограммы детектированных сигналов, соответствующих применению алгоритма «крест» при контроле тестовых образцов. Анализ полученных осциллограмм позволяет сделать вывод о том, что отношение донный сигнал/акустическая наводка выросло на 14 дБ для блока из оргстекла, 0 дБ для тестового образца №1 и для тестового образца №2. Отношение донный сигнал/СШ возросло на 4 дБ по отношению к одной случайно взятой реализации.

а) б) в) Рис.4.10. Осциллограммы продетектированных сигналов, соответствующих применению алгоритма «крест» при контроле: а) блока из оргстекла;

б) тестового образца №1;

в) тестового образца №2.

К недостаткам данного алгоритма следует отнести предельно высокий уровень акустической наводки, так как наводка для всех реализаций суммируется синфазно. Поэтому на всех осциллограммах мы видим явный пик, соответствующий расстоянию, которое прошла наводка между двумя соседними приёмным и излучающим преобразователями. Следует отметить и худшую помехозащищённость к структурному шуму, так как по сравнению с предыдущим алгоритмом, количество просуммированных реализаций меньше.

4.3.4 Алгоритм «Виртуальный раздельно-совмещённый».

Следующий алгоритм предполагает суммирование реализаций сигналов, полученных при таких комбинациях позиций излучающего и приёмного преобразователей, при которых излучающий преобразователь находится в левой части сетки, т.е. у которого индекс столбцов принимает значение не более «2», а приёмный преобразователь находится в правой части сетки, т.е. у которого индекс, обозначающий столбцы, принимает значение «3» или «4». Схематично данный алгоритм представлен на рис.4.11.

Как видно из рисунка, такой режим эмулирует работу раздельно совмещённого преобразователя.

Основным преимуществом данного алгоритма является возможность менять приёмную и излучающую часть местами, поменяв выбранные индексы столбцов на значения «1,2»

для приёмных и на «3,4» для излучающих положений ПЭП. Применяя этот алгоритм для Рис.4.11. Алгоритм реального КМПЭП, мы можем получить «Виртуальный раздельно итоговую реализацию для виртуального совмещённый»

преобразователя, повёрнутого вокруг продольной оси на 180 градусов, не меняя фактического положения КМПЭП.

Развивая данный алгоритм, можно посмотреть, какой сигнал бы мы получили, если бы повернули КМПЭП относительно акустической оси на 900. Для этого достаточно в алгоритме расчетов номера столбцов заменить на номера строк.

Для эмуляции виртуального вложенного раздельно совмещённого преобразователя индексы столбцов приёмных и передающих преобразователей принимают значения через единицу.

Например, для приёмных индексы а б Рис. 4.12. Различные конфигурации столбцов принимают значения «1» и алгоритма «Виртуальный вложенный «3», и для излучающих «2» и «4»

раздельно-совмещённый»

(рис.4.12,а). Альтернативой может служить конфигурация, когда излучающие преобразователи сосредоточены посередине, а приёмные с краю или наоборот (рис.4.12,б). Каждый из этих алгоритмов имеет свои преимущества и свои недостатки. Комплексное применение данных алгоритмов позволит решать различные задачи и адаптироваться под различные типы изделий.

На рис. 4.13 приведены осциллограммы детектированных сигналов, соответствующих применению алгоритма «Виртуальный раздельно совмещённый», при контроле исследуемых блоков в сравнении с реализацией произвольно выбранной пары «излучатель-приёмник». Анализ полученных осциллограмм позволяет сделать вывод о том, что отношение донный сигнал/акустическая наводка выросло на 15 дБ. Отношение донный сигнал/СШ возросло на 10 дБ по отношению к одной случайно взятой реализации.

а) б) Рис. 4.13. Реализация эхо-сигнала виртуального раздельно-совмещенного преобразователя: а) для одной, произвольно выбранной пары "излучатель приемник";

б) итоговая реализация эхо-сигналов.

4.3.5 Алгоритм «Виртуально совмещённый»

Алгоритм, эмулирующий работу виртуально совмещенного ПЭП, заключается в следующем. Известно, что в совмещенном режиме один и тот же преобразователь используется и для излучения зондирующего сигнала и для приема эхо-сигналов. Достоинством этого режима является простота, излучение/прием сигнала по нормали к контролируемой поверхности, а значит, меньшая погрешность толщиномера из-за практически полного отсутствия геометрической мертвой зоны вблизи поверхности контролируемого изделия. Существенным недостатком этого режима работы является большая протяженность "сигнальной мертвой зоны", связанная с проникновением мощного возбуждающего сигнала на вход приемного тракта. Осуществляя суммирование всех зарегистрированных реализаций, мы получим итоговый сигнал, который будет эквивалентен по результату применению монолитного, эквивалентного по геометрии, преобразователя в совмещенном режиме, но с отсутствием возбуждающего сигнала на входе приемного тракта. Таким образом, этот алгоритм обеспечивает все преимущества совмещенного режима при отсутствии "сигнальной мертвой зоны". На рис.4.14 приведены реализации эхо-сигналов, полученные на тестовом образце из оргстекла в режимах "совмещенный" и "виртуально совмещенный". Выигрыш по отношению сигнал/паразитная помеха составляет величину более 20дБ.

а) б) Рис. 4.14. Реализация эхо-сигнала виртуального совмещенного преобразователя: а) для одной, произвольно выбранной пары "излучатель приемник";

б) итоговая реализация эхо-сигналов.

4.3.6 Алгоритм «Фокусировка на плоскость».

Суть алгоритма «Фокусировка на плоскость» заключается в когерентном суммировании реализаций эхо-сигналов с учетом различных по величине задержек эхо-сигналов для различных пар ИП-ПП. Действительно, если преобразователи находятся на некоторой дистанции друг от друга, то путь, который проходит УЗ волна от излучающего преобразователя до приёмного, отразившись от плоскопараллельной плоскости, не является удвоенным расстоянием до этой Рис. 4.15 Геометрический плоскости. Чем эта дистанция больше, при эскиз реализации алгоритма том же расстоянии до плоскости, тем больше "фокусировка на плоскость" будет отличаться путь УЗ волны от удвоенного расстояния до этой плоскости. При реализации аддитивного алгоритма или алгоритма «Виртуальный раздельно-совмещённый» расстояние между преобразователями в отдельно взятой комбинации позиций не учитывается, что приводит к затягиванию донного сигнала, ухудшается разрешающая способность.

В алгоритме «фокусировка на плоскость» учитывается задержка сигнала, связанная с дистанцией между преобразователями. Изначально, в алгоритме задаётся скорость УЗ волн в материале изделия, и выбираются оси координат, связанные с сеткой так, как это показано на рис. 4.15.

Целесообразно, для простоты расчетов выбирать направления оси абсцисс и ординат параллельно строкам и столбцам сетки. Ось аппликат Z перпендикулярна плоскости апертуры преобразователя и совпадает с направлением его акустической оси.

Для искомой толщины H вычисляется путь УЗ сигнала для пары «излучатель/приёмник» с координатами и, соответственно, по формуле:

Временная задержка, связанная с этим путём через заданную скорость С, вычисляется по формуле:

Далее, для каждой пары излучатель/приёмник находится точка на графике реализации сигнала, соответствующая данной задержке^ Найденные точки для всех пар преобразователей суммируются, и результат на итоговой реализации ставиться в соответствии тому значению искомой глубины H, для которой рассчитывались задержки. Далее, после перебора всех значений H, строится итоговый график. Для удобства сравнения этого графика с реализациями других алгоритмов – ось абсцисс может быть перестроена во временную шкалу с помощью применения формулы^ На рис. 4.16 представлены итоговые реализации применения алгоритма «Фокусировка на плоскость» для исследуемых изделий.

Анализ полученных осциллограмм позволяет сделать вывод о том, что отношение донный сигнал/акустическая наводка выросло на 26 дБ для блока из оргстекла, на 6 дБ для тестового образца №1 и на 7,6 дБ для тестового образца №2. Отношение донный сигнал/СШ возросло на 6 дБ по отношению к одной случайно взятой реализации.

а) б) в) Рис.4. 16 Осциллограммы детектированных эхо-сигналов, соответствующих применению алгоритма «Фокусировка на плоскость» на: а) блоке из оргстекла;

б) тестовом образце №1;

в) тестовом образце №2.

К недостаткам данного алгоритма следует отнести сложность реализации в серийно выпускаемых дефектоскопах, и необходимость знать скорость УЗ колебаний в материале изделия до применения алгоритма.

4.3.7 Алгоритм "Нормирование" Дополнительным математическим алгоритмом обработки сигналов является алгоритм «Нормирование». Суть его заключается в следующем.

Перед применением того или иного пространственно-временного алгоритма реализация для каждой комбинации позиций пары «излучатель/приёмник»

нормируется на максимальное значение в этой реализации. Результаты, приведённые на рис.4.17, иллюстрируют достоинства применения данного алгоритма.

а) б) Рис. 4.17. – Результаты применения алгоритма «нормирования» для случая, когда: а – амплитуда донного сигнала больше амплитуды сигнала паразитной наводки;

б – амплитуда донного сигнала меньше амплитуды сигнала паразитной наводки;

Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод, что применение алгоритма «нормирование» позволяет увеличить отношение сигнал/паразитная наводка примерно на 4 дБ, как при превалирующей амплитуде донного сигнала, так и в случае превалирующей амплитуды паразитной наводки.

4.4 КМПЭП на базе 12 элементного преобразователя с СТК.

В качестве прототипа будущего КМПЭП был выбран 12 элементный ПЭП фирмы «АКС» (тип М2103) (рис. 4.18.а). Рабочая частота преобразователя равна f0=130 кГц, при относительной полосе частот f / f0 = 60%. Преобразователь состоит из 12 подпружиненных низкочастотных широкополосных ПЭП с сухим точечным контактом. В стандартной комплектации преобразователь М2103 используется в совмещённом или раздельном режимах работы. Преобразователь М2103 был выбран в качестве прототипа для проектируемого КМПЭП ввиду схожести по следующим параметрам: размер итоговой апертуры, количество используемых элементов, шаг между ПЭП, значение центральной рабочей частоты, тип УЗ волны.

а) б) в) Рис. 4.18 Внешний вид преобразователя М2103: а) прототип до;

и б) после доработки;

в) разводка соединительных экранированных проводов.

Доработка данного преобразователя заключалась в изготовлении электрического вывода от каждого пьезопреобразователя, с целью создания возможности использования КМПЭП в многоканальном режиме (см. рис. 4.18,в).

Внешний вид КМПЭП после доработки показан на рис. 4.18.б., на рис.

4.19,а приведена импульсная характеристика преобразователя, на рис. 4.19,б показана топология расположения ПП в корпусе преобразователя М2103 с СТК, а на рис. 4.19,в – коммутатор с подключенным доработанным преобразователем М2103.

а) б) в) Рис. 4.19 а) - импульсная характеристика преобразователя М2103;

б) топология расположения ПП в корпусе М2103;

в - внешний вид коммутатора Принципиальная схема релейной части коммутатора показана на рис. 4.20, и состоит из 32 электромеханических реле с герконовыми контактами, объединных в 16 коммутационных ячеек с Т-образным включением контактов реле.

Рис. 4.20 Принципиальная схема коммутатора.

Рассмотрим работу релейной части коммутатора. В исходном состоянии все реле выключены, т.е. подвижные контакты всех реле соединены с заземленными неподвижными контактами. Рассмотрим случай, в котором к усилителю мощности генератора подключается ПЭП4, а ПЭП – к входу предварительного усилителя. Для этого на соответствующий выход блока управления реле коммутатора подается напряжение, вызывающее срабатывание реле Р7, которое своими контактами подключает ПЭП4 к выходу усилителя мощности, и на другой выход блока управления реле коммутатора подается напряжение, вызывающее срабатывание реле Р22, которое своими контактами подключает ПЭП11 к входу предварительного усилителя.

Конструкция коммутатора выполнена таким образом, что все незадействованные группы всех реле в нерабочем состоянии подключены к аналоговой земле, что исключает проникновение через паразитные межконтактные емкости мощного сигнала с выхода усилителя мощности на вход предварительного усилителя. Организация работы блока управления реле коммутатора осуществляется через порт RS422 компьютера.

4.5 Экспериментальная установка и результаты практического испытания многоканального преобразователя на базе ПЭП с СТК.

Для определения эксплуатационных характеристик предлагаемых технических решений композитно-мозаичных антенных решеток был выполнен ряд экспериментов. Предметом исследований первого цикла экспериментов являлась 12-элементная антенная решётка, построенная на базе ПЭП с СТК. В качестве возбуждающего сигнала использовался радиоимпульс длительностью tс = 2T = 2/f0, где f0 – значение несущей частоты. Выбор длительности сигнала определяется шириной АЧХ используемых ПЭП, которая составляет величину порядка (50 – 60)% от центральной частоты f0. Сигнал с выхода ЦАП (см. рис.4.21) после усиления поступает на вход 16-ти канального коммутатора, выполняющего функции демультиплексора для возбуждающего сигнала, а с выхода коммутатора, выполняющего функции мультиплексора для эхо-сигналов – на вход предварительного усилителя, выход которого соединен с входом АЦП. В зависимости от состояния управляющего кода, на любой из 16-ти пьезопреобразователей может подаваться возбуждающий импульс или сниматься эхо-сигнал, в том числе, в соответствии с алгоритмом, показанным на рис. 4.21.

Рис. 4.21 – Структурная схема установки для с помощью многоканальных ПЭП.

Таким образом, осуществляется регистрация всех 120-ти реализаций эхо-сигналов, соответствующих количеству сочетаний из 16 по 2. Причем, процедура регистрации эхо-сигналов повторяется дважды: первый набор эхо сигналов запоминается с инвертированием для случая, когда КМПЭП (или его аналог) не установлен на контролируемом изделии. Это позволяет зафиксировать сигналы паразитной электроакустической наводки, а второй раз фиксируются эхо-сигналы суммы паразитной наводки и эхо-сигналов от изделия для случая, когда КМПЭП установлен на контролируемом изделии.

Далее соответствующие сигналы первого и второго наборов суммируются, а результат запоминается, и может быть математически обработан в соответствии с представленными выше алгоритмами.

Предложенные оригинальные алгоритмы позволяют увеличить отношение сигнал/паразитная наводка на 5-10 дБ. Наиболее эффективными алгоритмами, с точки зрения повышения отношения донный эхо сигнал/паразитная наводка на образце из оргстекла, являются "Аддитивный алгоритм", «Виртуальный раздельно-совмещённый алгоритм» и алгоритм «Фокусировка на плоскость» (см.рис.4.22). При проведении испытаний на образце №1 и на образце №2 существенных улучшений не наблюдается.

Полезный эхо-сигнал практически не идентифицируется среди структурных шумов и паразитных наводок.

а) б) в) Рис. 4.22. Сравнительные осциллограммы детектированных эхо-сигналов, зарегистрированных при реализации различных пространственно-временных алгоритмов с помощью 12-элементной АР с СТК на: а) блоке из оргстекла;



Pages:     | 1 || 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.