Акустические Контрольные Системы

Приборы для неразрушающего контроля металлов, пластмасс, бетона. Разработка, производство, поставка.

(495) 800-74-62

market@acsys.ru

Оценка дефектов при ультразвуковом контроле методом цифровой фокусировки апертуры. Условия, возможности, границы применимости.

Аннотация


Ультразвуковые визуализирующие дефектоскопы с антенными решётками прочно вошли в практику неразрушающего контроля. Однако их преимущества перед традиционной техникой используются лишь при обнаружении дефектов. Оценка же типа и размеров дефектов по-прежнему производится, в основном, с помощью А-развёртки.

Цель статьи – найти способы оценки дефектов, используя параметры их образов на изображении, при сохранении, по возможности, преемственности с традиционными способами оценки. Исследования, изложенные в статье, выполнены для дефектоскопов, реализующих метод цифровой фокусировки апертуры антенной решётки.

В статье показано, что все информативные параметры образа дефекта зависят от соотношения физического размера дефекта и размера фокальной зоны антенной решётки в точке расположения дефекта.

В результате исследований предложено использовать интегральную амплитуду образа дефекта в качестве информативного параметра для оценки эквивалентного размера дефекта. Размер образа дефекта предложено использовать для определения типа дефекта и для оценки его физического размера. В частности, если размер образа дефекта превышает размер фокальной зоны в полтора раза или более, то этот размер, практически, равен физическому размеру дефекта.

Отличие принципа работы дефектоскопов с цифровой фокусировкой апертуры от традиционных приборов требует разработки новых норм оценки и браковки дефектов. Нормы для традиционных приборов использовать нельзя.


Ведение


Оценка найденных несплошностей по степени их опасности – одна из важнейших задач ультразвуковой (УЗ) дефектоскопии. Оценивать несплошности принято по их размерам, типу, ориентации, количеству в пределах заданной области и прочим характеристикам.

Традиционные УЗ дефектоскопы позволяют оценивать несплошности условными и эквивалентными размерами. Информативным параметром для этого служит амплитуда эхосигнала от несплошности. Тип и ориентацию в пространстве определяют, используя специальные приёмы и методики контроля, а также особую обработку сигналов [1] (В иностранной литературе метод ЦФА называют FMC&TFM («Full Matrix Capture & Total Focusing Method»)). Но возможности этих методик и обработки достаточно ограничены.

В последние годы всё больше входят в практику УЗ контроля визуализирующие дефектоскопы с антенными решётками. Наиболее усовершенствованный класс этих приборов основан на методе цифровой фокусировки апертуры антенной решётки (ЦФА) 1 .

Главная особенность метода ЦФА – полностью сфокусированное изображение, каждая точка которого – результат фокусировки апертуры решётки в соответствующую точку объекта контроля (ОК) [2]. Эта фокусировка решётки во все точки ОК в пределах визуализируемой области обеспечивает наивысшую чувствительность и разрешающую способность прибора, ограниченную только характеристиками антенной решётки и свойствами материала ОК. Очевидно, что возможности оценки типа и размеров несплошностей такими дефектоскопами отличаются от традиционной техники, поскольку наряду с амплитудным признаком несплошности можно анализировать размеры и форму её образа на экране прибора.

Для успешного применения дефектоскопов с ЦФА в различных приложениях УЗ контроля необходимо разработать систему способов оценки дефектов по их образам на изображении. Важно сохранить преемственность с традиционными способами оценки, насколько это позволяет физическое отличие работы прибора с ЦФА от традиционного дефектоскопа.

Естественно, одним из информативных признаков несплошности остаётся амплитудный. Им может быть амплитуда образа, т.е. значение «сигнала» в самой яркой точке образа, либо некая величина (параметр), функционально связанная с яркостью совокупности точек образа, выбранных по определённому закону.

Использовать амплитудный признак при контроле логично так же, как и в традиционной дефектоскопии, т.е. сравнивать амплитудный параметр образа с таким же параметром образа опорного отражателя в настроечном образце. Целесообразно так же разработать АРД-диаграмму на основе зависимостей амплитудного параметра образа дискового отражателя от координат его расположения относительно антенной решётки. Поэтому в первую очередь необходимо выбрать амплитудный параметр образа несплошности, адекватно связанный с её отражающей способностью.

Геометрические размеры образа – важный информативный признак несплошности. Размеры образа зависят от реальных физических размеров несплошности и от её типа (объёмная она или плоскостная). И эту зависимость необходимо изучить, чтобы установить границы применимости амплитудных и геометрических оценок несплошностей.

Форма образа позволяет охарактеризовать несплошность, если она намного больше длины УЗ волны. В этом случае её поверхность может быть прорисована на изображении несколькими разнесёнными образами от точек несплошности, отражающими УЗ волны в сторону антенной решётки.

Наиболее часто при УЗ контроле используют линейные эквидистантные антенные решётки. Они в большинстве случаев удовлетворяют всем требованиям к аппаратуре по чувствительности, разрешающей способности и возможностям доступа к ОК. Двумерные (матричные) решётки применяют значительно реже, когда, например, поверхность доступа ОК мала, а обзор необходим по всем трём пространственным координатам.

В этой статье рассмотрены свойства и применение только линейных антенных решёток с наклонным излучением и приёмом УЗ волн. По ходу изложения введены некоторые термины, характеризующие специфику метода ЦФА и используемых антенных решёток.

Вначале исследована зависимость размера фокальной зоны антенной решётки в основной плоскости от координат её фокуса. Затем исследовано влияние этого размера на амплитудные характеристики образа плоскодонного отверстия. Выбран амплитудный параметр образа для построения АРД-диаграммы.

В заключительной части статьи, на основе модели плоской висящей трещины исследована связь геометрического размера образа трещины с её физическим размером. Определены условия, при которых несплошность можно считать плоскостной и оценить её физический размер.


Фокальная зона линейной антенной решётки


Основное физическое отличие прибора с ЦФА от традиционного дефектоскопа состоит в способе облучения несплошности УЗ сигналами и приёма эхосигналов от неё.

У дефектоскопа с ЦФА для этого используется антенная решётка, фокусируемая в каждую точку среды, а значит и в каждую точку несплошности, с некоторой достаточно малой пространственной дискретностью. И не важно, что фокусировка происходит виртуально, вычислительным путём. По результирующему эффекту она полностью совпадает с физической фокусировкой [2].

У традиционного дефектоскопа для излучения и приёма УЗ волн используется не фокусированный преобразователь с достаточно узкой диаграммой направленности. Его акустическое поле в режиме излучения-приёма характеризуется шириной (диаметром) УЗ пучка волн на разных расстояниях от преобразователя. И этот размер соизмерим с размером пьезоэлемента в ближней зоне акустического поля, а в переходной и дальней зонах превышает его, увеличиваясь по мере удаления от преобразователя [1].

Если отвлечься от виртуальности фокусировки антенной решётки, то результат её применения необходимо характеризовать размерами фокальной зоны, которые зависят от координат расположения фокуса решётки. Поскольку решётка фокусируется в каждую точку пространства, то понятие диаграммы направленности для неё не имеет смысла. И именно фокальная зона решётки и определяет все амплитудные и геометрические зависимости образа несплошности от её координат, размеров, типа и ориентации, если она плоскостная.

Фокальной зоной любой акустической фокусирующей системы является область пространства вокруг фокуса, в пределах которой амплитуда акустических колебаний превышает определённый уровень относительно её значения в фокусе [3]. Для режима излучения-приёма – это область, внутри которой точечный отражатель даёт эхосигнал с амплитудой, превышающей определённый уровень от значения амплитуды эхосигнала от отражателя в фокусе.

Для оценки качества изображения, разрешающей способности прибора и его измерительных свойств особое значение имеют размеры фокальной зоны в основной плоскости падения УЗ волн антенной решётки XOZ , см. рис. 1.


Рис. 1. Схема сечения ОК в плоскости визуализации в принятой системе координат с элементами линейной антенной решётки и фокальной зоной.


Назовём эту плоскость для краткости плоскостью визуализации. Главное значение имеет размер bf в направлении, перпендикулярном линии, проходящей через центр апертуры антенной решётки и точку фокуса. Его можно назвать фронтальным размером. Именно этот размер зависит от фокусного расстояния и от угла α между нормалью к апертуре решётки и направлением на точку фокуса. Угол α назовём направляющим углом.

Размер br фокальной зоны вдоль направления на фокус (см. рис. 1) почти не зависит от фокусного расстояния, если оно превышает активную апертуру решётки. В этом случае br , в основном, определяется длительностью τ зондирующего импульса дефектоскопа: brc·τ , где c – скорость УЗ волн в ОК.

Размер bf фокальной зоны фокусирующей системы, работающей на излучение и приём, по уровню минус 6 дБ от максимума зависит от длины УЗ волны λ и угла θ , под которым «видна» активная апертура системы из точки фокусировки [4]:

(1)

Эту формулу можно выразить через координаты x ,z :

(2)

где А – активная апертура антенной решётки.

На рис. 2 приведён график зависимости фронтального размера bf фокальной зоны от координат x ,z , вычисленного по формуле (2) для типичной антенной решётки поперечных волн с апертурой А = 28 мм и рабочей частотой 4 МГц. Длина волны в стали λ = 0,8 мм. На графике величина bf представлена линиями равных значений в миллиметрах. Видно, что с увеличением фокусного расстояния или (что то же самое) наклонной дальности до отражателя и направляющего угла α размер bf фокальной зоны увеличивается. Так, например, в точке с координатами x = 140 мм и z = 65 мм фокальная зона равна 10,5 мм, а при той же глубине и x = 50 мм – порядка 2,9 мм.


Рис. 2. Зависимость фронтального размера фокальной зоны антенной решётки М9170 от координат в плоскости визуализации. Начало координат в центре апертуры решётки.


Расчёты по формуле (2) были проверены экспериментально с помощью УЗ визуализирующего дефектоскопа А1550 IntroVisor с 16-элементной антенной решёткой М9170, параметры которой приведены выше. Эта решётка не содержит общей преломляющей призмы. Она выполнена на лестничной призме, у которой каждый элемент установлен на свою микропризму [5]. Средний путь УЗ колебаний в микропризме около 1,2 мм, поэтому точки выхода каждого элемента решётки вполне определённые, и расположены с шагом 1,75 мм.

Измерения проводили на стальных образцах с торцевыми отверстиями с полусферическим дном диаметром 2 мм. Эти отражатели ввиду их размеров, соизмеримых с длиной волны, и полусферического дна можно считать точечными. Поэтому размеры их образов на экране прибора соответствовали размерам фокальных зон. Размеры образов этих отражателей измеряли по уровню минус 6 дБ от максимума с помощью встроенных средств дефектоскопа. На рис. 3 приведён пример такого измерения.


Рис. 3. Образ точечного отражателя (торцевого отверстия с полусферическим дном) на экране дефектоскопа А1550 IntroVisor. Образ оконтурен по уровню минус 6 дБ от его амплитудного значения.


Результаты расчётов и измерений фокальной зоны приведены в таблице (x и z – показания прибора). Совпадение данных достаточно хорошее. Поэтому формула (2) вполне подходит для оценок размеров фокальных зон разных антенных решёток при заданных координатах.

Сравнение расчётных и измеренных значений фокальной зоны

x, мм

z, мм

bf, мм (расчёт)

bf, мм (эксперимент)

35,9

34,3

1,94

1,9

30,1

14,3

1,9

2,2

36,2

25,7

2,0

2,1

60,1

43,8

3,4

3,0

54,2

25,9

3,7

3,7

75,0

65,8

4,1

4,1

75,9

43,7

4,8

4,5

72,5

34,0

5,1

4,5

86,0

50,8

5,3

5,2

94,5

44,7

6,7

6,5

84,2

25,8

8,1

7,8

113,8

35,8

10,8

10,4

132,2

42,8

12,4

10,9

Реальный сектор обзора антенной решётки, в частности М9170, ограничен углами α от 30° до 80°. Это вызвано тем, что диаграмму направленности отдельного элемента решётки трудно сделать шире 50° даже с применением электронной компенсации её неравномерности. Но при углах α , больших 80°, фокальная зона становится очень большой (см. рис. 2) даже при умеренных наклонных дальностях R . Причина ухудшения фокусировки антенной решётки с ростом направляющего угла α в монотонном уменьшении её эффективной апертуры Аэ =А ·cos α вплоть до нуля при α = 90°. Поэтому этот сектор между углами 80° и 90° всё равно малопригоден при контроле.

Стоит определить границу, за которой фокусировка антенной решётки малоэффективна. Критерием может служить примерное равенство фронтального размера фокальной зоны ширине пучка УЗ волн от несфокусированного преобразователя. Согласно фундаментальному правилу: фокусировка возможна только в пределах ближнего поля синфазного (несфокусированного) излучателя, – границей является дальность, равная протяжённости ближней зоны излучателя. А ширина пучка несфокусированного преобразователя на границе ближней зоны в эхо режиме по уровню 0,5 от максимума приблизительно равна четверти апертуры преобразователя [6].

Поскольку антенная решётка наклонная, то каждому направляющему углу α соответствует своя апертура Аэ и наклонная дальность Rб , определяющая границу ближней зоны: RбАэ2 /4· λ . Поэтому граница ближней зоны антенной решётки тоже зависит от угла α . И этой границей для конкретной антенной решётки служит одна из кривых на поле графика зависимости фронтального размера фокальной зоны от координат фокуса (см. рис. 2). Это кривая со значением размера bf , равным четверти активной апертуры А антенной решётки. Данная оценка границы ближней зоны решётки не совпадает с оценкой, предложенной в работе [7].

В частности, для антенной решётки М9170 граница ближней зоны – это кривая 7 мм, т.к. её апертура равна 28 мм. Область графика на рис. 2 внутри этой кривой (левее и ниже) – ближняя зона. Вне этой кривой (правее и выше) – дальняя зона.

При реконструкции томограммы фокальная зона решётки последовательно «помещается» в каждую визуализируемую точку пространства ОК в пределах выбранной зоны обзора. Помещается, конечно, виртуально, путём выборок соответствующих отрезков реализаций УЗ колебаний, принятых элементами антенной решётки, и когерентного суммирования этих отрезков для получения отражающей способности каждой точки материала ОК [2]. Образ отражателя на томограмме формируется как результат наложения образов точечных отражателей (блестящих точек), из которых состоит отражатель. Если его физические размеры меньше длины УЗ волны или соизмеримы с ней, то он представляет собой всего одну блестящую точку. Тогда на томограмме отображается образ фокальной зоны, подобный образу на рис. 3. Если отражатель больше нескольких длин волн, то он может содержать несколько блестящих точек, которые дают изображение слившейся группы образов фокальных зон.

Поэтому размеры и амплитуда образа отражателя на томограмме зависят от соотношения физических размеров отражателя и размеров фокальной зоны антенной решётки там, где расположен отражатель.


Амплитуда образа дискового отражателя и его площадь


Универсальной единицей измерения размеров несплошности традиционно считается эквивалентная площадь. Её измеряют либо с помощью испытательных образцов, либо чаще всего с помощью АРД-диаграмм [8].

Для оценки размеров несплошностей, найденных при контроле дефектоскопом с ЦФА, логично также использовать АРД-диаграмму. Для её построения можно воспользоваться набором образцов с плоскодонными отверстиями (ПДО) разных диаметров, расположенными на разных горизонтальных дальностях x и глубинах z . Результатом должно быть семейство зависимостей амплитуды образа ПДО от координат x ,z для отверстий разных диаметров.

Вследствие того, что фокальная зона разная в разных точках плоскости визуализации (см. рис. 2), характер зависимости амплитуды образа ПДО от площади его дна при фиксированных координатах x ,z тоже должен быть разным в разных точках.

На рис. 4 изображены зависимости амплитуд образов ПДО от площади дна для четырёх разных точек расположения отражателей в стали. Все они расположены на глубине z = 25 мм, но на разных горизонтальных дальностях x : 31, 49, 71 и 97 мм. Фронтальные размеры фокальных зон в этих точках равны 1,67, 3,2, 6,1 и 10,9 мм, соответственно. Зависимости получены экспериментально с помощью дефектоскопа А1550 IntroVisor и антенной решётки М9170.


Рис. 4. Зависимости амплитуд образов ПДО от площади дна: 1 – при фронтальном размере фокальной зоны 1,67 мм; 2 – 3,2 мм; 3 – 6,1 мм; 4 – 10,9 мм.


Зависимости рис. 4 действительно разные. Если при фокальной зоне порядка 11 мм (кривая 4) зависимость практически линейна вплоть до площадей в 17 – 20 мм 2 , то при фокальной зоне менее 2 мм (кривая 1) зависимость почти с самого начала отклоняется от прямой пропорциональности и стремится к некоторой асимптоте. Причина этого в замедлении роста амплитуды образа ПДО, когда диаметр дна отверстия приближается к размеру фокальной зоны. Тогда дальнейшее увеличение диаметра даёт всё меньший прирост амплитуды из-за выхода краёв дна за пределы фокальной зоны.

Такой же эффект наблюдается и при использовании обычного наклонного преобразователя, когда размеры отражателя становятся больше диаметра УЗ пучка. Только это наступает при достаточно больших размерах ПДО, т.к. диаметр пучка обычно больше диаметра пьезоэлемента преобразователя (порядка 10 – 15 мм и больше). Поэтому зависимость амплитуды эхосигнала от ПДО от площади его дна практически линейна для широкого диапазона диаметров. Это позволяет большинство малоразмерных дефектов оценивать эквивалентными размерами (площадью или диаметром).

При контроле дефектоскопом с ЦФА, как видно из рис. 4, предел линейного роста амплитуды образа от площади дна ПДО тесно связан с фронтальным размером фокальной зоны. А он на расстояниях от центра антенной решётки менее двух - трёх апертур и до границы ближней зоны достаточно мал.

Когда диаметр дна отверстия (при фиксированных координатах x ,z ) становится больше фокальной зоны и рост амплитуды образа дна замедляется, то геометрические размеры образа продолжают расти. Точки, удалённые от центра дна отверстия, особенно его края, дают дополнительные образы, которые «дорисовывают» уже протяжённый отражатель в плоскости визуализации. Этот эффект можно использовать для оценки размера отражателя по размеру его образа.

Поскольку представленные на рис. 4 зависимости имеют тенденцию к «насыщению», то использовать амплитуду образа ПДО в качестве информативного параметра для оценки его размера (и затем для измерения эквивалентного размера несплошности по АРД-диаграмме) нецелесообразно. При малых размерах фокальной зоны даже значительный прирост площади дна ПДО даёт слабый прирост амплитуды. Например, для кривой 1 рис. 4 увеличение площади дна почти в 3 раза (от 7 до 20 мм 2 ) приводит к росту амплитуды всего на 3,8 дБ вместо 9,1 дБ. И только для участков кривых, когда диаметр ПДО не превышает размера фокальной зоны, амплитуда образа связана с площадью ПДО аналогично такой же связи в традиционной дефектоскопии.


Интегральная амплитуда образа


Когда диаметр ПДО превышает размер фокальной зоны, образ дна отверстия формируется не одной блестящей точкой, а несколькими, т.к. дно уже проявляет свойства зеркального отражателя. И чем больше превышение диаметра над фокальной зоной, тем в большей степени дно становится зеркальным отражателем. Если, конечно, ось отверстия направлена на центр апертуры антенной решётки. Это условие обеспечивает наиболее полный возврат всех зондирующих сигналов к элементам антенной решётки после отражения от ПДО.

Аналогичное условие присутствует и при экспериментальном снятии АРД-диаграммы обычным наклонным УЗ преобразователем. При нахождении максимума эхосигнала ось отверстия оказывается совпадающей с акустической осью преобразователя.

Образ дна ПДО от нескольких блестящих точек «прорисовывается» несколькими рядом расположенными и слившимися образами фокальных зон. Образ получается протяжённым, в виде полоски, в направлении, перпендикулярном направлению от центра антенной решётки на отражатель. Он ещё больше вытянут в этом направлении, чем образ, приведённый на рис. 3. При этой вытянутости амплитуда образа не намного больше амплитуды образа ПДО с диаметром порядка размера фокальной зоны. Но количество точек с яркостью, близкой к максимальной, из которых состоит образ, намного больше.

Эффект увеличения размера образа дна ПДО от диаметра можно оценить по рис. 5, на котором представлены три изображения с образами ПДО диаметрами 2,3, 3,6 и 5,0 мм. Центры их отражающих поверхностей расположены в точке с координатами x = 49 мм, z = 25 мм. Фокальная зона в этой точке bf = 3,2 мм. Изображения получены с помощью антенной решётки М9170. Контрастность изображений приведена к одному уровню.


Рис. 5. Образы ПДО диаметрами 2,3 (а), 3,6 (б) и 5,0 мм (в) в стали.


Размер образа отверстия диаметром 3,6 мм мало увеличился по сравнению с образом от отверстия в 2,3 мм. А образ ПДО диаметром 5,0 мм увеличился значительно больше, поскольку его диаметр намного превысил размер фокальной зоны. Размеры образов, измеренные по крайним точкам красной окантовки (по уровню минус 6 дБ), равны, соответственно, 3,2, 3,6 и 4,8 мм.

Изложенный механизм формирования образа ПДО открывает путь к выделению информативного параметра, функционально зависимого от диаметра ПДО, не только когда диаметр меньше размера фокальной зоны, но и когда он превышает его даже значительно. Этим параметром может служить сумма яркостей точек образа, яркость которых превышает уровень минус 6 дБ от амплитуды образа. Эта сумма зависит как от яркости каждой точки, так и от их количества. Практически в дефектоскопе нужно вычислить интеграл яркости по площади внутри контура, построенного по точкам с уровнем минус 6 дБ от пикового значения яркости. Под яркостью точки (или её цветом), естественно, подразумевается величина (число), хранящаяся в памяти прибора для этой точки. На рис. 3 и 5 контур уровня минус 6 дБ от пика яркости выделен точками красного цвета. Назовём этот информативный параметр интегральной амплитудой.

Для проверки изложенных выше качественных рассуждений были экспериментально сняты зависимости интегральных амплитуд образов ПДО от площади дна для тех же отражателей, которые были использованы в предыдущем эксперименте. Зависимости представлены на рис. 6.


Рис. 6. Зависимости интегральных амплитуд образов ПДО от площади дна: 1 – при фронтальном размере фокальной зоны 1,67 мм; 2 – 3,2 мм; 3 – 6,1 мм; 4 – 10,9 мм.


У этих зависимостей нет выраженной тенденции к «насыщению». Интегральная амплитуда, практически, пропорциональна площади дна ПДО. Эту величину можно использовать для экспериментального построения АРД-диаграммы. Причём, благодаря этой пропорциональности нет необходимости использовать множество образцов с ПДО разных диаметров. Достаточно иметь образцы с отверстиями одного (максимального) диаметра для требуемого диапазона в разных точках плоскости визуализации, т.е. с разными координатами x и z . Другие значения интегральных амплитуд для меньших отверстий можно получить из максимального значения интегральной амплитуды, уменьшая её пропорционально площади дна.

Кроме оценки несплошности эквивалентной площадью в практике традиционной дефектоскопии широко используется способ оценки и браковки по амплитуде эхосигнала от несплошности, которую сравнивают с амплитудой эхосигнала от опорного отражателя. Для применения аналогичного метода оценки несплошностей, обнаруживаемых дефектоскопом с ЦФА, целесообразно использовать интегральную амплитуду образа вместо его пиковой амплитуды в качестве величины, сравниваемой с интегральной амплитудой образа опорного отражателя. Этот информативный параметр, как видно из рис. 6, более адекватно соответствует разным размерам отражателя.


Ард-диаграмма


АРД-диаграмма линейной антенной решётки представляет собой семейство двумерных функций, каждая из которых является зависимостью интегральной амплитуды образа дискового отражателя определённого диаметра от координат x ,z его расположения в плоскости визуализации. Каждому диаметру (площади) отражателя соответствует своя двумерная функция [9].

Поскольку в данном определении вместо «расстояния», используемого в определении традиционной АРД-диаграммы, стоит слово «расположение», то к привычному для большинства специалистов термину «АРД-диаграмма» нет необходимости добавлять понятие «двумерная».

На рис. 7 приведена одна из функций АРД-диаграммы для отражателя площадью 10,2 мм 2 , полученная экспериментально для антенной решётки М9170 для ПДО диаметром 3,6 мм. Значения этой функции – интегральные амплитуды – отображены линиями равных величин в относительных единицах. Промежуточные значения функции получены интерполяцией для координат x ,z с шагом в 1 мм.

Если при контроле обнаруживается некоторая несплошность в точке с координатами x ,z , то по интегральной амплитуде её образа из АРД-диаграммы для данной точки определяется её эквивалентная площадь. Так, например, если обнаруженная несплошность имеет координаты x = 70 мм, z = 50 мм, а её интегральная амплитуда равна 200, то из приведённой на рис. 7 функции следует, что эквивалентная площадь этой несплошности равна 10,2 мм 2 . При другой интегральной амплитуде и тех же координатах, например, большей 200, несплошность оценивается пропорционально большей эквивалентной площадью.


Рис. 7. Одна из функций АРД-диаграммы дефектоскопа А1550 IntroVisor с антенной решёткой М9170 для ПДО диаметром 3,6 мм. Числа – интегральные амплитуды образа в относительных единицах.


Физический размер отражателя и размер его образа


Формы и размеры несплошностей металла разнообразны и непредсказуемы. Наиболее опасными в сварных соединениях и конструкциях являются несплошности плоскостного типа: трещины, непровары [1].

Поскольку фронтальный размер bf фокальной зоны антенной решётки может быть как меньше, так и больше обнаруженной несплошности плоскостного типа, важно выяснить, как размер образа такой несплошности зависит от её физического размера в плоскости визуализации.

Представим модель плоскостной несплошности в виде прямоугольной щели шириной h с раскрытием, много меньшим ширины. Ширина щели лежит в плоскости визуализации, а длина перпендикулярна этой плоскости и намного превышает размер пассивной апертуры антенной решётки. По сути – это модель висящей трещины, протяжённой вдоль сварного шва и параллельной его оси. Будем считать, что щель отклонена от вертикали так, что линия, проходящая через центр щели и центр активной апертуры решётки, перпендикулярна плоскости щели. В этом случае от щели к антенной решётке возвращается максимум энергии отражённых сигналов.

При реконструкции изображения фокальная зона антенной решётки виртуально устанавливается в каждую точку плоскости визуализации с некоторой, достаточно малой дискретностью. Если рассматривать перемещение фокальной зоны по дуге с радиусом, равным наклонной дальности до щели, то фокальная зона попадает сначала на край щели, затем приближается к её середине, проходит к противоположному краю щели и выходит за её пределы. Образ щели на экране дефектоскопа формируется в результате наложения образов фокальных зон от всех озвучиваемых точек щели, расположенных вдоль её ширины. Чем шире щель и чем больше фронтальный размер фокальной зоны, тем более вытянутым получается образ щели.

Это взаимодействие щели и фокальной зоны очень напоминает процесс вычисления функции взаимной корреляции между прямоугольной функцией и гауссовой функцией. Прямоугольная функция аппроксимирует поверхность щели в направлении её ширины. Гауссова функция хорошо аппроксимирует распределение яркости образа фокальной зоны вдоль длины образа по средней линии, где точки наиболее яркие (см. рис 3). Это проверено экспериментально.

На рис. 8 показаны эти коррелируемые функции: прямоугольная и гауссова. Ширина прямоугольной функции символизирует ширину h щели. Ширина гауссовой функции по уровню 0,5 моделирует размер bf фокальной зоны антенной решётки. В нижней части рис. 8 приведена взаимно корреляционная функция от функций в верхней части рис. 8. Ширина её по уровню 0,5 соответствует размеру образа моделируемой щели.


Рис. 8. Функции, моделирующие взаимодействие плоскостной несплошности с фокальной зоной антенной решётки: 1 – прямоугольная, 2 – гауссова, 3 – взаимно корреляционная от них.


Для проверки справедливости этого предположения была вычислена зависимость размера образа щели шириной h = 3 мм при изменении размера bf фокальной зоны от 0,5 до 7,5 мм. Ширина щели в 3 мм выбрана потому, что она намного превышает минимальный размер фокальной зоны антенной решётки М9170 (см. рис. 2 и таблицу), и в то же время, соизмерима с фокальной зоной и меньше её в области полупространства, охватываемой обычно при проведении контроля. Размер фокальной зоны при расчётах задавали, используя известное соотношение W ≈ 2,355· σ , где W – ширина гауссовой функции по уровню 0, 5, σ – параметр гауссовой функции. Из этого соотношения σ = 0,425· bf . Вычисленная зависимость приведена на рис. 9.


Рис. 9. Зависимость размера образа щели шириной 3 мм от фронтального размера фокальной зоны: 1 – расчёт, 2 – экспериментальные данные, 3 – прямая пропорциональная зависимость с единичным угловым коэффициентом.


Характер этой зависимости вполне очевиден: при очень малой фокальной зоне (менее 2 мм) размер образа стремится к реальному физическому размеру щели, а с увеличением фокальной зоны (при ухудшении фокусировки с ростом координат x ,z ) все больше размер образа щели определяется размером фокальной зоны. Поэтому кривая 1 асимптотически приближается к прямой пропорциональной зависимости, и не может её пересечь, т.к. размер образа не может быть меньше фронтального размера фокальной зоны.

Для экспериментальной проверки полученной зависимости был изготовлен образец из стали 20 с размерами 240 × 65 × 30 мм с несколькими прямоугольными щелями, пронизывающими образец на всю толщину. Щели выполнены электроэрозией и расположены на разных глубинах от 10 до 55 мм. Их ширина равна 3 мм, раскрытие 0,3 мм. Плоскости щелей наклонены к рабочим граням образца на угол 60°. Этот угол приблизительно соответствует середине сектора обзора антенной решётки.

С помощью дефектоскопа А1550 IntroVisor и антенной решётки М9170 были измерены размеры образов щелей в образце. При измерениях антенную решётку располагали на образце так, чтобы центр апертуры решётки оказывался в точке, лежащей на перпендикуляре к центру измеряемой щели. Все щели при этом оказывались на разных наклонных дальностях от антенной решётки. Поэтому в точках их расположения фокальные зоны решётки имели разные фронтальные размеры bf , от 0,8 до 6 мм. Измерение размера образа каждой щели повторяли не менее 5 раз, поднимая и снова устанавливая антенную решётку на образец. Результаты измерений нанесены на график рассчитанной зависимости, на рис. 9.

Экспериментальные данные достаточно хорошо согласуются с расчётными. Исключением является результат измерения при фокальной зоне, равной 2,05 мм. Соответствующая ему щель, по-видимому, внутри образца несколько шире 3 мм, насколько можно судить по виду её концов, выходящих на поверхности образца.

При измерении размера образа любой несплошности, не только трещины, одновременно измеряются её координаты x ,z . По ним сразу же можно вычислить размер bf фокальной зоны в точке нахождения несплошности. Зная эти две величины, можно получить третью: реальный физический размер несплошности плоскостного типа. Для этого предварительно должно быть вычислено семейство зависимостей физического размера несплошности от размера её образа для множества значений фокальных зон. Механизм расчёта тот же самый, по которому получена зависимость, рис. 9. Нужно повторить такой расчёт для разных размеров h щели.

На рис. 10 приведена номограмма, рассчитанная таким способом для наиболее используемого диапазона фронтальных размеров фокальной зоны 1 – 11 мм. Измерив при контроле объекта размер образа, нужно от соответствующей ему точки оси абсцисс провести перпендикуляр до пересечения с кривой размера фокальной зоны для координат расположения найденной несплошности. Ордината этого пересечения даст значение физического размера несплошности. Пример такой оценки физического размера показан на рис. 10 для размера образа 5,8 мм и размера фокальной зоны 4 мм. Результат – 5,3 мм.


Рис. 10. Номограмма пересчёта размера образа плоскостной несплошности в её физический размер.


Естественно, пользоваться вручную такой номограммой нет необходимости. Её легко встроить в программное обеспечение прибора. И при контроле результат можно сразу же индицировать на экране в миллиметрах. Причём можно автоматически запретить выдачу результата в случае, если измеренный размер образа несплошности незначительно превышает размер фокальной зоны, например, всего на 5 – 10 %. Это означает, что размер образа определяется в основном размером фокальной зоны, а от физического размера несплошности он мало зависит. В этом случае оценить несплошность придётся эквивалентным размером.

На номограмме, рис. 10, этот случай соответствует области высокой крутизны кривых bf . Здесь малая неточность измерения размера образа приведёт к большой погрешности оценки физического размера. Штриховая линия на рис. 10 отделяет эту область от той, где оценка физического размера вполне допустима. Перпендикуляр, восстановленный от оси абсцисс, должен пересекаться с кривой фокальной зоны выше этой штриховой линии. На рис. 10 эта линия проведена через точки кривых bf , для которых размер образа равен 1,1· bf . Можно считать эту линию условной границей между амплитудной и геометрической оценками размеров несплошностей плоскостного типа.

Что касается объёмных несплошностей, то их размеры по образам на экране оценивать значительно труднее. Размер образа объёмной несплошности мало зависит от её физического размера, даже когда несплошность значительно больше фронтального размера фокальной зоны. На рис. 11 приведены два изображения с образами боковых цилиндрических отверстий диаметрами 1,5 и 6,0 мм. Их центры расположены в точке x = 40 мм, z = 40 мм, где размер фокальной зоны равен 2,2 мм. Изображения так же получены с помощью антенной решётки М9170. Их контрастности для наглядности выровнены. Видно, что образы отверстий не отличаются по размерам: оба равны 2,26 мм. Координаты образа малого отверстия близки к реальным координатам его центра. А образ большого отверстия заметно смещён ближе к антенной решётке, что вполне естественно, т.к. отражающая поверхность отверстия действительно ближе к решётке. Нужно заметить, что амплитуды (пиковые) образов этих отверстий отличаются всего на 1 дБ. Меньшее отверстие оценено эквивалентной площадью в 3,3 мм 2 , а большее – в 4,2 мм 2 .


Рис. 11. Образы боковых цилиндрических отверстий диаметром 1,5 (а) и 6,0 мм (б) в стали. Координаты центров отверстий x = 40, z = 40 мм.


Реальные объёмные несплошности обычно дают образы, мало отличающиеся по размерам от образов фокальной зоны в точке расположения несплошности. Условие 10 %-ного превышения размера образа над размером фокальной зоны для объёмных несплошностей практически всегда не выполняется. Если, конечно, несплошность с гладкой поверхностью и имеет выпуклую кривизну. И поэтому оценка размера такой несплошности возможна только по амплитудному параметру образа: по интегральной амплитуде или эквивалентной площади.

Конечно, здесь речь идёт об оценках размеров несплошностей не более 10, максимум 15 мм при глубинах и дальностях по горизонтали до 100 – 120 мм. Если встретится, например, шлаковое включение с шероховатой поверхностью или ещё больших размеров, то ни о какой амплитудной оценке не может быть и речи. Такое включение неизбежно будет иметь несколько блестящих точек, разнесённых на несколько миллиметров друг от друга. На изображении они дадут несколько образов. И главной задачей здесь будет являться выяснение факта принадлежности их одной и той же несплошности или нескольким разным малым несплошностям. Это задача распознавания образов. А оценить физический размер такой несплошности по расстояниям между крайними образами от блестящих точек, если считать их одной несплошностью, не составит труда.


Обсуждение результатов


Оценка размеров несплошностей металла всегда являлась одной из наиболее важных задач УЗ дефектоскопии. Метод ЦФА расширил возможности УЗ дефектоскопа в этой части. Оценку можно вести как по амплитудному параметру образа, так и по его геометрии: размерам и форме. Причём определять вид несплошности стало проще.

Как показали исследования, несплошности, образы которых меньше 1,1· bf , можно оценивать только эквивалентными размерами, используя АРД-диаграмму, или путём сравнения интегральных амплитуд образов несплошности и опорного отражателя. Причём интегральная амплитуда пропорциональна площади ПДО в широком диапазоне размеров. Даже когда диаметр отверстия больше фронтального размера фокальной зоны пропорциональность сохраняется (см. рис. 6, зависимости 1 и 2). Есть некоторый запас по диапазону яркости образа, в котором можно использовать амплитудный информационный признак для оценки объёмных и компактных плоскостных несплошностей (подобных ПДО).

Оценивать несплошность плоскостного типа размером образа можно и целесообразно, если размер образа больше фронтального размера фокальной зоны хотя бы на 10 – 15 %. Даже если превышение равно всего 10 %, то физический размер несплошности примерно равен 0,6 от размера образа. Это уже может являться признаком того, что несплошность объёмно-плоскостная. Если же образ несплошности в 1,5 раза больше фокальной зоны, то физический размер несплошности можно просто приравнять размеру её образа, т.к. ошибка будет меньше 10 %, причём в сторону завышения. В этом случае несплошность явно плоскостная. При размере образа между этими значениями (1,1· bf и 1,5· bf ) следует использовать номограмму, рис. 10.

Необходимо заметить, что эти оценки получены для несплошностей плоскостного типа, ориентированных максимумом своей индикатрисы рассеяния на центр антенной решётки. При отклонении решётки от этого максимума кромки несплошности (висящей трещины) отображаются на экране парой образов, которые сливаются в один протяжённый при точной ориентации несплошности на решётку.

Важное отличие визуализирующих УЗ дефектоскопов с ЦФА от традиционной техники состоит в фокусировке зондирующих сигналов в точку, где расположен дефект. От соотношения размеров фокальной зоны и дефекта зависит уровень УЗ сигналов, отражающихся к антенной решётке. Поэтому даже для модели дефекта, в частности, для ПДО, зависимость результирующего уровня интегральной амплитуды образа от её размера, не такая же, как зависимость уровня эхосигнала от этой же модели дефекта для несфокусированного традиционного одноэлементного УЗ преобразователя. Зависимости уровней от координат расположения модели дефекта тоже разные.

Это означает, что если два дефектоскопа – визуализирующий с ЦФА и традиционный – одно и то же ПДО в металле оценивают одинаковой эквивалентной площадью, то один и тот же реальный дефект с их помощью будет оценён разными значениями эквивалентной площади. При оценке дефектов сравнением их амплитудных параметров с опорным уровнем также неизбежно отличие в оценке размеров реального дефекта этими разными дефектоскопами.

Если в нормативной документации на контроль некоторого изделия дана норма браковки для традиционного дефектоскопа, то она не подойдёт для дефектоскопа визуализирующего на основе метода ЦФА. Т.е. для визуализирующих дефектоскопов нужны свои нормы оценки и браковки несплошностей. На необходимость разработки таких норм указывается и в работе [1]. Фронтальный размер фокальной зоны антенной решётки может послужить параметром, стандартизующим амплитудные уровни оценки дефектов разными дефектоскопами для обеспечения единства измерений.


Выводы


1. Возможность обнаружения несплошности, определения её типа и оценки размеров при контроле изделий методом цифровой фокусировки апертуры антенной решётки зависит от соотношения физического размера несплошности и фронтального размера фокальной зоны антенной решётки в точке расположения несплошности. Простое сравнение размера несплошности с длиной УЗ волны не имеет смысла. Зависимость фронтального размера фокальной зоны от координат фокуса можно априорно вычислить. Для этого достаточно задать значения активной апертуры антенной решётки и длины УЗ волны.

2. Для оценки размера несплошности, образ которой на изображении близок к фронтальному размеру фокальной зоны, следует использовать интегральную амплитуду образа, вычисленную по полю изображения в пределах контура по уровню минус 6 дБ от пикового значения амплитуды образа. Этот же информативный параметр следует использовать для экспериментального построения АРД-диаграммы.

3. Если размер образа несплошности больше фронтального размера фокальной зоны более чем на 10 %, то несплошность можно отнести к объёмно-плоскостному типу. Её размер в плоскости визуализации можно оценить по номограмме пересчёта размера образа в физический размер несплошности.

Если размер образа превышает размер фокальной зоны в 1,5 и более раз, то размер образа практически равен физическому размеру несплошности. А тип несплошности можно считать плоскостным.

4. Для визуализирующих УЗ дефектоскопов с цифровой фокусировкой апертуры антенной решётки необходимо разрабатывать свои нормы оценки и браковки дефектов. Нормы, разработанные для традиционных дефектоскопов с одноэлементными УЗ преобразователями, использовать нельзя.


Литература


1. Щербинский В.Г. Технология ультразвукового контроля сварных соединений. – Санкт-Петербург: СВЕН, 2014. – 495 с.

2. Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г. Ультразвуковая томография металлоконструкций методом цифровой фокусировки антенной решётки. – Дефектоскопия. 2011. № 1. С. 21 – 38.

3. Ланге Ю.В., Воронков В.А. Контроль неразрушающий акустический. Термины и определения. Справочник. Изд. 2-е. – М.: Авторское издание, 2003. – 120 с.

4. Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977. 336 с.

5. Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г., Козлов В.Н. Ультразвуковая антенная решётка. Патент РФ № 2335038. Бюл. изобр. 2008, № 27.

6. Крауткремер Й., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. Справочное издание. Пер. с нем. – М.: Металлургия, 1991. – 752 с.

7. Данилов В.Н., Воронкова Л.В. Основы теории и некоторые аспекты применения преобразователей с фазированными решётками. – М.: Издательский дом «СПЕКТР», 2015. – 156 с.

8. Разыграев А.Н., Разыграев Н.П., Диков И.А. Методические рекомендации по применению АРД-диаграмм при ультразвуковом контроле основного металла, сварных соединений и направки. – М.: Издательский дом «СПЕКТР», 2016. – 78 с.

9. Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г. Измерения в ультразвуковой промышленной томографии. Контроль. Диагностика. 2013. № 10. С.10 – 22.

Напишите нам
Напишите нам