Акустические Контрольные Системы

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

(495) 800-74-62

market@acsys.ru

Шевалдыкин В.Г., Козлов В.Н., Самокрутов А.А.

Широкое применение эхо-метода в ультразвуковой дефектоскопии бетонных конструкций несмотря на растущие требования практики и достигнутые в последнее время успехи сдерживается значительной сложностью электроакустической части дефектоскопической аппаратуры. Высокий уровень структурного шума бетона, слабая направленность ультразвуковых преобразователей, плохой акустический контакт их с бетоном при использовании обычных контактных смазок заставляют использовать в такой аппаратуре многоэлементные антенные решётки с синтезированной фокусировкой [1: 2]. Проблема акустического контакта в них решена применением элементов с точечным контактом, не нуждающихся в контактных жидкостях. В результате разрешающая способность аппаратуры и минимальные размеры обнаруживаемого локального дефекта не превышают длины волны ультразвука в бетоне. Такие, в частности, характеристики достигнуты с помощью управляемой от компьютера 36-элементной антенной решётки, каждый элемент которой снабжён собственным генератором зондирующих импульсов и предварительным усилителем.

Если поставить задачу обнаружения дефектов порядка 2 - 3 длин волн или протяжённых дефектов, то есть силовой арматуры, коммуникаций или, наконец, задачу измерения толщины конструкций, а такие случаи чаще всего и встречаются на практике, то антенную систему можно существенно упростить.

Схема антенной решетки эхо - импульсного прибора для контроля бетона
Рис. 1. Схема антенной решетки эхо - импульсного прибора для контроля бетона

Синфазное возбуждение всех элементов решётки и синфазный приём ими сигналов можно осуществить простым параллельным соединением всех элементов между собой. В результате необходимость в поочерёдном возбуждении элементов и таком же переключении элементов на приём отпадёт. Вместо многоканального приёмно-передающего устройства понадобится один генератор и один приёмный тракт. Антенная решётка может быть выполнена без встроенных генераторов и усилителей сигналов в каждом элементе, так как уровень принятого сигнала на выходе решётки будет существенно выше уровня собственных шумов и помех приёмного тракта, в отличие от случая решётки с переключаемыми элементами. Все реализации сигналов, которые в аппаратуре с синтезируемой фокусировкой, обрабатывались поочерёдно [3], в данном случае будут обрабатываться одновременно.

Шаг расположения элементов решётки и размеры её апертуры следует выбирать исходя из радиуса корреляции структурного шума бетона и требуемой чувствительности в дальней зоне, то есть точно также, как для решётки с синтезируемой фокусировкой [1: 2]. Однако организация излучения и приёма сигналов элементами решётки может быть выполнена двумя способами: первый - все элементы излучают и затем принимают сигналы, второй - половина элементов излучает, а другая половина принимает. В первом случае решётку естественно назвать совмещённой, во втором - раздельно-совмещённой (РС), по аналогии с ультразвуковыми преобразователями. Не равное количество излучателей и приёмников в РС решётке использовать не следует по причине худших характеристик обнаружения. В частности, потенциальное увеличение отношения сигнал/шум (структурный шум) по сравнению с парой излучатель - приёмник, равное произведению количества излучающих элементов на количество приёмных в РС решётке, при равенстве числа излучателей и приёмников будет наибольшим.

Антенная решетка ультразвукового дефектоскопа А1220
Рис. 2. Антенная решетка ультразвукового дефектоскопа А1220.

Преимущества РС решётки перед совмещённой с одинаковым общим количеством элементов состоят в следующем. РС решётка кроме основного даёт также сигнал, вызванный прохождением ультразвуковых импульсов вдоль поверхности бетона от излучателей к приёмникам. Этот сигнал можно использовать для измерения скорости ультразвука в объекте контроля. Кроме того, РС решётка обладает существенно меньшей мёртвой зоной, определяемой в основном помехами от волн Рэлея, которые распространяются между излучателями и приёмниками. Из-за большого различия путей прохождения этих волн помехи от них распределены в относительно небольшом интервале времени и их амплитуды превышают структурный шум бетона всего в 3 - 4 раза. У совмещённой решётки мёртвая зона определяется скоростью затухания собственных колебаний пьезоэлементов после их возбуждения. Несмотря на хорошее демпфирование пьезоэлементов их собственные колебания затухают до уровня соизмеримого со структурным шумом в бетоне к моменту, соответствующему приёму эхо-сигналов с глубин порядка 500 - 700 мм. У РС решётки мёртвая зона почти на порядок меньше.

Недостаток РС решётки по сравнению с совмещённой - это меньшее на 3 дБ отношение сигнала к структурному шуму в дальней зоне. Это отношение у совмещённой решётки, как и у решётки с синтезируемой фокусировкой определяется половиной квадрата количества элементов [1], а у РС решётки, как не трудно видеть, определяется произведением половин от общего количества элементов, что равно только четверти квадрата количества элементов.

Следует заметить, что если в дефектоскопе выполнять зондирование дважды в каждой точке расположения антенной решётки на объекте контроля и от каждой принятой реализации сигналов использовать ту часть, которая имеет лучшее отношение сигнал/шум, то достоинства обоих типов решёток можно объединить. Для этого путём стробирования нужно к начальному временному интервалу реализации сигналов РС решётки, соответствующему глубинам до 700 мм, "подшить" часть реализации, соответствующей глубинам более 700 мм и принятой после второго зондирования с электрически соединёнными между собой группами излучающих и приёмных элементов. Для такого соединения нужен, естественно, электронный ключ.

Осцилограмма эхо - сигналов, принятых антенной решеткой дефектоскопа А1220 при контроле плиты из капролона толщиной 106 мм
Рис. 3. Осцилограмма эхо - сигналов, принятых антенной решеткой дефектоскопа А1220 при контроле плиты из капролона толщиной 106 мм.

Практическое воплощение приведённых выше рассуждений можно проиллюстрировать на разработанном авторами и выпускаемом в настоящее время ультразвуковом дефектоскопе А1220 для контроля бетонных конструкций. Он состоит из 24-элементной РС антенной решётки и электронного блока с графическим экраном. Вид решётки приведён на рис. 2. Все элементы акустически развязаны друг от друга и имеют мягкий подпружиненный подвес, обеспечивающий контроль бетона с неровностями поверхности до 8 мм. Элементы разделены на одинаковые группы излучателей и приёмников, представляющие собой матрицы из 4x 3 элементов. Элементы в каждой группе соединены параллельно и подключены с стандартному коаксиальному разъёму. Любая из групп элементов может быть излучающей или приёмной.

На рис. 3 представлена осциллограмма сигнала на выходе приёмного тракта дефектоскопа А1220 при установке антенной решётки на капролоновую плиту толщиной 106 мм. Капролон не создаёт структурных помех, что даёт возможность оценить характер реальных сигналов антенной решётки. На этой осциллограмме хорошо видны первый и второй донные сигналы в плите. Они находятся в моменты времени около 200 и 380 мкс, соответственно. Несколько периодов колебаний в интервале времени от 25 до 120 мкс представляют собой сумму сигналов от поверхностных волн в плите, распространяющихся от излучающих элементов решётки к приёмным.

Изображение с экрана дефектоскопа А1220: слева (а) - донный сигна с глубины 800 мм; справа (б) - эхо -сигнал от пустого канала диаметром 30 мм на глубине 130 мм и донный сигнал с глубины 400 мм
Рис. 4. Изображение с экрана дефектоскопа А1220: слева (а) - донный сигна с глубины 800 мм; справа (б) - эхо -сигнал от пустого канала диаметром 30 мм на глубине 130 мм и донный сигнал с глубины 400 мм.

На рис. 4 приведены изображения с экрана дефектоскопа А1220, на которых виден донный сигнал с глубины 800 мм в бетоне (а) и эхо-сигнал от 30 мм бокового сверления, центр которого лежит на глубине 130 мм под поверхностью бетона (б). Импульс на рис. 2б правее сигнала от сверления - донный сигнал с глубины 400 мм.

Эти изображения показывают, что использование простой антенной системы на основе синфазной решётки позволяет вести контроль бетонных изделий эхо-методом с целью поиска достаточно крупных дефектов или измерений толщины конструкции.

Литература