Помощь студентам в учебе
АКУСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ МАЛОРАКУРСНЫМ ТЕНЕВЫМ МЕТОДОМ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ КОПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ 12
1.1 Полимерные композиционные материалы 12
1.2 Дефекты полимерных композиционных материалов 18
1.3 Томография 29
1.4 Средства контроля ПКМ 30
1.5 Ультразвуковые методы дефектоскопии многослойных полимерных
композиционных материалов 33
1.6 Ультразвуковые дефектоскопы для контроля многослойных
полимерных композиционных материалов 37
ВЫВОДЫ 47
2.1 Расчет амплитуды сигнала на приемнике 49
2.2 Разрешающая способность акустического тракта, образованного
антенными решётками 72
2.3 Исследование предельной чувствительности 78
ВЫВОДЫ 91
ГЛАВА 3. АППАРАТУРА КОНТРОЛЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ТЕНЕВЫМ МЕТОДОМ 93
3.1 Экспериментальная установка 93
3.2 Экспериментальные исследования 99
3.2.1 Исследование точности определения местоположения дефектов ... 99
3.2.2 Исследование коэффициента Кд 104
3.2.3 Исследование чувствительности 109
3.2.4 Исследование разрешающей способности 115
3.3 Интерфейс оператора 121
3.3 Структурная схема многоканального малоракурсного теневого дефектоскопа 125
ВЫВОДЫ 132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 133
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 134
ПРИЛОЖЕНИЕ. Акты внедрения 144
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ КОПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ 12
1.1 Полимерные композиционные материалы 12
1.2 Дефекты полимерных композиционных материалов 18
1.3 Томография 29
1.4 Средства контроля ПКМ 30
1.5 Ультразвуковые методы дефектоскопии многослойных полимерных
композиционных материалов 33
1.6 Ультразвуковые дефектоскопы для контроля многослойных
полимерных композиционных материалов 37
ВЫВОДЫ 47
2.1 Расчет амплитуды сигнала на приемнике 49
2.2 Разрешающая способность акустического тракта, образованного
антенными решётками 72
2.3 Исследование предельной чувствительности 78
ВЫВОДЫ 91
ГЛАВА 3. АППАРАТУРА КОНТРОЛЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ
ТЕНЕВЫМ МЕТОДОМ 93
3.1 Экспериментальная установка 93
3.2 Экспериментальные исследования 99
3.2.1 Исследование точности определения местоположения дефектов ... 99
3.2.2 Исследование коэффициента Кд 104
3.2.3 Исследование чувствительности 109
3.2.4 Исследование разрешающей способности 115
3.3 Интерфейс оператора 121
3.3 Структурная схема многоканального малоракурсного теневого дефектоскопа 125
ВЫВОДЫ 132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 133
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 134
ПРИЛОЖЕНИЕ. Акты внедрения 144
Теоретические исследования и практическое применение теневого метода в неразрушающем контроле с применением ультразвукового излучения известно давно [1, 2]. В основном, использование ограничивалось акустическим трактом, образованным одним излучателем и одним приёмником. Однако, начиная с семидесятых годов прошлого столетия, делались многочисленные попытки разработки и исследования аппаратуры, основанной на линейных антенных решётках. В работе С.А. Цехановского [3] исследовался теневой акустический тракт, предназначенный для контроля резинотехнических изделий. Излучающая и приемная антенные решетки при этом располагались взаимно перпендикулярно, образуя пиксел изображения при реконструкции результатов контроля на пересечении излучающего элемента с приемным. Дальнейшее развитие этого подхода было проведено в работах В.С. Макарова [4]. Он использовал этот подход для контроля колец железнодорожных подшипников с целью обнаружения областей пережогов при термообработке колец. Основным преимуществом предлагаемых решений являлась только высокая производительность контроля по сравнению с одиночным каналом. Ограничение вычислительных ресурсов электроники не позволяли определять глубину залегания дефектов.
Активное совершенствование теневого метода контроля началось с внедрением реконструктивной томографии, вычислительный аппарат которой основан на преобразовании И. Радона [5, 6]. Самые значительные достижения наблюдаются в медицинской диагностике, основанной на рентгеновской томографии [7]. В ультразвуковом неразрушающем контроле применение реконструктивной томографии, основанной на преобразовании И. Радона, используется не так широко, что обусловлено вполне объективными обстоятельствами. В первую очередь, это сложности получения необходимого набора проекций. Зачастую возможность получения необходимого набора проекций ограничена размерами и конфигурацией контролируемого изделия и антенной решетки. Например, весьма эффективен теневой контроль для исследования многослойных композиционных материалов [8]. Однако их плоскостная конфигурация вообще исключает почти все проекции кроме проекций по нормали к поверхности за исключением малоракурсных.
Термин «малоракурсная» по отношению к томографии может иметь два значения. Во-первых, это может означать, что имеется небольшое число проекций. Анализ такой ситуации приведён в работе А.В. Филонина [6]. Во- вторых, это может отражать ситуацию, когда имеется набор проекций, причём диапазон углов, под которыми они получены, составляет значительно меньше 90°. Именно такая ситуация возникает при контроле многослойных композиционных материалов. Задача данной работы состоит в анализе возможностей акустической томографии именно в таком, втором значении.
Объектом исследования в представленной работе является акустический тракт трансмиссионного малоракурсного томографического дефектоскопа на основе антенных решеток
Цель диссертационной работы: исследовать возможности
акустической малоракурсной томографии трансмиссионнным методом на основе линейных антенных решеток для создания компактного аппаратнопрограммного комплекса неразрушающего контроля композитных материалов.
Достижение поставленных целей потребовало решения следующих основных задач:
1. Разработать методику акустической малоракурсной
реконструкции томографического изображения зоны контроля с помощью эквидистантных линейных антенных решеток.
2. Провести теоретические исследования дефектометрических характеристик акустической малоракурсной томографии.
3. Разработать макетный образец прибора и провести его испытания.
Научная новизна работы. В работе были получены следующие новые научные результаты:
1. Разработана компьютерная модель акустической малоракурсной реконструкции томографического изображения, которая позволяет проводить адекватные исследования в широком диапазоне исходных параметров акустического тракта зоны контроля позволяющая учесть неравномерное распределение акустических лучевых «трубок» в зоне контроля.
2. Получены аналитические выражения, описывающие зависимость разрешающей способности акустического тракта малоракурсного теневого дефектоскопа на основе эквидистантных антенных решеток от его геометрических и акустических характеристик.
3. Получены аналитические выражения, описывающие зависимость
предельной чувствительности малоракурсного трансмиссионого
дефектоскопа на основе эквидистантных антенных решеток от его геометрических и акустических характеристик.
4. Создан акустический малоракурсный томограф для контроля композитных материалов, имеющий лучшие технические характеристики по сравнению с аналогами.
Практическая значимость.
1. Полученные аналитические выражения для определения количества лучей в зоне контроля при теневом методе контроля могут быть использованы при реконструкции малоракурсного томографического изображения зоны контроля.
2. Предложенная модель акустической малоракурсной томографии позволяет определить параметры акустического тракта при проектировании многоканальных малоракурсных трансмиссионных дефектоскопов без проведения затратных экспериментальных исследований .
3. Создан макетный образец акустического малоракурсного трансмиссионного дефектоскопа, нашедший практическое применение в HSTM Vietnam Construction Consulting Company Limited, Ханой, Вьетнам.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Компьютерная модель акустической малоракурсной томографии, описывающая амплитуду томографического сигнала в произвольной точке зоны контроля в зависимости от конфигурации акустического тракта и параметров модели дефектов, позволяющая с погрешностью не более 6% определять координаты дефектов.
2. Разрешающая способность теневого дефектоскопа на основе эквидистантных линейных антенных решеток и обработкой первичной информации по методике обратных проекций является аналитической функцией, зависящей от геометрических характеристик акустического тракта и позволяющая детектировать два дефекта, расположенных на расстоянии 18 мм друг от друга при использовании антенных решеток из 16 элементов и толщине образца 400 мм в центре зоны контроля.
3. Предельная чувствительность малоракурсного трансмиссионного дефектоскопа на основе эквидистантных линейных антенных решеток и обработкой первичной информации по методике обратных проекций является аналитической функцией, зависящей от геометрических характеристик акустического тракта и позволяющая детектировать дефект, с размером 0,9 мм2 при использовании антенных решеток из 16 элементов и толщине образца 400 мм в центре зоны контроля.
Личный вклад автора: участие в постановке задач, разработке модели акустической малоракурсной томографии. Автором лично предложен способ реконструкции томографического изображения при теневом методе контроля, учитывающий неравномерное распределение лучей в зоне контроля и его техническая реализация, а также проведено исследование разрешающей способности и чувствительности акустической малоракурсной томографии.
Апробация работы и публикации.
Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены и обсуждены на следующих конференциях:
- на XK Международной научно-практической конференции
«СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ» г. Томск, 2013
- на VI Всероссийской научно-практической конференции «Научная
инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов», г. Томск, 2013
- на XI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования», г. Томск, 2014
- на XХ Международной научно-практической конференции «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ» г. Томск, 2014
- на VII Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов», г. Томск, 2014
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 4 статьях, материалах 5 докладов, список которых приведен в конце диссертации.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения. Объем диссертации составляет 145 страниц, 77 рисунков и 5 таблицы. Обзор литературных данных содержит 100 наименования.
Во введении показана актуальность работы, сформулированы цели и задачи работы, ее научная новизна и практическая значимость, приведены положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены методы и приборы контроля композиционных материалов. В разделе 1.1 приведены основные сведения о композитных материалах, которые очень широко применяются в современном производстве. Рассмотрены методы получения композитных материалов, их конструктивные особенности и свойства. В разделе 1.2 рассмотрены основные типы дефектов, их характерные размеры и причины образования. Приведена классификация дефектов и их влияние на свойства композитных материалов. В разделе 1.3 рассмотрены основные понятия о томографии и методы получения томографического изображения. Отдельно рассмотрены вопросы ультразвуковой томографии, сделан акцент на малоракурсной томографии, которая представляется перспективной для применения в ультразвуковом контроле. В разделе 1.4 приведены сведения о средствах контроля композиционных материалов. Показано, что для контроля применяют различные методы: термографию, рентгеновский метод и ультразвуковой. Наиболее перспективно применение термографии для контроля сотовых конструкций. Рентгеновские методы позволяют контролировать только нарушения упорядоченной структуры композитных материалов. В разделе 1.5 рассмотрены ультразвуковые методы дефектоскопии многослойных композиционных материалов. Представлена классификация ультразвуковых методов контроля композиционных материалов. Рассмотрены их области применения и типы выявляемых дефектов. В разделе 1.6 собраны сведения о современных ультразвуковых дефектоскопах как отечественных так и зарубежных производителей, позволяющих контролировать композиционные материалы.
Во второй главе приведены результаты теоретических исследований малоракусной ультразвуковой томографии на основе созданной модели. Раздел 2.1 посвящен расчету амплитуды сигнала на приемнике при теневом контроле с использованием акустических решеток. Показаны особенности малоракурсного акустического тракта, заключающиеся в неравномерном распределении лучей по зоне контроля, исходящих от излучателей к приемникам. Для количественной оценки выявляемости дефектов при теневом методе контроля применен коэффициент кд, который определяется отношением амплитуды сигнала на приемнике при наличии дефекта к амплитуде сигнала на приемнике при отсутствии дефекта при неизменном зондирующем сигнале. При моделировании этот коэффициент кд является основой для построения томографического изображения. С учетом различного положения дефекта в зоне контроля (относительно ближней зоны излучателя и приемника) рассмотрены четыре варианта определения коэффициента кд. Приведены алгоритмы для моделирования одного и двух дефектов в зоне контроля, с реконструкцией томогорафического изображения акустического образа дефекта. Исследованы погрешности модели, характеризующие геометрические параметры положения дефекта в зоне контроля. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных результатов, на основе которых сделано заключение о адекватности предложенной модели. В разделе 2.2 исследована разрешающая способность малоракурсной ультразвуковой томографии при трансмиссионном контроле. Показано, что разрешающая способность будет определяться акустическим аналогом функции рассеяния точки (PSF) для теневого метода. Поэтому фронтальная и продольная разрешающие способности будут равны соответствующим размерам PSF. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований разрешающей способности в различных областях зоны контроля. Показано, что наилучшая разрешающая способность будет в центре зоны контроля. В разделе 2.3 исследована предельная чувствительность системы акустического контроля малоракурсным теневым методом с использованием теории дифракции Кирхгофа. Определены минимальные размеры обнаруживаемого дефекта для различных параметров акустического тракта: количества элементов в антенных решетках, расстоянии между антенными решетками, расстояния между элементами в антенной решетки, частоты излучения. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований предельной чувствительности в различных областях зоны контроля. Показано, что наилучшая чувствительность будет в ближней зоне антенных решеток.
Во третьей главе приведены результаты практического использования проведенных исследований. В разделе 3.1 представлены структурная схема, диаграммы работы и фотографии экспериментальной установки, на которой проводились исследования. Приведено описание оригинального алгоритма реконструкции томографического изображения. В разделе 3.2 представлены результаты экспериментальных исследований фронтальной и продольной точности определения координат дефектов в зоне контроля, разрешающей способности и предельной чувствительности. Приведены томограммы объектов контроля с дефектами. В разделе 3.3 описан интерфейс оператора с отображением уровней принятых сигналов по каждому каналу при последовательном зондировании всеми элементами излучающей антенной решетки, что позволяет проводить калибровку многоканальной системы контроля. В разделе 3.3 приведена структурная схема, фотография и технические характеристики многоканального малоракурсного теневого дефектоскопа «Multi-channel acoustic shadow flaw detector», который прошел успешные испытания и внедрен на предприятии HSTM Vietnam construction consulting company.
Выводы по работе делаются в конце каждой главы.
В заключении приводятся основные результаты работы, полученные в процессе подготовки диссертации.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается непротиворечивостью полученных в исследовательской части работы результатов с данными других авторов (там, где таковые имеются), совпадением экспериментальных и расчетных значений предельной чувствительности и разрешающей способности, величины погрешности в определении координат залегания дефектов, работоспособностью изготовленного прибора, результатами лабораторных испытаний. Протоколы испытаний и акты внедрения разработанных приборов приведены в Приложении.
Результаты, используемые в работе получены автором лично и совместно с коллегами - в равном участии, а также при непосредственном участии автора в постановке исследовательских задач и разработок действующего макета прибора.
Автором непосредственно выполнены:
• анализ текущего состояния теоретических исследований и практических разработок приборов для ультразвукового малоракурсного теневого контроля,
• исследования фронтальной и продольной разрешающей способности,
• исследования предельной чувствительности,
• исследования точности определения координат залегания дефектов в объекте контроля,
• предложены способ реконструкции томографического изображения для теневого метода с использованием антенных решеток
• разработаны алгоритм и программа его реализации,
При непосредственном участии автора в качестве руководителя разработан и изготовлен многоканальный малоракурсный теневой дефектоскоп «Multi-channel acoustic shadow flaw detector».
Большая часть проведенных исследований и разработок выполнена в творческом содружестве и при непосредственном участии сотрудников кафедры ПМЭ Института неразрушающего контроля Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Активное совершенствование теневого метода контроля началось с внедрением реконструктивной томографии, вычислительный аппарат которой основан на преобразовании И. Радона [5, 6]. Самые значительные достижения наблюдаются в медицинской диагностике, основанной на рентгеновской томографии [7]. В ультразвуковом неразрушающем контроле применение реконструктивной томографии, основанной на преобразовании И. Радона, используется не так широко, что обусловлено вполне объективными обстоятельствами. В первую очередь, это сложности получения необходимого набора проекций. Зачастую возможность получения необходимого набора проекций ограничена размерами и конфигурацией контролируемого изделия и антенной решетки. Например, весьма эффективен теневой контроль для исследования многослойных композиционных материалов [8]. Однако их плоскостная конфигурация вообще исключает почти все проекции кроме проекций по нормали к поверхности за исключением малоракурсных.
Термин «малоракурсная» по отношению к томографии может иметь два значения. Во-первых, это может означать, что имеется небольшое число проекций. Анализ такой ситуации приведён в работе А.В. Филонина [6]. Во- вторых, это может отражать ситуацию, когда имеется набор проекций, причём диапазон углов, под которыми они получены, составляет значительно меньше 90°. Именно такая ситуация возникает при контроле многослойных композиционных материалов. Задача данной работы состоит в анализе возможностей акустической томографии именно в таком, втором значении.
Объектом исследования в представленной работе является акустический тракт трансмиссионного малоракурсного томографического дефектоскопа на основе антенных решеток
Цель диссертационной работы: исследовать возможности
акустической малоракурсной томографии трансмиссионнным методом на основе линейных антенных решеток для создания компактного аппаратнопрограммного комплекса неразрушающего контроля композитных материалов.
Достижение поставленных целей потребовало решения следующих основных задач:
1. Разработать методику акустической малоракурсной
реконструкции томографического изображения зоны контроля с помощью эквидистантных линейных антенных решеток.
2. Провести теоретические исследования дефектометрических характеристик акустической малоракурсной томографии.
3. Разработать макетный образец прибора и провести его испытания.
Научная новизна работы. В работе были получены следующие новые научные результаты:
1. Разработана компьютерная модель акустической малоракурсной реконструкции томографического изображения, которая позволяет проводить адекватные исследования в широком диапазоне исходных параметров акустического тракта зоны контроля позволяющая учесть неравномерное распределение акустических лучевых «трубок» в зоне контроля.
2. Получены аналитические выражения, описывающие зависимость разрешающей способности акустического тракта малоракурсного теневого дефектоскопа на основе эквидистантных антенных решеток от его геометрических и акустических характеристик.
3. Получены аналитические выражения, описывающие зависимость
предельной чувствительности малоракурсного трансмиссионого
дефектоскопа на основе эквидистантных антенных решеток от его геометрических и акустических характеристик.
4. Создан акустический малоракурсный томограф для контроля композитных материалов, имеющий лучшие технические характеристики по сравнению с аналогами.
Практическая значимость.
1. Полученные аналитические выражения для определения количества лучей в зоне контроля при теневом методе контроля могут быть использованы при реконструкции малоракурсного томографического изображения зоны контроля.
2. Предложенная модель акустической малоракурсной томографии позволяет определить параметры акустического тракта при проектировании многоканальных малоракурсных трансмиссионных дефектоскопов без проведения затратных экспериментальных исследований .
3. Создан макетный образец акустического малоракурсного трансмиссионного дефектоскопа, нашедший практическое применение в HSTM Vietnam Construction Consulting Company Limited, Ханой, Вьетнам.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Компьютерная модель акустической малоракурсной томографии, описывающая амплитуду томографического сигнала в произвольной точке зоны контроля в зависимости от конфигурации акустического тракта и параметров модели дефектов, позволяющая с погрешностью не более 6% определять координаты дефектов.
2. Разрешающая способность теневого дефектоскопа на основе эквидистантных линейных антенных решеток и обработкой первичной информации по методике обратных проекций является аналитической функцией, зависящей от геометрических характеристик акустического тракта и позволяющая детектировать два дефекта, расположенных на расстоянии 18 мм друг от друга при использовании антенных решеток из 16 элементов и толщине образца 400 мм в центре зоны контроля.
3. Предельная чувствительность малоракурсного трансмиссионного дефектоскопа на основе эквидистантных линейных антенных решеток и обработкой первичной информации по методике обратных проекций является аналитической функцией, зависящей от геометрических характеристик акустического тракта и позволяющая детектировать дефект, с размером 0,9 мм2 при использовании антенных решеток из 16 элементов и толщине образца 400 мм в центре зоны контроля.
Личный вклад автора: участие в постановке задач, разработке модели акустической малоракурсной томографии. Автором лично предложен способ реконструкции томографического изображения при теневом методе контроля, учитывающий неравномерное распределение лучей в зоне контроля и его техническая реализация, а также проведено исследование разрешающей способности и чувствительности акустической малоракурсной томографии.
Апробация работы и публикации.
Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены и обсуждены на следующих конференциях:
- на XK Международной научно-практической конференции
«СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ» г. Томск, 2013
- на VI Всероссийской научно-практической конференции «Научная
инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов», г. Томск, 2013
- на XI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования», г. Томск, 2014
- на XХ Международной научно-практической конференции «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ» г. Томск, 2014
- на VII Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов», г. Томск, 2014
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 4 статьях, материалах 5 докладов, список которых приведен в конце диссертации.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения. Объем диссертации составляет 145 страниц, 77 рисунков и 5 таблицы. Обзор литературных данных содержит 100 наименования.
Во введении показана актуальность работы, сформулированы цели и задачи работы, ее научная новизна и практическая значимость, приведены положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрены методы и приборы контроля композиционных материалов. В разделе 1.1 приведены основные сведения о композитных материалах, которые очень широко применяются в современном производстве. Рассмотрены методы получения композитных материалов, их конструктивные особенности и свойства. В разделе 1.2 рассмотрены основные типы дефектов, их характерные размеры и причины образования. Приведена классификация дефектов и их влияние на свойства композитных материалов. В разделе 1.3 рассмотрены основные понятия о томографии и методы получения томографического изображения. Отдельно рассмотрены вопросы ультразвуковой томографии, сделан акцент на малоракурсной томографии, которая представляется перспективной для применения в ультразвуковом контроле. В разделе 1.4 приведены сведения о средствах контроля композиционных материалов. Показано, что для контроля применяют различные методы: термографию, рентгеновский метод и ультразвуковой. Наиболее перспективно применение термографии для контроля сотовых конструкций. Рентгеновские методы позволяют контролировать только нарушения упорядоченной структуры композитных материалов. В разделе 1.5 рассмотрены ультразвуковые методы дефектоскопии многослойных композиционных материалов. Представлена классификация ультразвуковых методов контроля композиционных материалов. Рассмотрены их области применения и типы выявляемых дефектов. В разделе 1.6 собраны сведения о современных ультразвуковых дефектоскопах как отечественных так и зарубежных производителей, позволяющих контролировать композиционные материалы.
Во второй главе приведены результаты теоретических исследований малоракусной ультразвуковой томографии на основе созданной модели. Раздел 2.1 посвящен расчету амплитуды сигнала на приемнике при теневом контроле с использованием акустических решеток. Показаны особенности малоракурсного акустического тракта, заключающиеся в неравномерном распределении лучей по зоне контроля, исходящих от излучателей к приемникам. Для количественной оценки выявляемости дефектов при теневом методе контроля применен коэффициент кд, который определяется отношением амплитуды сигнала на приемнике при наличии дефекта к амплитуде сигнала на приемнике при отсутствии дефекта при неизменном зондирующем сигнале. При моделировании этот коэффициент кд является основой для построения томографического изображения. С учетом различного положения дефекта в зоне контроля (относительно ближней зоны излучателя и приемника) рассмотрены четыре варианта определения коэффициента кд. Приведены алгоритмы для моделирования одного и двух дефектов в зоне контроля, с реконструкцией томогорафического изображения акустического образа дефекта. Исследованы погрешности модели, характеризующие геометрические параметры положения дефекта в зоне контроля. Проведено сравнение расчетных и экспериментальных результатов, на основе которых сделано заключение о адекватности предложенной модели. В разделе 2.2 исследована разрешающая способность малоракурсной ультразвуковой томографии при трансмиссионном контроле. Показано, что разрешающая способность будет определяться акустическим аналогом функции рассеяния точки (PSF) для теневого метода. Поэтому фронтальная и продольная разрешающие способности будут равны соответствующим размерам PSF. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований разрешающей способности в различных областях зоны контроля. Показано, что наилучшая разрешающая способность будет в центре зоны контроля. В разделе 2.3 исследована предельная чувствительность системы акустического контроля малоракурсным теневым методом с использованием теории дифракции Кирхгофа. Определены минимальные размеры обнаруживаемого дефекта для различных параметров акустического тракта: количества элементов в антенных решетках, расстоянии между антенными решетками, расстояния между элементами в антенной решетки, частоты излучения. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований предельной чувствительности в различных областях зоны контроля. Показано, что наилучшая чувствительность будет в ближней зоне антенных решеток.
Во третьей главе приведены результаты практического использования проведенных исследований. В разделе 3.1 представлены структурная схема, диаграммы работы и фотографии экспериментальной установки, на которой проводились исследования. Приведено описание оригинального алгоритма реконструкции томографического изображения. В разделе 3.2 представлены результаты экспериментальных исследований фронтальной и продольной точности определения координат дефектов в зоне контроля, разрешающей способности и предельной чувствительности. Приведены томограммы объектов контроля с дефектами. В разделе 3.3 описан интерфейс оператора с отображением уровней принятых сигналов по каждому каналу при последовательном зондировании всеми элементами излучающей антенной решетки, что позволяет проводить калибровку многоканальной системы контроля. В разделе 3.3 приведена структурная схема, фотография и технические характеристики многоканального малоракурсного теневого дефектоскопа «Multi-channel acoustic shadow flaw detector», который прошел успешные испытания и внедрен на предприятии HSTM Vietnam construction consulting company.
Выводы по работе делаются в конце каждой главы.
В заключении приводятся основные результаты работы, полученные в процессе подготовки диссертации.
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается непротиворечивостью полученных в исследовательской части работы результатов с данными других авторов (там, где таковые имеются), совпадением экспериментальных и расчетных значений предельной чувствительности и разрешающей способности, величины погрешности в определении координат залегания дефектов, работоспособностью изготовленного прибора, результатами лабораторных испытаний. Протоколы испытаний и акты внедрения разработанных приборов приведены в Приложении.
Результаты, используемые в работе получены автором лично и совместно с коллегами - в равном участии, а также при непосредственном участии автора в постановке исследовательских задач и разработок действующего макета прибора.
Автором непосредственно выполнены:
• анализ текущего состояния теоретических исследований и практических разработок приборов для ультразвукового малоракурсного теневого контроля,
• исследования фронтальной и продольной разрешающей способности,
• исследования предельной чувствительности,
• исследования точности определения координат залегания дефектов в объекте контроля,
• предложены способ реконструкции томографического изображения для теневого метода с использованием антенных решеток
• разработаны алгоритм и программа его реализации,
При непосредственном участии автора в качестве руководителя разработан и изготовлен многоканальный малоракурсный теневой дефектоскоп «Multi-channel acoustic shadow flaw detector».
Большая часть проведенных исследований и разработок выполнена в творческом содружестве и при непосредственном участии сотрудников кафедры ПМЭ Института неразрушающего контроля Национального исследовательского Томского политехнического университета.
В результате выполнения диссертационной работы:
• получила дальнейшее развитие теория малоракурсной ультразвуковой томографии, основанная на методе обратных проекций для решения трехмерных задач. На основе созданной модели проведен анализ предельной чувствительности, разрешающей способности и точности определения координат залегания дефектов в объекте контроля. Проведенный анализ показал, что наивысшая чувствительность и разрешающая способность наблюдаются вблизи антенных решеток, а точность определения координат дефектов - в центре зоны контроля;
• получил дальнейшее развитие теневой метод контроля, основанный на применении многоэлементных акустических антенных решеток, позволяющий определять глубину залегания дефектов.
• для повышения качества реконструируемого томографического изображения предложен, исследован и внедрен алгоритм реконструкции томографического изображения с автоматической калибровкой всех каналов системы контроля;
• создан и внедрен многоканальный малоракурсный теневой дефектоскоп «Multi-channel acoustic shadow flaw detector», акт внедрения представлен в приложении,
• подготовлены и внедрены в учебный процесс методические материалы по промышленному и медицинскому применению малоракурсной ультразвуковой томографии, акт внедрения представлен
• получила дальнейшее развитие теория малоракурсной ультразвуковой томографии, основанная на методе обратных проекций для решения трехмерных задач. На основе созданной модели проведен анализ предельной чувствительности, разрешающей способности и точности определения координат залегания дефектов в объекте контроля. Проведенный анализ показал, что наивысшая чувствительность и разрешающая способность наблюдаются вблизи антенных решеток, а точность определения координат дефектов - в центре зоны контроля;
• получил дальнейшее развитие теневой метод контроля, основанный на применении многоэлементных акустических антенных решеток, позволяющий определять глубину залегания дефектов.
• для повышения качества реконструируемого томографического изображения предложен, исследован и внедрен алгоритм реконструкции томографического изображения с автоматической калибровкой всех каналов системы контроля;
• создан и внедрен многоканальный малоракурсный теневой дефектоскоп «Multi-channel acoustic shadow flaw detector», акт внедрения представлен в приложении,
• подготовлены и внедрены в учебный процесс методические материалы по промышленному и медицинскому применению малоракурсной ультразвуковой томографии, акт внедрения представлен