CC BY
85
Влияние параметров линейной антенной решетки на возможность выявления отражателей
Кормильцева М. Ф., Чурова В. В. Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
Санкт-Петербург, Россия Mariekor@outlook.com, Postkiser@mail.ru
Аннотация. Рассмотрен принцип и особенности работы ультразвуковых преобразователей с фазированной антенной решеткой (ФАР). Изучены параметры настройки дефектоскопа на ФАР, их влияние на результаты контроля, а именно S-сканы. Различно сфокусированные (цилиндрические, эллиптические, сферические) звуковые пучки обеспечивают лучшую наглядность полезного сигнала на фоне шумов. Приводятся результаты исследование влияния параметров настройки (активной апертуры, фокусного расстояния, угловой разрешающей способности, типа фокусировки) на выявление отражателей в образце с помощью ультразвукового дефектоскопа «HARFANGX-32» и пьезоэлектрического преобразователя на ФАР с призмой.
Ключевые слова: неразрушающий контроль, дефектоскопия, ультразвуковой контроль, фазированная решетка, преобразователь.
Введение
Неотъемлемая часть ультразвукового контроля - правильная подготовка и настройка. В зависимости от характеристик объектов контроля - толщины, материала, особенностей конструкции - выбирают подходящие датчики (в том числе пьезоэлектрические преобразователи - ПЭП). Часто необходимо использовать ПЭП с разными углами ввода для одного объекта для прозвучивания всего сечения шва прямым и однократно отраженным лучами, чтобы выявить различно ориентированные дефекты [1]. Приобретение и содержание (поверка, ремонт и обслуживание) большого количества ПЭП требует значительных затрат. Для решения ряда задач и оптимизации контроля в ультразвуковой дефектоскопии начали применять метод фазированной антенной решетки (ФАР). Приборы на ФАР появились еще в середине 1990-х годов (в медицине используются с начала 1980-х годов), однако только сейчас они вышли за рамки научно-исследовательских программ и их начали внедрять в производство. Главными преимуществами технологии ультразвуковых фазированных решеток являются амплитуда и фаза импульсов возбуждения данного множества отдельных пьезоэлементов в многоэлементном преобразователе, которые управляются компьютером. Пьезоэлемен-ты возбуждаются так, чтобы была возможность управлять параметрами ультразвукового луча (углом, фокусным расстоянием, размером фокусного пятна) с помощью компьютерной программы. Это позволяет обнаруживать дефекты, различно ориентированные относительно акустической оси, тогда как при использовании обычного одноэлемент-
ного преобразователя вероятность пропустить дефекты, расположенные под большим углом к акустической оси, больше [2]. Отчеты представляются в виде изображений (сканов), что облегчает понимание результатов контроля для персонала.
Применение при неразрушающем контроле дефектоскопов на основе технологии фазированных решеток значительно повышает качество и надежность контроля, поскольку можно обнаружить сложно ориентированные дефекты и про-звучить больший объем объекта контроля за счет электронного управления ультразвуковыми полями. Дефектоскопы на ФАР могут применяться там, где затруднено получение достоверных результатов с помощью привычного ультразвукового дефектоскопа. Например, при контроле деталей и объектов с крупнозернистой структурой (опор двигателя самолета из литья титана) или большого объема сваренных элементов сложной формы (тавровых сварных швов ребер жесткости при строительстве мостов).
В настоящее время дефектоскопы на ФАР используются для контроля сварных швов (и околошовной зоны), лопастей ветряных турбин, труб и трубопроводов различного диаметра и назначения, в том числе сварных стыков полиэтиленовых газопроводов высокой плотности, для проверки коррозийности. Дефектоскопы на ФАР нашли применение в таких отраслях, как нефтегазовая промышленность (контроль газопроводов и нефтепроводов), авиационная (деталей корпуса самолета, шасси), аэрокосмическая (композитных деталей, сопел ракет), железнодорожная (колес вагонов), мостостроение, добывающая отрасль (тяжелой техники -ковшей, валов, экскаваторов), также их используют для ультразвукового контроля золотых слитков и для обнаружения пустот в пластмассовых деталях [3].
Несмотря на значительные преимущества данного метода по сравнению с использованием обычных ультразвуковых дефектоскопов и одноэлементных преобразователей, дефектоскопы на ФАР используются реже, вероятно, потому, что нет четко сформулированной нормативно-документационной базы для контроля различных объектов с помощью дефектоскопов на фазированных решетках [4-7].
Принцип работы
фазированной решетки
Преобразователь с ФАР представляет собой некоторое количество пьезоэлектрических элементов, каждый из которых можно рассматривать как источник сферической волны [8].
Для создания луча с требуемыми параметрами (углом и фокусировкой) эти волновые фронты можно задержать во времени и синхронизировать по фазе и амплитуде - отдельные элементы возбуждаются в несколько различающиеся моменты времени. Волновые фронты от множества узких пьезоэлементов будут интерферировать, создавая суммарный волновой фронт с требуемыми параметрами [9].
При излучении генератор синхроимпульсов посылает сигнал на блок фазовых задержек, который генерирует импульс высокого напряжения заданной длительности и с заданной задержкой, определенной фокальным законом. На каждый элемент решетки поступает один задержанный импульс. Излученные каждым элементом волны при суммировании представляют собой луч, сфокусированный на определенном расстоянии и распространяющийся под конкретным углом. Впоследствии этот луч отражается от дефекта. Сигнал принимается каждым элементом решетки и в соответствии с заданным фокальным законом задерживается во времени. Далее такие задержанные импульсы суммируются и формируют единый импульс, который поступает в устройства приемного тракта [10]. Величина временной задержки на элементах фазированной решетки зависит от таких параметров, как тип волны, величина апертуры, требуемый угол и глубина фокусировки.
Особенности ФАР
Известно множество типов фазированной решетки, однако наибольшее распространение получила линейная фазированная решетка благодаря своим преимуществам - простой конструкции, сравнительной легкости изготовления.
Существуют три основных способа управления лучом: электронное сканирование, динамическая фокусировка, секторное сканирование [11]. При электронном сканировании один фокальный закон переключается в пределах группы элементов, сканирование выполняется с постоянным углом и вдоль длинной стороны решетки (этот процесс эквивалентен механическому перемещению обычного одноэлементного преобразователя). При динамической фокусировке по глубине сканирование выполняется посредством изменения фокусного расстояния. Для излучения используется один и тот же импульс, тогда как в режиме приема решетка перефокусируется последовательно на разные значения глубины. При секторном сканировании (азимутальном, угловом) излучение производится одной и той же группой элементов при одном фокусном расстоянии последовательно под разными углами.
Отображения результатов контроля на экране при использовании дефектоскопов на фазированных решетках различны, они представляют собой разные типы разверток, называемых сканами. А-скан - форма представления сигналов в прямоугольной системе координат, где по оси ординат откладывается амплитуда принятых сигналов, а по оси абсцисс - время от цикла зондирования [12]. При механическом сканировании данные собираются при помощи датчиков координат. Затем данные представляются в удобном для анализа виде. Фазированные решетки обычно используют массив сгруппированных А-сканов (который представляет собой В-скан), полученных под разными углами, с использованием множества фокальных законов. Информация, полученная и записанная из одного положения фазированной
решетки в виде большого числа А-сканов, представляется в реальном времени в виде секторного Б-скана или электронного В-скана. Б-скан - это изображение, полученное от пучков, сформированных при изменении угла ввода от меньшего к большему. В-сканом называется изображение, на котором совокупность принятых сигналов отображается точками, принадлежащими сечению объекта контроля в плоскости падения волны и параллельному ей. Как Б-, так и В-сканы представляют собой изображение, содержащее информацию о прозвучиваемом материале и несплошностях, находящихся на пути ультразвука по всем направлениям, по которым осуществляется электронное сканирование. Отражение результатов прозвучивания в виде двумерного сечения объекта контроля дает прямое представление о результатах контроля. Б-скан дает такие преимущества, как вывод изображения во время сканирования, истинное представление о глубине, двумерное представление контролируемого объема. Для получения лучшего изображения комбинируется линейное и секторное сканирование. Такая комбинация методов дает хорошо распознаваемые образы дефектов.
Комбинация сканов, полученных продольными и поперечными волнами, может быть весьма полезна для обнаружения и измерения размеров дефектов при возможности малых перемещений преобразователя. В этом случае активная часть апертуры преобразователя может перемещаться для получения оптимальных углов озвучивания. Различно сфокусированные звуковые пучки (цилиндрические, эллиптические, сферические) обеспечивают лучшую наглядность полезного сигнала на фоне шумов. При электронном сканировании преобразователь может механически перемещаться, после чего полученные данные можно объединить в общее высокоинформативное изображение дефекта с разных ракурсов. С помощью комбинации секторного электронного сканирования в одной плоскости и механического перемещения преобразователя в другой плоскости можно получить объемное изображение интересующего объекта контроля. Каждое положение преобразователя представляет собой «срез» дефекта в плоскости качания луча. Данные «срезы» можно сравнить с металлографическими срезами при определении реальных размеров и формы дефекта.
Исследование параметров решетки
Было изучено влияние параметров настройки (активной апертуры, фокусного расстояния, угловой разрешающей способности, типа фокусировки) на выявление отражателей в образце (рис. 1) с помощью ультразвукового
Г\ Г\ _
Рис. 1. Схема получения сигналов от отражателей в образце
дефектоскопа «HARFANGX-32» и ПЭП на ФАР с призмой. В ходе работы данные параметры подвергались изменениям, что позволило получить и впоследствии сравнить ряд Б-сканов (протоколов), некоторые из них представлены на рис. 2-19.
Изображения фиксировались при прозвучивании углом ввода а, рассчитанным по закону Снеллиуса [13], исходя из известного угла призмы в и скорости распространения
Рис. 2. Изучение влияния активной апертуры (32 активных элемента)
Рис. 3. Изучение влияния активной апертуры (8 активных элементов)
ультразвуковых волн в материалах объекта контроля (сталь) и призмы (рексолит):
sin а _ sin в
Ct 2 Cli
При изучении влияния активной апертуры получены три протокола контроля: для 32, 16 и 8 активных элементов апертуры. На рис. 2 и 3 приведены протоколы, записанные при использовании 32 и 8 активных элементов, соответственно.
Г Т, 1 . , , 1 . , , 1 . , , 1» i , 1и i , i . i , И i . 1*1 i . М i . 1 ( I .
Е щфЛ | J (
* ■ / X ч 7( S5 . ВО 55
г 50 15 1С 35 зс
Рис. 4. Изучение влияния типа фокусировки (постоянный путь)
Щк ' Ф \ j i
/ к 7(
S5
/
Лч 60
N, 55
50 15 10 35 ЗС
Рис. 5. Изучение влияния типа фокусировки (постоянная глубина)
Рис. 6. Изучение влияния типа фокусировки (постоянное смещение)
Рис. 7. Изучение влияния угловой разрешающей способности (0,5°)
Г Т, 1 . , , 1 . , . 1 . , . 1« 1 . |1( 1 . 1ч 1 |3( й. Щ . , . 1и . . |Ч . . 1=4 , 1
Е_
- / х 60 55
; 'У- 40 35 30 50
Рис. 8. Изучение влияния угловой разрешающей способности (5°)
Рис. 9. Изучение влияния фокусного расстояния (выявление отражателя на глубине 10 мм при фокусировке на 10 мм)
Применение меньшего числа активных элементов апертуры сопровождается появлением побочных сигналов, не интересующих нас в данном исследовании, а также влияет на протяженность пятна, что видно при сравнении Б-разверток на приведенных выше рисунках. Данный эффект объясняется зависимостью фокусного расстояния Л0 от активной апертуры А при неизменной величине длины волны X:
Ло =
0,25 • А
При изменении типа фокусировки - постоянный путь/ глубина/смещение - получены протоколы, изображенные на рис. 4, 5 и 6, соответственно.
Тип фокусировки заметно влияет на характер изображения пятна от дефекта на Б-скане. Несмотря на то, что в большинстве случаев данный параметр не редактируется (обычно при контроле устанавливается режим «постоянный путь»), неправильная настройка данного параметраможет негативно сказаться на результатах контроля.
Рис. 10. Изучение влияния фокусного расстояния (выявление отражателя на глубине 10 мм при фокусировке на 60 мм)
60
"Ч 55 50
45
40
Рис. 11. Изучение влияния фокусного расстояния (выявление отражателя на глубине 10 мм при фокусировке на 1000 мм)
Угловая разрешающая способность в процессе работы изменялась с 0,5° на 1,0° и 5,0°.
На рис. 7 и 8 для оценки представлены протоколы, полученные при значениях угловой разрешающей способности 0,5° и 5,0°.
Угловая разрешающая способность прямо влияет на полученные протоколы контроля. Ее увеличение приводит к ухудшению изображения на Б-скане, к уменьшению разрешающей способности. При малых объемах контроля опти-
Рис. 12. Изучение влияния фокусного расстояния (выявление отражателя на глубине 40 мм при фокусировке на 10 мм)
Рис. 13. Изучение влияния фокусного расстояния (выявление отражателя на глубине 40 мм при фокусировке на 30 мм)
мальным вариантом для работы является значение угловой разрешающей способности 0,5-1°. При значительном объеме контроля для таких значений разрешающей способности будет создан большой массив данных, что может негативно повлиять на работу прибора [14]. Таким образом, данный параметр необходимо выбирать исходя из конкретной задачи и объекта контроля.
При изучении влияния фокусного расстояния (10, 30, 40, 60, 1000 мм), при получении эхо-сигналов от отражателей,
Рис. 14. Изучение влияния фокусного расстояния (выявление отражателя на глубине 40 мм при фокусировке на 40 мм)
Рис. 15. Изучение влияния фокусного расстояния (выявление отражателя на глубине 40 мм при фокусировке на 1000 мм)
находящихся на разной глубине (10, 30, 40, 60 мм), получено большое количество протоколов, некоторые из которых изображены на рис. 9-19.
Сравнивая полученные протоколы, представленные на рис. 8-10, записанные при выявлении отражателя на глубине 10 мм при разных значениях фокусировки, обнаружилось, что, фокусируясь на глубину 10 мм, получили насыщенно окрашенное яркостное пятно на Б-скане, однако при этой же
Рис. 16. Изучение влияния фокусного расстояния (выявление отражателя на глубине 60 мм при фокусировке на 10 мм)
Рис. 17. Изучение влияния фокусного расстояния (выявление отражателя на глубине 60 мм при фокусировке на 30 мм)
настройке наблюдается большое количество помех на глубине, близкой к интересующей (сигналы, отображенные на Б-скане ниже, являются сигналами от границы образца). При изменении фокусировки наблюдается уменьшение данных шумов, однако и у полезного сигнала яркостная (она же амплитудная характеристика на А-скане) характеристика на Б-скане уменьшается, пятно от отражателя становится более протяженным.
Рис. 18. Изучение влияния фокусного расстояния (выявление отражателя на глубине 60 мм при фокусировке на 60 мм)
Как ожидалось, при выявлении отражателя на глубине 40 мм (при фокусном расстоянии 40 мм) было получено наиболее яркое, четкое изображение на Б-скане. Сигнал от данного отражателя, полученный при фокусном расстоянии 40 мм, схож с полученным при фокусировке на 30 мм. Это объясняется небольшой разницей между фокусными расстояниями, в отличие от примера с отражателем на глубине 10 мм [15]. По той же причине не рассматривались протоколы, полученные от отражателя на глубине 30 мм: они схожи с результатами для отражателя на глубине 40 мм. Значительно различаются протоколы, полученные при значениях фокусного расстояния 10 мм и 1000 мм - пятно на Б-скане более протяженное.
Сравнивая полученные протоколы, представленные на рис. 16-19, записанные при выявлении отражателя на глубине 60 мм при разных значениях фокусировки, обнаружилось, что, фокусируясь на глубину 10 мм, невозможно определить отражатель, не зная заранее его глубину. Под сигналом от интересующего отражателя на рис. 16, 17 и 19 находится сигнал, превышающий по глубине образец (переотраженный сигнал). Изображение этого сигнала присутствует и при фокусировке на глубину 60 мм, однако он выглядит значительно меньше. Таким образом, можно сделать вывод, что правильная настройка фокусировки позволяет исключить ложные срабатывания и фиксацию несплошностей.
Заключение
На основании исследований можно сделать ряд выводов. Использование большего числа активных элементов апертуры благотворно влияет на выявляемость отражателей. Угловую разрешающую способность лучше принимать равной 1°, так как ее уменьшение не приведет к значительным изменениям, а только создаст большой массив данных, который может затруднить работу дефектоскопа; увеличение угловой
Рис. 19. Изучение влияния фокусного расстояния (выявление отражателя на глубине 60 мм при фокусировке на 1000 мм)
разрешающей способности ведет к ухудшению изображения на S-скане и к уменьшению разрешающей способности.
Тип фокусировки влияет на характер изображения на S-скане. Редактирование данного параметра может потребоваться для выявления дефектов, направление которых заранее известно или предполагаемо. Фокусное расстояние значительно влияет на результат контроля. Данный параметр важно не только правильно задать при подготовке к работе, но также корректировать при измерении характеристик дефектов для наибольшей точности. Верная настройка параметров контроля обеспечит правильное обнаружение дефектов и измерение их характеристик, а также позволит избежать фиксации ложных сигналов.
Литература
1. Дымкин Г. Я. Физические основы ультразвуковой дефектоскопии: учеб. пособие / Г. Я. Дымкин, С. Р. Цомук. -СПб.: ПГУПС, 1997. - 102 с.
2. Прохоренко А. А. Определение возможностей дефектоскопов с ФАР по фокусировке ультразвукового пучка / А. А. Прохоренко // В мире неразрушающего контроля. -2014. - № 3 (65). - С. 56-60.
3. http://www.olympus-ims.com (дата обращения 29.05.2015).
4. http://www.defektoskopist.ru (дата обращения 16.11.2015).
5. ГОСТ 23066-79. Устройства управления лучом фазированных антенных решеток. Термины и определения. - М., 1979.
6. РД19.100.00-КТН-001-10. Неразрушающий контроль сварных соединений при строительстве и ремонте магистральных трубопроводов. - М., 2010.
7. ISO 13588:2012. Non-destructivetestingofwelds. Ultrasonic testing. Useofautomatedphasedarraytechnology. 2012
8. Коновалов Р. С. Акустические преобразователи для неразрушающего контроля: учеб. пособие. Ч. 1. Излучение
и регистрация акустических волн / Р. С. Коновалов, В. П. Лохов. - СПб.: ФГБОУ ВПО ПГУПС, 2015. - 65 с.
9. http://www.ndt.net (дата обращения 05.05.2015).
10. Dube N. Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications / N. Dube. - Canada: R/D Tech, 2004. -376 p.
11. Кретов Е. Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении / Е. Ф. Кретов. - 4-е изд., перераб. - СПб.: СВЕН, 2014. - 312 с.
12. http://www.harfangveo.ru (дата обращения 05.05.2015).
13. Гурвич А. К. Неразрушающий контроль. Общие вопросы. Контроль проникающими веществами / А. К. Гурвич, И. Н. Ермолов, С. Г. Сажин; под ред. проф. В. В. Сухоруко-ва. - М.: Высш. шк., 1992. - 241 с.
14. Дефектоскоп ультразвуковой на фазированных решетках X-32. Руководство по эксплуатации.
15. Hosseini S. Resolutions Studied on an Electronically Focused Ultrasonic Array / S. Hosseini, S. O. Harrold, J. M. Reeves // British J. Non-Destr. Test. - 1985. - Vol. 27, no. 4. -P. 234-238.
Influence of Parameters of a Linear Phased Array on the Ability to Identify the Reflectors
Kormiltseva M. F., Churova V. V. Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University Saint-Petersburg, Russia Mariekor@outlook.com, Postkiser@mail.ru
Abstract. The article describes the principle and characteristics of ultrasonic probes with a phased array. Studied parameters of flaw detector settings on the phased array and their influence on the tests results, namely the S-scans.
Keywords: non-destructive testing, ultrasonic flaw detection, ultrasonic testing method, phased array, probe.
References
1. Dymkin G.Ya., Comuk S. R. Fizicheskie osnovy ultrazvuk-ovoj defektoskopii. Uchebno eposobie [Basic physical principles of ultrasonic testing]. St. Petersburg, Petersburg State Transp. Univ., 1997, 102 p.
2. Prokhorenko A. A. Identify Opportunities Flaw Detector with Phased Array for Focusing the Ultrasonic Beam [Opre-delenie Vozmozhnostei Defektoskopov s FAR po Fokusirovke Ul'trazvukovogo Puchka], VMire Nerazrushaiushchego Kontro-lia [In the World of NDT], 2014, no. 3 (65), pp. 56-60.
3. http://www.olympus-ims.com (accessed 29.05.2015).
4. http://www.defektoskopist.ru (accessed 16.11.2015).
5. GOST 23066-79. Control Devices for Beam Phased Arrays. Terms and Definitions [Ustroistva Upravleniia Luchom Faziro-vannykh Antennykh Reshetok. Terminy i Opredeleniia], 1979.
6. RD19.100.00-KTN-001-10. Non-destructive Testing of Welded Joints at Main Pipelines Construction and Repair [Ner-azrushaiushchii Kontrol Svarnykh Soedinenii pri Stroitelstve i Remonte Magistralnykh Truboprovodov], 2010.
7. ISO 13588:2012. Non-destructive testing of welds. Ultrasonic testing. Use of automated phased array technology, 2012.
8. Konovalov R. S., Lokhov V. P. AkusticheskiePreobrazo-vatelidliaNerazrushaiushchegoKontrolia. UchebnoePosobie. Chast 1. Izluchenie i RegistratsiiaAkusticheskikhVoln [Acoustic Probes for Non-destructive Testing. Study Guide. Part 1: Radiation and Registration of Acoustic Waves], St. Petersburg, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transp. Univ., 2015, 65 p.
9. http://www.ndt.net (accessed 05.05.2015).
10. Noel Dube. Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications, Canada, R/D Tech, 2004, 376 p.
11. Kretov E. F. UltrazvukovaiaDefektoskopiia v Energo-mashinostroenii [Ultrasonic Testing in Power-plant Engineering], St. Petersburg, SVEN, 2014, 312 p.
12. http://www.harfangveo.ru (accessed 05.05.2015).
13. Gurvich A. K., Ermolov I. N., Sazhin S. G. Nerazrush-ayushchijkontrol. Obshchievoprosy. Kontrol pronikayushchi-mi veshchestvami [Non-destructive Testing. General issues. Penetrant control], ed. V. V. Suhorukov. Moscow, Vysshaya Shkola, 1992, 241 p.
14. Defektoskop Ultrazvukovoi na Fazirovannykh Reshet-kakh X-32. Rukovodstvo po Ekspluatatsii [Ultrasonic Flaw De-tectorwith Phased Array X32. Service Manual].
15. Hosseini S., Harrold S. O., Reeves J. M. Resolutions Studied on an Electronically Focused Ultrasonic Array. British J. Non-Destr. Test., 1985, vol. 27, no. 4, pp. 234-238.
