СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01N29/04 G01M3/00 

Изобретения относятся к неразрушающему контролю и могут быть использованы при акустико-эмиссионном контроле герметичности полых систем, находящихся в жидкостной среде.

Известен способ определения координат источника сигналов акустической эмиссии [1] , заключающийся в том, что при помощи двух групп преобразователей, каждая из которых включает три преобразователя, принимают сигналы акустической эмиссии и вычисляют триангуляционные параметры источника по измеренным разностям времени приема сигналов акустической эмиссии.

Недостатками этого способа является невозможность осуществлять оперативный контроль, так как он требует трудоемких операций установки большого количества датчиков, а также не позволяет обнаружить два и более источника акустической эмиссии.

Известно устройство для обнаружения развивающихся дефектов [2], содержащее несколько каналов приема сигналов акустической эмиссии, каждый из которых состоит из последовательно соединенных преобразователя, усилителя, пикового детектора, регулируемой пороговой схемы, регистратора, общих для всех каналов смесителя и схемы задержки.

Недостатком этого устройства является невозможность использования фазовых соотношений сигналов акустической эмиссии, что резко снижает разрешающую способность обнаружения дефектов.

Известен способ определения координат источника сигналов акустической эмиссии [3], заключающийся в том, что при помощи трех преобразователей, расположенных по углам равнобедренного прямоугольного треугольника, регистрируют сигналы акустической эмиссии, измеряют интервалы времени между моментами появления сигналов на различных преобразователях и по этим интервалам времени определяют координаты источника.

Недостатком этого способа является невозможность представить визуальную картину распределения акустических полей и связанных с ними различных характеристик дефектов, поскольку он представляет собой лишь модель, построенную на основании вычисленных координат дефектов.

Известно устройство корреляционного радиодальномера [4] , содержащее смеситель, понижающий частоту принимаемого сигнала с помощью гетеродина, усилитель промежуточной частоты, умножитель напряжения промежуточной частоты и опорного напряжения, задержанного во времени в блоке регулируемой задержки, фильтр низкой частоты и измерительный прибор.

К недостаткам этого устройства следует отнести необходимость использования блока регулируемой задержки, реализация которого затруднительна и невозможность обработки информации в реальном масштабе времени.

Известен способ акустико-эмиссионного контроля изделий, выбранный в качестве прототипа [5], заключающийся в том, что по меньшей мере парой преобразователей, размещенных в плоскостях, параллельной и перпендикулярной поверхности изделия, и акустически связанных с ней посредством волноводов, принимают соответственно нормальную и тангенциальную компоненты сигналов акустической эмиссии, измеряют их амплитуды и по отношению амплитуд определяют наличие дефекта и направление на него. В процессе измерений амплитуд компонент сигналов акустической эмиссии вращают каждую перпендикулярную поверхности изделия пластину до получения максимальной амплитуды, дополнительно измеряют разность фаз регистрируемых каждой парой преобразователей компонент и по измеренным амплитудам и разностям фаз определяют контролируемые параметры.

Недостатками этого способа является необходимость обеспечения акустического контакта, посредством волноводов, поверхности контролируемого изделия с преобразователями, выполненными в виде пластин с ПАВ-резонаторами, что ограничивает область применения, а также невысокое быстродействие и связанная с этим низкая производительность контроля, вызванная механическим перемещением акустических преобразователей для получения максимальной величины сигнала.

Известно устройство для определения направления течи в сосудах, находящихся под давлением, выбранное в качестве прототипа [6], состоящее из двух каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные электроакустический преобразователь, усилитель, полосовой фильтр, смеситель, а общий тракт включает гетеродин, умножитель, сглаживающий фильтр и индикатор.

Недостатком этого устройства является невозможность получения акустического изображения зоны контроля, что снижает производительность исследований. Кроме того, данное устройство позволяет определить только направление утечки, а не его координаты.

Задача изобретений - повышение производительности контроля при сохранении высокой точности определения положения источников сигналов акустической эмиссии. Указанная задача достигается тем, что в предлагаемом способе определения положения источников сигналов акустической эмиссии, включающем прием сигналов акустической эмиссии группой преобразователей, согласно изобретению сигналы акустической эмиссии принимают группой преобразователей, образующих две ортогонально ориентированные линейные фазированные акустические антенные решетки, синтезированные диаграммы направленности которых сканируют, выходную информацию для двумерной визуализации формируют перемножением двух сигналов, каждый из которых образуется как сумма произведений сигналов преобразователей каждой антенной решетки, а положение источника акустической эмиссии определяют по визуализированному двумерному изображению акустического поля зоны контроля.

Для достижения указанного технического результата в устройстве для определения положения источников сигналов акустической эмиссии, содержащем каналы приема сигналов акустической эмиссии, каждый из которых состоит из последовательно соединенных преобразователя, смесителя, связанного с гетеродином, усилителя, фильтра нижних частот, сумматора, а также общий тракт, состоящий из умножителя и регистратора, согласно изобретению, N (N=1,2,3...) количество каналов приема составляют два тракта горизонтальной и вертикальной апертуры и снабжены блоком управления, причем в каждый канал приема последовательно с усилителем включен умножитель аналоговых сигналов, выходы всех умножителей присоединены к сумматору каждого тракта, а выходы блока управления соединены с гетеродинами и регистратором.

За счет того, что
1) преобразователи образуют две ортогонально ориентированные линейные фазированные акустические антенные решетки, синтезированные диаграммы направленности которых сканируют;
2) выходную информацию для двумерной визуализации формируют перемножением двух сигналов, каждый из которых образуется как сумма произведений сигналов преобразователей каждой антенной решетки;
3) предлагаемое устройство содержит N (N=1,2,3...) количество каналов, составляющих два тракта горизонтальной и вертикальной апертуры и снабженных блоком управления; появилась возможность увеличить скорость контроля при сохранении высокой достоверности определения положения источников акустической эмиссии.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства, реализующего предложенный способ определения положения источников сигналов акустической эмиссии.

Фиг. 2 иллюстрирует разрешающую способность предложенного способа обнаружения сигналов акустической эмиссии.

Способ для определения положения источников сигналов акустической эмиссии осуществляется с помощью устройства, которое состоит из двух идентичных трактов вертикальной и горизонтальной апертуры. Каждый из них содержит несколько одинаковых каналов приема. Их число равно числу элементарных преобразователей, составляющих антенную решетку 1. Канал приема состоит из приемного преобразователя, соединенного со смесителем 2 и гетеродином 3. Последовательно с ними соединен усилитель 4 промежуточной частоты (УПЧ), к выходу которого подключен умножитель 5 двух аналоговых сигналов, один из которых является общим. Например, сигнал первого канала. Выходы умножителей 5 аналоговых сигналов тракта вертикальной апертуры через фильтры 6 низкой частоты и сумматор 7 присоединены к одному входу выходного умножителя 8 аналоговых сигналов, а к другому входу - аналоговые выходы умножителей тракта горизонтальной апертуры. Выходной умножитель 8 аналоговых сигналов подключен к регистратору 9. Блок 10 управления соединен с управляющими входами гетеродинов 3 трактов вертикальной и горизонтальной апертуры. Другой выход блока 10 управления соединен с регистратором 9.

Устройство работает следующим образом. Сигналы акустической эмиссии принимаются преобразователями ортогонально ориентированных линейных антенных решеток 1 и поступают на входы многоканального смесителя 2. На другие входы смесителя поступают сигналы гетеродина 3. В каждый момент времени блоком 10 управления устанавливается такое соотношение фаз сигналов многоканального гетеродина 3, которое необходимо для секторного сканирования фазированной линейной антенной решетки 1. Сигналы промежуточной частоты с выхода многоканального смесителя 2, получившие необходимые фазовые задержки, усиливаются многоканальным УПЧ 4 и поступают на многоканальный умножитель 5. Каждый канал умножителя 5 имеет два входа. На первый вход всех каналов подается сигнал первого канала УПЧ 4, а на второй вход - сигналы соответствующего канала УПЧ 4. Таким образом, многоканальный умножитель 5 вычисляет последовательно несколько произведений сигнала первого канала приема антенной решетки 1 на сигналы остальных каналов. Количество таких произведений одного тракта на единицу меньше числа элементарных преобразователей в линейной антенной решетке 1. После фильтрации все они поступают на сумматор 7, на выходе которого формируется сигнал в соответствии с выражением

где A - амплитудный коэффициент,
R1(α)- - диаграмма направленности первого элементарного преобразователя линейной антенной решетки,
R_i(α)- - диаграмма направленности i-го элементарного преобразователя линейной антенной решетки,
ΔΘ_i- разность фаз сигналов первого и i-го преобразователей линейной антенной решетки,
n - количество элементарных преобразователей линейной антенной решетки.

Перемножение сигналов, сформированных в соответствии с приведенным выражением в трактах вертикальной и горизонтальной апертуры, образует двумерную приемную апертуру. Воспроизведение ее на экране дисплея регистратора 9 с прямоугольной растровой разверткой ви- зуализирует поле источника акустической эмиссии в декартовой системе координат, начальная точка которой совпадает с серединой антенной системы. Площадь визуализации является площадью единовременного обзора в реальном масштабе времени и определяется углом сектора сканирования и расстоянием до поверхности изделия. Обзор большой площади существенно увеличивает производительность контроля.

Точность фиксации положения источника акустической эмиссии на экране видеоконтрольного устройства определяется разрешающей способностью системы визуализации и, в конечном итоге, шириной диаграммы направленности акустической системы. Предложенный алгоритм обработки сигналов акустической эмиссии обеспечивает минимально возможную ширину диаграммы направленности, поскольку при ее формировании, помимо амплитудных характеристик, используются временные параметры в виде разности фаз сигналов отдельных преобразователей. При этом боковые лепестки в зоне контроля оказываются минимальными. Точность определения положения источников акустической эмиссии иллюстрирует фиг. 2. По оси ординат отложено значение нормированной амплитуды АН сигнала, полученное с помощью предложенного алгоритма. По оси абсцисс отложено расстояние L проекции источника акустической эмиссии относительно центра акустической антенной решетки. Расстояние до источников акустической эмиссии составляет 5 м. Первый источник расположен на расстоянии 1 м, а второй - непосредственно на оси симметрии акустической антенной решетки. Рабочая частота принята равной 75 кГц, среда распространения - вода. Величина секторного сканирования равна 35^o. При этом точность определения положения источника акустической эмиссии по уровню 0.7 от максимума нормированного сигнала составляет около ± 15 см.

Линейные фазированные акустические антенные решетки 1 могут быть выполнены с использованием пьезоматериала ЦТС-19, работающего на толщинных колебаниях. Смеситель 2 может быть выполнен по известной схеме балансного модулятора, либо на основе дифференциального усилителя. Гетеродин 3 с управляемой фазой может быть выполнен на сравнительно низких частотах до 200...300 кГц на цифровых микросхемах жесткой логики. Например, последовательным соединением компаратора и триггера. На один вход компаратора при этом подается линейно изменяющееся пилообразное напряжение, а на второй вход - постоянное напряжение, регулируемое по необходимому закону.

В условиях работы на высоких частотах целесообразно в качестве гетеродина 3 использовать последовательное соединение гармонического автогенератора и одну из известных схем управляемого фазовращателя.

Усилитель 4 промежуточной частоты может быть выполнен последовательным соединением нескольких каскадов с общим эмиттером или усилителей высокой частоты на микросхемах.

Аналоговый умножитель 5 может быть выполнен в зависимости от величины промежуточной частоты либо на операционных усилителях с нелинейной обратной связью, либо на специализированных микросхемах аналоговых умножителей, например К525ПС1.

Фильтр 6 нижних частот в зависимости от величины промежуточной частоты можно выполнить на LC-фильтрах или в виде активного фильтра.

Сумматор 7 может быть выполнен по известным схемам сложения нескольких сигналов на операционном усилителе.

Выходной аналоговый умножитель 8 имеет схему, аналогичную умножителю 5.

Регистратор 9 может быть реализован в двух вариантах. Во-первых, можно использовать кинескоп со схемами строчной и кадровой развертки со стандартными для телевизионной аппаратуры параметрами. Второй вариант предусматривает предварительное преобразование аналоговой информации в цифровую форму, введение ее в память ЭВМ и затем, по разработанной программе, представление ее в графической форме на экране дисплея.

Блок 10 управления выполняется по известному алгоритму на основе набора элементов жесткой логики или с применением программируемого микроконтроллера.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 721747, МКИ2 G 01 N 29/04, опубликовано 15.03.80. Бюллетень N 10.

2. Авторское свидетельство СССР N 896568, МКИ3 G 01 N 29/04, опубликовано 07.01.82. Бюллетень N 1.

3. Авторское свидетельство СССР N 1255913, МКИ4 G 01 N 29/04, опубликовано 07.09.86. Бюллетень N 33.

4. Козубовский С. Ф. Корреляционные экстремальные системы. Справочник. Киев, 1973, с. 14-15.

5. Авторское свидетельство СССР N 1320734, МКИ4 G 01 N 29/04, опубликовано 30.06.87. Бюллетень N 24.

6. Авторское свидетельство СССР N 616542, МКИ2 G 01 M 3/24, опубликовано 25.07.78. Бюллетень N 27.

Изобретение относится к неразрушающему контролю при акустико-эмиссионном контроле герметичности полых систем, находящихся в жидкостной среде. Согласно способу определения положения источников сигналов акустической эмиссии сигналы принимают группой преобразователей, образующих две ортогонально ориентированные линейные фазированные акустические антенные решетки, выходная информация для двумерной визуализации формируется перемножением двух сигналов, каждый из которых образуется как сумма произведений сигналов преобразователей каждой антенной решетки, а положение источника акустической эмиссии определяют по визуализированному двумерному изображению акустического поля зоны контроля. Способ осуществляется с помощью устройства, согласно которому каналы приема сигналов акустической эмиссии составляют два тракта горизонтальной и вертикальной апертуры, снабженных блоком управления, причем в каждый канал приема последовательно с усилителем включен умножитель аналоговых сигналов, выходы всех умножителей присоединены к сумматору каждого тракта, а выходы блока управления соединены с гетеродинами и регистратором. В результате повышается производительность контроля при сохранении высокой точности определения положения источников сигналов акустической эмиссии. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения положения источников сигналов акустической эмиссии, включающий прием сигналов акустической эмиссии группой преобразователей, отличающийся тем, что сигналы акустической эмиссии принимают группой преобразователей, образующих две ортогонально ориентированные линейные фазированные акустические антенные решетки, синтезированные диаграммы направленности которых сканируют, выходную информацию для двумерной визуализации формируют перемножением двух сигналов, каждый из которых образуется как сумма произведений сигналов преобразователей каждой антенной решетки, а положение источника акустической эмиссии определяют по визуализированному двумерному изображению акустического поля зоны контроля. 2. Устройство для определения положения источников сигналов акустической эмиссии, содержащее каналы приема сигналов акустической эмиссии, каждый из которых состоит из последовательно соединенных преобразователя, смесителя, связанного с гетеродином, усилителя, фильтра нижних частот, сумматора, а также общий тракт, состоящий из умножителя и регистратора, отличающееся тем, что N (N = 1, 2, 3 ...) количество каналов приема, составляющие два тракта горизонтальной и вертикальной апертуры, снабжены блоком управления, причем в каждый канал приема последовательно с усилителем включен умножитель аналоговых сигналов, выходы всех умножителей присоединены к сумматору каждого тракта, а выходы блока управления соединены с гетеродинами и регистратором.