СПОСОБ ЛОКАЦИИ ДЕФЕКТОВ Российский патент 2014 года по МПК G01N29/14 

Изобретение относится к акустико-эмиссионной диагностике материалов и конструкций и может быть использовано для локации дефектов источников акустической эмиссии (АЭ) и повышения достоверности при определении местоположения источников сигнала АЭ при неразрушающем контроле в химической, нефтехимической, энергетической, металлургической промышленности, на объектах транспорта.

Известен способ определения расстояния между преобразователем и источником акустической эмиссии (RU 2397490 С2, МПК G01N 29/14, дата подачи заявки 07.08.2007).

Сущность известного способа заключается в следующем. На контролируемом изделии, представляющем из себя плоский лист, устанавливают преобразователь акустической эмиссии, изделие нагружают, принимают сигналы акустической эмиссии, генерируемые дефектом, регистрируют моды волн Лэмба в виде волнового пакета, после представления которого частотно-временной зависимостью на спектрограммах выделяют энергетические максимумы антисимметричных и симметричных мод, а расстояние между преобразователем и источником акустической эмиссии рассчитывают по разнице во времени прихода энергетических максимумов на выбранных частотах.

Недостатком данного способа является то, что в определении положения источника акустической эмиссии возникает неопределенность, так как геометрическое место точек (координат источника), равноудаленных от данной (приемника акустической эмиссии), представляет собой, на плоском образце, окружность радиуса, равного определяемому расстоянию до источника (Фиг.1), а на цилиндрическом образце, например трубопроводе, геометрическое место точек, равноудаленных от данной по образующей поверхности (Фиг.2).

С учетом того, что дальность локации может достигать величин порядка десятков метров, ценность информации о расстоянии до источника акустической эмиссии становится чрезвычайно незначительной, особенно в реальных испытаниях, например, на трубопроводах.

Кроме того, необходимо знать дисперсионные кривые скоростей υ_А(f) и υ_S(f) мод волн Лэмба, которые приходится определять экспериментально при возбуждении импульса АЭ имитатором в точке с известными координатами, либо рассчитывать методом конечных элементов для конкретного материала и геометрии изделия, что вносит дополнительные погрешности в результаты измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения координат источников акустической эмиссии в двумерных объектах (SV 987510А1, Тамбовский институт химического машиностроения, 07.01.1983), заключающийся в том, что предварительно определяют закон затухания звуковых волн в исследуемом объекте, располагают на нем два приемника так, чтобы контролируемая зона находилась полностью по одну сторону от прямой, соединяющей датчики, принимают сигналы акустической эмиссии, измеряют отношение амплитуд и разность времен прихода сигналов на датчики, по которым вычисляют две координаты источника АЭ.

К недостаткам данного способа следует отнести:

1) ограничения, налагаемые на возможное расположение источника АЭ - контролируется только зона, находящаяся полностью по одну сторону от прямой, соединяющей датчики;

2) в способе предполагается, что скорость ультразвуковых волн в исследуемом образце известна. На самом деле она подлежит предварительному определению либо экспериментально, либо теоретически, например, методом конечных элементов для конкретного материала и геометрии изделия, а это приводит к увеличению погрешности результата;

3) область применения - только двумерные объекты.

Задачами изобретения являются повышение точности за счет того, что отпадает необходимость предварительного определения скорости ультразвука в исследуемом объекте; снятие ограничений на взаимное расположение источников и приемников АЭ; расширение класса возможных форм изделия.

Поставленные задачи решаются тем, что в способе локации дефектов, состоящем в измерении разности времен прихода сигналов к двум датчикам и предварительном определении закона затухания звука в объекте, согласно изобретению, в принимаемых датчиками сигналах акустической эмиссии, генерируемых дефектами изделия, регистрируют моды волн Лэмба в виде волнового пакета, после представления которого частотно-временной зависимостью на спектрограммах выделяют максимумы антисимметричных и симметричных мод, по разнице во времени прихода энергетических максимумов на выбранных частотах определяют расстояние от источника эмиссии до каждого из преобразователей, а затем, используя ранее установленный закон затухания, рассчитывают координаты дефекта изделия.

Технический результат предлагаемого изобретения выражается в следующем. За счет одновременного определения расстояний от источника акустической эмиссии до двух преобразователей, разнесенных на некоторое расстояние друг от друга, и предварительного определения закона затухания звука появляется возможность вычисления по данным измерения одного импульса акустической эмиссии координат дефекта, а также возможность снижения числа предварительно определяемых параметров, что значительно повышает точность и, следовательно, практическую ценность метода.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На испытуемом изделии -металлическом листе, трубопроводе и т.д. - устанавливают два преобразователя акустической эмиссии (ПАЭ), подсоединенных к измерительному каналу системы. На продолжении линии, на которой располагаются ПАЭ, с помощью источника Xcy-Нильсена возбуждают сигнал АЭ. По отношению амплитуд υ₀₁ и υ₀₂ сигналов, принимаемых датчиками 1 и 2, определяют закон затухания звука:

где а - расстояние между датчиками, γ - коэффициент затухания.

Сигнал акустической эмиссии, генерируемый имеющимся в изделии дефектом, регистрируется ПАЭ, осциллографом, подвергается непрерывному вейвлет-преобразованию и представляется в координатах время-частота.

Далее на спектрограммах выделяют энергетические максимумы A₁(f, t), A₂(f ,t) -антисимметричных и/или S₁(f, t), S₂(f, t) - симметричных мод сигналов ПАЭ одного и другого, анализируя частотно-временные представления A_i(f, t) и/или S_i(f, t) (i=1,2), определяют разницу Т_i во времени прихода разных мод на разных или одной частоте или одной моды на разных частотах, а координаты источника акустической эмиссии рассчитывают по формулам:

а) для плоских образцов (Фиг.3) - декартовы координаты (x, y) - по разнице во времени прихода энергетических максимумов разных мод на разных или одной частоте:

где - параметр, определяемый отношением амплитуд максимумов симметричной (антисимметричной) мод сигналов датчиков 1 и 2. - времена прихода максимумов антисимметричной и симметричной мод на датчики 1 и 2 на разных или одной частоте;

.

Для расчета координат по временам прихода энергетических максимумов одной моды на разных частотах:

где - амплитуды максимумов одной моды на частотах f₁ и f₂ на датчиках 1 и 2 соответственно;

б) для тонкостенных цилиндрических образцов радиуса r - цилиндрические координаты (ρ, z, φ):

Таким образом, сечение z₁=z₂ цилиндрического образца, содержащее дефект, определяется однозначно.

На Фиг.1 представлено возможное положение источника акустической эмиссии при определении расстояния на плоских образцах с помощью одного ПАЭ. Определяемое расстояние R удовлетворяет уравнению x²+y²=R² в декартовых координатах. D - преобразователь акустической эмиссии.

На Фиг.2 представлено возможное положение источника акустической эмиссии при определении расстояния на цилиндрических образцах с помощью одного ПАЭ. Определяемое расстояние R удовлетворяет уравнению ρ²φ²+z²=R² в цилиндрических координатах;

ρ=r, где r - радиус цилиндрической поверхности.

На Фиг.3 представлено возможное положение источника акустической эмиссии в случае применения двух ПАЭ на плоских образцах - это две точки u₁ и u₂ плоскости с декартовыми координатами

,

а - расстояние между ПАЭ D₁ и D₂.

На Фиг.4 представлено возможное положение источника акустической эмиссии в случае применения двух ПАЭ на цилиндрических образцах - это две точки u₁ и u₂ поверхности с цилиндрическими координатами

.

На Фиг.5 и 6 приведены данные для сигнала акустической эмиссии, полученные при испытании на медном плоском образце.

В верхней части каждой фигуры приведены акустические импульсы, зарегистрированные пьезоэлектрическим приемником акустической эмиссии, оцифрованные с помощью аналого-цифрового преобразователя. Частота оцифровки импульсов - 6,25 МГц.

В нижней части каждой фигуры приведены частотно-временные представления каждого импульса, полученные в результате непрерывного вейвлет-преобразования.

Искомые координаты источника акустической эмиссии: x₁=x₂=0, y₁=y₂=1,38 м. Ошибка в определении координат не превысила 10%.

Использование: при акустико-эмиссионной диагностике материалов и конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что на контролируемом изделии устанавливают два преобразователя акустической эмиссии, определяют закон затухания звука, принимают сигналы акустической эмиссии, генерируемые дефектом изделия в процессе эксплуатации или нагружения, регистрируют моды волн Лэмба в виде волнового пакета, получают частотно-временную зависимость на спектрограммах, выделяют энергетические максимумы антисимметричных и симметричных мод, по разнице во времени прихода энергетических максимумов на выбранных частотах определяют расстояние между преобразователями и источником акустической эмиссии, затем, используя ранее установленный закон затухания, рассчитывают координаты дефекта изделия. Технический результат: обеспечение возможности определения по данным измерения одного импульса акустической эмиссии координат дефекта, а также обеспечение возможности снижения числа предварительно определяемых параметров, что значительно повышает точность. 6 ил.

Способ локации дефектов, состоящий в том, что измеряют разность времен прихода сигналов к двум датчикам и определяют закон затухания звука в объекте, отличающийся тем, что в принимаемых датчиками сигналах акустической эмиссии, генерируемых дефектами изделия, регистрируют моды волн Лэмба в виде волнового пакета, после представления которого частотно-временной зависимостью на спектрограммах выделяют энергетические максимумы антисимметричных и симметричных мод, по разнице во времени прихода энергетических максимумов на выбранных частотах определяют расстояние от источника эмиссии до каждого из преобразователей, а затем, используя ранее установленный закон затухания, рассчитывают координаты дефекта изделия.