СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТИПА ДЕФЕКТА В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЯХ Российский патент 2014 года по МПК G01N29/00 

Заявляемый способ предназначен для использования в дефектоскопии для определения типа скрытого дефекта в упругих металлических средах.

Определение типа скрытого дефекта является в настоящий момент одной из основных проблем в неразрушающем контроле, в том числе ультразвуковом, поскольку потенциальная опасность этого дефекта зависит во многом от его типа. Так, дефекты с острыми краями, являющиеся концентраторами напряжений, как правило, недопустимы, дефекты с округлой поверхностью допускаются, но с учетом ограничений на их размеры.

Известен ряд способов ультразвукового (УЗ) контроля, которые позволяют судить о типе дефекта. Способы относятся к неразрушающим методам контроля, где о типе дефекта судят по косвенным характеристикам - информативным признакам. Обобщенная суть методов состоит в том, что, выбрав тип волн, углы ввода, число преобразователей, частоты колебаний, измеряют абсолютные или относительные значения временных, амплитудных или спектральных характеристик принимаемых сигналов, формируют из них информативные признаки, наиболее полно характеризующие дефекты, и по конкретным значениям этих информативных признаков относят реальные дефекты к тому или иному типу.

Известен способ УЗ контроля изделий, заключающийся в том, что наклонными преобразователями излучают поперечные УЗ колебания в изделие, принимают эхо- и зеркально отраженные сигналы, дополнительно принимают донные сигналы на основном металле и прошедшие через сварной шов. Одновременно измеряют амплитуды принятых эхо, отраженных от дефекта и донной поверхности, донных в основном металле и прошедших через сварной шов импульсов, сравнивают их с опорными значениями и между собой, и по совместному анализу полученных данных судят о типе дефекта и его размере по высоте [Заявка на изобретение РФ 99104668].

Основным недостатком этого способа является зависимость получаемых результатов от амплитуды. Амплитуда принятого эхо- сигнала сильно зависит от качества контролируемой поверхности и от стабильности акустического контакта. Необходимое качество поверхности объема контроля возможно обеспечить с учетом требуемых пределов шероховатости. Качество акустического контакта во многом зависит от специалиста, проводящего контроль (от силы нажатия), и контакт зачастую оказывается нестабильным, что отражается на величине амплитуды, а следовательно, и на конечных результатах оценки типа дефекта.

Известен также способ распознавания типа дефекта при ультразвуковом контроле, заключающийся в том, что принимают ультразвуковой сигнал, отраженный от дефекта, измеряют его параметры, сравнивают с параметрами эталонного отражателя и на основе этого сравнения судят о дефекте, при этом в принятом акустическом сигнале выделяют активную и реактивную составляющие, на комплексной плоскости. Определяют составляющую с максимальной амплитудой, измеряют угол, под которым находится эта составляющая на комплексной плоскости, сравнивают с соответствующим углом эталонного отражателя, и по разности этих углов судят о типе дефекта [Авторское свидетельство СССР 1061709].

В отличие от предыдущего аналога, в этом способе вводится новый информативный признак - разность углов, между максимальными составляющими эхо-сигнала, полученными на комплексной плоскости для эталонного сигнала и сигнала от дефекта. Т.е. здесь проводится не просто сравнительный анализ эхо-сигналов, а вычисляется значение некоего параметра - разности между углами и, следовательно, результат представлен в численном выражении.

Но этот способ также является амплитудно=зависимым. Амплитуда принятого эхо-сигнала сильно зависит от качества контролируемой поверхности и от стабильности акустического контакта. Кроме того, в этом способе приходится использовать сигнал от эталонного отражателя.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения типа дефекта в металлических изделиях, включающий импульсное облучение исследуемой зоны УЗ колебаниями, регистрацию исходного отраженного сигнала, его компьютерную обработку для выявления информативных параметров, по которым судят о наличии и типе дефекта. В качестве анализируемого параметра используют спектр эхо-сигнала [1. Экспериментальное исследование ультразвукового спектрального метода определения характера дефектов, Дефектоскопия. 1977, №6, С.40-53. 2. Теоретическое исследование ультразвукового спектрального метода определения характера дефектов, Дефектоскопия. 1977, №6, С.75-84].

В этом способе ультразвуковое импульсное излучение возбуждают спектроскопом, который обладает широкополосным спектром УЗ излучения, т.е. дефекты озвучивают ультразвуковыми колебаниями в широкой полосе частот. Далее принимают колебания, рассеянные на дефекте в направлении искателя.

Затем селектируют во времени первый эхо-сигнал и анализируют спектр эхо-сигнала. Спектр эхо-сигналов, отраженных от дефектов, зависит от формы дефекта и от соотношения размера дефекта и длины волны ультразвука, поэтому, анализируя огибающую спектра, можно получить информацию о дефекте.

Способ позволяет делать выводы о типе дефекта, используя частотные характеристики эхо-сигнала (по огибающей спектра). Способ не использует эталонных образцов и не требуется проводить сравнительный анализ эхо-сигналов.

К недостаткам данного способа можно отнести следующее. Для выявления связи между формой огибающей спектра и характеристиками дефекта требуется проводить дополнительные исследования. Выявленные информативные признаки того или иного дефекта зависят от его размеров, частоты волны, глубины залегания дефекта. При формировании информативного признака - формы огибающей спектра, принимает участие амплитуда отраженного сигнала, следовательно, этот способ является амплитудно-зависимым. На результат измерений будут влиять качество контролируемой поверхности и качество акустического контакта. Для реализации способа необходимы два преобразователя, вследствие чего могут возникнуть разные условия контакта на поверхности, что приводит к искажению данных.

В основу изобретения положена задача расширения возможностей определения типа скрытых дефектов при неразрушающем УЗ контроле за счет введения нового информативного признака - мгновенной частоты недетектированного радиочастотного импульса, определяемой в различные моменты внутри импульса.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения типа дефекта в металлических изделиях, включающем импульсное облучение исследуемой зоны УЗ колебаниями, регистрацию исходного отраженного сигнала, его компьютерную обработку для выявления информативных параметров, по которым судят о наличии и типе дефекта, согласно изобретению, к исходному отраженному сигналу от каждого обнаруженного дефекта применяют преобразование Гильберта, получая аналитический сигнал, затем вычисляют модуль аналитического сигнала, получая огибающую исходного сигнала, на огибающей находят моменты времени t₀, t₁ и t₂, соответствующие максимуму амплитуды огибающей и половине ее максимального значения слева и справа от максимума, применяя непрерывное вейвлетное преобразование к аналитическому сигналу, по формуле:

$$\widetilde{\tilde{\sout{\int }}}\left(\theta ,{\xi }^{*}\right)=\frac{1}{2\pi }\mathrm{Im}\left[\frac{1}{{\dot{W}}_z\left({\xi }^{*},\theta \right)}\frac{d{\dot{W}}_z\left({\xi }^{*},\theta \right)}{d\theta }\right]$$ ,

где ξ^*=ξ*(θ) - значение масштабного коэффициента соответствующее максимуму модуля вейвлетного спектра аналитического сигнала при $$\left|{\dot{W}}_z\left({\xi }^{*},\theta \right)\right|=\max \left\{\left|{\dot{W}}_z\left(\xi ,\theta \right)\right|\right\}$$ ;

θ - параметр сдвига вейвлетного преобразования,

находят зависимость мгновенной частоты от времени, на которой выбирают для дальнейшего анализа частоты ƒ₀, ƒ₁ и ƒ₂, соответствующие моментам времени t₀, t₁ и t₂.

Затем, используя частоты ƒ₀, ƒ₁ и ƒ₂, формируют новые безразмерные параметры - нормированные девиации частоты $${\sout{\int }}_{r1}=\frac{{\sout{\int }}_0-{\sout{\int }}_1}{{\sout{\int }}_{н}}и{\sout{\int }}_{r2}=\frac{{\sout{\int }}_0-{\sout{\int }}_2}{{\sout{\int }}_{н}}$$ , где

ƒ_н - несущая (номинальная) частота импульсного ультразвукового излучения,

ƒ₀, ƒ₁ и ƒ₂, - значения мгновенной частоты в трех точках, соответствующих моментам времени t₀, t₁, и t₂;

отображают значения ƒ_r1 и ƒ_r2 в виде точки на двумерной диаграмме, по расположению которой в определенной области диаграммы судят о типе дефекта.

В заявляемом способе определение типа скрытых дефектов осуществляют при неразрушающем УЗ контроле за счет введения нового информативного признака. Таким признаком является мгновенная частота недетектированного радиочастотного импульса, определяемая в различные моменты внутри импульса. Алгоритм ее оценки основан на использовании непрерывного вейвлетного преобразования, которое в свою очередь увеличивает помехоустойчивость метода. Мгновенная частота - это нестационарная характеристика сигнала. Эхо-сигналы, отраженные от дефектов разного типа, имеют различные нестационарные характеристики: их доминирующая частота изменяется во времени, то есть значение мгновенной частоты может быть различным на фронте, на срезе и в середине импульса, а огибающая может иметь сложную форму. Различие мгновенных частот возникает за счет влияния дифракции и частотной зависимости коэффициента затухания.

В отличие от наиболее близкого аналога в заявляемом способе анализируют не спектр, который является характеристикой всего эхо-сигнала, а мгновенную частоту недектированного радиочастотного сигналя, которая в свою очередь является его локальной характеристикой. Кроме того, результаты, полученные предлагаемым способом, не зависят от качества акустического контакта, то есть от амплитуды эхо-сигнала.

На фиг.1 представлены результаты эксперимента при оценке мгновенной частоты эхо-сигнала, отраженного от двугранного угла (ПЭП П121-5-40⁰-⌀8), с использованием его вейвлетного спектра, где частоте ƒ₁ соответствует значок квадрата на графиках, частоте ƒ₂ соответствует значок треугольника и частоте ƒ₀ соответствует значок круга. Фиг.1а - зависимость мгновенной частоты от времени, фиг.1б эхо-сигнал с огибающей.

На фиг.2 приведены результаты измерения мгновенных частот для следующих дефектов: зарубки с разной площадью плоской передней грани, двугранные тупые и острые углы с различными углами раскрытия, сквозные боковые цилиндрические отверстия, плоскодонные сверления, донная поверхность стандартного образца CO2 и стандартного образца CO3 и естественный дефект - непровар в корне шва.

Способ осуществляют следующим образом.

Первоначально производится сканирование преобразователем ПЭП П121-5,0-400-⌀8 по поверхности образца. Сканирование проводится по стандартной методике для данного прибора. При перемещении преобразователя по поверхности образца находят положение, в котором эхо-сигнал имеет наибольшую амплитуду. Импульсный эхо-сигнал, полученный в данной позиции, принимается за исходный сигнал и используется для анализа.

В качестве информативного признака определения типа дефекта используют значения мгновенной частоты ультразвукового импульсного эхо-сигнала, соответствующие определенным моментам времени внутри импульса. Достоинством предлагаемого способа определения типа дефекта является тот факт, что его можно реализовать при той же схеме акустического тракта, что обычно используется в ультразвуковой дефектоскопии, и с применением типового УЗ дефектоскопа (например: УЗ цифровой дефектоскоп PCUS - 10) со стандартным совмещенным пьезоэлектрическим преобразователем (ПЭП).

Эхо-сигналы, отраженные от реальных дефектов, имеют различные нестационарные характеристики: их доминирующая частота изменяется во времени, то есть значение мгновенной частоты может быть различным на фронте, на срезе и в середине импульса, а огибающая может иметь сложную форму. Различие мгновенных частот возникает за счет влияния дифракции и частотной зависимости коэффициента затухания.

Мгновенная частота дает более полную информацию о частотных параметрах эхо-сигнала, чем спектр. Поэтому используемый впервые в заявляемом способе определения типа формы дефекта алгоритм оценки мгновенной частоты, основанный на непрерывном вейвлетном преобразовании, обладает высокой достоверностью обнаружения и обладает повышенной помехоустойчивостью.

В описании применяется термин ″мгновенная частота″, которую только условно можно назвать “мгновенной”. В действительности для определения этой мгновенной частоты нужен конечный промежуток времени порядка периода радиочастотного сигнала.

Алгоритм оценки мгновенной частоты на основе представлений об аналитическом сигнале был предложен Денисом Габором в 1946 г. [Вайнштейн Л.А., Вакман Д.Е., Разделение частот в теории колебаний и волн. - М.: Наука, 1983. - 288 с].

При анализе сигнала s(t), который является функцией времени t, можно получить соответствующий ему комплексный аналитический сигнал $$\dot{z}\left(t\right)$$ , используя преобразование Гильберта H[s(t)]:

$$\dot{z}\left(t\right)=s\left(t\right)+iH\left[s\left(t\right)\right]$$ ,

где

$$H\left[s\left(t\right)\right]=\frac{1}{\pi }{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}\frac{s\left(\tau \right)}{t-\tau }}d\tau$$ .

Мгновенная частота $$\tilde{\sout{\int }}\left(t\right)$$ сигнала s(t) может быть найдена по формуле:

$$\tilde{\sout{\int }}\left(t\right)=\mathrm{Im}\left[\frac{1}{\dot{z}\left(t\right)}\frac{d\dot{z}\left(t\right)}{dt}\right].\left(1\right)$$

Так как в формуле (1) присутствует оператор дифференцирования, то результат вычислений будет очень сильно зависеть от шума, присутствующего в анализируемом сигнале. Влияние шумов на результат вычислений можно снизить, используя методы численного дифференцирования, но есть и другой способ. Если провести модификацию формулы (1), используя непрерывное вейвлетное преобразование, можно получить более устойчивый результат.

Вейвлетный спектр аналитического сигнала $$\dot{z}\left(t\right)$$ может быть найден с помощью любого из двух эквивалентных друг другу соотношений:

$$W_z\left(\xi ,\theta \right)=\frac{1}{\sqrt{\left|\xi \right|}}{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}\dot{z}\left(t\right)\stackrel{*}{\psi }\left(\frac{t-\theta }{\xi }\right)}dt\left(2\right)$$

или

$${\dot{W}}_z\left(\xi ,\theta \right)=\frac{\sqrt{\left|\xi \right|}}{2\pi }{\displaystyle \underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}\dot{Z}\left(\omega \right)}\stackrel{*}{\Psi }\left(\xi \omega \right)\exp \left(i\theta \omega \right)d\omega ,\left(3\right)$$

где $$\dot{\psi }\left(t\right)$$ - вейвлет, $$\dot{\psi }\left(\omega \right)$$ и $$\dot{Z}\left(\omega \right)$$ - спектры Фурье, соответствующие вейвлету $$\dot{\psi }\left(t\right)$$ и аналитическому сигналу $$\dot{z}\left(t\right)$$ , ξ - масштабный коэффициент, θ - параметр сдвига.

По известному вейвлетному спектру аналитического сигнала $${\dot{W}}_z\left(\xi ,\theta \right)$$ можно получить выражение для мгновенной частоты

$$\widetilde{\tilde{\sout{\int }}}\left(\theta ,{\xi }^{*}\right)=\frac{1}{2\pi }\mathrm{Im}\left[\frac{1}{{\dot{W}}_z\left({\xi }^{*},\theta \right)}\frac{d{\dot{W}}_z\left({\xi }^{*},\theta \right)}{d\theta }\right],\left(4\right)$$

где ξ^*=ξ*(θ) - значение масштабного коэффициента ξ, соответствующее максимуму модуля вейвлетного спектра аналитического сигнала, то есть условию: $$\left|{\dot{W}}_z\left({\xi }^{*},\theta \right)\right|=\max \left\{\left|{\dot{W}}_z\left(\xi ,\theta \right)\right|\right\}$$ , θ - параметр сдвига вейвлетного преобразования, который аналогичен по смыслу переменной t в формуле (1).

Для вычисления вейвлетного спектра по формуле (1) был использован МНАТ-вейвлет:

$$\psi \left(t\right)=\frac{2}{\sqrt{3\sqrt{\pi }}}\left(1-t^2\right)\exp \left(-\frac{1}{2}{t}^2\right).\left(5\right)$$

Процедура оценки мгновенной частоты следующая. При перемещении преобразователя по поверхности образца находят положение, в котором эхо-сигнал имеет наибольшую амплитуду. Этот эхо-сигнал представляет собой радиоимпульс, который в дальнейшем и используется для анализа. Каждый полученный эхо-сигнал анализировали следующим образом:

1. Из исходного сигнала, изображенного на фиг.1а, получают аналитический сигнал, используя преобразование Гильберта.

2. Вычисляя модуль аналитического сигнала, получают огибающую исходного сигнала, которая на фиг.1б показана вместе с исходным сигналом.

3. На огибающей находят моменты времени, соответствующие максимуму амплитуды огибающей и половине ее максимального значения слева и справа от максимума.

4. Применяя непрерывное вейвлетное преобразование к аналитическому сигналу, находят значения мгновенной частота исходного сигнала в моменты времени t_{1 ,}  t₂ и t₀ (фиг.1б).

5. Анализируют значения ƒ₁, ƒ₂ и ƒ₀ мгновенной частоты в трех точках, соответствующих моментам времени t₁, t₂ и t₀.

Для практической реализации предложенного алгоритма целесообразно представлять полученные результаты в виде безразмерных параметров - нормированных девиаций частоты.

Результатом проведенных экспериментов являются диаграммы (фиг.2), построенные на плоскости, где по осям отложены значения параметров ƒ_r1 и ƒ_r2, где ƒ_r1, ƒ_r2 - нормированная девиация частоты между точками в центре, на фронте и срезе импульса, выражение для которых записывается в виде:

$${\sout{\int }}_{r1}=\frac{{\sout{\int }}_0-{\sout{\int }}_1}{{\sout{\int }}_{н}},{\sout{\int }}_{r2}=\frac{{\sout{\int }}_0-{\sout{\int }}_2}{{\sout{\int }}_{н}}\left(5\right)$$

где ƒ_н - номинальная частота ПЭП, ƒ₁, ƒ₂ и ƒ₀ - значения мгновенной частоты в трех точках, соответствующих моментам времени t₁, t₂ и t₀.

Результаты оценки мгновенной частоты для каждого дефекта отображаются на диаграмме одной точкой. Для качественных результатов и классификации дефектов по форме важно, в какую область диаграммы попадает эта точка.

Исследования, проведенные на искусственных дефектах, показали, что для плоскостных отражателей, выходящих на поверхность, значения ƒ_r1 и ƒ_r2 положительны во всем диапазоне измерений. Для плоскостных отражателей, не выходящих на поверхность, ƒ_r1 принимает положительные, a ƒ_r2 отрицательные значения, как и для сквозных боковых цилиндрических отверстий. Можно только перечислить основные факторы, влияющие на отклонение частоты: степень соответствия формы волнового фронта форме поверхности отражателя, различие частотного спектра колебаний в разных частях пучка и частотная зависимость затухания ультразвука. В частности, было установлено, что если форма отражающей поверхности совпадает с формой волнового фронта, то отраженная волна достигает приемного преобразователя с фронтом, близким к плоскому. В результате девиация частоты оказывается минимальной.

Таким образом, предлагаемый способ определения типа дефекта в металлических изделиях позволяет расширить функциональные возможности способов ультразвукового эхо-метода неразрушающего контроля за счет использования в качестве информативного признака определения типа дефекта значения мгновенной частоты ультразвукового импульсного эхо-сигнала, соответствующего моментам времени внутри импульса.

Практическая реализация предлагаемого способа, в которой полученные результаты представлены в виде безразмерных параметров - нормированных девиаций частоты, определенных в трех точках (одна - в максимуме огибающей, и две другие - в точках на фронте и срезе импульса, где амплитуда огибающей равна половине ее максимального значения) позволяет отличать друг от друга, в частности, эхо-сигналы, отраженные от плоскостных дефектов, выходящих на поверхность объекта контроля (зарубки, двугранные углы, непровары сварного шва), плоских поверхностей образца и локальных дефектов с криволинейной поверхностью (сквозных боковых цилиндрических отверстий и плоскодонных сверлений). Таким образом, используя в качестве информативного признака соотношение между девиациями частоты ƒ_r1 и ƒ_r2 можно отличить плоскостные дефекты, выходящие на поверхность, от плоскостных дефектов, не выходящих на поверхность, и от дефектов типа ″сквозное боковое цилиндрическое отверстие″.

Использование: для определения типа дефекта в металлических изделиях. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют импульсное облучение исследуемой зоны ультразвуковым излучением, регистрацию исходного отраженного сигнала, его компьютерную обработку для определения информативных параметров, по которым судят о наличии и типе дефекта, при этом к исходному отраженному сигналу от каждого обнаруженного дефекта применяют преобразование Гильберта, получая аналитический сигнал, затем вычисляют модуль аналитического сигнала, получая огибающую исходного сигнала, на огибающей находят моменты времени t₀, t₁, и t₂, соответствующие максимуму амплитуды огибающей и половине ее максимального значения слева и справа от максимума, применяя непрерывное вейвлетное преобразование к аналитическому сигналу, по определенной формуле находят зависимость мгновенной частоты от времени, на которой выбирают для дальнейшего анализа частоты ƒ₀, ƒ₁ и ƒ₂, соответствующие моментам времени t₀, t₁, и t₂, затем используя частоты ƒ₀, ƒ₁ и ƒ₂ формируют новые безразмерные параметры - нормированные девиации частоты ƒ_r1 и ƒ_r2, отображают значения ƒ_r1 и ƒ_r2 в виде точки на двумерной диаграмме, по расположению которой в определенной области диаграммы судят о типе дефекта. Технический результат: обеспечение возможности расширения возможностей определения типа скрытых дефектов при неразрушающем ультразвуковом контроле. 2 ил.

Способ определения типа дефекта в металлических изделиях, включающий импульсное облучение исследуемой зоны ультразвуковым излучением, регистрацию исходного отраженного сигнала, его компьютерную обработку для определения информативных параметров, по которым судят о наличии и типе дефекта, отличающийся тем, что к исходному отраженному сигналу от каждого обнаруженного дефекта применяют преобразование Гильберта, получая аналитический сигнал, затем вычисляют модуль аналитического сигнала, получая огибающую исходного сигнала, на огибающей находят моменты времени t₀, t₁, и t₂, соответствующие максимуму амплитуды огибающей и половине ее максимального значения слева и справа от максимума, применяя непрерывное вейвлетное преобразование к аналитическому сигналу, по формуле
, где
ξ^*=ξ^*(θ) - значение маштабного коэффициента ξ, соответствующее максимуму модуля вейвлетного спектра аналитического сигнала при ;
θ - параметр сдвига вейвлетного преобразования;
находят зависимость мгновенной частоты от времени, на которой выбирают для дальнейшего анализа частоты ƒ₀, ƒ₁ и ƒ₂, соответствующие моментам времени t₀, t₁, и t₂, затем используя частоты ƒ₀, ƒ₁ и ƒ₂ формируют новые безразмерные параметры - нормированные девиации частоты
, где
ƒ_н - несущая (номинальная) частота импульсного ультразвукового излучения;
ƒ₀, ƒ₁, и ƒ₂ - значения мгновенной частоты в трех точках, соответствующих моментам времени t₀, t₁ и t₂;
отображают значения ƒ_r1 и ƒ_r2 в виде точки на двумерной диаграмме, по расположению которой в определенной области диаграммы судят о типе дефекта.