СПОСОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОМОГРАФИИ Российский патент 2024 года по МПК G01N29/06 

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля и может быть использовано при ультразвуковом контроле изделия с криволинейной внешней поверхностью и одностороннем доступе, например, шейки коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, трубопроводов или трубопроводов с конусной поверхностью.

Известен способ ультразвукового контроля дефектности металлического изделия [RU 2723368 C1, МПК G01N29/04 (2006.01), G01N29/04 (2020.02), опубл. 10.06.2020], включающий размещение изделия контроля в иммерсионной ванне, сканирование изделия ультразвуковыми сигналами при возвратно-поступательном перемещении ультразвукового датчика в иммерсионной жидкости над изделием контроля поперек области контроля, регистрацию амплитуды и координаты ультразвуковых сигналов, обработку данных на компьютере и получение на дисплее двумерных ультразвуковых изображений при B- и C-сканировании изображений, образующих группу, получаемую при B-сканировании, суммируют их в одно изображение. При наличии в изделии дефекта «полистно» просматривают все ультразвуковые изображения этой группы, по которым оценивают размеры дефекта, при этом сканируют изделие контроля ультразвуковыми сигналами от датчиков линейной фазированной антенной решетки через зонную пластинку из полилактида с продольными прямоугольными отверстиями, которую прикрепляют перед датчиками, предварительно изготовив с помощью 3D-принтера, определив ее толщину t_h и размеры зон l_n из заданного математического выражения. Шаг сканирования вдоль активной ΔХ и вдоль пассивной апертуры ΔУ фазированной антенной решетки составляет не более 1 мм, определяют количество шагов сканирования N_x и N_y по осям Х и У и количество цифровых отсчетов N_z в одном ультразвуковом сигнале в каждой точке сканирования и формируют матрицу значений A (Nz, Nх, Nу), на основе которой визуализируют изображение внутреннего дефекта изделия контроля.

Недостатком данного способа является невозможность его использования для контроля изделий с криволинейными внешними поверхностями.

Известен способ ультразвукового контроля профиля внутренней поверхности изделия с неровными поверхностями [RU 2560754, МПК G01N29/06 (2006.01), опубл. 20.08.2015], заключающийся в том, что две антенные решетки одна в качестве излучателя, а другая в качестве приемника на наклонных призмах, обращенных передними гранями друг к другу, размещают на поверхности контролируемого изделия на заранее рассчитанном расстоянии между собой, излучают ультразвуковые сигналы в контролируемое изделие независимо каждым элементом излучающей решетки, фиксируют отраженные от донной поверхности ультразвуковые сигналы элементами регистрирующей решетки, восстанавливают множество парциальных изображений путем умножения матрицы принятых сигналов и матрицы сигналов, рассчитанных для каждой точки изображения для точечного отражателя, учитывая трансформацию типов волн при отражениях, получают изображение профиля донной поверхности по изображению, полученному при суммировании множества восстановленных парциальных изображений с учетом трансформации типов волн при отражении от дна, по профилю донной поверхности получают таблицу значений толщины контролируемого изделия в каждой точке.

Недостатком данного способа является невозможность использования для контроля изделий с криволинейными внешними поверхностями.

Известен способ ультразвуковой томографии [RU 2799111 C1, МПК G01N29/04 (2006.01), опубл. 04.07.2023], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что используют гибкую антенную решетку, которую вплотную размещают на поверхности помещенного в иммерсионную ванну объекта контроля с внешней криволинейной или плоской поверхностью. С обратной стороны гибкой антенной решетки размещают акустический датчик так, что он расположен в иммерсионной жидкости, а гибкая антенная решетка полностью расположена в его акустическом поле. Принимают излученные в обратную сторону ультразвуковые сигналы каждым элементом гибкой антенной решетки, преобразуют в электрические сигналы, которые усиливают, оцифровывают и запоминают. По времени распространения ультразвуковых сигналов от каждого элемента гибкой антенной решетки до акустического датчика определяют расстояние от каждого элемента гибкой антенной решетки до акустического датчика, по этим данным определяют координаты элементов гибкой антенной решетки и полученные значения используют для реконструкции изображения методом цифровой фокусировки. Суммарный сигнал детектируют. Значение максимума сохраняют в памяти изображений, а затем кодируют в градациях серого или цветом для отображения на экране дисплея.

Реконструируют изображение методом цифровой фокусировки, используя выражение:

,

где u_A(t) - суммарный сигнал, принятый антенной решеткой из точки А(x, z) объекта контроля с координатами x, z;

i, j - номера передающих и принимающих элементов антенной решетки соответственно;

I, R - общее количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля на прямом пути от антенной решетки к точке А(x, z) и на обратном пути от точки А(x, z) к антенной решетке соответственно;

М - максимальное количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля отдельно на прямом и обратном путях распространения сигнала, используемое при реконструкции изображения;

u_i,j - фрагмент реализации, полученной от элементов i, j антенной решетки;

t - текущее время;

t_Ai,j(I, R) - время задержки фрагмента ui,j реализации, содержащего сигнал, прошедший по траектории с общим количеством (I+R) отражений от обеих границ объекта контроля;

τ_u - длительность зондирующего импульса.

Недостатком данного способа является невозможность корректно определить пространственные координаты каждого элемента гибкой антенной решетки из-за измерения только одной координаты и, следовательно, провести корректно реконструкцию томограммы с использованием метода цифровой фокусировки.

Техническим результатом предложенного способа является определение пространственных координат каждого элемента гибкой антенной решетки и на основе этого выполнение реконструкции томограммы методом полной фокусировки.

Способ ультразвуковой томографии, также как в прототипе, включает размещение гибкой антенной решетки вплотную на поверхности объекта контроля с плоской или криволинейной поверхностью, помещенного в иммерсионную ванну, размещение акустического датчика с обратной стороны гибкой антенной решетки так, что он расположен в иммерсионной жидкости, а гибкая антенная решетка полностью расположена в его акустическом поле, излучение ультразвуковых сигналов независимо каждым элементом решетки, прием излученных в обратную сторону ультразвуковых сигналов каждым элементом гибкой антенной решетки, определение расстояния от каждого элемента гибкой антенной решетки до акустического датчика по времени распространения ультразвуковых сигналов от каждого элемента гибкой антенной решетки до акустического датчика, определение по этим данным координат элементов гибкой антенной решетки, используемым для реконструкции изображения внутренней структуры объекта контроля поочередно для каждой визуализируемой точки методом цифровой фокусировки, детектирование суммарного сигнала, сохранение значения максимума в памяти изображений, кодирование в градациях серого или цветом для отображения на экране дисплея,

Согласно изобретению с обратной стороны гибкой антенной решетки размещают три акустических датчика в вершинах произвольного треугольника на пластине, прикрепленной к кронштейну на краю иммерсионной ванны так, что они погружены в иммерсионную жидкость, а гибкая антенная решетка полностью расположена в их акустическом поле. Излученные в обратную сторону ультразвуковые сигналы каждым элементом гибкой антенной решетки принимают тремя акустическими датчиками, преобразуют в электрические сигналы, которые усиливают, сравнивают с пороговым значением, фиксируют время между излученным сигналом и срабатыванием компаратора, по этому времени определяют расстояния от каждого элемента гибкой антенной решетки до трех акустических датчиков. По этим данным определяют координаты элементов гибкой антенной решетки решая систему трех уравнений:

,

где , , - координаты первого акустического датчика;

, , - координаты второго акустического датчика;

, , - координаты третьего акустического датчика;

, , - координаты s-го элемента гибкой акустической решетки;

- расстояние между первым акустическим датчиком и s-ым элементом гибкой антенной решетки;

- расстояние между вторым акустическим датчиком и s-ым элементом гибкой антенной решетки;

- расстояние между третьим акустическим датчиком и s-ым элементом гибкой антенной решетки,

полученные значения координат элементов гибкой антенной решетки используют для реконструкции томограммы методом цифровой фокусировки.

Реконструируют томограмму методом цифровой фокусировки, используя выражение:

где u_A(t) - суммарный сигнал, принятый антенной решеткой из точки А(x, z) объекта контроля с координатами x, z;

i, j - номера излучающих и принимающих элементов антенной решетки соответственно;

I, R - общее количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля на прямом пути от антенной решетки к точке А(x, z) и на обратном пути от точки А(x, z) к антенной решетке соответственно;

М - максимальное количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля отдельно на прямом и обратном путях распространения сигнала, используемое при реконструкции изображения;

u_i,j - фрагмент реализации, полученной от элементов i, j антенной решетки;

t - текущее время;

t_Ai,j(I, R) - время задержки фрагмента u_i,j реализации, содержащего сигнал, прошедший по траектории с общим количеством (I+R) отражений от обеих границ объекта контроля;

τ_u - длительность зондирующего импульса.

Таким образом, использование трех акустических датчиков, расположенных с обратной стороны гибкой антенной решетки, прием сигналов, излученных этой стороной гибкой антенной решетки, вычисление координат каждого элемента гибкой антенной решетки позволяет получить томограмму зоны контроля изделия с криволинейной внешней поверхностью.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого устройства.

На фиг. 2 показана томограмма зоны контроля, полученная предложенным способом, с использованием гибкой антенной решетки.

На фиг. 3 показана томограмма зоны контроля, полученная с использованием прототипа.

Способ ультразвуковой томографии осуществлен с помощью устройства, которое содержит гибкую антенную решетку 1 с n приемно-передающими элементами 2.1, 2.2, …, 2.n, каждый из которых соединен с выходом соответствующего генератора импульсов 3.1 (ГИ1), 3.2 (ГИ2), …, 3.n (ГИn) и входом соответствующей цепочки последовательно соединенных усилителя 4.1 (У1), 4.2. (У2), …, 4.n (Уn) и аналого-цифрового преобразователя 5.1 (АЦП1), 5.2 (АЦП2), …, 5.n (АЦПn).

Выход каждого аналого-цифрового преобразователя 5.1 (АЦП1), 5.2 (АЦП2), …, 5.n (АЦПn) соединен с соответствующим входом блока памяти реализаций 6 (БПР), количество выходов которого N определено формулой:

N=n·(n+1)/2.

N выходов блока памяти реализаций 6 (БПР) по количеству принятых реализаций ультразвуковых сигналов соединены с соответствующими входами вычислительного блока 7 (ВБ), который связан с блоком памяти изображений 8 (БПИ), соединенным с дисплеем 9 (Д).

С вычислительным блоком 7 (ВБ) соединен блок накопительной памяти 10 (БНП). Входы синхронизации каждого генератора импульсов 3.1 (ГИ1), 3.2 (ГИ2), …, 3.n (ГИn), блока памяти реализаций 6 (БПР), вычислительного блока 7 (ВБ) и блока памяти изображения 8 (БПИ) соединены с соответствующими выходами блока синхронизации 11 (БС).

Гибкая антенная решетка 1 вплотную размещена на поверхности объекта контроля 12, помещенного в иммерсионную ванну, наполненную иммерсионной жидкостью. На пластине, закрепленной на кронштейне на краю иммерсионной ванны, установлены три акустических датчика 13.1 (АД1), 13.2 (АД2) и 13.3 (АД3) так, что они находятся в иммерсионной жидкости в вершинах произвольного треугольника, а гибкая антенная решетка 1 полностью расположена в их акустическом поле.

Каждый акустический датчик 13.1 (АД1), 13.2 (АД2), 13.3 (АД3) связан через соответствующие, последовательно соединенные усилитель 14.1 (У1.1), 14.2 (У2), 14.3 (У3), компаратор 15.1 (К1), 15.2 (К2), 15.3 (К3) и измеритель временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2), 16.3 (И3) с блоком вычисления координат 17 (БВК), выход которого связан с вычислительным блоком 7 (ВБ) Второй вход каждого компаратора 15.1 (К1), 15.2 (К2), 15.3 (К3) соединен с источником опорного напряжения 18 (ИОН). Каждый измеритель временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2), 16.3 (И3) связан с выходом логического сумматора 19 (ЛС), входы которого подключены к входам генераторов импульсов 3.1 (ГИ1), 3.2 (ГИ2), …, 3.n (ГИn) и к входам блока вычисления координат 17 (БВК). Каждый измеритель временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2), 16.3 (И3) связан с блоком синхронизации 11 (БС).

Гибкая антенная решетка 1 является набором 16 или более приемно-передающих элементов, располагаемых матрично или линейно, например, S564-1,0*10 фирмы Doppler. Генераторы импульсов 3.1 (ГИ1), 3.2 (ГИ2), …, 3.n (ГИn) выполнены на микросхемах, имеющих импульсный ток коллектора не менее 2А и выходное напряжение 90 В, например, STHV748. Усилители 4.1 (У1), 4.2. (У2), …, 4.n (Уn), 14.1 (У1), 14.2 (У2), 14.3 (У3) выполнены по типовой схеме, например, на микросхемах AD603. Аналого-цифровые преобразователи 5.1 (АЦП1), 5.2 (АЦП2), …, 5.n (АЦПn) выполнены, например, на микросхемах ADС9057. Блок памяти реализаций 6 (БПР), объемом не менее 64 Кб, выполнен на типовых микросхемах, например, на микросхемах IDT72V293. Вычислительный блок 7 (ВБ) может быть выполнен на микроконтроллере, например, ATMEGA64, фирмы ATMEL. Блок памяти изображения 8 (БПИ) и блок накопительной памяти 10 (БНП) объемом не менее 100 МГб, могут быть выполнены, например, на модулях памяти, используемых в персональных компьютерах, 1ГБ DDR SDRAM PC3200, 400МГц. Дисплей 9 (Д) выполнен на матричной панели или на мониторе персонального компьютера, например, BENQ G2320HDB. Блок синхронизации 11 (БС) может быть выполнен на микроконтроллере, например, ATMEGA64, фирмы ATMEL. Акустические датчики 13.1 (АД1), 13.2 (АД2), 13.3 (АД3) могут быть типовыми, например, SF5020 (П111-5,0-К20). Компараторы 15.1 (К1), 15.2 (К2), 15.3 (К3) могут быть типовыми, например, К521СА3. Измерители временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2), 16.3 (И3) могут быть реализованы на двоичных счетчиках, например К1533 ИЕ7. Блок вычисления координат 17 (БВК() может быть реализован на высокопроизводительном микроконтроллере, например STM32. Источник опорного напряжения 18 (ИОН) может быть выполнен на типовой микросхеме, например, AD680ARZ. Логический сумматор может быть реализован на логических элементах, реализующих функцию «ИЛИ», например, К1533 ЛИ1.

Объект контроля 12, например, с криволинейной поверхностью, помещают в иммерсионную ванну, заполненную иммерсионной жидкостью. Гибкую антенную решетку 1 вплотную размещают на поверхности объекта контроля 12. Акустические датчики 13.1 (АД1), 13.2 (АД2), 13.3 (АД3), расположенные с другой стороны от гибкой антенной решетки 1, полностью погружены в иммерсионную жидкость так, что гибкая антенная решетка 1 полностью находится в их акустическом поле.

По сигналу от блока синхронизации 11 (БС) измерители временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2), 16.3 (И3) устанавливаются в нулевое состояние, затем блок синхронизации 11 (БС) подает сигнал на первый генератор импульсов 3.1 (ГИ1), который формирует сигнал возбуждения для первого приемо-передающего элемента 2.1 гибкой акустической решетки 1. Этот же сигнал от блока синхронизации 11 (БС) поступает в блок вычисления координат 17 (БВК) для получения информации о работе первого приемо-передающего элемента 2.1 гибкой акустической решетки 1 и в логический сумматор 19 (ЛС), выходной сигнал которого запускает измерители временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2), 16.3 (И3). В объект контроля 12 излучается зондирующий сигнал. В этот момент все приемно-передающие элементы 2.1, 2.2, …, 2.n, начинают принимать ультразвуковые сигналы из объекта контроля 12. Эти сигналы, преобразованные в электрические, усиливаются в соответствующих усилителях 4.1 (У1), 4.2. (У2), …, 4.n (Уn), оцифровываются в аналого-цифровых преобразователях 5.1 (АЦП1), 5.2 (АЦП2), …, 5.n (АЦПn) и записываются в блок памяти реализаций 6 (БПР) независимо друг от друга, без каких-либо преобразований и временных сдвигов. Эти сигналы записываются в интервале времени, превышающем с некоторым запасом время распространения ультразвуковых сигналов от излучающего первого приемо-передающего элемента 2.1 гибкой антенной решетки 1 к наиболее дальней визуализируемой точке объекта контроля 12 и обратно - к самому удаленному от нее приемо-передающему элементу 2.n гибкой антенной решетки 1. Одновременно с этим процессом происходит прием сигнала, излученного обратной стороной первого приемо-передающего элемента 2.1 гибкой антенной решетки 1, акустическими датчиками 13.1 (АД1), 13.2 (АД2) и 13.3 (АД3), его усиление усилителями 14.1 (У1), 14.2 (У2) и 14.3 (У3). При превышении этим сигналом порогового уровня, который задается источником опорного напряжения 18 (ИОН), компараторы 15.1 (К1), 15.2 (К2) и 15.3 (К3) выдают сигналы на измерители временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2) и 16.3 (И3) останавливая их работу. Информация о длительности временных интервалов поступает в блок вычисления координат 17 (БВК), который вычисляет координаты (, , ) первого приемо-передающего элемента 2.1 гибкой антенной решетки 1 методом триангуляции, решая систему трех уравнений:

,

где , , - координаты первого акустического датчика;

, , - координаты второго акустического датчика;

, , - координаты третьего акустического датчика;

, , - координаты первого элемента гибкой акустической решетки;

- расстояние между первым акустическим датчиком и первым элементом гибкой антенной решетки;

- расстояние между вторым акустическим датчиком и первым элементом гибкой антенной решетки;

- расстояние между третьим акустическим датчиком и первым элементом гибкой антенной решетки.

Рассчитанные координаты блок вычисления координат 17 (БВК) передает в вычислительный блок 7 (ВБ).

Далее по сигналу от блока синхронизации 11 (БС) измерители временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2), 16.3 (И3) устанавливаются в нулевое состояние, а второй генератор импульсов 3.2 (ГИ2) по сигналу от блока синхронизации 11 (БС) возбуждает второй приемо-передающий элемент 2.2 гибкой антенной решетки 1, который посылает в объект контроля 12 зондирующий сигнал. Этот же сигнал от блока синхронизации 11 (БС) поступает в блок вычисления координат 17 (БВК) для получения информации о работе второго приемо-передающего элемента 2.2 гибкой акустической решетки 1 и в логический сумматор 19 (ЛС), выходной сигнал которого запускает измерители временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2) и 16.3 (И3). Снова происходит прием и запись принятых сигналов в блок памяти реализаций 6 (БПР). Но сигналы, принятые первым приемо-передающим элементом 2.1, в данном случае не записываются, так как реализация этих сигналов, согласно принципу взаимности, тождественна той, которая уже была принята вторым приемо-передающим элементом 2.2 при посылке зондирующего сигнала ее первым приемо-передающим элементом 2.1 в предыдущем цикле зондирования-приема ультразвуковых сигналов. Одновременно с этим процессом происходит прием сигнала, излученного обратной стороной второго приемо-передающего элемента 2.2, акустическими датчиками 13.1 (АД1), 13.2 (АД2) и 13.3 (АД3), его усиление усилителями 14.1 (У1), 14.2 (У2) и 14.3 (У3). При превышении этим сигналом порогового уровня, который задается источником опорного напряжения 18 (ИОН), компараторы 15.1 (К1), 15.2 (К2) и 15.3 (К3) выдают сигналы на измерители временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2) и 16.3 (И3) останавливая их работу. Информация о длительности временных интервалов поступает в блок вычисления координат 17 (БВК), который вычисляет координаты (, , ) второго приемо-передающего элемента 2.2 гибкой антенной решетки 1 методом триангуляции, решая систему трех уравнений:

,

где , , - координаты первого акустического датчика;

, , - координаты второго акустического датчика;

, , - координаты третьего акустического датчика;

, , - координаты второго элемента гибкой акустической решетки;

- расстояние между первым акустическим датчиком и вторым элементом гибкой антенной решетки;

- расстояние между вторым акустическим датчиком и вторым элементом гибкой антенной решетки;

- расстояние между третьим акустическим датчиком и вторым элементом гибкой антенной решетки.

Рассчитанные координаты блок вычисления координат 17 (БВК) передает в вычислительный блок 7 (ВБ).

Затем в третьем цикле зондирования-приема ультразвуковых сигналов все происходит аналогично изложенному выше, по сигналу от блока синхронизации 11 (БС) измерители временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2), 16.3 (И3) устанавливаются в нулевое состояние, а третий генератор импульсов 3.3 (ГИ3) по сигналу от блока синхронизации 11 (БС) возбуждает третий приемо-передающий элемент 2.3 гибкой антенной решетки 1, который посылает в объект контроля 12 зондирующий сигнал. Этот же сигнал от блока синхронизации 11 (БС) поступает в блок вычисления координат 17 (БВК) для получения информации о работе третьего приемо-передающего элемента 2.3 гибкой акустической решетки 1 и в логический сумматор 19 (ЛС), выходной сигнал которого запускает измерители временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2), 16.3 (И3). Снова происходит прием и запись принятых сигналов в блок памяти реализаций 6 (БПР), но сигналы от первого 2.1 и второго 2.2 приемо-передающих элементов гибкой акустической решетки 1 не записываются. Одновременно с этим процессом происходит прием сигнала, излученного обратной стороной третьего приемо-передающего элемента 2.3, акустическими датчиками 13.1 (АД1), 13.2 (АД2), 13.3 (АД3), его усиление усилителями 14.1 (У1), 14.2 (У2), 14.3 (У3). При превышении этим сигналом порогового уровня, который задается источником опорного напряжения 18 (ИОН), компараторы 15.1 (К1), 15.2 (К2) и 15.3 (К3) выдают сигналы на измерители временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2) и 16.3 (И3) останавливая их работу. Информация о длительности временных интервалов поступает в блок вычисления координат 17 (БВК), который вычисляет координаты (, , ) третьего приемо-передающего элемента 2.3 гибкой антенной решетки 1 методом триангуляции, решая систему трех уравнений:

,

где , , - координаты первого акустического датчика;

, , - координаты второго акустического датчика;

, , - координаты третьего акустического датчика;

, , - координаты третьего элемента гибкой акустической решетки;

- расстояние между первым акустическим датчиком и третьим элементом гибкой антенной решетки;

- расстояние между вторым акустическим датчиком и третьим элементом гибкой антенной решетки;

- расстояние между третьим акустическим датчиком и третьим элементом гибкой антенной решетки.

Рассчитанные координаты блок вычисления координат 17 (БВК) передает в вычислительный блок 7 (ВБ).

В последнем, n-ном цикле зондирования-приема по сигналу от блока синхронизации 11 (БС) измерители временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2), 16.3 (И3) устанавливаются в нулевое состояние, а n-ный генератор импульсов 3.n (ГИn) по сигналу от блока синхронизации 11 (БС) возбуждает n-ный приемо-передающий элемент 2.n гибкой антенной решетки 1, который посылает в объект контроля 12 зондирующий сигнал. Этот же сигнал от блока синхронизации 11 (БС) поступает в блок вычисления координат 17 (БВК) для получения информации о работе n-ного приемо-передающего элемента 2.n гибкой акустической решетки 1 и в логический сумматор 19 (ЛС), выходной сигнал которого запускает измерители временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2) и 16.3 (И3). Снова происходит прием и запись принятых сигналов в блок памяти реализаций 6 (БПР), но в блок памяти реализаций 6 (БПР) записывается всего одна реализация принятых сигналов. Одновременно с этим процессом происходит прием сигнала, излученного обратной стороной n-ного приемо-передающего элемента 2.n, акустическими датчиками 13.1 (АД1), 13.2 (АД2) и 13.3 (АД3), его усиление усилителями 14.1 (У1), 14.2 (У2) и 14.3 (У3). При превышении этим сигналом порогового уровня, который задается источником опорного напряжения 18 (ИОН), компараторы 15.1 (К1), 15.2 (К2), 15.3 (К3) выдают сигналы на измерители временных интервалов 16.1 (И1), 16.2 (И2) и 16.3 (И3) останавливая их работу. Информация о длительности временных интервалов поступает в блок вычисления координат 17 (БВК), который вычисляет координаты (, , ) n-ного приемо-передающего элемента 2.n гибкой антенной решетки 1 методом триангуляции, решая систему трех уравнений:

,

где , , - координаты первого акустического датчика;

, , - координаты второго акустического датчика;

, , - координаты третьего акустического датчика;

, , - координаты n-го элемента гибкой акустической решетки;

- расстояние между первым акустическим датчиком и n-ым элементом гибкой антенной решетки;

- расстояние между вторым акустическим датчиком и n-ым элементом гибкой антенной решетки;

- расстояние между третьим акустическим датчиком и n-ым элементом гибкой антенной решетки.

Рассчитанные координаты блок вычисления координат 17 (БВК) передает в вычислительный блок 7 (ВБ).

После выполнения всех этих циклов зондирования-приема ультразвуковых сигналов, то есть после того как все приемо-передающие элементы 2 гибкой антенной решетки 1 совершат по одной посылке зондирующего сигнала, в блоке памяти реализаций 6 (БПР) оказываются записанными N=n·(n+1)/2 реализаций принятых сигналов. Каждая реализация - это результат зондирования и приема сигналов каждой из возможных пар приемо-передающих элементов 2.1, 2.2, …, 2.n включая и совмещенные пары, когда излучатель и приемник - один и тот же элемент. В частности, если n=16, количество реализаций N=136.

После этого начинается реконструкция изображения внутренней структуры объекта контроля 12 поочередно для каждой визуализируемой точки. Для этого вычислительный блок 7 (ВБ) реализует функцию:

,

где u_A(t) - суммарный сигнал, принятый гибкой антенной решеткой из точки А(x, z) объекта контроля с координатами (x, z);

i, j - номера передающих и приемных элементов гибкой антенной решетки соответственно;

I, R - общее количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля на прямом пути от гибкой антенной решетки к точке А(x, z) и на обратном пути от точки А(x, z) к гибкой антенной решетке соответственно;

М - максимальное количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля отдельно на прямом и обратном путях распространения сигнала, используемое при реконструкции изображения;

u_i,j - фрагмент реализации, полученной от элементов i, j антенной решетки;

t - текущее время;

t_Ai,j(I, R) - время задержки фрагмента u_i,j реализации, содержащего сигнал, прошедший по траектории с общим количеством (I+R) отражений от обеих границ объекта контроля;

τ_u - длительность зондирующего сигнала.

Полученный суммарный сигнал u_A(t) для каждой визуализируемой точки сохраняется в блоке накопительной памяти 10 (БНП), а затем в вычислительном блоке 7 (ВБ) суммарный сигнал u_A(t) детектируется (вычисляется его огибающая) и значение U_A максимума полученной функции записывается в блок памяти изображения 8 (БПИ). Это значение (число) кодируется в градациях серого или цветом для отображения на экране дисплея 9 (Д).

На фиг. 2 показана томограмма зоны контроля изделия с криволинейной поверхностью и искусственно внесенным дефектом, полученная с помощью предлагаемого устройства. Гибкую антенную решетку 1 располагали сверху изделия и плотно прижимали к поверхности. Частота излучения составила 5 МГц. На томограмме отображается в виде темно-синего пятна акустический образ дефекта. Расстояния от решетки до дефекта составило 21 мм.

На фиг. 3 показана томограмма зоны контроля этого же изделия, полученная с помощью прототипа. На термограмме отображается в виде темно-синих пятен акустический образ трех дефектов вместо одного.

Изобретение относится к области ультразвукового неразрушающего контроля и может быть использовано при ультразвуковом контроле изделия с криволинейной внешней поверхностью и одностороннем доступе, например, шейки коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, трубопроводов или трубопроводов с конусной поверхностью. Способ ультразвуковой томографии заключается в том, что используют гибкую антенную решетку для контроля объекта с криволинейной внешней поверхностью, который размещают в иммерсионной ванне. Гибкую антенную решетку вплотную размещают на поверхности объекта контроля, а над ней размещают три приемных акустических датчика, причем все акустические датчики расположены в вершинах произвольного треугольника на пластине, прикрепленной к кронштейну на краю иммерсионной ванны, так что они погружены в иммерсионную жидкость, а гибкая антенная решетка полностью расположена в их акустическом поле. Излучают ультразвуковые сигналы независимо каждым элементом решетки, принимают эти сигналы каждым элементом гибкой антенной решетки, оцифровывают и запоминают в памяти реализаций. Излученные в обратную сторону каждым элементом гибкой антенной решетки ультразвуковые сигналы принимают тремя приемными ультразвуковыми датчиками. По времени распространения ультразвуковых сигналов от каждого элемента гибкой антенной решетки до каждого из трех ультразвуковых датчиков определяют расстояние от каждого элемента гибкой антенной решетки до каждого из трех ультразвуковых датчиков. Рассчитывают координаты элементов гибкой антенной решетки и полученные значения используют для реконструкции томограммы методом цифровой фокусировки. Суммарный сигнал детектируют, значение максимума сохраняют в памяти изображений и кодируют в градациях серого или цветом для отображения на экране дисплея. Технический результат: определение пространственных координат каждого элемента гибкой антенной решетки и на основе этого выполнение реконструкции томограммы методом полной фокусировки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ ультразвуковой томографии, включающий размещение гибкой антенной решетки вплотную на поверхности объекта контроля с плоской или криволинейной поверхностью, помещенного в иммерсионную ванну, размещение акустического датчика с обратной стороны гибкой антенной решетки так, что он расположен в иммерсионной жидкости, а гибкая антенная решетка полностью расположена в его акустическом поле, излучение ультразвуковых сигналов независимо каждым элементом решетки, прием излученных в обратную сторону ультразвуковых сигналов каждым элементом гибкой антенной решетки, определение расстояния от каждого элемента гибкой антенной решетки до акустического датчика по времени распространения ультразвуковых сигналов от каждого элемента гибкой антенной решетки до акустического датчика, определение по этим данным координат элементов гибкой антенной решетки, используемым для реконструкции изображения внутренней структуры объекта контроля поочередно для каждой визуализируемой точки методом цифровой фокусировки, детектирование суммарного сигнала, сохранение значения максимума в памяти изображений, кодирование в градациях серого или цветом для отображения на экране дисплея, отличающийся тем, что с обратной стороны гибкой антенной решетки размещают три акустических датчика в вершинах произвольного треугольника на пластине, прикрепленной к кронштейну на краю иммерсионной ванны так, что они погружены в иммерсионную жидкость, а гибкая антенная решетка полностью расположена в их акустическом поле, излученные в обратную сторону ультразвуковые сигналы каждым элементом гибкой антенной решетки принимают тремя акустическими датчиками, преобразуют в электрические сигналы, которые усиливают, сравнивают с пороговым значением, фиксируют время между излученным сигналом и срабатыванием компаратора, по этому времени определяют расстояния от каждого элемента гибкой антенной решетки до трех акустических датчиков, по этим данным определяют координаты элементов гибкой антенной решетки, решая систему трех уравнений:

где , , - координаты первого акустического датчика;

, , - координаты второго акустического датчика;

, , - координаты третьего акустического датчика;

, , - координаты s-го элемента гибкой акустической решетки;

l₁ - расстояние между первым акустическим датчиком и s-ым элементом гибкой антенной решетки;

l₂ - расстояние между вторым акустическим датчиком и s-ым элементом гибкой антенной решетки;

l₃ - расстояние между третьим акустическим датчиком и s-ым элементом гибкой антенной решетки,

полученные значения координат элементов гибкой антенной решетки используют для реконструкции томограммы методом цифровой фокусировки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что реконструируют томограмму методом цифровой фокусировки, используя выражение:

,

где u_A(t) - суммарный сигнал, принятый антенной решеткой из точки А(x, z) объекта контроля с координатами x, z;

i, j - номера излучающих и принимающих элементов антенной решетки соответственно;

I, R - общее количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля на прямом пути от антенной решетки к точке А(x, z) и на обратном пути от точки А(x, z) к антенной решетке соответственно;

М - максимальное количество отражений ультразвукового сигнала от обеих границ объекта контроля отдельно на прямом и обратном путях распространения сигнала, используемое при реконструкции изображения;

u_i,j - фрагмент реализации, полученной от элементов i, j антенной решетки;

t - текущее время;

t_Ai,j(I, R) - время задержки фрагмента u_i,j реализации, содержащего сигнал, прошедший по траектории с общим количеством (I+R) отражений от обеих границ объекта контроля;

- длительность зондирующего импульса.