Понятия. Чувствительность - важная характеристика метода контроля, по­скольку определяет возможность выявле­ния минимальных дефектов. Далее поня­тие "чувствительность" рассматривается в двух аспектах: как параметр, настраивае­мый на обеспечение нахождения дефектов с отражательной способностью, большей определенного уровня, и как возможность обнаружения дефектов минимального раз­мера.

В первом случае чувствительность является параметром и метода, и аппара­туры, поскольку при настройке прибора ограничивают возможность выявления малых дефектов, задавая определенный размер подлежащих обнаружению дефек­тов (по их отражательной способности). В России под размером дефекта, как прави­ло, понимают диаметр или площадь плос­кодонного отверстия. Далее даются опре­деления различным вариантам понятия "чувствительность" как параметра и мето­да, и аппаратуры.

В практике контроля применяют по­нятие "уровень фиксации" (контрольный уровень или уровень оценки). Это площадь плоскодонного отражателя, который дол­жен обнаруживаться дефектоскопом во всем контролируемом изделии. Если сиг­нал от реального дефекта превосходит уровень фиксации, то такой дефект дол­жен быть зафиксирован и должна быть оценена его допустимость.

Настройка чувствительности при контроле изделий обычно ставит целью обеспечение заданного уровня фиксации. Нужно добиться, чтобы заданное плоско­донное отверстие гарантированно выявля­лось во всем изделии. Для этого настраи­вают чувствительность для максимальной глубины, а затем уменьшают ее на мень­ших глубинах с помощью временной ре­гулировки чувствительности (ВРЧ) или применяют другие способы корректиров­ки чувствительности с глубиной.

После того как соответствующая уровню фиксации чувствительность уста­новлена, ее поднимают на некоторую ве­личину (обычно на 6 дБ или более) и ведут контроль. Эту повышенную чувствитель­ность называют поисковой. Когда обнару­жен сигнал от дефекта, чувствительность возвращают к уровню фиксации. Если сигнал от дефекта превосходит этот уро­вень, оценивают характеристики дефекта.

Кроме того, используют понятие "уровень браковки". Ему соответствует амплитуда эхосигнала от максимально допустимого плоскодонного отверстия. Обычно уровень браковки по высоте ам­плитуд эхосигналов на 6 дБ выше уровня фиксации. Соответствующая чувствитель­ность будет на 6 дБ ниже уровня фикса­ции. Часто НТД на контроль [289] преду­сматривают первоначальную настройку чувствительности не на уровень фикса­ции, а на уровень браковки.

С позиций возможности обнаружения дефектов минимального размера исполь­зуют следующие понятия чувствительно­сти.

Максимальная электрическая чувст­вительность - отношение минимального электрического сигнала, который может зафиксировать дефектоскоп, к максималь­ной амплитуде электрического зонди­рующего импульса. Это понятие характе­ризует чувствительность дефектоскопа как электронного прибора без преобразо­вателя.

Абсолютная чувствительность - от­ношение минимальной амплитуды аку­стического сигнала, который может за­фиксировать дефектоскоп с используемым преобразователем, к максимальной ампли­туде акустического зондирующего им­пульса с учетом шумов преобразователя и дефектоскопа. Ее можно назвать макси­мальной акустической чувствительно­стью.

При смене преобразователя абсолют­ная чувствительность изменяется, напри­мер она больше для прямого и меньше для наклонного преобразователей. Абсолют­ной чувствительностью дефектоскопа на­зывают максимальное значение абсолют­ной чувствительности, достигаемое с лю­бым преобразователем, входящим в ком­плект дефектоскопа. Способ определения акустической чувствительности дефекто­скопа рассмотрен в разд. 2.2.1.3.

В зарубежной практике применяют понятие "резерв чувствительности". Это отношение минимального акустического сигнала, который может зафиксировать дефектоскоп с данным преобразователем, к амплитуде максимально возможного акустического эхосигнала. Максимальный акустический эхосигнал достигается, если вся излученная энергия возвращается к приемному преобразователю. В практике контроля всегда возникают потери, по­этому это условие выполняется прибли­женно.

При контроле прямым преобразова­телем максимальный сигнал - это донный сигнал от образца небольшой толщины, значительно меньшей протяженности ближней зоны преобразователя, при кон­троле наклонным преобразователем это максимальный сигнал от вогнутой по­верхности образцов V-l, V-2 или СО-3. Сигнал с еще большей амплитудой может быть достигнут при установке преобразо­вателя в центр полусферического образца, но такие образцы в практике контроля, как правило, не применяются. Перечисленные сигналы на 1 ... 3 дБ меньше максималь­ной амплитуды акустического зондирую­щего импульса, определяемого по АРД диаграмме или расчетным путем. Соот­ветственно, резерв чувствительности на 1 ... 3 дБ меньше абсолютной чувстви­тельности.

Другие понятия чувствительности, упоминаемые в разд. 2.2.4.1, при практи­ческом контроле употребляются редко, однако дадим их определения.

Предельная чувствительность - площадь минимального диска или плоско­донного отражателя, обнаруживаемого дефектоскопом при заданной его настрой­ке в контролируемом изделии на опреде­ленной глубине. Не следует полагать, что это понятие характеризует величину наи­меньшего выявляемого дефекта при мак­симальной чувствительности аппаратуры.

Условная чувствительность опреде­ляется по некоторому искусственному отражателю в ГСО. Это может быть одно из отверстий диаметром 2 мм в СО-1 (см. рис. 2.23). Затухание УЗ в оргстекле велико, поэтому эхосигналы от боковых отверстий быстро ослабевают с увеличе­нием глубины их расположения. Глубина залегания наиболее удаленного выявляе­мого отверстия в миллиметрах - это и есть цифра, определяющая условную чувстви­тельность дефектоскопа (при определен­ной его настройке) по СО-1.

Можно использовать также иные способы задания условной чувствительно­сти. В качестве отражателя выбирают от­верстие диаметром 6 мм в СО-2 или во­гнутую поверхность СО-3. В этом случае условная чувствительность - число деци­белов, показывающее, на сколько нужно изменить чувствительность от настройки по СО, чтобы получить заданную пре­дельную чувствительность.

Понятие "условная чувствитель­ность" нужно для того, чтобы запомнить и воспроизвести чувствительность дефекто­скопа при замене преобразователя на дру­гой того же типа или каких-либо других изменениях в аппаратуре. Использование СО-2 обладает преимуществами перед СО-3, так как в случае СО-2 точнее учи­тывается индивидуальная диаграмма на­правленности преобразователя. Сопостав­ление значений условной чувствительно­сти, измеренных различными способами, дается в [226].

Реальная чувствительность характе­ризуется минимальными размерами де­фектов конкретного типа, выявляемых в изделии на заданной глубине при опреде­ленной настройке аппаратуры. Она может быть определена в результате статистиче­ской обработки данных контроля, разрез­ки и металлографических исследований большой партии однотипной продукции.

Эквивалентная чувствительность - это чувствительность, настроенная по лю­бому заранее оговоренному искусствен­ному или естественному отражателю в контролируемом материале. По другому определению, это минимальный эквива­лентный размер выявляемой несплошно - сти на определенном расстоянии от точки ввода при заданных условиях контроля.

Настройка на заданную чувстви­тельность с использованием образцов с

искусственными дефектами наиболее удобна. Искусственные дефекты выбира­ют такими, чтобы их легко было изгото­вить с достаточной точностью, чтобы от них четко наблюдался максимум эхосиг - нала и по возможности искусственный дефект хорошо имитировал наиболее час­то встречающиеся реальные дефекты. По­лучив максимум эхосигнала, чувствитель­ность часто дополнительно регулируют аттенюатором, чтобы установить задан­ный уровень фиксации. Величину необхо­димого изменения чувствительности оп­ределяют путем экспериментов или расче­тов.

Точное изготовление плоскодонных отверстий, которые являются основной мерой чувствительности, довольно слож­но, особенно если их нужно выполнить в образце на разной глубине под углом к
поверхности (см. разд. 2.2.1.3). Вместо них используют такие отражатели, как дно ОК, двугранный угол, боковое цилиндри­ческое отверстие, зарубка, сегмент, регу­лируя при необходимости после настрой­ки на них чувствительность аттенюато­ром. Сопоставить амплитуды эхосигналов от рассмотренных отражателей с сигна­лами от плоскодонных отверстий расчет­ным способом можно, используя формулы акустического тракта (см. разд. 2.2.2).

Для удобства расчетов эхосигналов от отражателей составляют номограммы. Безразмерная АРД диаграмма для плоско­донного отражателя рассмотрена в разд. 2.2.2.2. На рис. 2.58 показана раз­мерная АРД диаграмма для конкретного преобразователя. По оси ординат отложе­но ослабление эхосигнала по сравнению с зондирующим импульсом в децибелах; по
оси абсцисс - расстояние от преобразова­теля до отражателя в миллиметрах; пара­метр кривых - диаметр плоскодонного отверстия d.

Заменяя сетку горизонтальных линий наклонными, учитывают затухание УЗ в изделии. Например, штриховые наклон­ные линии с крупными штрихами соответ­ствуют коэффициенту затухания 0,015 Нп/см.

Покажем, как с помощью этой диа­граммы настроить чувствительность. Предположим, что нужно, используя дон­ный сигнал, обеспечить настройку на уро­вень фиксации 7 мм2, что соответствует диаметру отверстия 3 мм, при толщине изделия 60 мм. Наибольшее ослабление эхосигнала соответствует этой толщине.

На пересечении кривой d = 3 мм и ординаты 60 мм находим точку. Следуем от нее по штриховой линии до пересече­ния с осью ординат и находим ослабление 30 дБ. Для донного сигнала на глубине 60 мм ослабление 10 дБ. Установим на экране дефектоскопа амплитуду донного сигнала на стандартный уровень (линия на экране). Увеличиваем усиление аттенюа­тором на 30 - 10 = 20 дБ. Требуемый уро­вень фиксации установлен для макси­мальной толщины. Если не ввести ВРЧ, то для меньших толщин он будет завышен, т. е. будут выявляться более мелкие дефек­ты.

Если АРД диаграмму предполагается использовать не только для настройки чувствительности, но и для измерения эквивалентных размеров дефектов (см. разд. 3.2.2), рекомендуется другой способ настройки. Найденное значение амплиту­ды донного сигнала (10 дБ) отложим на аттенюаторе дефектоскопа. Некалибро - ванными регуляторами чувствительности установим амплитуду импульса, соответ­ствующего донному сигналу, на стандарт­ный уровень. После этого показания шка­лы аттенюатора дефектоскопа будут сов­падать со значениями оси ординат АРД диаграммы. Для настройки на уровень фиксации 7 мм2 достаточно отложить на шкале аттенюатора 30 дБ.

Для завершения настройки следует выровнять чувствительность по глубине изделия. С этой целью нужно ввести ВРЧ, но можно использовать также накладные шкалы. На экран надевают прозрачный транспарант, на котором нанесены кривые АРД диаграммы для плоскодонных отвер­стий двух диаметров, соответствующих уровням фиксации и браковки. Первона­чально наносят только одну кривую, на­пример для браковочного уровня (рис. 2.59), а другую проводят на 6 дБ ни­же, если уровень фиксации на 6 дБ ниже уровня браковки.

Поисковый уровень обычно пред­ставляют горизонтальной линией, которая на максимальном расстоянии от зонди­рующего импульса расположена на 6 дБ ниже уровня фиксации. На меньших рас­стояниях повышение чувствительности на поисковом уровне будет больше, чем на 6 дБ, отличаться от уровня фиксации, что следует учитывать. Накладные шкалы так же, как размерные АРД диаграммы, строят для каждого типа преобразователя.

Настройку на заданную чувствитель­ность по размерной АРД диаграмме мож­но выполнять также, используя в качестве опорного сигнала не донный, а сигнал от отверстия диаметром 6 мм в СО-2 или сигнал от вогнутой поверхности СО-3 (см. разд. 2.2.2.2). Последний вариант гораздо хуже: при нем не учитывается индивиду­альная диаграмма направленности преоб­разователя, поскольку все лучи в плоско­сти падения возвращаются назад к излуча­телю-приемнику.

На рис. 2.58 отмечен уровень, соот­ветствующий эхосигналу от отверстия диаметром 6 мм в СО-2. По нему и кривой АРД диаграммы на глубине, отвечающей толщине ОК, можно определить разность амплитуд в децибелах и после настройки по СО-2 увеличить или уменьшить чувст­вительность. В ведомственных НТД (на­пример, [289]) разность эхосигналов меж-

ду СО-2 и различными кривыми АРД диа­граммы для серийных типов преобразова­телей приведена в виде АРД шкал.

Фактическая рабочая частота может отличаться от номинального значения. Если такое изменение частоты установле­но, то настройка по СО-2 нуждается в корректировке, так как амплитуды эхо - сигналов от плоскодонного отверстия, дна изделия и бокового отверстия в СО-2 по - разному зависят от частоты. На рис. 2.58 рядом с линией для СО-2 проведены более короткие линии. Ими следует пользовать­ся вместо основной линии, когда фактиче­ская рабочая частота отличается от номи­нальной. Представленная АРД диаграмма соответствует частоте 2,5 МГц, верхняя короткая линия - частоте 2,25 МГц, а ниж­няя частоте 2,75 МГц.

В ЦНИИТмаше В. А. Воронковым и др. разработана методика построения АРД диаграмм для любых совмещенных пря­мых и наклонных преобразователей - сис­тема АРД-универсал (см. разд. 3.1.3).

А. К. Гурвичем предложена SKH диа­грамма. Она связывает площади плоско­донных отверстий S с условной чувстви­
тельностью для них К (определенной от­носительно бокового отверстия диаметром 6 мм в СО-2) и глубиной залегания дефек­та Н. Таким образом, для настройки ис­пользуют тестированный стандартный образец.

Однако SKH диаграмма не учитывает затухания УЗ и не имеет преимуществ по сравнению с описанной выше настройкой по АРД диаграмме и АРД шкалам. Прак­тического распространения SKH диаграм­ма не получила, однако заложенный в ней принцип использования для настройки одного стандартного образца реализован в АРД шкалах.

Рассмотрим практику настройки чув­ствительности, принятую в США и других странах, поскольку американские стандар­ты [356] дублируются во многих государ­ствах. При контроле поковок прямым пре­образователем рекомендуется фиксиро­вать эхосигналы, составляющие 10 % (иногда 5 %) от донного сигнала. Расчеты показывают, что при таком способе на­стройки чувствительность оказывается неравномерной по толщине ОК (рис. 2.60): она максимальна на расстоянии 0,2 ... 0,4

толщины ОК (вблизи дна), а вблизи по­верхностей существенно падает.

По-видимому, на основании этого американский стандарт А-388 на контроль поковок [356] допускает настройку по плоскодонным отверстиям. Стандарт на контроль отливок А-609 рекомендует вы­полнять настройку только по плоскодон­ным отверстиям. Немецкое Руководство по контролю железа и стали № 1921 и правила КТА 3201.1 [409] предусматри­вают настройку лишь по плоскодонным отверстиям с широким использованием АРД диаграмм (см. разд. 3.3.1.4 и 3.3.2.1).

При контроле сварных соединений американский стандарт "ASME Boiler and Pressure Vessel Code" [356] рекомендует

2.5. К рис. 2.61 Пара- Толщина шва 1, мм метр 50,8 ... 101,6 101,6... 152,4 152,4... 203,2 203,2 ...254 254.... 305 305 ...355,6 Т, мм 76,2 или t 127,0 или t 177,8 или t 228,6 или t 279,4 или t 330,4 или t d, мм 4,8 6,4 8,0 9,6 11,2 12,8

Примечания.

1. Минимальная глубина отверстия 38 мм.

2. Пазы фрезеруются на поверхностях образца, их размеры: ширина 3,2 ... 6,4 мм, длина 50,8 мм, глубина 2 % от Т.

3. Толщина основного стандартного образца Т и диаметр d отверстий выбираются в зави­симости от толщины шва.

4. Для каждого увеличения толщины на 50,8 мм диаметр отверстия должен увеличиваться

на 1,6 мм____________________________________________________________________________

Пара-	Толщина шва t, мм
метр	<25,4 мм	25,4... 50,8	50,8 ... 101,6	101,6... 152,4	152,4... 203,2	203,2... 254
Т, мм	19,0 или t	38,1 или t	76,2 или t	127,0 или t	177,8 или t	228,6 или t
d, мм	2,4	3,2	4,8	6,4	8,0	9,6

Примечания. 1. Минимальная глубина отверстия 38 мм. 2. Для криволинейных поверхностей должны использоваться два криволинейных образца (по одному на каждую кривизну) или два набора отражателей, ориентированных под прямым углом друг к другу. 3. Пазы фрезеруются по требованию. Размеры пазов: ширина 3,2 ... 6,4 мм; длина 50,8 мм, глубина 2 % от Т. 4. Толщина основного СО Т и диаметр d отверстий выбираются в зависимости от толщины

шва.

настраивать чувствительность по боковым цилиндрическим отверстиям, выполнен­ным на разной глубине, а также по рискам на поверхностях образца (рис. 2.61 и 2.62, табл. 2.4 и 2.5). На экране дефектоскопа изображается кривая, проходящая через максимальные амплитуды соответствую­щих эхосигналов (рис. 2.63). Уровень фиксации соответствует 20 % от высоты кривой. Для протяженных дефектов и де­фектов, перпендикулярных к оси сварного шва (поперечных), уровень фиксации со­ответствует 10 % от высоты кривой.

В EN 1714 предлагаются на выбор две методики для установления уровня фиксации при контроле сварных соедине­ний: по плоскодонным отверстиям с по­мощью АРД диаграмм и по образцам с
боковыми цилиндрическими отверстиями диаметром 3 мм плюс рискам глубиной 1 ... 2 мм. Размеры отражателей и коррек­тировка чувствительности аттенюатором подобраны так, что настройки двумя эти­ми способами довольно близко совпадают.

Достижение максимальной чувст­вительности. Чувствительность любого метода дефектоскопии как его физическая характеристика показывает возможность метода обнаруживать предельно мелкие дефекты. Количественно ее определяют порогом чувствительности. Для эхомето - да это минимальная площадь s (мм2) ис­кусственного дефекта типа плоскодонного отверстия, который обнаруживается при контроле. Ее можно определять по отра­жателям другого типа, выполняя пересчет

на площадь плоскодонного отверстия по формулам акустического тракта (см. разд. 2.2.2). Понижение порога чувстви­тельности означает повышение чувстви­тельности по выявлению более мелких дефектов.

Порог чувствительности эхометода ограничивается двумя главными фактора­ми: чувствительностью аппаратуры и

уровнем помех [132, 247]. Условия выяв­ления электрического сигнала U от де­фекта записывают в виде

U'>Umm - (2.17)

U’>Un. (2.18)

Здесь Umm - минимальный электрический сигнал, регистрируемый аппаратурой (де­фектоскоп плюс преобразователь); Un — уровень помех на входе прибора.

Поскольку основным видом трудно­устранимых помех являются структурные помехи, в дальнейшем рассматриваются именно они. Значение Umm чаще всего оп­ределяется шумами электрических цепей дефектоскопа, а вблизи зондирующего или начального импульса - помехами пре­образователя.

Порог чувствительности при низ­ком уровне структурных помех опреде­ляют по формуле (2.17). Поделим обе ее части на амплитуду электрического зон­дирующего импульса Uo-

U'/U0>Umm/U0. (2.19)

Величина £/mm/t/0 - максимальная электрическая чувствительность эходе - фектоскопа.

Максимальную акустическую (абсо­лютную) чувствительность определяют, переходя к акустическим величинам

(2.20) где Кд - коэффициент двойного преобра­зования электроакустического преобразо­вателя. Формула справедлива в пределах
линейной зависимости Р0 от Uo, которая нарушается при больших напряжениях генератора (см. разд. 1.2.1).

Для преобразователя с акустической задержкой (призмой) формула (2.20) име­ет вид

р 1 т т

•мпт _ 1 u тт (2 21)

Р0 KaD U0

Здесь D - коэффициент прозрачности по энергии для границы между задержкой и ОК; 53 и г3 - затухание и средний путь УЗ в задержке. Значения Ка будут разны­ми при нагрузке на ОК и задержку (приз­му).

По формулам (2.20) и (2.21) можно оценить способы снижения Pmm/Po - Пути повышения коэффициента преобразования К:, рассмотрены в разд. 1.2.2. Согласно

ГОСТ 26266 и EN 12668-2, этот коэффи­циент определяется как отношение ампли­туды электрического сигнала от отражате­ля, возвращающего назад всю излученную энергию к амплитуде электрического ра­диочастотного зондирующего импульса. Здесь отметим только, что максимальное значение Кл = 1, а реально Кд достигает значений порядка 0,1.

Возможности увеличения чувстви­тельности за счет повышения амплитуды Uo рассмотрены в разд. 1.2.1 и 2.2.1.1. Максимальная амплитуда электрического зондирующего импульса от генератора ударного возбуждения обычно достигает 500 В. Однако нелинейная зависимость Р0 от Uo и сужение полосы пропускания час­тот ЭАП по сравнению с частотным спек­тром ударно возбуждаемого импульса приводят к снижению эффективного зна­чения Uo до 50 В. В генераторах неудар­ного типа вырабатывается напряжение порядка 50 ... 200 В.

Возможность снижения порога элек­трической чувствительности за счет 1Ут|П (путем увеличения коэффициента усиле­ния) ограничивается электрическими шу­мами, которые в лучших дефектоскопах имеют величину порядка 50 мкВ. Подста­вив найденные оценки в (2.20), найдем значение абсолютной чувствительности:

Р 1 1 о

-mis-* J---------- «2-Ю"6 = 114 дБ,

Р0 0,1 50

что соответствует реальным значениям для лучших дефектоскопов. В большинст­ве приборов это значение не превосходит 90 ... 100 дБ. Этого вполне достаточно для решения большинства практических за­дач. Максимальная абсолютная чувстви­тельность необходима, например, при вы­явлении небольших дефектов (диаметром ~ 2 мм) в сварных соединениях большой толщины (400 ... 500 мм).

Эффективный способ повышения аб­солютной чувствительности - использова­ние фазомодулированных импульсов для подавления шумов (см. разд. 2.2.3.2 и
4.15). Как показала практическая реализа­ция этого способа в дефектоскопах сер. "Авгур", выпускаемых НПЦ "Эхо+", абсо­лютную чувствительность дефектоскопа удается увеличить до 146 дБ. Этот способ малоэффективен для подавления струк­турных помех, так как соответствующие импульсы сильно коррелированы с эхо - сигналами от дефектов.

Если известна абсолютная чувстви­тельность дефектоскопа, задачу определе­ния выявляемого плоскодонного отвер­стия с минимальной площадью s при кон­троле мелкозернистого материала и сни­жения этой величины путем оптимизации параметров контроля решают на основе анализа формулы акустического тракта. Для дальней зоны (наихудший случай) и преобразователя без акустической задерж­ки справедливо соотношение

г-28г > Ртт

2л 2 ~ п

Г X Ро

Расстояние до дефекта г определяют условия контроля. Порог снижают, увели­чивая площадь S пьезоэлемента преобра­зователя до тех пор, пока дефект попадет на границу ближней зоны преобразовате­ля. При дальнейшем увеличении S ампли­туда эхосигнала от дефекта уменьшается; формула (2.22) в этой зоне не действует. Обычно из условий достижения хорошего качества акустического контакта диаметр ПЭП < 50 мм.

Частота УЗ-колебаний / входит в ве­личины X и 5 неравенства (2.22), причем с ростом частоты X уменьшается, а 8 воз­растает (см. разд. 1.1). Отсюда возникает задача об оптимальной частоте, решение которой показывает, что с ростом толщи­ны ОК и коэффициента затухания УЗ оп­тимальная частота понижается.

Достижимую чувствительность оце­нивают также по стандартным образцам. Образец V-1 предусматривает возмож­ность грубой оценки чувствительности дефектоскопа по отражению от цилиндри­ческого отверстия диаметром 1,5 мм.

Прямой преобразователь помещают в по­ложение J на рис. 2.51, а наклонный - в положение G и выявляют отверстие мно­гократно отраженным лучом. Однако де­фектоскопы с абсолютной чувствительно­стью 90... 100 дБ позволяют обнаружи­вать цилиндрическое отверстие диаметром

1,5 мм с большим запасом чувствительно­сти.

Другой способ сравнительной оценки чувствительности дефектоскопа по образ­цу V-1 - определение на максимальной чувствительности количества видимых на экране многократных отражений в плек­сигласовом цилиндре, вставленном в от­верстие диаметром 50 мм. EN 12668-3 ре­комендует получить максимальный эхо - сигнал от выбранного бокового цилинд­рического отверстия и измерить, насколь­ко можно увеличить чувствительность аттенюатором до появления шумов при­бора.

Порог чувствительности при вы­соком уровне структурных помех сни­жают тремя путями. Первый заключается в выборе оптимальных параметров кон­троля, второй - в применении статистиче­ских методов обнаружения сигналов на фоне структурных помех, третий - в ком­пьютерной обработке принятых сигналов и помех.

Выбор оптимальных параметров контроля основан на анализе соотноше­ний полезных сигналов и среднего уровня структурных помех. В табл. 2.7 эти соот­ношения приведены без учета влияния на них качества акустического контакта (см. разд. 2.2.3). Поскольку изменение акусти­ческого контакта может уменьшить ам­плитуду сигнала в несколько раз, а макси­мальный уровень структурных помех - на значительно меньшую величину (прибли­зительно в 2 раза выше среднего значе­ния), для надежного обнаружения полез­ного сигнала на фоне помех сигнал дол­жен быть в 4 ... 6 раз выше их среднего уровня. Используя эти соотношения, мож­но дать следующие рекомендации по оп­тимизации условий контроля.

1. Локализовать зону озвучивания, т. е. область, из которой получают информа­цию. Выявляемость дефекта на фоне структурных помех растет с увеличением отношения площади отражающей поверх­ности дефекта к площади облучаемых УЗ - кристаллитов металла, участвующих в образовании помех. Из табл. 2.7 видно, что уменьшение длительности т импульса, уменьшающее лучевую протяженность зоны озвучивания (заштрихована на рис. 2.48 и 2.64), улучшает отношение сигнал/помеха. Если дефект находится в

дальней зоне, то для повышения отноше­ния сигнал/помеха целесообразно увели­чить площадь преобразователя S, улучшая тем самым его направленность (рис. 2.64, а, б). Это справедливо не только для то­чечных, но и для протяженных дефектов и даже для отражающей плоскости. Дело в том что эффективно отражающая в сторо­ну приемника часть плоскости или протя­женного дефекта невелика, поэтому улучшение направленности излучения дает тот же эффект, что и для точечного отражателя

Когда отражатель попадает в ближ­нюю зону (рис. 2.64, в), тогда увеличение Sa приводит к уменьшению концентрации УЗ-энергии и отношение сигнал/помеха для точечных отражателей ухудшается. В ближней зоне отношение сигнал/помеха можно увеличить, применяя фокусировку УЗ-поля (рис. 2.64, г). Здесь для дискооб­разного отражателя, расположенного в геометрическом фокусе F, отношение сиг­нал/помеха определяет формула

£ = 5-2- СИ,

Р0 Л.2ррст

аналогичная формуле в табл. 2.4 для даль­ней зоны, только г заменено на F. Из формулы (2.23) видно, что повышение отношения сигнал/помеха для фокуси­рующего преобразователя растет с увели­чением его площади.

2. Использовать РС-преобразователи. Как видно из рис. 2.64, д, этот преобразо­ватель обладает фокусирующим действи­ем: сжимает зону озвучивания. Наиболь­шую концентрацию энергии дает фокуси­рующий PC-преобразователь (рис. 2.64, е). Кроме того, PC-преобразователь устраня­ет помехи от вторичного рассеяния и практически не имеет собственных помех.

3. Выбрать тип волны исходя из тре­бований минимального значения коэффи­циента рассеяния 8р. При постоянной час­тоте коэффициент рассеяния продольных волн в 4 ... 6 раз меньше, чем поперечных, однако в знаменателе формул табл. 2.7
фигурирует произведение 8Р с, а скорость продольных волн в 2 раза больше, чем поперечных. В результате выигрыш при использовании продольных волн вместо поперечных оказывается не столь значи­тельным. Тем не менее, преимущества применения продольных волн подтвер­ждаются практическими данными для ау­стенитных сталей (см. разд. 5.1.3.1). Большой выигрыш для этих сталей дает применение горизонтально поляризован­ных волн, однако их излучение и прием затруднительны. Уменьшение произведе­ния (пропорционального 8Р /,) способст­вует устранению помех от вторичного рассеяния.

4. Выбрать частоту с учетом зависи­мости от нее коэффициента рассеяния 8р. Согласно разд. 1.1.3, коэффициент 8Р про­порционален /”, причем в зависимости от соотношения D/K значение п может из­меняться от 2 до 4. Из табл. 2.7 видно, что в зависимости от значения п, формы отра­жателя, зоны акустического поля преобра­зователя, в которой отражатель располо­жен, отношение сигнал/помеха с повыше­нием частоты может как увеличиваться, так и уменьшаться.

Из практики известно правило', чем больше затухание УЗ, тем меньше должна быть частота. Оно связано с необходимо­стью выполнения условия В. И. Данилова 8рА < 0,02, так как в противном случае

начинает действовать эффект повторного рассеяния и формулы табл. 2.7 становятся неверными.

5. Усовершенствовать аппаратуру в нескольких направлениях. Увеличение абсолютной чувствительности расширяет возможность применения оптимальных параметров контроля, как рекомендова­лось выше (например, выбора частоты, использования PC-преобразователей и т. д.), при сохранении требуемого уровня фиксации. Введение компенсированной отсечки не увеличивает отношения сиг-

2.7. Отношение амплитуды эхосигнала к уровню структурных помех
для отражателей различного типа

Отражатель	Отношение амплитуды эхосигнала к среднему квадратическому уровню структурных помех
в ближней зоне	в дальней зоне
Диск площадью 5		5 * гХ2 у §рст
Цилиндр диаметром d	2,5J Х8рсх	1,8 dS X ^ г5рст
Плоскость (донный сигнал)	у Vх	2,5- 1-^- X у 8рст

нал/помеха, однако повышает удобство контроля при высоком уровне помехи, поскольку помогает сконцентрировать внимание дефектоскописта на полезных сигналах.

Введение ВРЧ обеспечивает прибли­зительно одинаковый уровень помех на всей линии развертки. Дефектоскоп дол­жен иметь широкий диапазон частот для оптимизации их выбора. Генератор дефек­тоскопа должен излучать короткие коло­колообразные импульсы. В комплект при­бора должны входить РС-преобразователи и фокусирующие преобразователи с большим диаметром пьезоэлемента.

Широкие возможности обработки ре­зультатов контроля открывает применение когерентных методов контроля (см. разд. 2.2.5.6), когда с помощью компьюте­ра выполняют синтезирование фокуси­рующего преобразователя с очень боль­шими размерами, равными области скани­рования, а следовательно, с очень узкой фокальной областью. В результате эти методы, как и фокусирующие преобразо­ватели, позволяют достичь высокого от­ношения сигнал/помеха, причем не в уз­кой зоне фокусировки, а во всем материа­ле ОК (см. разд. 3.2.7.6).

Статистические методы выделения сигналов на фоне структурных помех ши­роко используют в радио - и гидролокации.

Однако помехи в этих областях обычно представляют случайные во времени не­коррелированные процессы, т. е. шумы, поэтому накопление информации и стати­стическая обработка ее позволяют значи­тельно повысить отношение сигнал/по­меха. (Вопросы корреляционной обработ­ки сигналов рассмотрены в [299].)

Иное положение складывается при УЗ-контроле. Взаимное положение рас­сеивателей в твердом теле не меняется во времени. При неизменных условиях излу­чения и приема упругих волн структурная помеха полностью коррелирована в оди­наковые моменты времени различных пе­риодов посылок зондирующих импульсов, что исключает возможность непосредст­венного применения статистических ме­тодов. Условием использования этих ме­тодов является обеспечение таких измене­ний в акустическом поле преобразователя, при которых корреляция помех снижается, а сигналы от дефекта остаются сильно коррелированными. Способы практиче­ского решения задачи различаются прежде всего выбором изменяемого параметра акустического поля.

Простой для практической реализа­ции способ - изменение длительности т зондирующих импульсов при сохранении

t, МКС Рис. 2.65. Элементарные волны, используемые при вейвлетном анализе: А - амплитуда; Т - время, мкс, S0 - материнский вейвлет

их амплитуды. Если т £ 4Т (Т ~ период колебаний), то полезный сигнал практиче­ски не увеличивается при дальнейшем увеличении т. В то же время уровень структурных помех растет пропорцио­нально л/т. Дефектоскоп ДЛЯ контроля крупнозернистых материалов должен об­ладать переменной длительностью им­пульса (как минимум, 4 ... 9 периодов).

Когда возникает сомнение, что на­блюдаемые импульсы вызваны структур­ными помехами, то изменяют т и прове­ряют, изменяется или нет их амплитуда. Если амплитуда не изменяется (с точно­стью до 1 дБ), то импульсы - сигналы от дефектов. Если же она изменяется при­близительно на 3 дБ или более - это структурные помехи.

Статистическое накопление и обра­ботку сигналов можно также проводить, перемещая преобразователь по поверхно­сти изделия, изменяя угол ввода, рабочую частоту, ширину диаграммы направленно­сти (например, варьируя диаметр преобра­зователя) [132, 247].

Методики контроля с компьютерной обработкой сигналов и помех. Современ­ные возможности обработки результатов контроля на персональном компьютере, с которым соединен или в который иногда встроен дефектоскоп, дали возможность применять новые методы обработки при контроле материалов с высоким уровнем структурных помех; сплит-спектральный (split spectrum) и вейвлетный (wavelet transform) анализы.

Суть сплит-спектралъного способа рассмотрена в [422, с. 589]. Принятую при контроле реализацию эхосигнала, образо­ванную комбинацией помех, отраженных от структурных неоднородностей, и сиг­нала, отраженного от дефекта, подвергают прямому преобразованию Фурье. Полу­ченный амплитудно-частотный спектр разбивают на ряд частотных полос. Каж­дую из них подвергают обратному преоб­разованию Фурье, а набор полосовых сиг­налов амплитудно взвешивают, после чего полосовые сигналы суммируют. В резуль­тате получают скорректированную реали­зацию эхосигнала, причем весовые коэф­фициенты подбирают таким образом, что­бы максимизировать отношение амплиту­ды сигнала от дефекта к амплитуде сигна­ла структурных помех.

Способ вейвлетного анализа изложен в [422, с. 500]. Как известно, любой реаль­но существующий сигнал можно предста­вить с помощью преобразования Фурье в виде суммы гармоник (синусоид) различ­ной частоты. При этом предполагается, что гармоники бесконечны во времени, а это не позволяет отслеживать изменения сигнала во времени. Для нестационарных сигналов, чтобы уловить непериодические изменения во времени, вместо набора гар­моник берут набор коротких всплесков - вейвлетов (wavelet дословно значит "эле­ментарная волна"), образованных из пер­вичного, материнского вейвлета растяже­нием (сжатием) и последовательным пе­ремещением сигналов по временной оси.

Набор вейвлетов (рис. 2.65) образует базис, позволяющий разложить анализи­руемый сигнал на сумму таких всплесков разного размера и местоположения во времени. Коэффициенты разложения, яв­ляющиеся функцией от длительности всплеска (имеет смысл обратной частоты) и времени, дают важную информацию об эволюции сигнала. Они также зависят от формы материнского вейвлета, который для каждой прикладной задачи выбирает­ся соответствующим образом. Из числа полученных таким образом вейвлетов ме­тодом нейронной сети выбирают вейвлет, наиболее точно соответствующий нали­чию дефектов.

Применение вейвлет-преобразования в УЗ-дефектоскопии для выделения по­лезного сигнала из шумов и помех рас­смотрено также в [425, с. 133/589, 500/347 и 111/600] для контроля аустенитных сварных соединений, в [425, с. 110/775] - для выявления в композиционных мате­риалах пористости и обогащенных смолой зон, в [425, с. 387/501] - для определения границы между хромоникелевым покры­тием и основным металлом.

Усовершенствование сплит-спект- рального и вейвлетного способов анализа предложено в [422, с. 497]. Усовершенст­вование сплит-спектрального анализа со­стоит в том, что не требуется предвари­тельного знания частотного диапазона для разбиения на частотные полосы. Устанав­ливается так называемый полярный порог - эквивалентный частотный диапазон для этого разбиения широкополосного сигнала от дефекта. Осуществляется оптимизация по максимальному подавлению помех.

Усовершенствование вейвлетного ана­лиза основано на знании параметров сиг­налов от дефекта и помех, чтобы адапти­ровать частотный диапазон к свойствам материала по максимуму разрешения во времени. Эффективность предложенных способов показана на примере контроля литой аустенитной стали - крайне слож­ной задачи для УЗ-контроля.

Один из перспективных способов контроля материалов с высоким уровнем структурных помех двухчастотный, раз­работанный В. В. Гребенниковым и др. [98]. Дефектами считаются только отра­жатели, дающие эхосигнал на двух часто­тах, отличающихся в 1,5 раза. Развитие двухчастотного способа - двухмодовый способ, согласно которому дефектами считаются только отражатели, дающие эхосигнал при контроле и продольными, и поперечными волнами. Этот вопрос под­робнее будет рассмотрен в разд. 5.1.3.1.

Максимальная глубина прозвучи - вания rmax - наибольшая глубина, на ко­торой выявляется дефект заданного раз­мера. В технических характеристиках прибора в качестве максимальной глуби­ны прозвучивания указывают максималь­ную длительность развертки дефектоско­па. Однако достаточная длительность раз­вертки не гарантирует нахождения тре­буемого дефекта, необходима также дос­таточно высокая чувствительность. Дос­тижение максимальной глубины прозву­чивания связано с преодолением тех же двух ограничивающих факторов (2.17) и (2.18), которые препятствовали повыше­нию чувствительности.