Акустическая микроскопия позволяет получать изображения дефектов в объек­тах небольшой толщины. При контроле ОК толщиной >10 мм и для получения изображения дефектов применяют коге­рентные методы контроля.

В настоящее время цифровые методы обработки информации находят все более широкое применение в УЗ-дефектоскопии. В [248] рассмотрены методы инверсной, винеровской и нелинейной фильтрации, синтезированной апертуры, реконструк­тивной вычислительной томографии. Наибольшие успехи достигнуты в приме­нении когерентных методов обработки информации, в частности акустической голографии и синтезированной апертуры, которые далее описаны. Преимущества этих методов в визуальном изображении дефектов при достижении на порядок бо­лее высокой разрешающей способности, чем при обычной УЗ-дефектоскопии.

Когерентные и некогерентные ме­тоды представления данных УЗ - контроля. Все методы получения акусти­ческих изображений основаны на измере­нии физических параметров акустических полей после их взаимодействия с дефек­тами. Методы можно разделить на коге­рентные, в которых используется фазовая, амплитудная и временная характеристики зарегистрированного поля, и некогерент­ные, где фазовая информация не исполь­зуется. В некогерентных методах, рас­смотренных ранее, изображение получают путем регистрации модуля амплитуды поля, рассеянного дефектами. В когерент­ных методах за счет дополнительной об­работки фазовых данных (аналоговой или цифровой) получают более полное изо­бражение поля, рассеянного дефектами. Использование фазовой информации по­зволяет получать изображения неодно­родностей с высоким разрешением и, со­ответственно, определять реальные пара­метры выявленного дефекта.

К когерентным методам обработки данных относится ряд методов, исполь­зующих аналоговые средства, но в на­стоящее время в связи с развитием ком­пьютерной техники наибольшее распро­странение получили цифровые методы обработки данных: акустическая гологра­фия, метод SAFT, вычислительная томо­графия. Ниже будут рассмотрены два пер­вых наиболее активно развивающихся в дефектоскопии когерентных цифровых метода формирования изображения.

В основе современных когерентных методов лежит алгоритм синтезирования апертуры: с помощью небольшого акусти­ческого преобразователя (имеющего ши­рокую диаграмму направленности) изме­ряют значения акустического поля в ряде точек в заданной области, осуществляют их совместную обработку и получают аку­стическое изображение внутреннего объ­ема (или сечения) ОК. При этом, по суще­ству, с помощью цифровых методов син­тезируется фокусирующий преобразова­тель с очень большими размерами, рав­ными области сканирования, а следова­тельно, с очень узкой фокальной обла­стью. Рассматриваемые методы позволяют получить образ дефекта, когда он имеет резкие границы, шероховатые поверхно­сти и облучается во многих направлениях.

Метод SAFT. Многочастотную голо­графию можно рассматривать как своеоб­разное синтезирование короткого импуль­са с использованием информации о его амплитуде и времени распространения, которое определяет фазу сигнала. В связи с развитием вычислительной техники поя­вилась возможность перейти непосредст­венно к регистрации и обработке данных об особенностях распространения корот­ких импульсов в ОК. Этот метод - метод SAFT - позволяет достаточно просто учесть сложную форму ОК. Рис. 2.89 по­ясняет схему этого метода.

Совмещенный преобразователь с ши­рокой диаграммой направленности скани­рует ОК в пределах заданной апертуры. Для каждого положения преобразователя регистрируются эхосигналы, соответст­вующие ^-развертке. Затем вся совокуп­ность эхосигналов обрабатывается коге­рентно с помощью ЭВМ. В результате этого получают изображения внутреннего объема ОК (если осуществляется двумер­ное сканирование) либо его сечения, соот­ветствующего 5-развертке (при одномер­ном сканировании).

Данные могут обрабатываться не­сколькими способами. Один из них приве­ден на рис. 2.89, б. Здесь представлено несколько сигналов, соответствующих Л-разверткам для нескольких положений преобразователя. Временное положение эхоимпульсов, рассеянных точечным де­фектом, в зависимости от координаты преобразователя изменяется по гиперболе. Для любой выбранной области в визуали­зируемом сечении можно вычислить оп­ределенную гиперболу (в двумерном - SAFT), исходя из которой значение сигна­лов, соответствующих /4-развертке, "сдви­гается", а затем суммируется. Полученная таким образом совокупность значений амплитуд сигналов позволяет построить сечение объекта с высоким разрешением по осям х и z.

Описанный алгоритм обработки дан­ных, несмотря на свою простоту и нагляд­ность, весьма трудоемок и предъявляет достаточно высокие требования к ЭВМ, обрабатывающей данные. Сам алгоритм предполагает выполнение очень большого числа одинаковых операций (таких, как возведение в квадрат, извлечение квадрат­ного корня), достаточно медленных для вычисления с помощью универсальных ЭВМ.

Акустическая голография - типич­ный когерентный метод, который активно развивается в применении к дефектоско­пии. Основное отличие акустической го­лографии от оптической на стадии регист­рации состоит в том, что измерения аку­стического поля осуществляются с помо­щью приемников, обеспечивающих его линейную регистрацию, т. е. регистрирует­ся амплитуда, а не интенсивность сигнала, как в оптике. Это дает возможность по­строить изображение, используя различ­ные методы цифровой обработки данных. Ниже рассмотрены два алгоритма числен­ного восстановления изображений: обра­щенной волны (ОВ) и проекции в спек­тральном пространстве (ПСП).

Алгоритм ОВ основан на том, что в изотропной среде выполняется Фурье - анализ комплексных значений поля в лю­бой плоскости. Пространственные Фурье - компоненты можно рассматривать как плоские волны, которые распространяют­ся в различных направлениях. Тогда ам­плитуда поля - это сумма амплитуд пло­ских волн с учетом фазовых сдвигов, ко­торые они приобретают, приходя в точку регистрации.

На рис. 2.89, а показана типичная схема регистрации данных для их после­дующей когерентной обработки. В плос­кости xz акустическое поле U (х, z), рассе­янное дефектом, расположенным на глу­бине zd, регистрируется в виде поля U (х, 0) приемно-излучающим преобразовате­лем, перемещающимся вдоль оси х по по­верхности ввода. Максимальный угол 6,, под которым видна с поверхности дефекта область перемещения преобразователя, определяется шириной диаграммы на­правленности преобразователя и доступ­ной для сканирования L зоной на поверх­ности ввода ОК. Используя уравнение

Гельмгольца для спектра на линии дефек­та zd и обратное преобразование Фурье, получают выражение, определяющее изо­бражение дефекта |f/(x, Zj)|. Если жела­тельно получить распределение поля по всему сечению (х, z), необходимо много­кратно выполнять этот алгоритм для раз­личных значений координаты z.

Алгоритм ПСП основан на том, что пространственный спектр функции, опи­сывающий падающее и рассеянное дефек­тами поле, отличен от нуля на окружности радиусом 2к = 4п/Х плоскости волновых векторов кх, kz с центром (0,0) для совме­щенного преобразователя. Измерение по­ля вдоль некоторой линии zr дает возмож­ность определить значения двумерного спектра. Измеряя поле на линии zr, можно путем проецирования его спектра и обрат­ного двумерного преобразования Фурье определить поле в сечении х, z. Алгоритм также справедлив только для однородного пространства.

Изображения, полученные алгорит­мом ОВ, обладают высоким качеством, но для этого требуется значительное время. Алгоритм ПСП - позволяет получить изо­бражение значительно быстрее, особенно при использовании многих частот и мно­гих ракурсов озвучивания, но из-за оши­бок интерполяции уровень шумов в вос­становленном изображении несколько выше, чем в методе ОВ.

Многочастотная голография [13, 14]. Акустическая голография, как и большинство других когерентных мето­дов, имеет высокую фронтальную разре­шающую способность Д/, которая соглас­но дифракционной теории определяется длиной волны А. и числовой апертурой А = sinG* kKzJL, на которой регистрируется поле, рассеянное дефектом:

Д/ = А./2Л. (2.38)

Формула (2.38) практически совпада­ет с (1.39), если считать, что диаметр фо­кусирующего преобразователя равен раз­меру области регистрации D = L. Вместе с

тем, лучевое разрешение Az в направлении оси z для одночастотных голографических систем низкое. Оно будет равно

^z = X/2A2 . (2.39)

С целью повышения лучевого разре­шения для нужд дефектоскопии применя­ется многочастотная голография. В ней регистрируется совокупность і голограмм на частотах f в определенном диапазоне частот А( с заданной дискретностью 6/ = ft - ft_x. Полученные по алгоритмам ОВ или ПСП восстановленные поля U,(x, у) для каждой частоты затем когерентно суммируются, формируя изображение |£/(х, у)|. В результате фронтальная раз­решающая способность будет определять­ся соотношением

Дг = (Х0/2)(/о/А/;), (2-40)

в котором А. = А.0 — длина звуковой волны в изделии, соответствующая среднему зна­чению частоты fo, а лучевое разрешение зависит от полосы используемых частот А/.

Этот способ обработки данных, осно­ванный на применении аппарата быстрого преобразования Фурье, иногда называют FT SAFT. Таким образом, метод много­частотной акустической голографии и ме­тод SAFT оказываются близкими по при­меняемому математическому аппарату.

В работах А. М. Ахметишина и др. (см., например, [11]) развивается метод УЗ когерентно-импульсной Фурье-интроско - пии. Преимущество этого метода - мак­симальная чувствительность к небольшим областям локального изменения скорости и затухания УЗ. Подобная задача особенно важна в ранней медицинской диагностике, поэтому далее этот метод не рассматрива­ется. Применительно к технической диаг­ностике метод может стать перспектив­ным при обнаружении мест концентрации усталостных напряжений.

В работах А. В. Осетрова и др. [424, докл. 7.4] развиваются нелинейные мето­ды реконструкции изображений при коге­рентной обработке результатов. По теоре­тическим оценкам, нелинейные методы повышают контрастность изображения.

Системы сер. "Авгур". Примером приборов, использующих когерентную обработку данных, являются приборы сис­темы "Авгур", разработанные НПЦ "Эхо+". Сканирование выполняется авто­матическим механическим устройством с шагом 0,1 ... 0,2 мм и электрической свя­зью положения преобразователя с систе­мой обработки данных. Фронтальная раз­решающая способность таких систем рав­на длине УЗ-волны и для продольной вол­ны в стали на частоте 2,5 МГц составляет ~2,5 мм, а для поперечных волн 1,2 мм. Точность измерения размеров дефектов не хуже половины длины УЗ волны.

Системы сер. "Авгур" предусматри­вают прозвучивание ОК прямыми или наклонными, совмещенными или раздель­ными преобразователями. Для каждого шага запоминаются результаты в виде ,4- разверток с учетом временных задержек и истинной формы эхосигналов. Голографи­ческое изображение дефектов получают, совместно обрабатывая массив ^-раз­верток в области сканирования L = 50 ...

... 200 мм. Предполагается, что регистра­ция проводится вдоль линии (линейная голография) и изображение восстанавли­вается в одной плоскости (слое). При дву­мерном сканировании данные обрабаты­ваются когерентно только послойно.

В системах "Авгур" предусмотрена возможность использования обоих алго­ритмов восстановления изображения: ОВ и ПСП. Для исключения искажающего влияния реальных пространственно­частотных характеристик преобразователя в алгоритме ПСП применяется способ эта­лонной голограммы, которую снимают для данного преобразователя по отраже­нию от бокового цилиндрического отвер­стия. В результате разрешающую способ­ность изображений можно повысить от 1,5 до 3 раз (в зависимости от качества ис­пользуемого преобразователя).

Основные технические характеристики системы Авгур 4.2

Диапазон рабочих частот, МГц............................................................ 1 ... 8

Регулируемый коэффициент усиления, дБ.......................................... О... 52

Регулируемая амплитуда выходных импульсов, В.......................... 60

Диапазон контролируемых толщин (продольная

волна в стали, прямой преобразователь), мм..................................... До 600

Разрешающая способность (продольная волна в стали, прямой преобразователь, частота 2,5 МГц), мм:

фронтальная (не зависит от глубины)............................................. 2,5

лучевая..................................................................................................... 2,5

Важное достоинство когерентных методов визуализации заключается также в том, что существенно снижаются требо­вания к акустическому контакту. Его ухудшение приводит к большей зашум­ленности изображения, но не к смещениям и искажениям изображения дефекта. Предварительное логарифмирование про­странственных спектров сигналов, содер­жащих информацию как о дефекте, так и об изменении акустического контакта, позволяет отфильтровать ее и повысить качество изображения (гомоморфная фильтрация).

Когерентная обработка сигнала обес­печивает существенное повышение чувст­вительности аппаратуры. Как отмечалось выше, по существу, с помощью цифровых методов выполняется синтезирование фо­кусирующего преобразователя с очень большими размерами (равными области сканирования), а следовательно, весьма узкой фокальной областью. Это обеспечи­вает значительное повышение отношения сигнал/помеха при контроле материалов с крупнозернистой структурой, в частности аустенитных сварных швов.

Дополнительные возможности по­вышения чувствительности достигаются путем использования фазоманипулиро - ванных сигналов с соответствующей кор­реляционной обработкой. Например, сис­тема "Авгур 4.2" позволяет генерировать сложный зондирующий импульс, фазома- нипулированный по коду Баркера макси­мальной длины либо по непериодической М-последовательности различной длины: 32, 64 или 128 периодов. Благодаря этому чувствительность системы "Авгур 4.2" на 32 ... 36 дБ выше по сравнению с тради­ционным дефектоскопом. Абсолютная чувствительность системы (отношение амплитуды зондирующего импульса к амплитуде минимального регистрируемо­го сигнала) составляет 146 дБ.