Новые представления о чувствительности поля — новые возможности повышения точности ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии
Рассмотрено акустическое поле эхо-канала дефектоскопа, используемое в качестве измерительного инструмента для ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии (УЭА), главным свойством которого является чувствительность поля (ЧП) в виде B = ∂q/∂v и три рода производных от неe по каждому из трёх независим...
Gespeichert in:
| Datum: | 2011 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2011
|
| Schriftenreihe: | Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102475 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Новые представления о чувствительности поля — новые возможности повышения точности ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии / В.Ф. Давыденко // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2011. — № 3. — С. 28-34. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-102475 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1024752016-06-13T03:02:09Z Новые представления о чувствительности поля — новые возможности повышения точности ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии Давыденко, В.Ф. Научно-технический раздел Рассмотрено акустическое поле эхо-канала дефектоскопа, используемое в качестве измерительного инструмента для ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии (УЭА), главным свойством которого является чувствительность поля (ЧП) в виде B = ∂q/∂v и три рода производных от неe по каждому из трёх независимых универсальных переменных поля (q, u, v), т.е. B1 = ∂B/∂u, B2 = ∂B/∂v, B3 = ∂B/∂q. Для каждого рода ЧП выделены их максимумы и определены: 1) положение временного окна (строба) для выделения полезных эхо-сигналов от эквивалентных отражателей); 2) точность измерения амплитуды эхо-сигналов для обеспечения требуемой точности УЭА и 3) момент считывания полезных эхо-сигналов в процессе ручного сканирования ОК. Considered is the acoustic field of flaw detector echo-channel, used as the measurement tool for ultrasonic echo-amplitude flaw detection (UEA), the main property of which is field sensitivity (FS) in the form of B = ∂q/∂v and three kinds of its derivatives by each of the three independent universal variables of the field (q, u, v) [2], where B1 = ∂B/∂u, B2 = ∂B/∂v, B3 = ∂B/∂q. For each kind of FS their maximums were established and determined: 1) position of variable window (strobe) for pickup of useful echo-signals from equivalent reflectors), 2) accuracy of measurement of echo-signal amplitude toensure the required accuracy of UEA and 3) moment of reading useful echo-signals during manual scanning of the objectof control. 2011 Article Новые представления о чувствительности поля — новые возможности повышения точности ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии / В.Ф. Давыденко // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2011. — № 3. — С. 28-34. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0235-3474 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102475 621.119.20 ru Техническая диагностика и неразрушающий контроль Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Давыденко, В.Ф. Новые представления о чувствительности поля — новые возможности повышения точности ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
| description |
Рассмотрено акустическое поле эхо-канала дефектоскопа, используемое в качестве измерительного инструмента для ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии (УЭА), главным свойством которого является чувствительность поля (ЧП) в виде B = ∂q/∂v и три рода производных от неe по каждому из трёх независимых универсальных переменных поля (q, u, v), т.е. B1 = ∂B/∂u, B2 = ∂B/∂v, B3 = ∂B/∂q. Для каждого рода ЧП выделены их максимумы и определены: 1) положение временного окна (строба) для выделения полезных эхо-сигналов от эквивалентных отражателей); 2) точность измерения амплитуды эхо-сигналов для обеспечения требуемой точности УЭА и 3) момент считывания полезных эхо-сигналов в процессе ручного сканирования ОК. |
| format |
Article |
| author |
Давыденко, В.Ф. |
| author_facet |
Давыденко, В.Ф. |
| author_sort |
Давыденко, В.Ф. |
| title |
Новые представления о чувствительности поля — новые возможности повышения точности ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии |
| title_short |
Новые представления о чувствительности поля — новые возможности повышения точности ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии |
| title_full |
Новые представления о чувствительности поля — новые возможности повышения точности ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии |
| title_fullStr |
Новые представления о чувствительности поля — новые возможности повышения точности ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии |
| title_full_unstemmed |
Новые представления о чувствительности поля — новые возможности повышения точности ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии |
| title_sort |
новые представления о чувствительности поля — новые возможности повышения точности ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102475 |
| citation_txt |
Новые представления о чувствительности поля — новые возможности повышения точности ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии / В.Ф. Давыденко // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2011. — № 3. — С. 28-34. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| series |
Техническая диагностика и неразрушающий контроль |
| work_keys_str_mv |
AT davydenkovf novyepredstavleniâočuvstvitelʹnostipolânovyevozmožnostipovyšeniâtočnostiulʹtrazvukovojéhoamplitudnojdefektometrii |
| first_indexed |
2025-07-07T12:23:31Z |
| last_indexed |
2025-07-07T12:23:31Z |
| _version_ |
1836990870503555072 |
| fulltext |
УДК 621.119.20
НОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПОЛЯ —
НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХО-АМПЛИТУДНОЙ ДЕФЕКТОМЕТРИИ*
В. Ф. ДАВИДЕНКО (г. Киев)
Рассмотрено акустическое поле эхо-канала дефектоскопа, используемое в качестве измерительного инструмента
для ультразвуковой эхо-амплитудной дефектометрии (УЭА), главным свойством которого является чувствитель-
ность поля (ЧП) в виде B = ∂q/∂v и три рода производных от неe по каждому из трёх независимых универсальных
переменных поля (q, u, v), т.е. B1 = ∂B/∂u, B2 = ∂B/∂v, B3 = ∂B/∂q. Для каждого рода ЧП выделены их максимумы
и определены: 1) положение временного окна (строба) для выделения полезных эхо-сигналов от эквивалентных
отражателей); 2) точность измерения амплитуды эхо-сигналов для обеспечения требуемой точности УЭА и
3) момент считывания полезных эхо-сигналов в процессе ручного сканирования ОК.
Considered is the acoustic field of flaw detector echo-channel, used as the measurement tool for ultrasonic echo-amplitude
flaw detection (UEA), the main property of which is field sensitivity (FS) in the form of B = ∂q/∂v and three kinds of its
derivatives by each of the three independent universal variables of the field (q, u, v) [2], where B1 = ∂B/∂u, B2 = ∂B/∂v,
B3 = ∂B/∂q. For each kind of FS their maximums were established and determined: 1) position of variable window (strobe)
for pickup of useful echo-signals from equivalent reflectors), 2) accuracy of measurement of echo-signal amplitude to
ensure the required accuracy of UEA and 3) moment of reading useful echo-signals during manual scanning of the object
of control.
Современное понятие о чувствительности УЗ кон-
троля [1] относится не к полю эхо-канала, о чем
речь пойдет ниже, а к различным чувствительным
элементам УЗ дефектоскопа — пьезоэлементу,
усилителю эхо-сигналов, генератору зондирую-
щих импульсов и даже к методам контроля в це-
лом. При этом величина чувствительности оце-
нивается неоднозначно: минимальными разме-
рами реальных или эквивалентных отражателей,
которые могут быть обнаружены при заданных
или предельных настройках дефектоскопов, мак-
симальными глубинами залегания отражателей из-
вестной величины в материалах с известными
свойствами или отношением минимальной регис-
трируемой амплитуды эхо-сигнала к амплитуде
зондирующего импульса. Такие представления о
чувствительности не могут быть полезными для
решения задач ультразвуковой эхо-амплитудной
(УЭА) дефектометрии, так как не имеют четко ус-
тановленной зависимости от параметров поля эхо-
канала.
Если обратиться к известному источнику, рег-
ламентирующему использование термина «чувс-
твительность» (ДСТУ 2681–94) как чувствитель-
ность средств контроля, к которым относятся
средства и методы измерения (контроля), то не-
обходимо сделать два замечания:
– автор статьи исходит из предположения о
том, что поле эхо-канала, являясь своеобразным
инструментом измерения размеров эквива-
лентных отражателей, отличается особой про-
странственной структурой, которая проявляется с
помощью такого показателя как чувствительность
поля (ЧП), обусловленная законами изменения
двух независимых параметров эхо-сигналов —
максимальной амплитуды и задержки. С по-
мощью выявления взаимосвязей между незави-
симыми параметрами эхо-сигнала и структурой
поля решается задача измерения его размеров
(поперечного сечения поля) при наивысшей
чувствительности. При этом измеренное попе-
речное сечение поля как раз и соответствует
понятию эквивалентного размера отражателя;
– введенная в ДСТУ 2681–94 мера оценки чув-
ствительности как отношения изменения выход-
ной величины к изменению входной величины,
обусловливающей это изменение, автор принима-
ет, но с дополнением о пределе малости входного
изменения, соответствующем частной производ-
ной от функции выхода измерительной системы
по входной переменной.
Поле эхо-канала (акустическое импульсное по-
ле в среде с/без затухания звука, ограниченное по
дальности параллельными излучателем-приемни-
ком и эквивалентным идеальным отражателем),
представляемое как инструмент измерения (кон-
троля), получено в работе [2] в виде энергетичес-
ких уравнений в двух средах:
без затухания звука:
p = x[1 – exp(–y2/x2)]; (1)
с затуханием звука:
q = 2uexp(1 – 2u)[1 – exp(–v2/u2)], (2)
© В. Ф. Давиденко, 2011
* Статья публикуется в порядке обсуждения
28 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2011
где введены две группы по три универсальных
безразмерных переменных:
в идеальной среде: (3)
p = P/Q — базовая относительная амплитуда
эхо-сигнала;
x = rλ/d2 — относительная дальность эквива-
лентного отражателя;
y = √⎯⎯⎯⎯S ⁄ d — относительный размер эквивален-
тного отражателя;
в реальной среде: (4)
q = ngp — базовая относительная амплитуда
эхо-сигнала;
u = ngx = δr — базовая относительная даль-
ность эквивалентного отражателя;
v = ngy = δ√⎯⎯⎯n S — масштабный размер экви-
валентного отражателя.
Три переменных в разных средах связаны еди-
ным масштабным коэффициентом ng, где n = d2/λ2
— диапазон активной площади пьезопластинки; g =
= λδ — удельное затухание звука на длине одной
волны; P — амплитуда эхо-сигнала; Q — амплитуда
базового опорного эхо-сигнала; d — диаметр
пьезопластины, мм; λ — длина волны УЗ колеба-
ний, мм; r — дальность эквивалентного отражателя,
мм; δ — коэффициент затухания звука, 1/мм;
S — площадь эквивалентного отражателя, мм2.
Исходя из приведенного выше второго замеча-
ния к ДСТУ 2681–94, автор вводит новое понятие
«чувствительность УЗ поля эхо-канала», определив
его как частную производную от функции базовой
относительной амплитуды эхо-сигнала по масштаб-
ному переменному размеру эквивалентного отража-
теля следующим образом:
чувствительность поля (ЧП) в идеальной среде:
∂p/∂y = Bи = 2(y/x)exp(–y2/x2); (5)
ЧП в реальной среде:
∂q/∂v = Bр = 4(v/u)exp(1 – 2u – v2/u2). (6)
Символами B1, B2, B3 обозначим роды ЧП, ко-
торые могут быть различными в зависимости от
поставленных условий их определения. Главными
свойствами ЧП являются их максимумы, которые
достигаются способами оптимизации:
максимум ЧП 1-го рода B1 — B1max— за счет
выбора оптимальной дальности uopt для эквива-
лентного отражателя фиксированного размера v;
максимум ЧП 2-го рода B2 — B2max— за счет
выбора оптимального размера vopt эквивалентного
отражателя на фиксированной дальности u;
максимум ЧП 3-го рода B3 — B3max— за счет
выбора оптимальной комплексной базовой амп-
литуды эхо-сигнала qopt на реальной дальности от-
ражателя u.
Аргументация в пользу нового понятия ЧП
усиливается тем, что она как бы автоматически
адаптируется к переменным условиям УЭА де-
фектометрии, в то время как существующая поро-
говая чувствительность, хранимая через настрой-
ки всех параметров контроля, должна быть строго
постоянной для обеспечения требуемой достовер-
ности результатов контроля. Однако на практике
невозможно сохранять постоянными такие дина-
мичные параметры, как акустический контакт или
дальность отражателя при отсутствии временной
регулировки чувствительности. С помощью ЧП
поля эхо-канала обосновывается выбор главных
параметров контроля: ширины временного окна
(строба), дискретности измерения амплитуды эхо-
сигналов и момента снятия показаний при ручном
сканировании объекта контроля.
Далее проведена разработка методических ука-
заний по выбору оптимальных параметров наст-
ройки УЭА дефектометрии на максимальную точ-
ность измерений размеров эквивалентных отража-
телей в реальных средах на основе максимальных
значений ЧП всех родов, определяющих новые
методы измерений (контроля), которые углубляют
и усовершенствуют основной метод УЭА дефек-
тометрии.
Методика расчета оптимальных временных
окон (стробов) для измерения заданных разме-
ров эквивалентных отражателей с максималь-
ной ЧП. B1max определяется из условия:
∂B1/∂u = 4(v/u2) (2v2/u2 – 2u – 1)×
×exp(1 – 2u – v2/u2) = 0.
После подстановки z = v/u и исключения чле-
нов, не превращающихся в 0, получено уравнение:
z3 – 0,5z – v = 0, (7)
имеющее действительный корень z0:
z0 = 0,8{[v + (v2 – 1/54)1/2]1/3 +
+ [v – (v2 –1/54)1/2]1/3}.
Из этого уравнения для заданных размеров эк-
вивалентных отражателей v могут быть найдены
оптимальные базовые относительные дальности
по формуле uo = v/zo.
Положения максимумов ЧП 1-го рода для со-
ответствующих оптимальных базовых относи-
тельных дальностей и заданных размеров эквива-
лентных отражателей показано на рис. 1.
Эффективность использования оптимальных
временных окон (стробов) для выделения эхо-сиг-
налов от эквивалентных отражателей заданного
размера иллюстрируется графическим изображе-
нием энергетической структуры поля в реальной
среде на рис. 2, где пунктирной кривой изобра-
жена граница перехода выпуклостей поля в вог-
нутости (перегибы) или максимумов градиентов
изменения амплитуды. Обычно применяемые ок-
на для выделения эхо-сигналов по максимумам
амплитуды находятся значительно ближе (в сред-
нем почти в два раза) к преобразователю, чем ок-
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2011 29
на, обеспечивающие максимумы ЧП 1-го рода или
наибольшую точность дефектометрии.
Оптимальная величина uо не может быть вы-
ражена простой формулой, что затрудняет ее
практическое использование. Однако можно по-
лучить непрямое решение задачи, определив мас-
штабный размер эквивалентного отражателя из
уравнения (7), т. е. v = z3 – 0,5z. После подстановки
z = v/uo получаем непрямое уравнение:
v = uо√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯ uо + 0,5 , (8)
которое после подстановки физических значений
вместо универсальных безразмерных запишем в
виде:
√⎯⎯⎯n S = ropt√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯δ ropt + 0,5 , (9)
где выражение √⎯⎯⎯n S названо обобщенным разме-
ром эквивалентного отражателя.
Практическое использование полученного ре-
зультата удобно в виде номограммы, представлен-
ной на рис. 3.
Номограмма оптимальных дальностей связы-
вает между собой пять физических величин поля
эхо-канала (диаметр преобразователя d, длину
волны λ, площадь эквивалентного отражателя в
виде плоскодонного отверстия S, коэффициент за-
тухания звука в ОК δ, оптимальное расстояние
отражателя ropt) условием, обеспечивающим мак-
симум ЧП 1-го рода. Эта номограмма может найти
более широкое применение, если найти способ оп-
ределения величины B1max.
Для этого в формулу (6) для ЧП следует под-
ставить условие (8), обеспечивающее максимум
ЧП 1-го рода:
B1max = 6,6exp(–3uо)√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯uo + 0,5 . (10)
Полученное уравнение в логарифмическом виде
изображено линией А на рис. 1. Она имеет незна-
чительную выпуклость и снижается с градиентом
∂B1max/∂uo = –(6uo + 2)/(2uo + 1). (11)
На средних, обычных для УЗК, дальностях эк-
вивалентных отражателей, например, для uo = 0,8,
…, 1,2, градиент уменьшения максимумов 1-го ро-
да ЧП составляет –23…–24 дБ на базовую (еди-
ничную) дальность ΔL = 1/δ.
Существует возможность экспериментального
определения коэффициента затухания звука в ма-
териалах при помощи прибора с программным уп-
равлением по следующей методике.
Если выполнить с помощью программного уп-
равления измерение ЧП 1-го рода по формуле:
B1 = 10,87(√⎯⎯⎯S n /r)exp(–δr – nS/r2), (12)
то, перебирая значения δ при разных дальностях
r и неизменных других параметрах эксперимента
n, S, можно получить такое значение δ, при ко-
тором вертикальная прямая √⎯⎯⎯n S = const и гори-
зонтальная прямая r = ropt пересекутся с наклонной
кривой δ, имеющей такое же номинальное зна-
чение на приведенной номограмме.
Эту методику можно считать универсальной
для любой триады «прибор–преобразователь–
объект контроля».
При помощи ЧП 1-го рода можно определять
ширину временного окна (строба) для выделения
эхо-сигналов, необходимых для измерения разме-
ров эквивалентных отражателей в заданном диа-
пазоне размеров с достаточной точностью при от-
клонении чувствительности от максимума не
более чем на заданную величину α, %.
Для этого уравнение (6) для ЧП 1-го рода при-
равнивается к заданному уровню чувствительнос-
ти через привязку к максимуму, уменьшенную на
величину (1 – α), т. е.
(v/u)exp(–2u – v2/u2) =
= (1 – α)√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯(uo + 0,5) exp(−3u) .
После подстановки условия максимума для
B1max v = uo√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯(uo + 0,5) начальное уравнение уп-
рощается:
(uo/u)exp[–2u – (u0/u)2(u0 + 0,5) – 3u0] =
= 1 – α.
(13)
Подстановка численных значений оптималь-
ных дальностей uo, связанных с задаваемыми ве-
Рис. 3. Оптимальные дальности отражателей, соответствую-
щие максимумам ЧП 1-го рода в зависимости от затухания
звука в ОК
Рис. 1. Зависимость ЧП 1-го рода от масштабных размеров
эквивалентных отражателей на разных базовых относитель-
ных дальностях
Рис. 2. Энергетическое поле эхо-преобразователя в реальной
среде
30 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2011
личинами масштабных размеров эквивалентных
отражателей, еще более упрощает уравнение (13),
которое решается графоаналитическим методом и
представлено на рис. 4. Крайними пунктирными
линиями показаны границы стробов для разных
эквивалентных размеров дефектов в зависимости
от параметра z0 = v/u0.
Методика расчета необходимой и достаточ-
ной дискретности измерения амплитуды эхо-
сигналов, влияющей на точность измерения
размеров эквивалентных отражателей. Для ре-
шения поставленной задачи необходимо найти
максимум ЧП 2-го рода, который определяется
дифференцированием ЧП по масштабному разме-
ру эквивалентного отражателя:
B2=∂B/∂v = (4/u)(1–2v2/u2)exp(1–2u–v2/u2) = 0.(14)
Отсюда оптимальное значение vopt будет:
vopt = u/√⎯⎯2 . (15)
После подстановки этого условия в формулу
для ЧП (6) определяется максимум ЧП 2-го рода:
B2max = 4,67e–2u. (16)
Далее запишем уравнение, выражающее изме-
нения ЧП 2-го рода от изменений размеров эк-
вивалентных отражателей, находящихся на фик-
сированных дальностях, в виде кривых в логариф-
мическом масштабе, которые касаются наклонной
прямой B2max, изображенной линией А на рис. 5:
4(v/u)exp(1 – 2u – v2/u2) = 4,67 exp(–2u), (17)
где u — фиксированные значения.
Главная идея расчета погрешностей измерения
размеров эквивалентных отражателей заключает-
ся в определении ширины сечения огибающей ЧП
2-го рода на уровне ниже ее максимума на единый
относительный квант Δq (рис. 6), который перес-
читывается в дискретную величину ΔD, являю-
щуюся шагом равномерной шкалы амплитуд в от-
рицательных децибелах [3], следующей зависи-
мостью:
–ΔD = 8,686ln(Δq) дБ/пиксель или
Δq = 1,122–ΔD,
(18)
так как ln(Δq) = –ΔDln1,122 = –ΔD/8,686.
При этом подразумевается, что все величины,
связанные с энергетикой или амплитудой эхо-сиг-
Т а б л и ц а 1. Единые относительные кванты в зависимости от
дискретности шкалы амплитуд, дБ
ΔD (дБ) 0,1 0,2 0,25 0,5
Δq 0,9886 0,9772 0,9716 0,9441
Т а б л и ц а 2. Численное распределение уровней ЧП 2-го рода около их максимальных значений по линии оптимума vopt = 0,707u
v
u
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
0,1 0,389 0,298
0,2 0,368 0,427 0,389 0,341
0,3 0,368 0,427 0,419 0,389 0,357
0,4 0,368 0,422 0,427 0,412 0,389 0,365 0,341
0,5 0,368 0,416 0,429 0,423 0,408 0,389
0,6 0,368 0,411 0,427 0,427 0,419
0,7 0,368 0,407 0,425 0,429
0,8 0,368 0,403 0,422
0,9 0,368 0,400
1,0 0,368
Рис. 5. Зависимость ЧП 2-го рода от масштабного размера
эквивалентного отражателя на фиксированных базовых отно-
сительных дальностях
Рис. 6. Графо-аналитический анализ точности измерения мас-
штабного размера эквивалентного отражателя
Рис. 4. Зависимость ширины и положения строба для выде-
ления полезных эхо-сигналов для УЭА дефектометрии с за-
данной точностью
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2011 31
налов, подвержены пропорциональным изменени-
ям, относительные величины которых измеряются
от их собственных максимумов в единицах ΔD.
Наиболее приемлемую для практических измере-
ний дискретность амплитудных шкал выбирают
из ряда: 0,1; 0,2: 0,25: 0,5 дБ/пиксель. Отсюда со-
ответствующие значения единых относительных
квантов можно получить из табл. 1.
Уравнения (17) для фиксированных дальностей
логарифмированием и приравниванием к уровням
максимумов ЧП 2-го рода, пониженным на один
квант относительной шкалы Δq, преобразуются,
упрощаются и принимают вид:
(v/u)exp(–v2/u2) = 0,429Δq, (19)
удобный для расчетно-цифрового анализа (см.
табл. 2).
В табл. 2 представлено численное распределе-
ние величин ЧП 2-го рода с крупным шагом вбли-
зи его максимального значения, которое демонс-
трирует разброс размеров эквивалентных отража-
телей или погрешность измерений масштабного
размера эквивалентных отражателей.
Более точный численный расчет с меньшей
дискретностью v позволяет обнаружить зависи-
мость разброса размеров отражателей (погреш-
ностей измерения) на уровне единого относитель-
ного кванта, связанного с дискретностью измере-
ния величины эхо-сигналов. Это продемонстри-
ровано на примере измерения размера эквивален-
тного отражателя на дальности u = 0,4 в табл. 3.
Оптимальный размер эквивалентного отража-
теля на дальности u = 0,4 равен vopt = 0,283, а
максимум ЧП 2-го рода = 0,429. Его понижение
происходит в обе стороны от максимума на Δq
и определяет ошибку дискретизации измерений,
представленную для данного случая в табл. 4
Если сравнить данные табл. 3 и 4, то можно
заметить, что разброс масштабных размеров эк-
вивалентных отражателей увеличивается с увели-
чением шага квантования и составляет соответс-
твенно ±10; ±14; ±18; ±22 %.
На основании численного исследования воз-
можностей нового понятия чувствительности по-
ля в направлении точности измерения размеров
эквивалентных отражателей можно сделать вывод
о том, что при нормальной дискретности измере-
ния амплитуды эхо-сигналов ΔD = –0,2 дБ точ-
ность УЭА дефектометрии может быть на уровне
±14…20 %.
Методика определения оптимальных усло-
вий для съема показаний УЭА дефектомера в
процессе ручного сканирования ОК на осно-
вании максимума ЧП 3-го рода. Для определе-
ния ЧП 3-го рода необходимо в формулу ЧП (6)
подставить значения v, выраженные через пара-
метры эхо-сигнала в виде формулы геометричес-
кой структуры поля эхо-канала [2]: v =
= ±u√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯− ln(1 − q e2u −1 ⁄ 2u) , из которой следуют
тождественные равенства:
v/u = √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯–ln(1−q e2u–1 ⁄ 2u) ,
(v/u)2 = –ln(1 – qe2u–1/2u),
exp(–v2/u2) = 1 – qe2u–1/2u.
После соответствующих подстановок в форму-
лу ЧП (6) для ЧП 3-го рода получим:
B3 = (4e1–2u) (1 – qe2u–1/2u)]×
×√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯–ln(1−q e2u–1 ⁄ 2u) . (20)
Эта зависимость представлена на рис. 7 в лога-
рифмическом масштабе по оси амплитуд, откуда
видно, что максимумы ЧП 3-го рода находятся в
диапазоне амплитуд эхо-сигналов от –8 до –20 дБ.
В формуле (20) в скобках перед корнем и под
корнем квадратным появилось выражение:
Т а б л и ц а 3 . Измерение величины эквивалентного отража-
теля на дальности u = 0,4
v B2
0,22 0,406
0,23 0,413
0,24 0,419
0,25 0,422
0,26 0,426
0,27 0,428
0,28 0,429
0,29 0,429
0,30 0,427
0,31 0,425
0,32 0,422
0,33 0,418
0,34 0,413
Т а б л и ц а 4. Шаги дискретизации измерений
ΔD (дБ) 0,1 0,2 0,25 0,5
0,429Δq 0,424 0,419 0,417 0,405
Рис. 7. Зависимость ЧП 3-го рода от базовой относительной
амплитуды эхо-сигналов для разных дальностей эквивалент-
ных отражателей (размеры эквивалентных отражателей пока-
заны тонкими линиями)
32 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2011
qe2u–1/2u = Aк, (21)
которое названо комплексной базовой амплитудой
(КБА) эхо-сигнала и обозначено символом Aк. КБА
объединяет оба параметра эхо-сигнала и в зна-
чительной мере подобна системе с временной ре-
гулировкой чувствительности (ВРЧ), усиливаю-
щей амплитуду эхо-сигнала в зависимости от
времени его задержки и от коэффициента зату-
хания (u = δr), однако без учета свойств отража-
теля.
После принятой подстановки выражение для
ЧП 3-го рода принимает вид:
B3 = (4e1 - 2u)(1 – Aк) √⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯−ln(1 − Aк) . (22)
Максимум ЧП 3-го рода определяется диффе-
ренцированием:
∂B3/∂Aк = –ln(1 – Aк) + 0,5 = 0,
откуда 1 – Aк = e–0,5 = 0,606 или оптимальное зна-
чение Aк = 0,394.
После подстановки этого значения КБА в фор-
мулу (21) получено уравнение для границы об-
ласти оптимальных параметров эхо-сигналов для
УЭА дефектометрии:
qopt = 2,14ue–2u. (23)
Исходя из вновь введенных понятий и числен-
ных характеристик, приобретает практическое зна-
чение видоизменение универсальной АРД-диаграм-
мы и представление ее следующим выражением:
Aк = 1 – exp(–v2/u2). (24)
Его удобнее представлять в логарифмическом
масштабе по оси КБА
Dк = 8,686ln[1 – exp(–v2/u2)] (25)
в графически развернутом виде сплошными ли-
ниями на (рис. 7) и называть нормированной уни-
версальной АРД-диаграммой.
Нормированность АРД-диаграммы заключает-
ся в нанесении на поле АРД-диаграммы области
значений ЧП 3-го рода на уровне 0,9 от макси-
мального значения B3max = 0,429 (рис. 8).
Область оптимальных значений КБА (заштри-
хована) находится между двумя граничными ли-
ниями (рис. 9), описываемыми уравнениями: qв =
= 1,2ue–2u и qн = 3,2ue–2u, а средняя линия соот-
ветствует уравнению (21).
Из рис. 9 видно, что область масштабных раз-
меров эквивалентных отражателей, измеряемых
с достаточно высокой точностью, ограничена
диапазоном v = 0,4…0,8. Для обычных задач УЗ
дефектоскопии этот диапазон в размерах пло-
щади эквивалентных отражателей выражается
следующим образом: S = v2/nδ2 = v2λ2/d2δ2 =
= (0,16…0,64)λ2/d2δ2 = 5…100 мм2 при условии:
n = 60…120; δ = 0,01…0,02 1/мм, что можно счи-
тать вполне достаточным для практических целей.
Дисплей форматом 256×256 пикселей может
быть использован в качестве носителя нормиро-
ванной универсальной АРД-диаграммы со следу-
ющими параметрами:
– шкала комплексных базовых амплитуд в ди-
апазоне 0…–25 дБ с дискретностью шкалы КБА
ΔD = 0,1 дБ;
– шкала базовых относительных дальностей в
диапазоне 0…2 с дискретностью шкалы Δu =
= 0,008, что соответствует дискретности физичес-
ких дальностей Δr = 0,008/δ = 0,4…0,8 мм или
дискретности времени Δt = 0,3…0,6 мкс.
Рассмотрим графическое представление нор-
мированной универсальной АРД-диаграммы на
цифровом дисплее таким образом, чтобы изобра-
жение было достаточно четким и не мешало рас-
смотрению КБА-сканов. Программа электронного
изображения может быть удобна благодаря воз-
можности изменения масштаба дальности, но
сложна и затеняющая КБА-сканы. Вероятно, це-
лесообразным будет возврат к накладному проз-
рачному экрану, хотя и без регулирования
Рис. 8. Границы области оптимальных значений КБА
Рис. 9. Нормированная универсальная АРД-диаграмма
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2011 33
масштаба по дальности. Однако для оператора руч-
ного контроля графическое изображение АРД-ди-
аграммы на фоне КБА-сканов дает важные
ориентиры для ощущения поля, которые ничем
незаменимы. Кроме того, существенно снижается
себестоимость прибора.
Выводы
На основе разработанной универсальной теорети-
ческой модели поля эхо-канала с описанием двух
её сторон — энергетической и геометрической, с
математическим описанием их при помощи трёх
универсальных безразмерных переменных (q, u, v)
в полном объеме поля в ближней и дальней зонах,
во всех средах с затуханием и без затухания звука
[2], раскрыты метрологические особенности поля
эхо-канала, описываемые при помощи нового
понятия — чувствительности поля (ЧП);
– под ЧП понимается частная производная от
универсальной базовой безразмерной амплитуды
эхо-сигнала q по универсальному обобщённому
размеру эквивалентного отражателя v, а именно
B = ∂q/∂v;
– определены ЧП трех родов, развернутые по
каждой из трех переменных: ЧП 1-го рода —
B1 = ∂B/∂u; ЧП 2-го рода — B2 = ∂B/∂v; ЧП 3-го
рода — B3 = ∂B/∂q;
– определены максимальные значения ЧП всех
трёх родов с помощью правила оптимизации,
когда производные приравниваются 0, откуда
получены условия:
– оптимальной дальности uоpt для выделения
полезных эхо-сигналов для измерения ожидаемых
размеров эквивалентных отражателей с макси-
мальной чувствительностью 1-го рода B1max;
– оптимального обобщенного размера эквива-
лентного отражателя vopt, который на заданной
базовой дальности измеряется с максимальной
чувствительностью 2-го рода B2max;
– оптимальной базовой амплитуды эхо-сигнала
qopt от эквивалентного отражателя на фиксиро-
ванной базовой дальности, который соответствует
максимальной чувствительности 3-го рода B3max
и воспринимается как сигнал окончания ручного
сканирования отражателя и съема показания для
измерения размера эквивалентного отражателя;
– определена огибающая ЧП 2-го рода, которая
на уровне одного относительного кванта ниже
максимума указывает неопределённость размера
эквивалентного отражателя, т.е. возможную ошибку
его измерения при данной дискретности измерения
амплитуды эхо-сигнала. Отсюда определена теорети-
ческая ошибка УЭА дефектометрии, которая при
дискретности измерения амплитуды ΔD = 0,2 дБ
может составлять 14...20 %;
– введен новый информационный параметр
УЭА дефектометрии, учитывающий амплитуду и
задержку эхо-сигнала, названный комплексной
базовой амплитудой (КБА), который позволяет
отделить оперативно вводимые данные контроля
в виде точек на экране от универсальной АРД-
диаграммы;
– определены диапазоны оптимальных базовых
амплитуд эхо-сигналов в зависимости от уровней
ЧП 3-го рода, которые могут наноситься на экран
дефектомера совместно с АРД-диаграммой в виде
окрашенных областей.
1. Щербинский В. Г. Технология ультразвукового контроля
сварных соединений. — М.: Тиссо, 2003. — 326 с.
2. Давиденко В. Ф. Об элементарной неволновой теории
поля ультразвуковых преобразователей для импульсно-
амплитудной дефектометрии // Техн. диагностика и не-
разруш. контроль. — 2010. — № 3. — С. 29–37.
3. Давиденко В. Ф., Баженов В. Г. Новые принципы пост-
роения измерительных шкал ультразвуковых дефектос-
копов // Зб. доповідей 6-ї Нац.наук.-техн. конф. «Не-
руйнівний контроль та технічна діагностика
UkrNDT–2009» / Київ: УТ НКТД, 2009. — С. 132–136.
Поступила в редакцию
05.04.2011
34 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2011
|