RU2722089C1 - Noncontact ultrasonic flaw detection using a doppler effect - Google Patents

Noncontact ultrasonic flaw detection using a doppler effect Download PDF

Info

Publication number
RU2722089C1
RU2722089C1 RU2019139720A RU2019139720A RU2722089C1 RU 2722089 C1 RU2722089 C1 RU 2722089C1 RU 2019139720 A RU2019139720 A RU 2019139720A RU 2019139720 A RU2019139720 A RU 2019139720A RU 2722089 C1 RU2722089 C1 RU 2722089C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
frequency
echo signals
defect
ultrasonic
signals
Prior art date
Application number
RU2019139720A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анатолий Аркадиевич Марков
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Радиоавионика"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Радиоавионика" filed Critical Открытое акционерное общество "Радиоавионика"
Priority to RU2019139720A priority Critical patent/RU2722089C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2722089C1 publication Critical patent/RU2722089C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04Analysing solids

Abstract

FIELD: defectoscopy.SUBSTANCE: invention can be used for non-contact ultrasonic flaw detection using Doppler effect. Essence of the invention consists in the fact that during the relative motion of the contactless acoustic transducer and the controlled article at a given frequency, ultrasonic vibrations are emitted into the article with a beam pattern symmetric in the probing plane with known angles, receiving reflected echo signals, at known speed of movement calculating Doppler frequency shift of echo signals, determining instantaneous frequencies of echo signals received in limits of opposite directed main lobes of the beam pattern of the converter, in direction and values of their change and by mutual time position of groups of echo signals received by said lobes of the beam pattern, presence and position of the defect are determined.EFFECT: high reliability of detecting defects at considerable scanning speeds (up to 120 km/h and higher).1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области ультразвукового (УЗ) бесконтактного неразрушающего контроля изделий, может преимущественно использоваться для обнаружения и оценки дефектов в длинномерных изделиях, в частности, в рельсах железнодорожного транспорта, метрополитена, в трубах, в штангах различного назначения при высоких скоростях относительного движения между излучающе-приемной системой и контролируемым изделием. Заявляемое техническое решение рассмотрено на примере контроля железнодорожных рельсов при наклонном вводе ультразвуковых колебаний.The invention relates to the field of ultrasonic (US) non-destructive non-destructive testing of products, can mainly be used to detect and evaluate defects in long products, in particular, in rails of railway transport, underground, in pipes, in rods for various purposes at high speeds of relative motion between radiating receiving system and controlled product. The claimed technical solution is considered on the example of control of railway rails with an inclined input of ultrasonic vibrations.

Для обнаружения опасных дефектов в виде трещин разной ориентации в длинномерных изделиях используют наклонный ввод УЗ колебаний. При контроле высокими скоростями сканирования (близкими к скоростям движения поездов - до 120 км/ч) необходимо обеспечить бесконтактный ввод и прием УЗ колебаний. При бесконтактном вводе УЗ колебаний с помощью электромагнитно-акустического (ЭМА) возбуждения, лазерной генерации или импульсным пучком заряженных частиц в контролируемом изделии формируются диаграммы направленности, представляющие из себя два противоположно направленных симметричных лепестка (при ЭМА - с максимальным углом излучения около ± 30° [1], при термоупругом возбуждении - с максимумом под углом ± 55°) [2].To detect dangerous defects in the form of cracks of different orientations in long products, an inclined input of ultrasonic vibrations is used. When monitoring with high scanning speeds (close to train speeds of up to 120 km / h), it is necessary to ensure contactless input and reception of ultrasonic vibrations. With the non-contact input of ultrasonic vibrations using electromagnetic-acoustic (EMA) excitation, laser generation or a pulsed beam of charged particles in the controlled product, radiation patterns are formed, which are two oppositely directed symmetrical petals (with EMA with a maximum radiation angle of about ± 30 ° [ 1], with thermoelastic excitation - with a maximum at an angle of ± 55 °) [2].

При сканировании изделия двойной диаграммой направленности возникают определенные проблемы с селекцией сигналов, связанные со сложностью локализации дефектов. Например, известен способ ЭМА дефектоскопии металлических изделий [3], заключающийся в том, что на изделии устанавливают ЭМА дефектоскоп, излучающий акустические зондирующие сигналы, направленные в плоскости зондирования вглубь изделия зеркально под известными углами, перемещают дефектоскоп по изделию с известной скоростью, принимают сигналы, отраженные от возможных дефектов, определяют глубину их залегания.When scanning a product with a double radiation pattern, certain problems arise with signal selection related to the complexity of defect localization. For example, there is a known method of EMA defectoscopy of metal products [3], which consists in the fact that an EMA flaw detector is installed on the product, emitting acoustic sounding signals directed in the plane of sounding deep into the product at known angles, the flaw detector is moved around the product at a known speed, signals are received, reflected from possible defects determine the depth of their occurrence.

Недостатками способа [3] являются низкая точность и производительность дефектоскопии. Низкая точность обусловлена следующим. В статическом положении ЭМА дефектоскоп возбуждает двунаправленные УЗ колебания в изделии. Сигналы, отраженные от возможных дефектов, принимаются в виде одиночных радиоимпульсов. В результате оказывается невозможным определить, какое направление УЗ зондирующих сигналов обнаружило дефект. Для решения этой задачи в известном способе предполагают, что при перемещении ЭМА дефектоскопа изменяется амплитуда зондирующих сигналов. Тогда одно из направлений УЗ зондирований, «задний» лепесток [3], считают не существенным и исключают из рассмотрения.The disadvantages of the method [3] are the low accuracy and performance of flaw detection. Low accuracy is due to the following. In the static position, the EMA flaw detector excites bi-directional ultrasonic vibrations in the product. Signals reflected from possible defects are received in the form of single radio pulses. As a result, it turns out to be impossible to determine which direction of the ultrasonic probe signals detected the defect. To solve this problem in the known method, it is assumed that when moving the EMA of the flaw detector, the amplitude of the probing signals changes. Then one of the directions of ultrasonic sounding, the “back” lobe [3], is considered not significant and is excluded from consideration.

При таком подходе не учитываются помехи, связанные с обнаружением дефектов «задним» лепестком, что снижает точность дефектоскопии.This approach does not take into account the interference associated with the detection of defects by the “back” lobe, which reduces the accuracy of flaw detection.

Низкая производительность дефектоскопии обусловлена тем, что однонаправленное УЗ зондирование в способе [3] предлагают проводить при обратном перемещении ЭМА дефектоскопа, что увеличивает время дефектоскопии в 2 раза.The low performance of flaw detection is due to the fact that unidirectional ultrasound probing in the method [3] is proposed to be carried out with reverse movement of the EMA of the flaw detector, which increases the time of flaw detection by 2 times.

При значительных скоростях сканирования весьма ярко проявляется известный эффект Доплера, когда частота эхо-сигнала fэ, принимаемая от дефекта, отличается от частоты излучения УЗ колебаний f0 на величину доплеровского сдвига Fд:At significant scanning speeds, the well-known Doppler effect is manifested very clearly, when the frequency of the echo signal f e received from the defect differs from the radiation frequency of ultrasonic vibrations f 0 by the value of the Doppler shift F d :

Figure 00000001
Figure 00000001

гдеWhere

Figure 00000002
Figure 00000002

v - скорость сканирования;v is the scanning speed;

с - скорость распространения УЗ колебаний;C is the propagation velocity of ultrasonic vibrations;

α - угол ввода УЗ луча в контролируемое изделие.α is the angle of entry of the ultrasound beam into the controlled product.

Выбор знака между слагаемыми в (1) зависит от направления движения: при взаимном приближении ПЭП и дефекта (+), при удалении (-).The choice of the sign between the terms in (1) depends on the direction of motion: with the mutual approximation of the probe and the defect (+), with the removal (-).

Целесообразность использования эффекта Доплера применительно к дефектоскопии показана еще в [4]. Для дополнительного повышения помехозащищенности при переменной скорости сканирования в [5] предложено регулировать полосу пропускания приемника (точнее полосу фильтра выделения доплеровской частоты) дефектоскопа в зависимости от скорости.The feasibility of using the Doppler effect in relation to flaw detection was shown in [4]. To further increase the noise immunity at a variable scanning speed, it was proposed in [5] to adjust the receiver passband (more precisely, the Doppler frequency filter band) of the flaw detector depending on the speed.

Дальнейшее развитие указанного направления повышения эффективности УЗ дефектоскопии изделий при высоких скоростях сканирования получило в технических решениях [6], [7] и [8], где используется независимость числа периодов доплеровской частоты в эхо-сигнале конкретного дефекта от скорости [6] и возможность выделения с помощью узкополосных фильтров крайних участков доплеровского спектра [7] для определения параметров выявляемых дефектов [8]. Общим недостатком известных технических решений [4-8] является узкая область применения, ориентированная только на их использование при непрерывном излучении УЗ колебаний и контактном способе ввода/приема УЗ колебаний.Further development of this direction of increasing the efficiency of ultrasonic inspection of products at high scanning speeds was obtained in technical solutions [6], [7] and [8], where the independence of the number of periods of the Doppler frequency in the echo signal of a specific defect on speed [6] and the possibility of highlighting using narrow-band filters of the extreme sections of the Doppler spectrum [7] to determine the parameters of detected defects [8]. A common disadvantage of the known technical solutions [4-8] is a narrow scope, focused only on their use in continuous radiation of ultrasonic vibrations and the contact method of input / reception of ultrasonic vibrations.

Такое решение является более универсальным техническим решением, направленным на бесконтактный ввод и прием УЗ колебаний при высокоскоростном контроле изделий. Основная идея способа [9] заключается в выделении сигналов, имеющих доплеровский сдвиг частоты. В процессе относительного движения БАП и контролируемого изделия излучают в изделие УЗ колебания на заданной частоте под определенным углом, при известной скорости сканирования принимают отраженные эхо-сигналы и выделяют эхо-сигналы от дефектов с учетом доплеровского сдвига частоты. Причем, на примере контроля железнодорожных рельсов показано, что увеличение скорости сканирования (вагона-дефектоскопа) приводит к более выраженному эффекту Доплера и лучшей эффективности.Such a solution is a more universal technical solution aimed at the contactless input and reception of ultrasonic vibrations with high-speed control of products. The main idea of the method [9] is to isolate signals having a Doppler frequency shift. In the process of relative movement of the BAP and the controlled product, ultrasonic vibrations are emitted into the product at a given frequency at a certain angle, at a known scanning speed, reflected echoes are received and echoes from defects are taken into account taking into account the Doppler frequency shift. Moreover, on the example of control of railway rails, it is shown that an increase in the scanning speed (of a flaw detector car) leads to a more pronounced Doppler effect and better efficiency.

Недостатком способа [9], принятого за прототип, является низкая помехозащищенность, а значит, и низкая достоверность результатов контроля, вызванная неполным использованием информативных параметров эхо-сигналов, получаемых при высокоскоростном сканировании. Кроме того, в известном способе не учтено, что при рассматриваемых бесконтактных способах возбуждения наиболее эффективно наклонный ввод УЗ колебаний осуществляется с формированием двухлепестковой (симметричной) диаграммы направленности (ДН). Игнорирование этой особенности дополнительно снижает достоверность контроля.The disadvantage of the method [9], adopted as a prototype, is the low noise immunity, and hence the low reliability of the control results caused by the incomplete use of informative parameters of the echo signals obtained by high-speed scanning. In addition, in the known method it was not taken into account that with the considered non-contact excitation methods, the most effective oblique input of ultrasonic vibrations is carried out with the formation of a two-leaf (symmetrical) radiation pattern. Ignoring this feature further reduces the reliability of the control.

Целью изобретения является повышение достоверности обнаружения дефектов при наличии относительного высокоскоростного движения между излучающе-приемной системой и контролируемым изделием за счет использования тонкой структуры УЗ эхо-сигналов от дефектов с учетом эффекта Доплера.The aim of the invention is to increase the reliability of detection of defects in the presence of relative high-speed movement between the radiation-receiving system and the controlled product through the use of a fine structure of ultrasonic echo signals from defects, taking into account the Doppler effect.

Техническим результатом реализации заявляемого способа является повышение достоверности обнаружения дефектов при бесконтактном УЗ контроле на значительных скоростях сканирования.The technical result of the implementation of the proposed method is to increase the reliability of detection of defects in non-contact ultrasonic testing at significant scanning speeds.

Для достижения этого результата в способе бесконтактной ультразвуковой дефектоскопии с использованием эффекта Доплера, заключающемся в том, что в процессе относительного движения БАП и контролируемого изделия на заданной частоте излучают в изделие УЗ колебания с симметричной в плоскости зондирования диаграммой направленности с известными углами, принимают отраженные эхо-сигналы, при известной скорости сканирования вычисляют доплеровский сдвиг частоты эхо-сигналов, дополнительно с необходимой дискретностью определяют мгновенные частоты эхо-сигналов, принятых в пределах противоположно направленных основных лепестков диаграммы направленности БАП, по направлению и величинам их изменения и по взаимному положению групп эхо-сигналов, принятых указанными лепестками диаграммы направленности, определяют наличие и положение дефекта.To achieve this result, in the method of non-contact ultrasonic inspection using the Doppler effect, which consists in the fact that in the process of relative movement of the BAP and the controlled product at a given frequency, ultrasonic vibrations with a radiation pattern symmetrical in the sounding plane with known angles are emitted into the product, the reflected echo signals, at a known scanning speed, the Doppler frequency shift of the echo signals is calculated, additionally, with the necessary discreteness, the instantaneous frequencies of the echo signals received within the opposite directional main lobes of the radiation pattern of the BAP are determined by the direction and magnitude of their change and the relative position of the echo groups taken by the indicated lobes of the radiation pattern determine the presence and position of the defect.

Существенными отличиями заявляемого способа по сравнению с прототипом является учет изменения доплеровского сдвига (частоты эхо-сигнала) в процессе озвучивания дефекта и учет разнонаправленной девиации этой частоты при последовательном озвучивании дефекта передним («наезжающим») и задним («отъезжающим») лепестками диаграммы направленности БАП. Кроме того, по временному (пространственному) интервалу между группами (пачками) сигналов, принятыми указанными лепестками ДН, появляется возможность определить положение искомого дефекта внутри контролируемого изделия, что совместно с отмеченными выше частотными признаками является дополнительным признаком сигналов от дефекта.Significant differences of the proposed method compared to the prototype is to account for changes in the Doppler shift (echo frequency) in the process of sounding the defect and taking into account the multidirectional deviation of this frequency with successive sounding of the defect by the front (“moving in”) and back (“moving away”) lobes of the radiation pattern of the BAP . In addition, according to the time (spatial) interval between groups (packets) of signals received by the indicated petals, it becomes possible to determine the position of the desired defect within the controlled product, which, together with the frequency signs noted above, is an additional sign of signals from the defect.

В способе [9] не учтено, что частота эхо-сигнала зависит не только от скорости сканирования, но и от переменного (в пределах диаграммы направленности), угла ввода/приема УЗ колебаний, который в процессе озвучивания дефекта меняется. Также в [9] исходят из предположения, что при бесконтактном возбуждении УЗ колебаний в изделии формируется однонаправленная ДН. Как известно, что при практической реализации наиболее эффективное и устойчивое возбуждение УЗ колебаний в твердых телах удается осуществить при формировании двунаправленной ДН, симметричной в плоскости зондирования [1, 2]. Отсутствие учета этих немаловажных факторов при обработке принимаемых в процессе сканирования эхо-сигналов приводит к снижению достоверности контроля.The method [9] does not take into account that the frequency of the echo signal depends not only on the scanning speed, but also on the variable (within the radiation pattern), the angle of entry / reception of ultrasonic vibrations, which changes during the sounding of the defect. Also in [9], it is assumed that, upon contactless excitation of ultrasonic vibrations, a unidirectional pattern is formed in the product. It is known that, in practical implementation, the most effective and stable excitation of ultrasonic vibrations in solids can be achieved with the formation of a bidirectional beam symmetric in the sounding plane [1, 2]. Lack of accounting for these important factors in the processing of echo signals received during scanning leads to a decrease in the control reliability.

Заметим, что некоторые отличия в выражении для определения доплеровского смещения в прототипе, от выражения (2) в данном тексте, объясняются особенностями отсчета угла ввода УЗ колебаний в контролируемое изделие. В отечественной практике угол ввода а колебаний отсчитывается от нормали к поверхности сканирования.Note that some differences in the expression for determining the Doppler displacement in the prototype from expression (2) in this text are explained by the peculiarities of counting the angle of entry of ultrasonic vibrations into the controlled product. In domestic practice, the angle of input and vibration is measured from the normal to the scanning surface.

В реальных ситуациях, при любом способе возбуждения УЗ колебаний (бесконтактными лазером, электромагнитно-акустическом излучением или импульсным пучком заряженных частиц) при приеме отраженных от внутреннего дефекта эхо-сигналов, в контролируемом изделии формируется симметричная результирующая диаграмма направленности с центральными углами ввода + α0 и - α0, и, как правило, с идентичными углами раскрытия 2ϕр. В процессе сплошного сканирования контролируемого изделия со скоростью vc, при приближении к локальному внутреннему дефекту в начальный момент времени озвучивание дефекта происходит краем наезжающего лепестка ДН под углом αн=(α0р). При этом в соответствии с (1) и (2), где α=αн=(α0р), УЗ эхо-сигнал имеет частоту fns (come near, start) составляющуюIn real situations, with any method of excitation of ultrasonic vibrations (by a non-contact laser, electromagnetic-acoustic radiation or a pulsed beam of charged particles) when receiving echoes reflected from an internal defect, a symmetrical resulting radiation pattern with central input angles + α 0 and - α 0 , and, as a rule, with identical opening angles 2ϕ p . In the process of continuous scanning of a controlled product with a speed of v c , when approaching a local internal defect at the initial moment of time, the defect is voiced by the edge of the incident petal at an angle α n = (α 0 + ϕ p ). Moreover, in accordance with (1) and (2), where α = α n = (α 0 + ϕ p ), the ultrasonic echo signal has a frequency f ns (come near, start) component

Figure 00000003
Figure 00000003

По мере движения БАП в зоне локации ΔL дефекта, происходит постепенный «наезд» ДН на дефект, при этом преимущественное озвучивание дефекта происходит под углом α0, а мгновенная частота эхо-сигнала определяется выражениями (1 и 2), где α=α0.As the BAP moves in the location zone ΔL of the defect, a gradual “hit” of MDs on the defect occurs, with the predominant sounding of the defect occurring at an angle α 0 , and the instantaneous frequency of the echo signal is determined by expressions (1 and 2), where α = α 0 .

В дальнейшем начинается «съезд» наезжающего лепестка ДН УЗ луча с плоскости отражателя и озвучивание дефекта происходит под утлом αк=(α0р),In the future, the "congress" of the incident petal of the bottom beam of the ultrasonic beam from the plane of the reflector begins and sounding of the defect occurs under the fragility α to = (α 0p ),

Figure 00000004
Figure 00000004

В результате, частота заполнения эхо-сигналов в процессе сканирования, определяемая как разность (4) и (3), меняется на величинуAs a result, the frequency of filling the echo signals during the scanning process, defined as the difference (4) and (3), changes by

Figure 00000005
Figure 00000005

Отсюда следует очевидный вывод, что чем шире ДН (значение ϕр) БАП, тем больше изменение частоты (девиация) ΔfЭ частоты эхо-сигнала в процессе локации дефекта.This leads to the obvious conclusion that the wider the DN (value ϕ p ) of the BAP, the greater the change in the frequency (deviation) Δf e of the frequency of the echo signal in the process of location of the defect.

Аналогично происходит формирование эхо-сигналов и соответствующее изменение их частоты заполнения при последующем озвучивании дефекта задним, «отъезжающим» лепестком ДН БАП. Однако, в отличие от озвучивания наезжающим лепестком ДН, в выражении (1) между слагаемыми берется знак (-), т.е. эхо-сигналы, формируемые отъезжающим лепестком ДН имеют частоту меньшую, чем частота излучения f0 на величину, определяемую доплеровским сдвигом. Причем, изменение этой частоты в пределах основного лепестка ДН происходит в противоположном направлении, т.к. озвучивание дефекта в начальный момент происходит под углом - (α0р), a впоследствии, под углами - α0 и - (α0р). При условии симметричности ДН, состоящей из двух противоположно направленных основных лепестков, величина девиации ΔfЭ частоты эхо-сигнала и при озвучивании отъезжающим лепестком ДН также определяется выражением (5).Similarly, the formation of echo signals and a corresponding change in their filling frequency during subsequent sounding of the defect by the back, "departing" lobe of the bottom of the BAP. However, in contrast to the sounding by the incident petal of the beam, the sign (-) is taken between the terms in the expression (1), i.e. the echoes generated by the moving lobe of the beam have a frequency lower than the radiation frequency f 0 by an amount determined by the Doppler shift. Moreover, the change in this frequency within the main lobe of the beam occurs in the opposite direction, because sounding of the defect at the initial moment occurs at an angle of - (α 0p ), and subsequently, at angles - α 0 and - (α 0 + ϕ p ). Under the condition of symmetry of the MD, consisting of two oppositely directed main lobes, the deviation Δf E of the frequency of the echo signal and when voiced by the moving lobe of the MD is also determined by expression (5).

Заявляемый способ иллюстрируют следующие графические материалы:The inventive method is illustrated by the following graphic materials:

Фиг. 1 - Укрупненный вариант функциональной схемы дефектоскопа для реализации заявляемого способа, где:FIG. 1 - An enlarged version of the functional diagram of the flaw detector for the implementation of the proposed method, where:

1. Датчик пути (одометр) относительного перемещения БАП 4 и контролируемого изделия.1. The path sensor (odometer) of the relative displacement of the BAP 4 and the controlled product.

2. Вычислитель.2. The calculator.

3. Формирователь зондирующих УЗ сигналов (генератор зондирующих колебаний УЗ частоты).3. Shaper of probing ultrasonic signals (generator of probing vibrations of ultrasonic frequency).

4. Бесконтактный акустический преобразователь (БАП).4. Contactless acoustic transducer (BAP).

5. Приемник эхо-сигналов.5. Echo receiver.

6. Выход вычислителя.6. The output of the calculator.

Фиг. 2а. Схема УЗ озвучивания локального дефекта наклонным БАП, формирующим двухлучевую диаграмму направленности, где:FIG. 2a. The ultrasound scheme of sounding a local defect with an inclined BAP, forming a two-beam radiation pattern, where:

7. Контролируемое изделие (например, рельс).7. Controlled product (for example, rail).

8. Поверхность сканирования изделия.8. The scan surface of the product.

9. Двухлепестковая диаграмма направленности БАП:9. Two-leaf beam pattern of the BAP:

10. Локальный дефект в изделии.10. Local defect in the product.

11. Поверхностные повреждения изделия по ходу движения БАП.11. Surface damage to the product in the direction of the BAP.

12. Поверхностные повреждения изделия против направления движения БАП.12. Surface damage to the product against the direction of movement of the BAP.

Фиг. 2б. Отображение частот заполнения эхо-сигналов, принимаемых наезжающим и отъезжающим лепестками ДН БАП, на координатной плоскости «частота f - время t перемещения БАП», где ось времени соотнесена с траекторией перемещения БАП вдоль поверхности контролируемого изделия (см. Фиг 2а).FIG. 2b. Displaying the filling frequencies of the echo signals received by the incoming and outgoing petals of the bottom line of the UPS, on the coordinate plane “frequency f is the time t of the movement of the UPS”, where the time axis is correlated with the path of the UPS along the surface of the controlled product (see Fig. 2a).

Фиг. 3. Отображение двухлепестковой диаграммы направленности БАП в декартовой системе координат (Фиг. 3а) и размещение частотных спектров УЗ эхо-сигналов и помех на оси частот (Фиг. 3б), где:FIG. 3. Display of the two-petal radiation pattern of the UAV in the Cartesian coordinate system (Fig. 3a) and the placement of the frequency spectra of ultrasonic echo signals and interference on the frequency axis (Fig. 3b), where:

Sn и Saw - зоны спектральных составляющих частот УЗ эхо-сигналов от внутренних дефектов;S n and S aw - zones of the spectral components of the frequencies of ultrasonic echo signals from internal defects;

Аn и Aaw - спектральные составляющие частот УЗ сигналов от возможных помех (неровностей и микротрещин 11 и 12 на поверхности сканирования), принятых боковыми лепестками ДН при углах α, близких к 90°;And n and A aw are the spectral components of the frequencies of the ultrasonic signals from possible interference (irregularities and microcracks 11 and 12 on the scanning surface) received by the side lobes of the beam at angles α close to 90 °;

В - частотный спектр УЗ сигналов от возможных неровностей противоположной поверхности изделия, принятые боковыми лепестками ДН при углах α, близких к 0°.B - frequency spectrum of ultrasonic signals from possible irregularities of the opposite surface of the product, adopted by the side lobes of the beam at angles α close to 0 °.

Фиг. 4 - Изменение частот заполнения УЗ эхо-сигналов (Фиг. 4а) и изменения временных положений эхо-сигналов на развертке типа В (Фиг. 4б). Для наглядности положения сигналов на Фиг. 4а отображены на оси модуля доплеровских частот.FIG. 4 - Change in the filling frequencies of ultrasonic echo signals (Fig. 4a) and changes in the temporal positions of echo signals on a scan of type B (Fig. 4b). For clarity, the position of the signals in FIG. 4a are displayed on the axis of the Doppler frequency module.

Рассмотрим процесс реализации заявляемого способа бесконтактной УЗ дефектоскопии с использованием эффекта Доплера.Consider the process of implementing the proposed method of non-contact ultrasonic inspection using the Doppler effect.

Устройство, реализующее способ, состоит из последовательно соединенных (Фиг. 1) датчика перемещения 1, вычислителя 2, формирователя зондирующих колебаний 3, бесконтактного акустического преобразователя (БАП) 4, приемника эхо-сигналов 5, выход которого соединен с входом вычислителя 2. Управление параметрами (усиление, выбор полосы частот) приемника 5 производится вычислителем 2. Обработанные по рассмотренным алгоритмам сигналы вычислителя 2 подаются на выход 6 для дальнейшего документирования и включения дефектоотметчика (на Фиг. не показан). Построение основных узлов устройства, реализующего предлагаемый способ, очевидно и не вызывает затруднений при реализации.A device that implements the method consists of series-connected (Fig. 1) displacement sensor 1, calculator 2, probing oscillator 3, contactless acoustic transducer (BAP) 4, an echo signal receiver 5, the output of which is connected to the input of the calculator 2. Parameter control (amplification, selection of the frequency band) of the receiver 5 is performed by the calculator 2. The signals of the calculator 2 processed according to the considered algorithms are supplied to the output 6 for further documentation and activation of the flaw detector (not shown in Fig.). The construction of the main components of the device that implements the proposed method, obviously and does not cause difficulties in the implementation.

В качестве способа бесконтактного ввода и приема УЗ колебаний в известном решении [9] предлагаются несколько вариантов реализации. Наиболее практичными из которых, по мнению автора данной заявки, являются два способа: лазерное (оптико-термическое) возбуждение УЗ колебаний и прием с помощью бесконтактного электромагнитно-акустического (ЭМА) приемника и второй вариант - ЭМА возбуждение и ЭМА прием УЗ эхо-сигналов от возможных внутренних дефектов.As a method of contactless input and reception of ultrasonic vibrations in the known solution [9] several implementation options are proposed. The most practical of which, according to the author of this application, are two methods: laser (opto-thermal) excitation of ultrasonic vibrations and reception using a contactless electromagnetic-acoustic (EMA) receiver and the second option - EMA excitation and EMA reception of ultrasonic echo signals from possible internal defects.

Относительно широкое распространение получил ЭМА-метод [1, 2 и 10]. Это связано с его сравнительно большими функциональными возможностями: обратимостью, способностью генерации в материалах различных типов акустических волн - продольных, сдвиговых и волн Рэлея.The EMA method has been relatively widely used [1, 2, and 10]. This is due to its relatively large functionality: reversibility, the ability to generate various types of acoustic waves in materials — longitudinal, shear, and Rayleigh waves.

Можно выделить два основных элемента конструкции БАП 4 - ЭМА преобразователя [10]: магнитную систему, состоящую из магнита (набора постоянных магнитов или электромагнита) и магнитопровода, формирующих поле намагничивания; индуктора, как правило, представляющего собой эллиптическую (или любой другой конфигурации) плоскую катушку индуктивности (или несколько катушек).Two main structural elements of BAP 4 can be distinguished - an EMA converter [10]: a magnetic system consisting of a magnet (a set of permanent magnets or an electromagnet) and a magnetic circuit forming a magnetization field; inductor, usually representing an elliptical (or any other configuration) flat inductor (or several coils).

При больших скоростях сканирования в качестве системы намагничивания в ЭМА преобразователях можно использовать известные технические решения [11-13], когда полюсами электромагнитов служат колеса тележки подвижной единицы, а индуктор (плоская катушка) расположен вблизи или непосредственно под колесом в кольцевых выемках колеса.At high scanning speeds, well-known technical solutions [11–13] can be used as a magnetization system in EMA converters, when the wheels of a trolley of a moving unit serve as poles of electromagnets, and the inductor (flat coil) is located near or directly under the wheel in the annular recesses of the wheel.

Большей степенью дистанционности обладают способы возбуждения акустических колебаний оптико-термическим (лазерным) и радиационно-акустическим методами [14-16]. Отраженные от дефектов УЗ эхо-сигналы при этом могут быть зафиксированы ЭМА приемниками и обработаны предложенным выше способом с учетом доплеровского сдвига частоты и внутри-сигнальной частотной модуляции.The greater degree of distance is possessed by the methods of excitation of acoustic vibrations by opto-thermal (laser) and radiation-acoustic methods [14-16]. In this case, echo signals reflected from ultrasonic defects can be detected by EMA receivers and processed by the method proposed above, taking into account the Doppler frequency shift and intra-signal frequency modulation.

Выбор конкретных способов бесконтактного возбуждения/приема УЗ колебаний зависит от условий контроля, реализуемых скоростей относительного перемещения и доступных энергетических ресурсов (особенно для лазерного излучения).The choice of specific methods of non-contact excitation / reception of ultrasonic vibrations depends on the control conditions, the realized relative displacement velocities and available energy resources (especially for laser radiation).

БАП 4, перемещаясь со скоростью vc над сканируемой поверхностью 8 изделия 7, лазерным, ЭМА или иным способом возбуждает в контролируемом изделии 7 УЗ колебания частотой f0 с симметричной диаграммой направленности 9n и 9aw с центральными углами α0n и α0аw с углами раскрытия 2ϕp (Фиг. 2 и 3). В процессе перемещения БАП 4 в зоне локации дефекта 10 (при указанном на Фиг. 2 направлении движения), происходит последовательное озвучивание дефекта 10 вначале - наезжающим лепестком ДН 9n (come near) БАП 4, впоследствии - отъезжающим лепестком 9aw (move away). При этом, в соответствии с выражениями (2), (1) и (3), меняется частота эхо-сигнала. Причем при озвучивании наезжающим лепестком ДН частота эхо-сигнала больше частоты излучения f0 и меняется в пределах эхо-сигналов от fn.s (start) до fn.e (end).BAP 4, moving at a speed of v c above the scanned surface 8 of product 7, using a laser, EMA, or other method, excites ultrasonic vibrations of frequency f 0 in the controlled product 7 with a symmetrical radiation pattern of 9 n and 9 aw with central angles α 0n and α 0аw with angles disclosure 2ϕ p (Fig. 2 and 3). In the process of moving the BAP 4 in the zone of location of the defect 10 (with the direction of movement indicated in Fig. 2), the defect 10 is sequentially voiced first - by the incoming petal ДН 9 n (come near) of the BAP 4, then - by the moving petal 9 aw (move away) . In this case, in accordance with expressions (2), (1) and (3), the frequency of the echo signal changes. Moreover, when voiced by the incident petal, the frequency of the echo signal is greater than the radiation frequency f 0 and varies within the echo signals from f ns (start) to f ne (end).

Через определенное время, равное τd, дефект 10 озвучивается отъезжающим лепестком ДН 9aw, и, частота сигнала, в соответствии с (1) и (2), будет меньше частоты излучения f0. В процессе движения БАП 4 со скоростью сканирования vc мгновенная частота эхо-сигналов, озвучиваемых отъезжающим лепестком, изменяется от faw.s до fаw.е (Фиг. 2б).After a certain time equal to τ d , the defect 10 is voiced by the moving lobe of the ДН 9 aw , and the signal frequency, in accordance with (1) and (2), will be less than the radiation frequency f 0 . During the movement of the BAP 4 with the scanning speed v c the instantaneous frequency of the echo signals voiced by the departing lobe varies from f aw.s to f aw.е (Fig. 2b).

Таким образом, в процессе озвучивания дефекта 10 двухлучевой симметричной ДН (9n и 9aw) БАП 4 формируются две группы (пачки) эхо-сигналов с отличающимися частотами заполнения.Thus, in the process of sounding the defect 10 of a two-beam symmetrical beam (9 n and 9 aw ) of BAP 4, two groups (packs) of echo signals with different filling frequencies are formed.

Изменения частот УЗ эхо-сигналов (Фиг. 2) в пределах основных лепестков ДН 9 является одним из характерных признаков, учет которых позволяет достоверно выделять полезные сигналы от дефектов на фоне разнообразных помех.Changes in the frequencies of ultrasonic echo signals (Fig. 2) within the main lobes of DN 9 is one of the characteristic features, taking into account which it is possible to reliably identify useful signals from defects against a background of various interference.

К примеру, для реальных значений углов ввода (α0=30°) при ЭМА возбуждении/приеме УЗ колебаний, частоты излучения f0=2,5 МГц и половины ширины диаграммы направленности (ϕp=10°), при практически реализуемых скоростях сканирования (vc=25 м/с=90 км/ч) и скорости распространения УЗ колебаний в контролируемом изделии (с=3260 м/с), величина ΔfЭ, в соответствии с выражением (5), составляет около 11,43 кГц. Т.е. девиация частот заполнения импульсов в пачке составляет почти 60% от среднего значения доплеровского сдвига Fд (около 20,0 кГц), что вполне достаточно для практического учета ее с целью повышения достоверности контроля.For example, for real values of the input angles (α 0 = 30 °) during EMA excitation / reception of ultrasonic vibrations, radiation frequency f 0 = 2.5 MHz and half the radiation pattern width (ϕ p = 10 °), at practically realized scanning speeds (v c = 25 m / s = 90 km / h) and the propagation velocity of ultrasonic vibrations in the controlled product (c = 3260 m / s), the value Δf E , in accordance with expression (5), is about 11.43 kHz. Those. the deviation of the filling frequencies of the pulses in the packet is almost 60% of the average value of the Doppler shift F d (about 20.0 kHz), which is quite enough for its practical consideration in order to increase the reliability of control.

Зоны локации (приема) ΔL пачек этих сигналов определяются шириной основных лепестков ДН, а длительности х зависят от скорости сканирования (Фиг. 2):The location (reception) zone ΔL of the packets of these signals is determined by the width of the main lobes of the beam, and the duration x depends on the scanning speed (Fig. 2):

Figure 00000006
Figure 00000006

Измеряя временное расстояние τd между центрами этих двух пачек сигналов, из геометрических соображений можно оценить и глубину залегания h дефекта 10 (Фиг. 2):Measuring the time distance τ d between the centers of these two signal packets, from geometric considerations, we can also estimate the depth h of defect 10 (Fig. 2):

Figure 00000007
Figure 00000007

Отметим принципиальные отличия значений координат дефектов, определяемых предлагаемым способом по выражению (7), и традиционным способом при импульсном излучении (рис. 3.11 [17]), путем измерения времени пробега УЗ колебаний до дефекта и обратно. При традиционном вычислении глубины залегания определяется время пробега УЗ колебаний до отражающей точки (плоскости) дефекта и обратно к преобразователю. При предлагаемом способе оценивается местоположение центра дефекта (геометрическое место последовательного пересечения осей ДН в области нахождения дефекта).We note the fundamental differences in the values of the coordinates of defects determined by the proposed method according to expression (7) and the traditional method for pulsed radiation (Fig. 3.11 [17]) by measuring the travel time of ultrasonic vibrations to the defect and vice versa. In the traditional calculation of the depth, the travel time of ultrasonic vibrations to the reflecting point (plane) of the defect and back to the transducer is determined. With the proposed method, the location of the center of the defect is estimated (the geometrical location of the successive intersection of the axes of the beam in the region where the defect is located).

В большинстве случаев, особенно при обнаружении локальных дефектов малых размеров, эти величины примерно равны (в пределах погрешности измерений). Но при обнаружении дефектов значительных размеров значения h дефекта, определяемые рассматриваемыми способами, могут заметно отличаться. С точки зрения проведения ремонтных работ предпочтительнее информация о координате центра дефекта, получаемая предлагаемым способом, чем координаты двух отражающих точек поверхностей дефекта. В любом случае, дополнение традиционных данных о дефекте новой информацией о координате центра дефекта дополнительно повышает достоверность контроля изделия.In most cases, especially when detecting local defects of small sizes, these values are approximately equal (within the measurement error). But when defects of considerable size are detected, the values of the defect h determined by the considered methods can noticeably differ. From the point of view of repair work, information on the coordinate of the center of the defect obtained by the proposed method is preferable to the coordinates of two reflective points of the surfaces of the defect. In any case, the addition of traditional defect data with new information about the coordinate of the center of the defect further increases the reliability of the product control.

Если представить диаграмму направленности БАП 4 в декартовой системе координат (Фиг. 3а) и отобразить частотный спектр эхо-сигналов (Фиг. 3б), соотнесенных к угловым параметрам ДН, то четко видно, что спектры ожидаемых сигналов от дефектов на частотной оси сосредоточены симметрично относительно изучаемой частоты f0 с центральными частотами (f0+FД) и (f0-FД). Эффективная ширина каждой пачки сигналов Δfn=(fn.s-fn.e) и Δfaw=(faw.s-faw.e) определяется шириной 2ϕр соответствующего лепестка ДН (Фиг. 3). Как правило, при бесконтактном возбуждении УЗ колебаний Δfn=Δfaw.If we present the radiation pattern of the BAP 4 in the Cartesian coordinate system (Fig. 3a) and display the frequency spectrum of the echo signals (Fig. 3b), correlated to the angular parameters of the beam, it is clearly seen that the spectra of the expected signals from defects on the frequency axis are concentrated symmetrically with respect to the studied frequency f 0 with center frequencies (f 0 + F D ) and (f 0 -F D ). The effective width of each burst of signals Δf n = (f ns -f ne ) and Δf aw = (f aw.s -f aw.e ) is determined by the width 2ϕ p of the corresponding lobe of the beam (Fig. 3). As a rule, with contactless excitation of ultrasonic vibrations Δf n = Δf aw .

Двумя полосовыми фильтрами (на Фиг. не показан), полосами пропускания ΔfЭ, определяемой выражением (5), и центральными частотами (f0+FД) и (f0-FД), можно выделить все ожидаемые сигналы от потенциальных дефектов. По закону изменения (девиации) мгновенных частот сигналов можно производить выделение УЗ эхо-сигналов от внутренних дефектов на фоне возможных помех. При преобразовании сигналов в цифровой вид все эти операции выполняются в вычислителе 2 (Фиг. 1).Two band-pass filters (not shown in FIG.), Bandwidth Δf E defined by expression (5), and center frequencies (f 0 + F D ) and (f 0 -F D ), all expected signals from potential defects can be distinguished. According to the law of change (deviation) of the instantaneous frequency of the signals, it is possible to extract ultrasonic echo signals from internal defects against the background of possible interference. When converting signals into digital form, all these operations are performed in the calculator 2 (Fig. 1).

Интересным фактом, дополнительно подтверждающим изложенные выше выводы о разнонаправленной девиации частоты заполнения сигналов в процессе озвучивания внутреннего дефекта БАП с симметричной двухлучевой ДН, является идентичность представленных на Фиг. 4 закономерностей частотного (Фиг. 4а) и временного (Фиг. 4в) поведения эхо-сигналов при сканировании. Изменения мгновенных частот эхо-сигналов, вследствие проявления эффекта Доплера, при озвучивании наезжающим лепестком ДН в течение длительности пачки τn происходят от максимально значения к минимальному (на Фиг. 4а стрелкой показано направление уменьшения доплеровского сдвига частоты). Через определенное время, примерно равное времени τd, озвучивание дефекта происходит отъезжающим лепестком ДН и модуль частоты Доплера мгновенных частот эхо-сигналов в пачке (длительностью τaw) растет от минимального до максимального значений, определяемых выражениями (1) и (2).An interesting fact, which additionally confirms the above conclusions on multidirectional deviation of the signal filling frequency in the process of scoring the internal defect of a BAP with a symmetrical two-beam beam, is the identity of those presented in FIG. 4 patterns of frequency (Fig. 4A) and temporary (Fig. 4c) echo signals during scanning. Changes in the instantaneous echo frequencies due to the Doppler effect being voiced by the incident petal during the burst duration τ n occur from the maximum value to the minimum (in Fig. 4a, the arrow shows the direction of decrease in the Doppler frequency shift). After a certain time, approximately equal to the time τ d , sounding of the defect occurs by the moving petal of the beam and the Doppler frequency modulus of the instantaneous frequencies of the echo signals in the packet (duration τ aw ) increases from minimum to maximum values determined by expressions (1) and (2).

Аналогичная зависимость, теперь уже во временной области, происходит и при озвучивании дефекта контактными наклонными пьезопреобразователями (НЭП) по- и против направления сканирования (Фиг. 4б) (см. например, рис. 3.17 [17], рис. 3.4 и 3.10 [18]). При этом используют два идентичных, но разнонаправленных ПЭП с одинаковыми ДН. На традиционной дефектограмме с отображением сигналов на развертке типа В (на координатной плоскости «время распространения УЗ колебаний - время перемещения ПЭП» (или при наличии одометра - путь сканирования)), обычно на общей дорожке регистрации отображаются две наклонные линии (или группы точек отображающих эхо-сигналы на В-развертке). Эти две линии с уменьшающимся (относительно зондирующего импульса) временем задержки эхо-сигналов для наезжающих ПЭП, и увеличивающимся временем задержки для отъезжающих ПЭП, уже много лет является основным признаком наличия дефектов в контролируемом изделии [18].A similar dependence, now already in the time domain, also occurs when a defect is voiced by contact oblique piezoelectric transducers (NEC) in and against the scanning direction (Fig. 4b) (see, for example, Fig. 3.17 [17], Fig. 3.4 and 3.10 [18 ]). In this case, two identical, but multidirectional probes with identical MDs are used. On a traditional defectogram with the display of signals on a type B scan (on the coordinate plane "propagation time of ultrasonic vibrations - time of PEP movement" (or, if there is an odometer, the scanning path)), usually two oblique lines (or groups of points representing the echo signals in the B-scan). These two lines with decreasing (relative to the probe pulse) echo delay time for incoming probes and increasing delay time for departing probes have been the main sign of defects in the controlled product for many years [18].

Своеобразная девиация частоты УЗ эхо-сигналов от дефектов в процессе сканирования характерна как для специфического и весьма редкого в дефектоскопии непрерывного излучения, так и для традиционного импульсного (Фиг. 2б) излучения УЗ колебаний.A peculiar frequency deviation of the ultrasonic echo signals from defects during the scanning process is characteristic of both the specific and very rare continuous radiation in flaw detection, and the traditional pulsed radiation of ultrasonic vibrations (Fig. 2b).

При импульсном УЗ излучении в зоне локации ΔLn (Фиг. 1) в процессе сканирования от дефекта 10 принимается группа (пачка) эхо-импульсов (Фиг. 2б) [10]. Эти импульсы формируются последовательно в процессе озвучивания отражателя. Традиционно длительность одиночного эхо-импульса составляет всего лишь единицы мкс (около 10-12 периодов УЗ частоты), что значительно меньше одного периода доплеровской частоты. Поэтому девиацию частоты, вызванную переменой угла локации дефекта по мере сканирования, предлагается оценить по результатам определения мгновенных частот эхо-импульсов в пачке.With pulsed ultrasonic radiation in the location zone ΔL n (Fig. 1), during scanning from defect 10, a group (pack) of echo pulses is received (Fig. 2b) [10]. These pulses are formed sequentially in the process of sounding the reflector. Traditionally, the duration of a single echo pulse is only a few microseconds (about 10-12 periods of ultrasonic frequency), which is much less than one period of the Doppler frequency. Therefore, the frequency deviation caused by the change in the defect location angle during scanning is proposed to be estimated by determining the instantaneous frequencies of the echo pulses in the packet.

В отличие от технических решений [4-8], использующих непрерывное излучение УЗ колебаний, переход к импульсному излучению с выделением доплеровской частоты эхо-сигналов позволяет существенно облегчить процесс определения глубин залегания искомых дефектов традиционным способом (по временной задержке эхо-импульсов относительно зондирующего импульса).In contrast to technical solutions [4-8], using continuous radiation of ultrasonic vibrations, the transition to pulsed radiation with the separation of the Doppler frequency of the echo signals can significantly simplify the process of determining the occurrence depth of the desired defects in the traditional way (by the time delay of the echo pulses relative to the probe pulse) .

Известны различные способы определения эффективной (мгновенной) частоты недетектированного радиочастотного эхо-сигнала. В частности, в соответствии с [19], эффективную частоту определяют по максимуму частотного спектра эхо-сигнала с использованием оконного преобразования Фурье. Однако этот способ обладает низкой помехоустойчивостью.Various methods are known for determining the effective (instantaneous) frequency of an undetected radio frequency echo signal. In particular, in accordance with [19], the effective frequency is determined by the maximum frequency spectrum of the echo signal using the window Fourier transform. However, this method has low noise immunity.

Наиболее практично определение эффективной частоты можно выполнить известным способом [20], предлагающим алгоритм оценки мгновенной частоты недетектированного радиочастотного эхо-сигнала на основе применения вейвлетного преобразования. При этом в пределах длительности радиоимпульса (эхо-сигнала) выбирают некоторое временное окно шириной, сравнимой периодом несущей частоты. Целесообразно выбрать временное окно в зоне эхо-импульса, соответствующей максимуму амплитуды. Вейв-летная функция - это функция двух переменных, локализованная по времени и частоте, из которой путем растяжения и сжатия по временной оси можно получить базис для анализа функций. Суть вейвлет-анализа состоит в разложении анализируемого сигнала по базисным функциям с последующей визуализацией распределения частоты исследуемого процесса во временной или частотной области.The most practical determination of the effective frequency can be performed in a known manner [20], which proposes an algorithm for estimating the instantaneous frequency of an undetected radio frequency echo signal based on the use of wavelet transform. Moreover, within the duration of the radio pulse (echo signal), a certain time window is selected with a width comparable to the period of the carrier frequency. It is advisable to choose a time window in the area of the echo pulse corresponding to the maximum amplitude. A wavelet function is a function of two variables, localized in time and frequency, from which, by stretching and compressing along the time axis, one can obtain a basis for the analysis of functions. The essence of wavelet analysis is the decomposition of the analyzed signal into basic functions, followed by visualization of the frequency distribution of the investigated process in the time or frequency domain.

Все преобразования вейвлет-анализа производятся в вычислителе 2 дефектоскопа (Фиг. 1). Определяя мгновенные частоты всех эхо-сигналов, входящих в пачку сигналов от искомого дефекта 10 (Фиг. 2б и Фиг. 4а), можно проследить девиацию частот в пачках эхо-сигналов в процессе сканирования.All transformations of the wavelet analysis are performed in the transmitter 2 of the flaw detector (Fig. 1). By determining the instantaneous frequencies of all the echo signals included in the packet of signals from the desired defect 10 (Fig. 2b and Fig. 4a), it is possible to trace the frequency deviation in the packs of echo signals during the scanning process.

Дискретность отсчета частоты эхо-импульсов в пачке сигналов при импульсном излучении УЗ колебаний определяется естественным способом - дискретность соответствует частоте посылок зондирующих импульсов (в частности при реализованной в действующих вагонах-дефектоскопах частоте посылок зондирующих импульсов 4 кГц, отсчет мгновенной частоты происходит через каждые 250 мкс). При непрерывном излучении мгновенные частоты частотно-модулированного эхо-сигнала можно осуществлять с такой же дискретностью или непрерывно (в каждом периоде доплеровской частоты). Выбор дискретности отсчета зависит от желаемой точности отслеживания девиации частоты эхо-сигналов.The discreteness of the readout of the frequency of echo pulses in a signal packet during pulsed radiation of ultrasonic vibrations is determined in a natural way - the discreteness corresponds to the frequency of the probe pulses (in particular, when the probe frequency of the probe pulses is 4 kHz, which is implemented in existing flaw detectors, the instantaneous frequency is counted every 250 μs) . With continuous emission, the instantaneous frequencies of a frequency-modulated echo can be performed with the same discreteness or continuously (in each period of the Doppler frequency). The choice of sampling resolution depends on the desired accuracy of tracking the frequency deviation of the echo signals.

Таким образом, и при импульсном излучении УЗ колебаний можно проследить девиацию частоты в принимаемых пачках сигналов от дефектов. По закону изменения (девиации) мгновенных частот сигналов можно осуществить выделение УЗ эхо-сигналов от внутренних дефектов на фоне возможных помех.Thus, even with pulsed radiation of ultrasonic vibrations, one can trace the frequency deviation in the received signal packets from defects. According to the law of change (deviation) of the instantaneous signal frequencies, it is possible to isolate ultrasonic echo signals from internal defects against the background of possible interference.

Примерами таких помех могут являться отражения от поверхностных микротрещин 11 и 12 (Фиг. 1), не представляющих опасности с точки зрения нарушения прочности контролируемого изделия, при УЗ фиксации которых угол озвучивания остается постоянным.Examples of such interference can be reflections from surface microcracks 11 and 12 (Fig. 1), which are not dangerous from the point of view of breaking the strength of the controlled product, with ultrasonic fixation of which the scoring angle remains constant.

Известно, что у любой диаграммы направленности 9 имеются и боковые лепестки. И в данном случае, возможные отражения от незначительных повреждений 11 и 12 на поверхности сканирования 2 будут также формировать УЗ эхо-сигналы. Однако так как при этом угол озвучивания относительно нормали не меняется и будет близок к α=±90°, то сигналы от них, хотя и имеют доплеровский сдвиг (причем, максимального значения), но не будут иметь девиацию частоты в процессе сканирования (зона Аn и Aaw на Фиг. 3б).It is known that any radiation pattern 9 also has side lobes. And in this case, possible reflections from minor damage 11 and 12 on the scanning surface 2 will also form ultrasonic echo signals. However, since the sound angle does not change relative to the normal and will be close to α = ± 90 °, the signals from them, although they have a Doppler shift (moreover, the maximum value), will not have a frequency deviation during scanning (zone A n and A aw in Fig. 3b).

Аналогично, возможные отражения от противоположной поверхности контролируемого изделия (рельса) принимаемые под углом, близким к α=0°, на частотной оси будут сосредоточены вблизи частоты излучения f0, и у них также будет отсутствовать как доплеровский сдвиг, так и девиация частоты (зона В на фиг. 3б). Только сигналы от внутренних дефектов, озвучиваемые основными лепестками ДН 9n и 9aw с определенными углами раскрытия (2ϕр), будут формировать УЗ эхо-сигналы (Фиг. 2б), частота заполнения которых будет меняться в зависимости от текущего угла озвучивания (Фиг. 3 - зоны Sn и Saw). Таким образом, благодаря отслеживанию девиации частоты УЗ эхо-сигналов появляется возможность выделять сигналы от внутренних дефектов на фоне всевозможных помех. Маловероятно, также, что неизбежные в практике контроля электромагнитные помехи, воздействующие на БАП 4 и попадающие на вход приемника 5, будут иметь ожидаемый при текущей скорости сканирования доплеровский сдвиг и, соответствующую ДН 9 девиацию частоты ΔfЭ.Similarly, possible reflections from the opposite surface of the controlled product (rail) received at an angle close to α = 0 ° will be concentrated on the frequency axis near the radiation frequency f 0 , and they will also lack both Doppler shift and frequency deviation (zone B in Fig. 3b). Only signals from internal defects, voiced by the main lobes of the DN 9 n and 9 aw with certain opening angles (2 ϕp ), will form ultrasonic echo signals (Fig. 2b), the filling frequency of which will vary depending on the current scoring angle (Fig. 3 - zones S n and S aw ). Thus, by tracking the frequency deviation of ultrasonic echo signals, it becomes possible to isolate signals from internal defects against all kinds of interference. It is unlikely, also in practice unavoidable that control electromagnetic interference affecting the BAP 4 and incident on the input of the receiver 5 will be expected at the current scan velocity and Doppler shift corresponding NAM 9 frequency deviation Δf E.

Подводя итог можно отметить, что при реализации предлагаемого способа бесконтактной УЗ дефектоскопии, в дополнение к имеющимся (амплитуда, время задержки эхо-сигнала относительно зондирующего импульса) используются следующие информативные признаки сигналов от дефектов:Summing up, it can be noted that when implementing the proposed method of non-contact ultrasonic inspection, in addition to the available ones (amplitude, delay time of the echo signal relative to the probe pulse), the following informative signs of signals from defects are used:

- наличие доплеровского сдвига эхо-сигналов;- the presence of a Doppler shift of the echo signals;

- девиация частоты в пределах пачек эхо-сигналов от дефектов;- frequency deviation within the bursts of echoes from defects;

- разнонаправленное изменение частоты эхо-сигналов в пачках эхо-импульсов, принимаемых наезжающим и отъезжающим лепестками ДН бесконтактного акустического преобразователя;- multidirectional change in the frequency of the echo signals in packs of echo pulses received by the incoming and outgoing petals of the bottom of the contactless acoustic transducer;

- координата центра дефекта, определяемая благодаря реализации двухлучевой ДН.- the coordinate of the center of the defect, determined by the implementation of the two-beam pattern.

Последние три признака вводятся впервые для дефектоскопии с импульсным излучением УЗ колебаний. Причем, возможность сопоставления координат дефекта определенных традиционным способом (по времени пробега УЗ колебаний), и предлагаемым способом (по интервалу между пачками сигналов, принятых симметричной ДН), дополнительно повышает достоверность обнаружения дефектов при бесконтактном УЗ контроле.The last three signs are introduced for the first time for flaw detection with pulsed radiation from ultrasonic vibrations. Moreover, the possibility of comparing the coordinates of the defect determined in the traditional way (according to the travel time of ultrasonic vibrations) and the proposed method (according to the interval between packets of signals received by a symmetrical beam), further increases the reliability of detection of defects with non-contact ultrasonic testing.

Используемые новые информативные признаки, девиация частоты эхо-сигналов, их направление в зависимости от направления озвучивания дефекта, не коррелированны с амплитудой сигналов, что обеспечивает дополнительное повышение достоверности и точности предлагаемого способа. Результаты, получаемые предлагаемым способом, не зависят от качества контролируемой поверхности 8 и стабильности зазора z между БАП 4 и сканируемой поверхностью 8 (Фиг. 2а), что весьма важно при реализации высокоскоростной ультразвуковой дефектоскопии.Used new informative features, the deviation of the frequency of the echo signals, their direction, depending on the direction of sounding the defect, are not correlated with the amplitude of the signals, which provides an additional increase in the reliability and accuracy of the proposed method. The results obtained by the proposed method do not depend on the quality of the controlled surface 8 and the stability of the gap z between the BAP 4 and the scanned surface 8 (Fig. 2a), which is very important when implementing high-speed ultrasonic inspection.

Таким образом, между совокупностью существенных признаков заявляемого способа и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно, определение мгновенных частот эхо-сигналов, принятых в пределах противоположно направленных основных лепестков диаграммы направленности БАП, учет направления их изменения и взаимного временного положения групп эхо-сигналов, принятых указанными лепестками диаграммы направленности, повышает достоверность обнаружения дефектов при бесконтактном УЗ контроле на значительных скоростях сканирования.Thus, between the set of essential features of the proposed method and the achieved technical result, there is a causal relationship, namely, the determination of the instantaneous frequencies of the echo signals received within the opposite direction of the main lobes of the radiation pattern of the BAP, taking into account the direction of their change and the relative temporal position of the echo groups -signals received by the indicated lobes of the radiation pattern, increases the reliability of detection of defects in non-contact ultrasonic testing at significant scanning speeds.

Естественно, приведенные конкретные значения скорости относительного движения, углов диаграммы направленности БАП, излучаемой и принимаемых частот сигналов приведены лишь для понимания принципа действия заявляемого технического решения и могут иметь значения в широком диапазоне.Naturally, the given specific values of the relative motion speed, the angles of the radiation pattern of the BAP, the emitted and received frequencies of the signals are given only to understand the principle of operation of the claimed technical solution and can have values in a wide range.

Работоспособность указанных выше предложений проверена путем математического моделирования и экспериментальных исследований и не вызывает сомнений в реализации при высокоскоростном неразрушающем контроле изделий.The operability of the above proposals was verified by mathematical modeling and experimental studies and does not raise doubts about the implementation with high-speed non-destructive testing of products.

Заявляемый способ дефектоскопии может быть использован не только при бесконтактном контроле рельсов, но и при дефектоскопии многих длинномерных изделий: труб, стержней и прутков, буровых штанг, конвейерных лент, контактных проводов электрического тягового состава (электровозов, трамваев и троллейбусов) и др., в том числе, и при контактном способе возбуждения/приема УЗ колебаний.The inventive method of defectoscopy can be used not only for non-contact inspection of rails, but also for defectoscopy of many lengthy products: pipes, rods and rods, drill rods, conveyor belts, contact wires of electric traction composition (electric locomotives, trams and trolleybuses), etc., in including the contact method of excitation / reception of ultrasonic vibrations.

Таким образом, заявляемый способ может быть реализован, обеспечивает повышение достоверности обнаружения дефектов при значительных скоростях сканирования.Thus, the inventive method can be implemented, provides increased reliability of detection of defects at significant scanning speeds.

Источники информации:Sources of information:

1. Чабанов В.Е., Жуков В.А. Особенности ультразвукового контроля с применением электромагнитно-акустических преобразователей // В мире НК. 2013 №1 (59), с 36-43.1. Chabanov V.E., Zhukov V.A. Features of ultrasonic testing using electromagnetic-acoustic transducers // In the world of NK. 2013 No. 1 (59), p. 36-43.

2. Мужикбаев А.С., Скворцов М.П. Анализ бесконтактных ультразвуковых способов контроля сварных соединений // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. - 2015. Том.1. С. 266-268.2. Muzhikbaev A.S., Skvortsov M.P. Analysis of non-contact ultrasonic methods for monitoring welded joints // Actual problems of aviation and astronautics. - 2015.Vol. 1. S. 266-268.

3. Патент RU 1878343. Patent RU 187834

4. US 3321959.4. US 3,321,959.

5. SU 896550.5. SU 896550.

6. SU 998943.6. SU 998943.

7. SU 1429013.7. SU 1429013.

8. SU 1527573.8. SU 1527573.

9. US 6324912.9. US 6324912.

10. Муравьев В.В., Стрижак В.А., Балобанов Е.Н. К расчету параметров системы намагничивания электромагнитно-акустического преобразователя // Измерительная техника, 2011, №1(17), с. 197-205.10. Ants V.V., Strizhak V.A., Balobanov E.N. To the calculation of the parameters of the magnetization system of an electromagnetic-acoustic transducer // Measuring equipment, 2011, No. 1 (17), p. 197-205.

11. RU 2680103.11. RU 2680103.

12. RU 2653663.12. RU 2653663.

13. RU 2661312.13. RU 2661312.

14. Буденков Г.А. Возбуждение упругих волн в твердых телах лучом лазера вследствие термоупругого эффекта // Дефектоскопия. 1979. №2. С. 75-81.14. Budenkov G.A. Excitation of elastic waves in solids by a laser beam due to the thermoelastic effect // Defectoscopy. 1979. No. 2. S. 75-81.

15. RU 2381496.15. RU 2381496.

16. Симанчук В.И., Янисов В.В., Генерация ультразвуковых колебаний в твердых телах импульсными пучками заряженных частиц // Дефектоскопия. 1984. №3. С. 30-38.16. Simanchuk VI, Yanisov VV, Generation of ultrasonic vibrations in solids by pulsed beams of charged particles // Defectoscopy. 1984. No. 3. S. 30-38.

17. Марков А.А., Кузнецова Е.К. Дефектоскопия рельсов. Формирование и анализ сигналов. Книга 1. Основы. СПб: КультИнформПресс, 2010. - 292 с.17. Markov A.A., Kuznetsova E.K. Defectoscopy of rails. The formation and analysis of signals. Book 1. Basics. SPb: KultInformPress, 2010 .-- 292 p.

18. Марков А.А., Кузнецова Е.К. Дефектоскопия рельсов. Формирование и анализ сигналов. Книга 2. Расшифровка дефектограмм. - СПб: Ультра Принт, 2014. - 326 с.18. Markov A.A., Kuznetsova E.K. Defectoscopy of rails. The formation and analysis of signals. Book 2. Explanation of defectograms. - St. Petersburg: Ultra Print, 2014 .-- 326 p.

19. ГОСТ 26266-90.19. GOST 26266-90.

20. RU 2524451.20. RU 2524451.

Claims (1)

Способ бесконтактной ультразвуковой дефектоскопии с использованием эффекта Доплера, заключающийся в том, что в процессе относительного движения бесконтактного акустического преобразователя и контролируемого изделия на заданной частоте излучают в изделие ультразвуковые колебания с симметричной в плоскости зондирования диаграммой направленности с известными углами, принимают отраженные эхо-сигналы, при известной скорости движения вычисляют доплеровский сдвиг частоты эхо-сигналов, отличающийся тем, что определяют мгновенные частоты эхо-сигналов, принятых в пределах противоположно направленных основных лепестков диаграммы направленности преобразователя, по направлению и величинам их изменения и по взаимному временному положению групп эхо-сигналов, принятых указанными лепестками диаграммы направленности, определяют наличие и положение дефекта.A method of non-contact ultrasonic flaw detection using the Doppler effect, which consists in the fact that during the relative motion of the non-contact acoustic transducer and the controlled product at a given frequency, ultrasonic vibrations with a radiation pattern symmetrical in the sounding plane with known angles are emitted into the product, reflected echo signals are received, when the known speed of motion, the Doppler shift of the frequency of the echo signals is calculated, characterized in that the instantaneous frequencies of the echo signals received within the opposite directional main lobes of the radiation pattern of the transducer are determined by the direction and magnitude of their change and by the relative temporal position of the groups of echo signals received the indicated petals of the radiation pattern determine the presence and position of the defect.
RU2019139720A 2019-12-04 2019-12-04 Noncontact ultrasonic flaw detection using a doppler effect RU2722089C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019139720A RU2722089C1 (en) 2019-12-04 2019-12-04 Noncontact ultrasonic flaw detection using a doppler effect

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019139720A RU2722089C1 (en) 2019-12-04 2019-12-04 Noncontact ultrasonic flaw detection using a doppler effect

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2722089C1 true RU2722089C1 (en) 2020-05-26

Family

ID=70803173

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019139720A RU2722089C1 (en) 2019-12-04 2019-12-04 Noncontact ultrasonic flaw detection using a doppler effect

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2722089C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU896550A1 (en) * 1979-11-20 1982-01-07 Научно-Исследовательский Институт Мостов Ultrasonic flaw detector
SU1429013A1 (en) * 1987-03-14 1988-10-07 Научно-Исследовательский Институт Мостов Ленинградского Института Инженеров Железнодорожного Транспорта Method of ultrasonic check of articles
SU1527573A1 (en) * 1987-12-17 1989-12-07 Научно-Исследовательский Институт Мостов Ленинградского Института Инженеров Железнодорожного Транспорта Им.Акад.В.Н.Образцова Method of ultrasonic inspection of articles
US6324912B1 (en) * 1998-02-24 2001-12-04 Massachusetts Institute Of Technology Flaw detection system using acoustic doppler effect
US20120279308A1 (en) * 2011-05-04 2012-11-08 Fbs, Inc. Elastic wave rail defect detection system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU896550A1 (en) * 1979-11-20 1982-01-07 Научно-Исследовательский Институт Мостов Ultrasonic flaw detector
SU1429013A1 (en) * 1987-03-14 1988-10-07 Научно-Исследовательский Институт Мостов Ленинградского Института Инженеров Железнодорожного Транспорта Method of ultrasonic check of articles
SU1527573A1 (en) * 1987-12-17 1989-12-07 Научно-Исследовательский Институт Мостов Ленинградского Института Инженеров Железнодорожного Транспорта Им.Акад.В.Н.Образцова Method of ultrasonic inspection of articles
US6324912B1 (en) * 1998-02-24 2001-12-04 Massachusetts Institute Of Technology Flaw detection system using acoustic doppler effect
US20120279308A1 (en) * 2011-05-04 2012-11-08 Fbs, Inc. Elastic wave rail defect detection system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Thring et al. Focused Rayleigh wave EMAT for characterisation of surface-breaking defects
CN102879472B (en) Adaptive steel rail ultrasonic flaw detection method and device based on frequency spectrum recognition
US4307616A (en) Signal processing technique for ultrasonic inspection
JPH09509742A (en) Method for detecting the relative position of an object with respect to the background using ultrasound
CN103901109A (en) Phased array ultrasonic detection device and method for inner defects of composite insulator
CN101398410A (en) Steel rail defect detection method by electromagnetical ultrasonic technology and device thereof
GB2383413A (en) Detecting rail defects using acoustic surface waves
di Scalea et al. Ultrasonic NDE of railroad tracks: air-coupled cross-sectional inspection and long-range inspection
RU2722089C1 (en) Noncontact ultrasonic flaw detection using a doppler effect
RU2720043C1 (en) High-speed ultrasonic flaw detection using the doppler effect
JP6815786B2 (en) Ultrasonic displacement measuring device and ultrasonic displacement measuring method
RU2560753C1 (en) Mirror-shadow method for ultrasonic inspection with differential compensation for interfering factors
JPH08201356A (en) Sonic velocity measuring method for solid material and ultrasonic probe
Murray et al. A laser/EMAT system for thickness monitoring applications using shear and LS mode-converted waves
JP2021113833A (en) Ultrasonic measuring device and ultrasonic measuring method
Markov A new feature for detecting defects in ultrasonic high-speed rail inspection
Wang et al. Investigation and study for rail internal-flaw inspection technique
Wooh Doppler-based airborne ultrasound for detecting surface discontinuities on a moving target
JP2000266730A (en) Method and device for electromagnetic ultrasonic measurement
RU2299430C1 (en) Electromagnetic-acoustic fault finder for control of railway rails
RU2756933C1 (en) Method for high-speed ultrasonic flaw detection of long-dimensional objects
GB2172106A (en) Ultrasonic microstructural monitoring
Hesse et al. The potential of ultrasonic surface waves for rail inspection
RU130082U1 (en) DEVICE OF ULTRASONIC CONTROL OF CYLINDRICAL PRODUCTS
IMANO Experimental study on the mode conversion of Lamb waves in a metal plate of stepped thickness using optical detection