УДК 620.179.16
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АЛГОРИТМА «ФОКУСИРОВКА В ТОЧКУ»
ДЛЯ БЕЗЭТАЛОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА
ПРИ ТОМОГРАФИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ БЕТОНА
© 2019 г. В.К. Качанов1,*, И.В. Соколов1, Р.В. Концов1, Д.В. Тимофеев1
1Национальный исследовательский университет «МЭИ», Россия 111250 Москва,
ул. Красноказарменная, 14
*E-mail: kachanovvk@mail.ru
Поступила в редакцию 11.12.2018; после доработки 29.03.2019
Принята к публикации 05.04.2019
Отмечено, что в большинстве ультразвуковых томографов бетонных изделий при построении томограмм использу-
ют значение скорости объемных (продольных, поперечных) ультразвуковых волн, рассчитанное по легко измеряемой
скорости поверхностных волн. Однако в строительных конструкциях, подверженных климатическим или иным воздей-
ствиям, состояние структуры бетона на поверхности и в глубине объекта контроля может сильно различаться, что при-
водит к погрешностям в определении объемной скорости ультразвука и, как следствие, к погрешностям в отображении
дефектов и габаритов изделий. С целью повышения точности определения координат дефектов предложен новый безэта-
лонный способ измерения скорости ультразвука в объеме крупногабаритных строительных конструкций с помощью
ультразвуковых антенных решеток, использующих при построении томограмм алгоритм «фокусировка в точку» при
условии, что в изделии присутствует точечный отражатель (например, технологическое отверстие).
Ключевые слова: ультразвуковые колебания, безэталонное измерение скорости, строительные конструкции из бето-
на, антенная решетка, алгоритм «фокусировка в точку».
DOI: 10.1134/S0130308219060034
ПРОБЛЕМА СОЗДАНИЯ БЕЗЭТАЛОННОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ
УЛЬТРАЗВУКА ПРИ КОНТРОЛЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Ультразвуковой (УЗ) контроль ряда крупногабаритных строительных конструкций (СК) воз-
можен только при одностороннем доступе к изделию, что предполагает использование эхоим-
пульсного метода контроля [1, 2]. Однако УЗ эхометод контроля крупногабаритных СК ограни-
чен из-за относительно невысокой чувствительности метода, возникающей из-за большого
интегрального частотно-зависимого затухания УЗ волн в СК большой протяженности и из-за
сложной структуры СК — наличия металлической арматуры и зерен гравия в бетоне. Если сече-
ние металлической арматуры меньше 1 см, а размер наполнителя (зерен гравия) больше 1 см, то
в таких СК «плотность упаковки» наполнителя, как правило, существенно выше «плотности
упаковки» арматуры. Таким образом, основное влияние на экранирование УЗ эхосигналов ока-
зывает наполнитель, который является причиной возникновения сигнала структурного шума,
маскирующего и искажающего УЗ эхосигналы. Поэтому для повышения чувствительности кон-
троль СК проводят на низких частотах (f0 ~ 100 кГц и ниже), но и в этом случае не всегда удает-
ся зафиксировать донный эхосигнал Тзад, по которому следует определять скорость ультразвука
С = 2H/Tзад в бетоне при заранее известной толщине изделия Н.
Проблема повышения чувствительности была частично решена с появлением в последние годы
УЗ эхоимпульсных томографов, основанных на использовании УЗ низкочастотных (НЧ) антенных
решеток (АР) [3, 4]. Но получить адекватное отображение координат дефектов при использовании
томографов удается только при условии, что заранее известна скорость УЗК в бетоне, так как невер-
ное значение скорости ультразвука дает ложное представление о параметрах объекта контроля (ОК).
Определение скорости по формуле С = 2H/Tзад предполагает, что толщина изделия Н известна
заранее, однако в некоторых случаях измерить протяженность крупногабаритного ОК не удается.
В этом случае используют безэталонный способ определения скорости продольных УЗ волн СL
(поперечных УЗ волн Сt) по легко измеряемой скорости распространения поверхностных волн CS
[5—7] с учетом известного соотношения скоростей CL,t = γCS , где коэффициент γ принимает зна-
чения в диапазоне 0,5—0,95 в зависимости от свойств материалов и типов волн [1].
Разновидности этого способа описаны в [8—9], где также сравниваются скорость ультразвука
по поверхности и скорость ультразвука в объеме изделия. В последние годы появились похожие
безэталонные методы измерения скорости, в которых вместо одиночных преобразователей исполь-
зуются антенные решетки [10]. Однако у всех этих безэталонных способов есть ограничения,
Использование алгоритма «фокусировка в точку» для безэталонного измерения...
21
заключающиеся в том, что их следует использовать только в том случае, когда СК не подвержены
климатическим или иным воздействиям, так как в противном случае состояние структуры бетона
(и скорости УЗ волнсоответственно) на поверхности СК и в глубине могут сильно различаться.
Кроме того, точность измерения скорости поверхностной волны зависит от состояния поверхно-
сти СК. В случае неровной шероховатой поверхности эти методы приводят к большим погреш-
ностям в значениях скорости CS, измеренной в различных местах СК.
В [11] описан безэталонный метод измерения одновременно скорости ультразвука и толщины
изделия, основанный на использовании двух фазированных антенных решеток, установленных на
призмах на поверхности ОК по направлению «друг к другу». С помощью специального алгоритма
обработки сигналов с использованием метода, подобного методу наименьших квадратов, удается
определить одновременно скорость звука и толщину объекта контроля с плоскопараллельными
границами.
В [12] был описан предложенный в МЭИ безэталонный метод определения скорости ультра-
звука, основанный на использования алгоритма обработки сигналов УЗ антенной решетки
«фокусировка на плоскость». Достоинством алгоритма «фокусировка на плоскость» является
его более высокая помехоустойчивость по отношению к структурному шуму (СШ) по сравнению
с алгоритмом «фокусировка в точку», так как алгоритм «фокусировка на плоскость» ориентиро-
ван на обнаружение плоскостного отражателя (дна изделия) и относительно плохо отображает
«точечные» дефекты и элементы структуры СК. Безэталонное определение скорости ультразву-
ка осуществляется по результатам одного измерения. Затем в вычислительном устройстве осу-
ществляется построение набора трехмерных томограмм изделия для различных значений скоро-
сти ультразвука Срасч, заданных при расчете томограмм. Далее для каждой томограммы (постро-
енной для каждого значения расчетной скорости ультразвука Срасч) производится измерение
амплитуды образа отраженного от дна сигнала U, затем строится зависимость амплитуды от
значения расчетной скорости U(Срасч), определяется максимальная амплитуда и по томограмме с
максимальной амплитудой отклика от дна судят об истинной объемной скорости ультразвука в
бетоне.
Однако оба безэталонных метода [11,12], в которых «опорным» отражателем является дно
СК, имеют ограничения: они применимы только тогда, когда дно изделия имеет плоскую конфи-
гурацию. Кроме того, их возможно использовать только в тех случаях, когда дно изделия прин-
ципиально удается обнаружить, что не всегда возможно при контроле протяженных фундамен-
тов, мостовых опор и других крупногабаритных СК толщиной более 1 м. Вместе с тем в таких
крупногабаритных СК зачастую присутствуют различные технологические отверстия, предна-
значенные для прокладки труб или кабелей, которые могут служить «опорным» отражателем.
Оказалось, что для таких изделий возможно создание безэталонного способа определения ско-
рости ультразвука с помощью традиционного алгоритма обработки сигналов УЗ антенной
решетки «фокусировка в точку».
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АЛГОРИТМА «ФОКУСИРОВКА В ТОЧКУ»
ПРИ ТОМОГРАФИИ БЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЙ
УЗ антенные решетки составляют основу большинства УЗ НЧ томографов строительных
конструкций. Функционирование УЗ антенн осуществляется на основе положений, используе-
мых в радиолокационных антеннах. Особенностью использования антенных решеток в УЗ томо-
графах изделий из бетона является применение алгоритма обработки сигналов антенных реше-
ток САФТ (от английского SAFT — Synthetic Aperture Focusing Technique [13—15]), при котором
проводится последовательная фокусировка УЗ луча в каждую точку объекта контроля с после-
дующим построением в вычислительном устройстве томограммы изделия. Принцип фокусиров-
ки УЗ луча в j-ю точку изделия поясняется на рис.1, где для упрощения показана расположенная
на плоской поверхности изделия УЗ антенна, состоящая из N = 4 элемента. В данном примере
УЗ сигнал распространяется от излучающего преобразователя (ИП) до «точечного» цилиндри-
ческого отражателя (дефекта); затем, отражаясь от цилиндрического дефекта, сигнал попадает
на приемные преобразователи ПП1—ПП3.
Собственно фокусировка в j-ю точку осуществляется в вычислительном устройстве посред-
ством задержки отраженных от j-ой точки изделия сигналов на время Tзад1 — Tзад3 таким образом,
чтобы эхоимпульсы, пришедшие на все ПП, суммировались когерентно. Время задержки сигналов
Тзадj для каждой j-ой точки изделия определяется по времени прохождения УЗ импульса от ИП до
дефекта и обратно от дефекта до каждого ПП:
Дефектоскопия
№ 6
2019
22
В.К. Качанов, И.В. Соколов, Р.В. Концов, Д.В. Тимофеев
L
L
+
L
j
изл
отр j
T
=
=
(1)
зад
j
C
C
Путь, который проходят УЗ сигналы от ИП до дефекта и обратно, складывается из расстоя-
ния Lизл от ИП до дефекта и расстояния Lотр от дефекта до ПП (см рис. 1). В общем случае сум-
марный путь для каждой пары преобразователей составляет Lj = Lизл+Lотр j. При наличии в j-ой
точке отражателя (технологического отверстия или дефекта) после когерентного суммирования
сигналов в N-1 каналах формируется импульс с амплитудой UΣj > 0. При отсутствии в j-ой точке
отражателя амплитуда сигнала для j-ой точке равна нулю (UΣj = 0). Далее производится после-
довательная фокусировка УЗ сигналов в каждую точку ОК, а затем в вычислительном устрой-
стве строится томограмма изделия по совокупности эхосигналов, отраженных от всех точек
объекта контроля.
Σ
ИП ПП1 ПП2 ПП3
X
Lотр 1
Lотр 2
Lизл
Lотр 3
Yд
Дефект
Y
Рис.1. Схема работы алгоритма «фокусировка в точку».
Как было отмечено выше, для определения скорости ультразвука в бетоне по формуле
С = 2Н/Тзад необходимо заранее знать расстояние Н до дна СК. Однако в ряде случаев с помощью
алгоритма «фокусировка в точку», ориентированного на обнаружение точечных отражателей,
определить расстояние до дна ОК не представляется возможным, так как донная поверхность с
помощью этого алгоритма отображается неадекватно [15]. Этот эффект поясняется на рис. 2,
1
2
3
4
5
6
7
8
A B
C
UΣ
X
Рис. 2. Формирование изображения плоскости при использовании алгоритма «фокусировка в точку».
Дефектоскопия
№ 6
2019
Использование алгоритма «фокусировка в точку» для безэталонного измерения...
23
где для АР, состоящей из 8 преобразователей, показаны пути для излучаемых и принимаемых
сигналов. От точки С зеркально отражаются и затем суммируются четыре сигнала. От точки В
отражается и приходит на АР единственный отраженный сигнал, а эхосигналы от точки А
на антенную решетку вообще не поступают. В результате на изображении плоскости отображе-
ние точки С имеет максимальную амплитуду. Точке В будет соответствовать амплитуда одного
эхосигнала, а точка А не отображается. В итоге изображение протяженного дна изделия, полу-
ченное с помощью алгоритма «фокусировка в точку», не соответствуют истинному виду отра-
жающей поверхности: на двухмерном В-скане донная поверхность представлена в виде коротко-
го отрезка с плавно спадающей амплитудой. В этом случае изображение дна становится похо-
жим на изображение технологического отверстия и однозначно определить на томограмме дно
СК не удается.
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ АЛГОРИТМА «ФОКУСИРОВКА В ТОЧКУ»
ПРИ КОНТРОЛЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ БЕТОНА ПРИ НАЛИЧИИ ПОМЕХИ ТИПА
«СТРУКТУРНЫЙ ШУМ»
Особенности отражающих свойств отражателей различной формы при использовании алго-
ритма «фокусировка в точку» проявляются при томографии бетонных изделий при наличии
помехи типа «структурный шум». В [16] показано, что структурный шум представляет совокуп-
ное отражение УЗ зондирующего сигнала от многочисленных случайно расположенных струк-
турных неоднородностей (например, зерен гравия в бетоне). Для уменьшения влияния структур-
ного шума снижают частоту зондирующего сигнала таким образом, чтобы длина УЗ волны λ
была существенно больше среднего размера наполнителя бетона D(λ ≥ (3-5)D) . Для удовлет-
ворительного обнаружения дефекта на фоне структурного шума его размер Д должен быть боль-
ше длины волны λ. Тем самым, следует выбирать такую частоту зондирующего сигнала, чтобы
выполнялось условие (3-5) D ≤ λ < Д. Как правило, это условие выполняется при контроле
изделий из бетона при частоте зондирующего сигнала 50 - 100 кГц [16].
Основным методом повышения отношения сигнал/СШ является пространственно-времен-
ная обработка сигналов [17], заключающаяся в пространственной декорреляции сигналов струк-
турного шума за счет приема эхосигналов в N различных положениях приемного преобразователя
на поверхности изделия с последующим накоплением (сложением) результатов N измерений. При
этом расстояние d между соседними положениями ПП должно выбираться исходя из требования,
что расстояние d должно быть не менее радиуса корреляции rk структурного шума, при котором
величина функции взаимной корреляции сигналов СШ в соседних положениях преобразователей
близка к нулю. При выполнении условия d ≈ rk сигналы структурного шума становятся взаимно
декоррелированными, поэтому при сложении N сигналов суммарный структурный шум увеличи-
вается не более чем в N раз, эхосигнал от дефекта (от дна изделия) возрастает в N раз, а отноше-
ние сигнал/СШ увеличивается приблизительно в N раз.
Обработка сигналов с помощью антенной решетки представляет собой один из вариантов про-
странственно-временной обработки сигналов, при которой N приемных преобразователей АР рас-
положены на одной линии на расстоянии d друг от друга. Поэтому в томографах бетонных изделий
шаг антенной решетки следует выбирать не из радиолокационного условия d ≈ λ/2, а исходя из
условия d ≈ rk [14—17].
Тот факт, что алгоритм «фокусировка в точку» по-разному отображает пространственно про-
тяженные (плоскостные) и пространственно локализованные (точечные) отражатели, приводит к
ограничению в его применении в условиях высокого уровня структурного шума. Действительно,
так как алгоритм «фокусировка в точку» ориентирован на отображение точечных отражателей и
не ориентирован на отображение плоскостных отражателей, то он преимущественно отображает
точечные структурные неоднородности бетона (например, зерна гравия) и в меньшей степени ото-
бражает дно ОК. Этот эффект иллюстрируется на рис. 3а, где показана модель сложноструктур-
ного объекта контроля с дефектом (отверстием диаметром 50 мм) и с «точечными» отражателями
(структурными неоднородностями) разной величины. На рис. 3б показана томограмма ОК, на
которой адекватно отображены дефект и точечные неоднородности структуры, формирующие
структурный шум. Дно изделия отображается коротким отрезком, который на фоне СШ обнару-
жить достаточно сложно. Таким образом, при использовании алгоритма «фокусировка в точку»
снижается величина отношения донный сигнал/СШ и ограничивается надежно измеряемая толщи-
на СК из-за того, что амплитуда донного сигнала уменьшается при высоком качестве отображения
сигнала структурного шума.
Дефектоскопия
№ 6
2019
24
В.К. Качанов, И.В. Соколов, Р.В. Концов, Д.В. Тимофеев
а
б
–200
-100
0
100
200 X, мм
-200
-100
0
100
200 X, мм
0
0
100
100
200
200
Дефект
300
300
400
400
Донная поверхность
500
Y, мм
Y, мм
Рис. 3. Отображение структуры бетонного изделия с помощью алгоритма «фокусировка в точку»:
а — случайное распределение элементов структуры; б — изображение элементов структуры и дна изделия (моделирование).
Показанный на рис. 3 результат моделирования подтверждается экспериментально. На рис. 4
приведены томограммы двух бетонных изделий с одинаковой структурой, но с разной толщиной
(200 и 400 мм). Средний размер акустических неоднородностей составлял D ≈ 20 мм, скорость
продольных волн ультразвука в бетоне С ≈ 3000 м/с. Томограммы были построены при использо-
вании зондирующего сигнала с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ сигнала) со средней часто-
той f0 = 200 кГц, с девиацией частоты Δf = 150 кГц и с базой Б = ТсΔf ≈ 150. На средней частоте f0
протяженность УЗ продольной волны λ ≈ 15 мм. При таком соотношении D / λ в бетонном изде-
лии толщиной Н = 200 мм дно СК фиксируется достаточно четко (а), а дно изделия толщиной 400
мм (б) определяется не однозначно, так как интенсивность отражений от точечных элементов
структуры, формирующих структурный шум, существенно выше интенсивности отражения от
дна. В результате соответствующая донному эхосигналу отметка светло-зеленого цвета при толщи-
не изделия Н = 400 мм едва заметна на фоне СШ.
а
X, мм
б
X, мм
Донная метка
H = 200 мм
Донная метка
H = 400 мм
Y, мм
Y, мм
Рис. 4. Томограммы бетонных блоков толщиной 200 мм (а) и 400 мм (б) при использовании алгоритма
«фокусировка в точку».
Дефектоскопия
№ 6
2019
Использование алгоритма «фокусировка в точку» для безэталонного измерения...
25
Тем самым, результаты эксперимента подтверждают сделанный выше вывод о том, что алго-
ритм «фокусировка в точку» имеет ограничение при измерении толщины крупногабаритных
бетонных изделий с высоким уровнем структурного шума из-за различий в механизме формирова-
ния отраженного сигнала от плоскости и от пространственно локализованного точечного отража-
теля.
БЕЗЭТАЛОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ (ТОЛЩИНЫ) СК ИЗ БЕТОНА
С ПОМОЩЬЮ АЛГОРИТМА «ФОКУСИРОВКА В ТОЧКУ»
Несмотря на указанное ограничение в использовании традиционного алгоритма «фокусировка
в точку» при измерении толщины бетонных изделий с высоким уровнем СШ, этот алгоритм широ-
ко используется практически во всех известных томографах СК. Так как алгоритм «фокусировка в
точку» позволяет обнаруживать технологические отверстия, дефекты и другие пространственно
локализованные неоднородности структуры, то его целесообразно использовать для безэталонно-
го измерения скорости ультразвука в бетоне в тех случаях, когда в крупногабаритных СК невоз-
можно обнаружить отметку сигнала от дна, но при этом в изделии присутствуют технологические
отверстия.
В предлагаемом нами безэталонном способе определения скорости ультразвука, основанном
на использовании алгоритма «фокусировка в точку», анализируются трехмерные представления
В-скана бетонного изделия (рис. 5), которые являются в данном случае более информативными,
чем двумерные В-сканы.
а
б
в
UΣ, отн. ед.
U
, отн. ед.
UΣ, отн. ед.
Σ
1
1
1
0,5
0,5
0,5
0
0
0
–200
–200
–200
-100
-100
-100
0
0
0
0
100
0
100
0
100
200
200
200
100
100
100
300
300
300
X, мм
200
400
Y, мм
X, мм
200
400
Y, мм
X, мм
400
Y, мм
500
500
200
500
Рис. 5. Трехмерные В-сканы, построенные при различных значениях скорости продольных волн:
а — СL расч 1 = 3500 м/с; б — СL расч 2 = 4000 м/с; в — СL расч 3 = 4500 м/с (моделирование).
На трехмерных томограммах для изделия толщиной Н = 400 мм «точечный» отражатель, рас-
положенный глубине h = 200 мм, отображается пиком, высота которого соответствует амплитуде
суммарного эхосигнала от точечного отражателя UΣ. Одновременно на томограммах присутствует
отметка образа дна, протяженность которого много меньше пространственного размера донной
поверхности, а амплитуда отметки образа дна меньше амплитуды пика, отображающего «точеч-
ный» дефект. Поэтому преимущественной информативностью характеризуется пик, соответству-
ющий точечному отражателю.
Процедура определения истинной скорости ультразвука следующая: по результатам одного
измерения производится построение нескольких трехмерных В-сканов при различных значени-
ях расчетной продольной скорости СLрасч. С изменением расчетной скорости меняется амплиту-
да пика из-за изменения времени задержки поступающих на элементы АР (1) сигналов и из-за
изменения условия когерентности при суммировании эхосигналов. Далее производится сравни-
тельный анализ амплитуд всех пиков, отображающих «точечный» дефект, выбирается пик с наи-
большей высотой и по трехмерному В-скану с максимальной амплитудой пика определяется
истинная скорость ультразвука в бетоне, равная расчетной скорости УЗ волн для данной томо-
граммы.
На рис. 5 показаны три В-скана, полученные для скоростей СL расч 1 = 3500 м/с (а), СL расч 2 =
= 4000 м/с (б) и СL расч 3 = 4500 м/с (в), соответствующих бетонам различных марок. Анализ трех-
мерных изображений показывает, что пик, отображающий «точечный» дефект, имеет наиболь-
шую амплитуду при значении расчетной скорости СL расч 2 = 4000 м/с. Однако для точного опре-
Дефектоскопия
№ 6
2019
26
В.К. Качанов, И.В. Соколов, Р.В. Концов, Д.В. Тимофеев
UΣ, отн. ед.
1
0,8
0,6
0,4
по точечному отражателю
0,2
по отражению от плоскости
C, м/с
0
3000
3500
4000
4500
5000
Рис. 6. Зависимость амплитуды эхосигнала от скорости продольных УЗ волн для «точечного» отражателя (штриховая
линия) и для плоскостного отражателя (сплошная линия).
деления истинной скорости УЗК трех В-сканов недостаточно, поэтому следует построить доста-
точно большое число трехмерных томограмм, по которым затем строится зависимость измене-
ния амплитуды пика от значений расчетной скорости УЗ волн. Такая зависимость для того же
бетонного блока (Н = 400 мм, h = 200 мм) показана на рис. 6 (штриховая кривая). По максимуму
зависимости UΣ(С) легко определяется скорость ультразвука в бетоне СL = 4000 м/с, а по соот-
ветствующей трехмерной томограмме (рис. 5б) устанавливают истинные координаты дефекта
(h = 200 мм, х = 0 мм). Тем самым, предложенный безэталонный способ позволяет измерять
скорость ультразвука в изделиях, в которых заранее известно о наличии точечного отражателя
(например, технологического отверстия).
На том же графике показана зависимость амплитуды отметки образа донной поверхности от
расчетной скорости ( сплошная кривая). Если в ОК «точечный» отражатель отсутствует, но при
этом удается зафиксировать донный сигнал, то возможно безэталонное определение скорости
ультразвука и по отражению от дна изделия. Однако из-за того, что алгоритм «фокусировка в
точку» ориентирован на обнаружение «точечных» отражателей, а плоскостные отражатели фик-
сируются плохо, максимум зависимости амплитуды донного сигнала от скорости ультразвука
выражен менее четко по сравнению с аналогичной зависимостью для амплитуды эхосигнала от
«точечного» дефекта.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО БЕЗЭТАЛОННОМУ ИЗМЕРЕНИЮ СКОРОСТИ
УЛЬТРАЗВУКА С ПОМОЩЬЮ АЛГОРИТМА «ФОКУСИРОВКА В ТОЧКУ»
На рис. 7—9 приведены результаты измерения скорости поперечных волн с помощью алгорит-
ма «фокусировка в точку» в плоскопараллельном бетонном блоке толщиной Н = 400 мм с распо-
а
б
–200
-100
0
100
200 X, мм
-200
-100
0
100
200 X, мм
0
0
100
100
200
200
300
300
400
400
500
500
Y, мм
Y, мм
Рис. 7. Измерение скорости поперечных УЗ волн по скорости поверхностных УЗ волн в двух соседних положениях АР
на поверхности бетонного блока: Ct1 = 1600 м/с (а); Ct2 = 1550 м/с (б).
Дефектоскопия
№ 6
2019
Использование алгоритма «фокусировка в точку» для безэталонного измерения...
27
ложенным на расстоянии h = 200 мм цилиндрическим отверстием диаметром 50 мм. Бетон имеет
относительно однородную структуру ( D ≈ 10 мм) и, тем самым, невысокий уровень СШ. Поверх-
ность изделия неровная, из-за чего измерение объемной скорости способом, основанным на изме-
рении скорости поверхностной волны, приводит к неоднозначным результатам.
Измерения проводили с помощью разработанного в МЭИ УЗ НЧ томографа с 12-элементной
антенной решеткой, каждый элемент которой образован четрьмя преобразователями попереч-
ных УЗ волн с сухим точечным контактом [18]. Каждый элемент АР представляет собой отдель-
ный, функционально законченный модуль, содержащий ЦАП, излучающий усилитель мощно-
сти, четыре включенных параллельно преобразователя поперечных УЗ волн с сухим точечным
контактом, входной усилитель и АЦП.
В эксперименте использовались широкополосные зондирующие ЛЧМ сигналы со средней
частотой f0 = 50 кГц и с базой Б = ТсΔf ≈ 150 с последующей их оптимальной фильтрацией (сжати-
ем эхосигналов по времени в Б раз). Обработка сигналов АР, построение томограмм, вычисление
скорости ультразвука и определение координат дефектов и габаритов изделий проводилось с помо-
щью УЗ адаптивного многофункционального измерительного устройства [19]. Измеренные значе-
ния координат с точностью до третьего знака автоматически выводятся на экран томографа.
Несмотря на сложные многозвенные алгоритмы обработки УЗ частотно-модулированных эхосиг-
налов время построения томограмм не превышает нескольких секунд.
На первом этапе скорость объемной поперечной волны определялась по измеренной скоро-
сти поверхностной волны. При измерении скорости в двух соседних положениях АР на неров-
ной поверхности бетонного блока были получены два различных значения. Первое измерение
определило скорость поперечной УЗ волны Сt1 = 1600 м/с. Соответствующая двухмерная томо-
грамма показана на рис. 7а, на которой отчетливо видна отметка цилиндрического отверстия
(h1 ≈ 175 мм) и менее четко определяется донная поверхность на глубине Н1 = 373 мм, что не
соответствует известной заранее толщине Н = 400 мм. С помощью второй томограммы (рис. 7б)
получены значения Сt2 = 1550 м/с, h2 ≈ 160 мм, Н2 = 362 мм. В результате погрешность опреде-
ления координат отверстия (разница между полученными и реальными координатами) состави-
ла 6,8 и 9,5 % соответственно.
Столь большая погрешность объясняется тем, что при измерении объемной скорости по скоро-
сти поверхностной волны источником погрешности в определении координат дефектов и размеров
изделия являются физико-механические характеристики поверхностного слоя бетона. Поэтому на
следующем этапе для устранения влияния качества поверхности изделия на точность построения
томограмм определялась объемная скорость ультразвука в бетоне с помощью предлагаемого без-
эталонного способа измерения скорости УЗ волн, основанного на использовании алгоритма
«фокусировка в точку».
Для этого курсор устанавливался на изображении точечного отражателя, далее осущест-
вляли цикл контроля изделия, после чего в вычислительном устройстве проводили расчет
трехмерных томограмм, соответствующих различным значениям скорости УЗ поперечных
волн в пределах Сt = (1300—2300) м/с. Для увеличения точности измерения при построении
томограмм был выбран относительно небольшой шаг изменения расчетной скорости ΔСt расч =
= 10 м/с, что потребовало вычисления 100 трехмерных томограмм. При этом последовательно
1
UΣ, отн. ед.
0,5
Ct, м/с
0
1400
1600
1800
2000
2200
Рис. 8. График зависимости амплитуды отраженного сигнала от скорости УЗ волн в изделии.
Дефектоскопия
№ 6
2019
28
В.К. Качанов, И.В. Соколов, Р.В. Концов, Д.В. Тимофеев
измеряли амплитуды отметки образа цилиндрического отверстия и осуществляли построение
графика зависимости амплитуды отметки образа точечного отражателя от значения скорости
УЗ волн в бетоне (рис. 8). По максимуму амплитуды зависимости UΣ(Сt) определяли реальную
скорость УЗК Сt3 = 1750 м/с.
-200
-100
0
100
200 X, мм
0
100
200
300
400
500
Y, мм
Рис. 9. Томограмма, полученная при скорости УЗ волн С3 = 1750 м/с.
На рис. 9 показана двухмерная томограмма, построенная для реальной скорости УЗ волн в
бетоне Сt3 = 1750 м/с. На томограмме отметка образа цилиндрического отверстия расположена на
расстоянии 190 мм; донная поверхность располагается на расстоянии Н4 = 395 мм. Тем самым точ-
ность измерения толщины изделия увеличивается по сравнению с результатом, полученным по
томограммам, показанным на рис. 7.
Таким образом, результаты экспериментов подтверждают высокую точность предложенного
безэталонного способа определения одновременно скорости ультразвука в бетоне и координат
точечного отражателя с помощью алгоритма «фокусировка в точку».
ВЫВОДЫ
Безэталонный способ определения скорости ультразвука в строительных конструкциях из
бетона, реализуемый с помощью алгоритма обработки сигналов ультразвуковой фазированной
антенной решетки «фокусировка в точку», позволяет повысить точность измерения скорости по
сравнению с известным способом измерении скорости объемных волн по поверхностной волне.
Бόльшая точность обеспечивается благодаря тому, что исключается причина возникновения
погрешности: измерение скорости продольных (поперечных) волн осуществляется в объеме
изделия и состояние поверхности бетона не влияет на измеренную скорость.
Так как алгоритм обработки сигналов «фокусировка в точку» ориентирован на отображение
точечных отражателей, то предложенный способ безэталонного измерения скорости ультразвука
в бетоне следует использовать при наличии в строительной конструкции опорного точечного
отражателя (технологического отверстия), размеры которого должны превышать размеры струк-
турных неоднородностей, что обеспечивает возможность обнаружения отверстия на фоне струк-
турного шума.
Предложенный способ реализуется посредством построения набора трехмерных томо-
грамм для различных значений расчетной скорости ультразвука, измерения амплитуды эхосиг-
нала от дефекта для каждой томограммы, построения зависимости амплитуд эхосигналов от
значения расчетной скорости UΣ(С) и определения максимальной амплитуды эхосигнала по
характеристике UΣ(С). Расчетная скорость для томограммы с максимальной амплитудой эхо-
сигнала от отражателя является истинной скоростью ультразвука в бетонном изделии, коорди-
наты же эхосигнала от отверстия на данной томограмме соответствуют истинным координатам
отверстия. Таким образом, с помощью предложенного способа проводятся одновременно опре-
деление скорости УЗК в бетоне и координат отражателя, а также измерение толщины бетонно-
го изделия.
Дефектоскопия
№ 6
2019
Использование алгоритма «фокусировка в точку» для безэталонного измерения...
29
Статья подготовлена в рамках выполнения Государственного задания № 11.9879.2017/8.9
Минобрнауки России в сфере научной деятельности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. Неразрушающий контроль / Справочник: В 7 т. Под общей редакцией
В.В. Клюева. Т. 3: Ультразвуковой контроль. М.: Машиностроение, 2004. 864 с.
2. ASTM C597 — 16 Standard: Test Method for Pulse Velocity Through Concrete // Book of Standards
3. Shevaldykin V.G., Kozlov V.N., Samokrutov A.A. Inspection of Concrete by Ultrasonic Pulse-Echo
Tomograph with Dry Contact / 7th European conference on Non-Destructive Testing, Copengagen, 26—29
4. Schickert M., Krause M., Müller W. Ultrasonic Imaging of Concrete Elements Using Reconstruction by
Synthetic Aperture Focusing Technique // J. of Materials in Civil Engineering. 2003. No. 15. P. 235—246.
5. Бутенко А.И., Шкарлет Ю.М. О некоторых возможностях ультразвуковой безэталонной толщи-
нометрии / Тезисы докл. VII Всесоюзной конференции по неразрушающему контролю. Киев, 1974.
С. 198—200.
6. Korolev M.V., Karpelson A.E., Shevaldykin V.N. Ultrasonic Thickness Ganging Standards in USSR /
Proceedings of Tenth World Conference on Non-destructive Testing. M., 1982. V. 2. P. 50—59.
7. Carodiskey T.J., Meyer P.A. Thickness Measurement in Materials of Unknown Acoustic Velocity.
8. Королев M.А., Шевалдыкин В.Г., Карпельсон А.Е. Ультразвуковой безэталонный толщиномер.
Авторское свидетельство СССР № 10290007 // Бюл. изобр. № 26. 1983.
9. Королев М.В., Карпельсон А.Е., Шевалдыкин В.Г., Стариков Б.П. Способ ультразвуковой безэта-
лонной толщинометрии. Авторское свидетельство СССР SU1221489 А // Бюл. изобр. № 12. 1986.
10. Titov S.A., Maev R.G., Bogachenkov A.N. Measuring the acoustic wave velocity and sample thickness
S1063785009110170
11. Базулин Е.Г., Исмаилов Г.М. Одновременное измерение скорости ультразвуковой поперечной
волны и толщины объекта контроля с плоскопараллельными границами с использованием двух антен-
ных решеток // Дефектоскопия. 2013. № 8. С. 20—34.
12. Качанов В.К., Соколов И.В., Концов Р.В., Синицын А.А. Использование антенных решеток для
безэталонного измерения скорости ультразвука и толщины бетонных изделий // Дефектоскопия. 2017.
№ 1. С. 26—33.
13. Schickert M. Towards SAFT-Imaging in Ultrasonic Inspection of concrete / International Symposium
Non-Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE), Berlin, 26—28.09.1995. P. 411—418.
14. Козлов В.Н., Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия бетона эхо-
методом: состояние и перспективы // В мире неразрушающего контроля. 2002. № 2 (16). С. 6—10.
15. Качанов В.К., Соколов И.В., Туркин М.В., Шалимова Е.В., Тимофеев Д.В., Конов М.М. Особен-
ности применения метода «фокусировка в точку» при ультразвуковой томографии изделий из сложно-
структурных материалов // Дефектоскопия. 2010. № 4. С. 30—44.
16. Качанов В.К., Карташев В.Г., Соколов И.В., Воронкова Л.В., Шалимова Е.В. Структурный шум
в ультразвуковой дефектоскопии. М.: Изд. дом МЭИ, 2016. 186 с. ISBN 978-5-383-01069-3.
17. Карташев В.Г., Качанов В.К., Шалимова Е.В. Основные положения теории пространственно-
временной обработки сигналов применительно к задачам ультразвуковой дефектоскопии изделий из
сложноструктурных материалов // Дефектоскопия. 2010. № 4. С. 19—29.
18. Шевалдыкин В.Г., Самокрутов А.А., Козлов В.Н. Ультразвуковые низкочастотные пьезопреобра-
зователи с сухим точечным контактом и их применение для неразрушающего контроля // Контроль.
Диагностика. 2003. № 2. C. 30—39.
19. Качанов В.К., Карташев В.Г., Соколов И.В., Концов Р.В., Федоров М.Б. Ультразвуковая адаптив-
ная многофункциональная дефектоскопия. М.: Изд. дом МЭИ, 2015. 175 с. ISBN 978-5-383-00968-0.
Дефектоскопия
№ 6
2019
