RU2657314C1 - Method of determination of acoustic density - Google Patents
Method of determination of acoustic density Download PDFInfo
- Publication number
- RU2657314C1 RU2657314C1 RU2017130377A RU2017130377A RU2657314C1 RU 2657314 C1 RU2657314 C1 RU 2657314C1 RU 2017130377 A RU2017130377 A RU 2017130377A RU 2017130377 A RU2017130377 A RU 2017130377A RU 2657314 C1 RU2657314 C1 RU 2657314C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- points
- interface
- ultrasonic
- pulses
- phase
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 29
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000012634 fragment Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 13
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 7
- 239000004567 concrete Substances 0.000 abstract description 29
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract description 11
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 abstract description 6
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 description 12
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000005311 autocorrelation function Methods 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 7
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 5
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 4
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 3
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 3
- 238000003325 tomography Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- 239000011150 reinforced concrete Substances 0.000 description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 1
- 238000012285 ultrasound imaging Methods 0.000 description 1
- 238000007794 visualization technique Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating 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
- G01N29/04—Analysing solids
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике ультразвукового (УЗ) неразрушающего контроля объектов из структурно-неоднородных материалов, преимущественно изделий из бетона при контроле строительных конструкций и может использоваться для обнаружения в них различных нарушений сплошности и однородности с определением координат, размеров, пространственной ориентации и характера заполняющей среды.The invention relates to the technique of ultrasonic (ultrasound) non-destructive testing of objects made of structurally heterogeneous materials, mainly concrete products, in the control of building structures and can be used to detect various violations of continuity and uniformity in them, determining coordinates, dimensions, spatial orientation and nature of the filling medium.
Задача определения акустической плотности среды за границей раздела, точнее - её соотношения с акустической плотностью среды до границы, встречается чаще всего при контроле строительных конструкций, прежде всего из бетона. Причём, все практические случаи можно разбить на два варианта:The task of determining the acoustic density of the medium beyond the interface, or rather, its relationship with the acoustic density of the medium to the boundary, is most often encountered in the control of building structures, primarily from concrete. Moreover, all practical cases can be divided into two options:
- определение внутреннего содержания некой полости или трещины;- determination of the internal content of a cavity or crack;
- определение или хотя бы оценка того, чем является среда, которая находится за границей монолитного слоя бетона.- definition or at least an assessment of what the medium is, which is located outside the monolithic concrete layer.
При ультразвуковой (УЗ) томографии бетонных изделий и конструкций эхо-методом на изображении (томограмме) любые границы раздела сред отображаются более яркими линиями, по сравнению с фоном, который вызван структурным шумом. Яркость этих линий зависит от коэффициента отражения УЗ волн от границы. Чем он больше по модулю, тем больше яркость. Коэффициент отражения равен разности волновых сопротивлений сред до и после границы раздела, делённой на их сумму. И не имеет значения, какая из сред имеет большее волновое сопротивление по отношению к другой. Яркость образа границы раздела пропорциональна модулю коэффициента отражения.With ultrasound (ultrasound) tomography of concrete products and structures by the echo method on the image (tomogram), any media interfaces are displayed with brighter lines, compared to the background caused by structural noise. The brightness of these lines depends on the reflection coefficient of ultrasonic waves from the boundary. The larger it is in absolute value, the greater the brightness. The reflection coefficient is equal to the difference in the wave resistance of the media before and after the interface divided by their sum. And it does not matter which of the media has a greater wave resistance with respect to the other. The brightness of the image of the interface is proportional to the modulus of the reflection coefficient.
Уровень структурного шума на изображении является естественным порогом обнаружения любых неоднородностей в бетоне, как малых по размерам (соизмеримым с размерами крупного заполнителя бетона – щебня), так и больших. Обнаружение сравнительно небольших неоднородностей в бетоне (но не менее 2 – 3 размеров крупного заполнителя) зависит от коэффициента отражения, если не принимать во внимание направленность отражённых УЗ волн. Поэтому полости, заполненные воздухом или пластмассой (пластмассовые трубы) обнаруживаются достаточно надёжно. Металлическая арматура тоже обнаруживается примерно с таким же отношением сигнал/шум при равных диаметрах пластмассовых труб и арматуры. Это потому, что волновые сопротивления пластмассы и металла сильно (в несколько раз) отличаются от волнового сопротивления бетона. Так, у пластмасс волновые сопротивления в 5 - 6 раз меньше, чем у бетона, а у стали примерно в 4 раза больше, чем у бетона. Определение внутреннего содержания некой полости: воздух (пластмасса) или металл по изображению невозможно. Амплитуды (яркости) образов от этой полости с воздухом и металлом примерно одинаковы в сравнении с шумом.The level of structural noise in the image is a natural threshold for detecting any heterogeneities in concrete, both small in size (commensurate with the size of a large aggregate of concrete - crushed stone), and large. The detection of relatively small inhomogeneities in concrete (but at least 2 to 3 sizes of coarse aggregate) depends on the reflection coefficient, if we do not take into account the direction of the reflected ultrasonic waves. Therefore, cavities filled with air or plastic (plastic pipes) are detected reliably enough. Metal reinforcement is also detected with approximately the same signal to noise ratio for equal diameters of plastic pipes and reinforcement. This is because the wave resistance of plastic and metal is very (several times) different from the wave resistance of concrete. So, in plastics, the wave impedances are 5-6 times less than in concrete, and in steel about 4 times more than in concrete. Determination of the internal content of a certain cavity: air (plastic) or metal from the image is impossible. The amplitudes (brightness) of the images from this cavity with air and metal are approximately the same in comparison with noise.
Отличить воздушное заполнение полости от металлического можно по фазе эхо-сигнала от её границы в сравнении с фазой зондирующего сигнала, используемого в качестве опорного. Поскольку коэффициент отражения зависит от разности волновых сопротивлений, то при отражении УЗ импульсов от границы они могут либо поменять фазу на противоположную, либо сохранить её. Если бы структурный шум отсутствовал, определить фазу отражённого сигнала не составило бы труда. Первая полуволна эхо-сигнала, принятого от границы раздела, была бы либо положительная, либо отрицательная. Но в присутствии шума, особенно когда его уровень близок к уровню полезных сигналов, определить фазу эхо-сигнала, точнее - его полярность, практически нельзя.One can distinguish the air filling of a cavity from a metal one by the phase of the echo signal from its boundary in comparison with the phase of the probe signal used as a reference. Since the reflection coefficient depends on the difference of the wave resistances, when reflecting ultrasonic pulses from the boundary, they can either change the phase to the opposite, or save it. If there was no structural noise, it would not be difficult to determine the phase of the reflected signal. The first half-wave of the echo received from the interface would be either positive or negative. But in the presence of noise, especially when its level is close to the level of useful signals, it is practically impossible to determine the phase of the echo signal, more precisely, its polarity.
Вторая отмеченная выше задача - определение, что за среда находится за границей раздела монолитного бетона, встречается при строительстве туннелей. Туннель часто выкладывают изнутри бетонными изогнутыми плитами, которые образуют тюбинг. А пространство между тюбингом и грунтом (или скальной породой) заполняют бетонным раствором. Это нужно для того, чтобы защитить тюбинг от вымывания грунтовыми водами и для дополнительного укрепления туннеля. После затвердевания бетона за тюбингом проводят неразрушающий контроль с целью обнаружения незаполненных бетоном полостей в затюбинговом пространстве. По фазе отражённого сигнала от границы между бетоном тюбинга и внешним бетоном можно было бы определить, что находится за этой границей. Однако в настоящее время только по косвенным признакам удаётся решать эту задачу.The second task noted above is the determination of what kind of medium is located outside the section of monolithic concrete, which is found in the construction of tunnels. The tunnel is often laid out inside with concrete curved slabs that form a tubing. And the space between tubing and soil (or rock) is filled with concrete mortar. This is necessary in order to protect the tubing from being washed out by groundwater and to further strengthen the tunnel. After hardening of concrete, tubing is subjected to non-destructive testing in order to detect cavities that are not filled with concrete in the tubing space. By the phase of the reflected signal from the boundary between the tubing concrete and the external concrete, it would be possible to determine what is beyond this boundary. However, at present, only by indirect signs is it possible to solve this problem.
Известен способ УЗ визуализации внутренней структуры изделий из различных материалов, главным образом - из металлов, реализуемый с помощью антенной решётки, подключённой к многоканальному дефектоскопу, в котором формируются электрические импульсы возбуждения элементов антенной решётки, излучающей в контролируемое изделие зондирующие импульсы, а колебания поверхности изделия преобразуются элементами решётки в электрические реализации, которые суммируются в приборе с определёнными взаимными временными задержками. Результирующая суммарная реализация отображается на экране прибора в положении, соответствующем заданному положению функции направленности антенной решётки для используемого в данный момент фокального закона. Быстрая смена фокальных законов при повторном зондировании изделия позволяет сканировать внутренний объём изделия УЗ пучками и формировать на экране прибора изображение внутренней структуры материала изделия. При таком алгоритме работы прибора на его экране формируются построчечные линейные или секторные изображения - J. M. Davis and M. Moles Resolving capabilities of phased array sectorial scans (S-scans) on diffracted tip signals. Insight Vol. 48. No. 4. April 2006.A known method of ultrasound visualization of the internal structure of products from various materials, mainly from metals, is implemented using an antenna array connected to a multichannel flaw detector, in which electrical excitation pulses of elements of the antenna array are generated, which emit probe pulses into the controlled product, and oscillations of the product surface are converted lattice elements in electrical implementations, which are summed up in the device with certain mutual time delays. The resulting total implementation is displayed on the screen of the device in the position corresponding to the given position of the directivity function of the antenna array for the currently used focal law. A quick change in focal laws during repeated sounding of the product allows you to scan the internal volume of the product with ultrasonic beams and form an image of the internal structure of the product material on the device screen. With this algorithm of operation of the device, linear linear or sector images are formed on its screen - J. M. Davis and M. Moles Resolving capabilities of phased array sectorial scans (S-scans) on diffracted tip signals. Insight Vol. 48. No. April 4, 2006.
Этот способ УЗ контроля не позволяет визуализировать дефекты в изделиях из крупноструктурных и неоднородных материалов, таких, как бетон или чугун из-за высокого уровня структурного шума. This method of ultrasonic testing does not allow visualization of defects in products from coarse-grained and heterogeneous materials, such as concrete or cast iron, due to the high level of structural noise.
Другой известный способ УЗ визуализации реализует метод полной фокусировки УЗ волн в каждую точку материала объекта контроля (ОК). Этот метод включает в себя поочерёдное излучение УЗ волн в ОК каждым отдельным элементом антенной решётки, приём реализаций УЗ колебаний всеми элементами решётки и вычисление двух- или трёхмерного распределения рассеивающих свойств каждой точки материала внутреннего объёма ОК. Метод полной фокусировки обладает повышенной разрешающей способностью, по сравнению с предыдущим методом фазирования элементов антенной решётки, а также лучшей чувствительностью и помехоустойчивостью. В результате, он обеспечивает обнаружение малых дефектов вблизи донной поверхности изделия, которая создаёт сильно мешающую помеху. Однако при контроле бетона или чугуна этим способом визуализации определять фазу УЗ волн, рассеянных точками структуры материала ОК, практически невозможно из-за мешающего действия структурного шума - Wolfram A. Karl DEUTSCH, Werner ROYE, Helge RAST and Philippe BENOIST High Resolution Phased Array Imaging using the Total Focusing Method (19th World Conference on Non-Destructive Testing, 2016).Another well-known method of ultrasound imaging implements the method of full focusing of ultrasound waves at each point of the material of the object of control (OK). This method includes alternating radiation of ultrasonic waves in the OC by each individual element of the antenna array, receiving realizations of ultrasonic vibrations by all elements of the array, and calculating the two- or three-dimensional distribution of the scattering properties of each point of the material of the internal volume of the OC. The method of full focusing has a higher resolution, compared with the previous method of phasing elements of the antenna array, as well as better sensitivity and noise immunity. As a result, it ensures the detection of small defects near the bottom surface of the product, which creates a strong interfering noise. However, when controlling concrete or cast iron with this visualization method, it is almost impossible to determine the phase of ultrasonic waves scattered by the points of the OK material structure due to the interfering effect of structural noise - Wolfram A. Karl DEUTSCH, Werner ROYE, Helge RAST and Philippe BENOIST High Resolution Phased Array Imaging using the Total Focusing Method (19th World Conference on Non-Destructive Testing, 2016).
Наиболее близким к изобретению аналогом является способ обнаружения и классификации дефектов в строительных компонентах, включающий излучение импульсных ультразвуковых волн, преобразуемых из электрических посылаемых импульсов, в несколько мест на поверхности исследуемого строительного компонента, прием отраженных ультразвуковых волн от нескольких мест указанной поверхности, чтобы создать приемные электрические сигналы, анализ и оценку высокочастотных электрических приемных сигналов с использованием положения мест излученных ультразвуковых волн и принятых отраженных звуковых волн, чтобы создать трехмерное локальное распределение рассеивающих свойств строительного компонента, в дополнение к информации об амплитуде, определяют информацию о фазе рассеивающего процесса и приписывают ее трехмерному локальному распределению рассеивающих свойств строительного компонента, причем информацию об амплитуде используют для обнаружения дефектов, а для классификации используют информацию и об амплитуде, и о фазе трехмерного локального распределения – RU 2438123 C2, 2011 г.Closest to the invention, an analogue is a method for detecting and classifying defects in building components, including emitting pulsed ultrasonic waves converted from electric transmitted pulses to several places on the surface of the investigated building component, receiving reflected ultrasonic waves from several places of the specified surface to create receiving electric signals, analysis and evaluation of high-frequency electrical receiving signals using the position of the places emitted ultrasonic waves and received reflected sound waves to create a three-dimensional local distribution of the scattering properties of the building component, in addition to information about the amplitude, determine the phase information of the scattering process and attribute it to a three-dimensional local distribution of the scattering properties of the building component, and the information about the amplitude is used to detect defects , and for classification use information about the amplitude and phase of the three-dimensional local distribution - RU 2438123 C2, 2011
Главный недостаток прототипа в том, что возможность классификации дефектов, т.е. определения акустической плотности среды внутри дефекта в сравнении с акустической плотностью окружающего бетона, ограничена уровнем структурного шума бетона. Если уровень шума в трёхмерном распределении рассеивающих свойств мал в сравнении с уровнем образа дефекта, то классификация по фазе сигнала от дефекта возможна. Если эффективное значение шума достигает величины порядка минус 10 дБ по отношению к амплитуде образа дефекта, то классификация становится недостоверной. В то же время обнаружение дефектов при таком соотношении амплитуд их образов с шумом ещё вполне уверенное. При большем уровне шума классификация вообще невозможна. The main disadvantage of the prototype is that the ability to classify defects, i.e. determining the acoustic density of the medium inside the defect in comparison with the acoustic density of the surrounding concrete is limited by the level of structural noise of concrete. If the noise level in the three-dimensional distribution of scattering properties is small in comparison with the level of the image of the defect, then classification by phase of the signal from the defect is possible. If the effective value of the noise reaches a value of the order of
В связи с этим, техническая задача, решаемая изобретением, состоит в расширении диапазона достоверного определения соотношения акустических плотностей сред внутри и вне границы раздела в область низких отношений сигнал/шум, т.е. в расширении функциональных возможностей системы неразрушающего контроля с одновременным улучшением её дефектоскопических и эксплуатационных характеристик. In this regard, the technical problem solved by the invention is to expand the range of reliable determination of the ratio of acoustic densities of media inside and outside the interface into the region of low signal-to-noise ratios, i.e. to expand the functionality of the non-destructive testing system while improving its defectoscopic and operational characteristics.
Эта задача решена в способе определения акустической плотности, при котором во множество точек поверхности объекта контроля излучают ультразвуковые зондирующие импульсы продольных или поперечных волн, принимают из тех же точек реализации ультразвуковых колебаний, вызванных ультразвуковыми импульсами, отражёнными от неоднородностей внутренней структуры материала объекта и от любых границ раздела между средами с разной акустической плотностью, производят реконструкцию трёхмерного распределения амплитуды ультразвука, рассеянного точками структуры материала объекта, в полученном трёхмерном распределении выделяют точки с амплитудами, превышающими средний уровень эффективного значения шума в четыре и более раз, объединяют выделенные точки распределения в группы по критерию близости их расположения, определяемого расстоянием между соответствующими им точками структуры объекта, не превышающем половины длины волны ультразвука, когерентно суммируют фрагменты принятых реализаций ультразвуковых колебаний, содержащие эхо-сигналы от точек внутренней структуры объекта, которые соответствуют точкам трёхмерного распределения, принадлежащим каждой выделенной группе и если при излучении и приёме импульсов продольных ультразвуковых волн фаза суммарного фрагмента реализаций некоторой группы точек трёхмерного распределения отличается от фазы зондирующих импульсов по модулю менее чем на 45 градусов, то это означает, что среда за границей раздела более акустически плотная, чем среда до границы раздела, если же отличие фаз находится в интервале от 135 до 225 градусов, то наоборот, среда за границей раздела менее акустически плотная, а при излучении и приёме импульсов поперечных ультразвуковых волн отличие фаз суммарного фрагмента от зондирующих импульсов по модулю менее чем на 45 градусов означает, что среда за границей раздела менее акустически плотная, чем среда до границы раздела, и отличие фаз в интервале от 135 до 225 градусов означает, что среда за границей раздела более акустически плотная.This problem is solved in a method for determining the acoustic density, in which ultrasonic sounding pulses of longitudinal or transverse waves are emitted to many points on the surface of the test object, and they are taken from the same points of realization of ultrasonic vibrations caused by ultrasonic pulses reflected from inhomogeneities of the internal structure of the material of the object and from any boundaries section between media with different acoustic densities, reconstruct the three-dimensional distribution of the amplitude of the ultrasound scattered points of the structure of the material of the object, in the obtained three-dimensional distribution, distinguish points with amplitudes that exceed the average level of the effective noise value by four or more times, combine the selected distribution points into groups according to the criterion of proximity of their location, determined by the distance between the corresponding points of the structure of the object, not exceeding half wavelengths of ultrasound, coherently summarize fragments of the adopted realizations of ultrasonic vibrations containing echo signals from points of the internal structure of the object which correspond to the points of the three-dimensional distribution belonging to each selected group, and if, during the emission and reception of pulses of longitudinal ultrasonic waves, the phase of the total fragment of realizations of a certain group of points of three-dimensional distribution differs from the phase of the probe pulses in modulus by less than 45 degrees, this means that the medium beyond the interface is more acoustically dense than the medium to the interface, but if the phase difference is in the range from 135 to 225 degrees, then on the contrary, the medium beyond the interface it is acoustically dense, and when the pulses of transverse ultrasonic waves are emitted and received, the difference between the phases of the total fragment from the probe pulses modulo less than 45 degrees means that the medium beyond the interface is less acoustically dense than the medium to the interface, and the phase difference in the interval from 135 to 225 degrees means that the medium beyond the interface is more acoustically dense.
Кроме того, способ характеризуется признаками при использовании его в частных случаях, а также – для усиления достигаемых эффектов:In addition, the method is characterized by signs when used in special cases, as well as to enhance the achieved effects:
— расстояния между соседними точками поверхности объекта контроля, в которые излучают ультразвуковые зондирующие импульсы, выбирают в пределах от одного до полутора радиусов корреляции структурного шума материала объекта контроля; - the distance between adjacent points of the surface of the test object, which emit ultrasonic probing pulses, is selected in the range from one to one and a half radii of correlation of the structural noise of the material of the test object;
— длительность фрагментов реализаций ультразвуковых колебаний выбирают равной длительности зондирующих импульсов.- the duration of the fragments of the implementation of ultrasonic vibrations is chosen equal to the duration of the probe pulses.
Способ одинаково работает при визуализации внутренней структуры материалов при использовании любых объёмных УЗ волн, наиболее предпочтительных в зависимости от исследуемого материала. Так, для контроля объектов из бетона и железобетона предпочтительными являются поперечные УЗ волны, но иногда используются и продольные. Для контроля крупноструктурных металлов, например, аустенитных сталей или чугуна обычно используют продольные УЗ волны.The method works the same way when visualizing the internal structure of materials using any volumetric ultrasonic waves, the most preferred depending on the material being studied. So, to control objects made of concrete and reinforced concrete, transverse ultrasonic waves are preferable, but longitudinal ones are also sometimes used. For control of coarse-grained metals, for example, austenitic steels or cast iron, longitudinal ultrasonic waves are usually used.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ, на фиг. 2 вверху представлены графики зашумлённого эхо-сигнала (смеси эхо-сигнала с шумом) от границы раздела бетон – сталь (а) и опорного сигнала (б), а внизу – графики огибающих этих сигналов (в, г), соответственно; на фиг. 3 приведена взаимно-корреляционная функция смеси эхо-сигнала с шумом и опорного сигнала (а), автокорреляционная функция опорного сигнала (б) и огибающая взаимно-корреляционной функции (в), по которой определяется момент её максимума; на фиг. 4 – формы сигналов (вверху) и их огибающие (внизу) при отношении сигнал/шум в 2 раза большем, чем на фиг. 2: а – зашумлённый эхо-сигнал, в – его огибающая; б – опорный сигнал, г – его огибающая, на фиг. 5 - взаимно-корреляционная функция между зашумлённым эхо-сигналом и опорным сигналом (а), автокорреляционная функция опорного сигнала (б) и огибающая взаимно-корреляционной функции (в) при отношении сигнал/шум в 2 раза большем, чем на фиг. 3.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a block diagram of a device that implements the method, FIG. 2 at the top there are graphs of a noisy echo signal (a mixture of an echo signal with noise) from the concrete – steel interface (a) and the reference signal (b), and below are graphs of the envelopes of these signals (c, d), respectively; in FIG. 3 shows the cross-correlation function of the mixture of the echo signal with noise and the reference signal (a), the autocorrelation function of the reference signal (b) and the envelope of the cross-correlation function (c), which determines the moment of its maximum; in FIG. 4 - waveforms (top) and their envelopes (bottom) with a signal-to-
Блок-схема устройства по фиг. 1 содержит УЗ преобразователи 1, в качестве которых могут быть прямые совмещённые преобразователи на частоты от 0,5 до нескольких мегагерц при контроле металлов или преобразователи с сухим точечным контактом (СТК) на частоты 50 – 100 кГц при контроле бетона. Блок-схема также включает объект контроля 2 (ОК), в котором по траекториям 3 распространяются УЗ волны, используемые для контроля. УЗ волны отражаются от границ 4 раздела сред, т.е. от различных неоднородностей материала и его границ, за которыми находится другая среда. Электронная часть блок-схемы состоит из генераторов 5 импульсов возбуждения УЗ преобразователей 1, синхронизатора 6, многоканального приёмного тракта 7 с цифровым выходом, памяти 8 реализаций УЗ колебаний, принятых от всех пар излучатель – приёмник, вычислительного устройства 9 (процессора), памяти 10, где формируется трёхмерное распределение амплитуд УЗ волн, рассеянных точками материала ОК, памяти 11 суммарных эхо-сигналов, формируемых для каждой группы точек, рассеивающих ультразвук, блока 12 сравнения фазы зондирующих (опорных) импульсов с фазой суммарного эхо-сигнала для каждой группы точек отдельно, и дисплея 13. The block diagram of the device of FIG. 1 contains
Графики зашумлённых эхо-сигналов, представленные на фиг. 2 (а) и 4 (а) и их огибающие – на фиг. 2 (в) и 4 (в), иллюстрируют вид фрагментов трёхмерного распределения амплитуды ультразвука, рассеянного точками границы раздела сред при разных отношениях сигнал/шум.The plots of noisy echoes shown in FIG. 2 (a) and 4 (a) and their envelopes - in FIG. 2 (c) and 4 (c) illustrate the form of fragments of a three-dimensional distribution of the amplitude of ultrasound scattered by the points of the interface at different signal-to-noise ratios.
Физический смысл способа заключается в накоплении эхо-сигналов от границы раздела сред, которое позволяет увеличить отношение сигнал/шум до такой величины, при которой определение фазы накопленного эхо-сигнала становится достоверным.The physical meaning of the method lies in the accumulation of echo signals from the media interface, which allows to increase the signal-to-noise ratio to such a value that the determination of the phase of the accumulated echo signal becomes reliable.
Вначале производится обычное построение трёхмерного распределения отражающей способности точек материала объекта контроля (ОК). Это известный алгоритм УЗ томографии, при котором прорисовываются поверхности полостей, инородных включений и границ раздела сред, отражающих УЗ волны обратно к элементам антенной решётки. От каждой точки этих поверхностей эхо-сигналы, принятые каждым элементом решётки от зондирования тоже каждым элементом, суммируются в памяти прибора при их совмещении во времени с точностью до фазы. Так происходит накопление эхо-сигналов от каждой точки материала ОК. Однако из-за значительного уровня структурного шума только амплитуда накопленных по пространству эхо-сигналов выделяется над шумом. А фазу сигналов определить в большинстве случаев невозможно. После детектирования это амплитудное распределение выводится на экран в виде изображения.Initially, the usual construction of the three-dimensional distribution of the reflecting ability of the points of the material of the object of control (OK) is performed. This is a well-known ultrasound tomography algorithm in which surfaces of cavities, foreign inclusions and media interfaces are drawn, which reflect ultrasonic waves back to the elements of the antenna array. From each point on these surfaces, the echo signals received by each element of the array from sounding by each element also are summed in the memory of the device when they are combined in time accurate to phase. So there is an accumulation of echo signals from each point of the material OK. However, due to the significant level of structural noise, only the amplitude of the space-accumulated echo signals is allocated above the noise. And the phase of the signals cannot be determined in most cases. After detection, this amplitude distribution is displayed on the screen as an image.
В предложенном способе производится дополнительное когерентное накопление сигналов уже ото всей видимой границы раздела. Если предположить, что во всей полости или за некоторой границей раздела присутствует одна и та же среда (например, воздух), то от каждой точки границы эхо-сигнал отражается в одной и той же фазе. И если эти эхо-сигналы сложить, совместив их во времени с точностью до фазы, то результирующий сигнал будет ещё выше по отношению к шуму, чем отдельные сигналы от отдельных точек границы. В данном способе это и происходит.In the proposed method, an additional coherent accumulation of signals is already from all the visible interface. If we assume that the same medium (for example, air) is present in the entire cavity or beyond a certain interface, then from each point of the boundary the echo signal is reflected in the same phase. And if these echo signals are added together, combining them in time with an accuracy of up to phase, then the resulting signal will be even higher with respect to noise than individual signals from individual points of the boundary. In this method, this is what happens.
Выполнить такую операцию можно, поскольку координаты каждой точки границы раздела известны из полученного трёхмерного распределения амплитуды рассеянного ультразвука от каждой точки границы. По этим координатам рассчитываются времена задержки эхо-сигналов от каждой точки границы. И, используя эти времена задержки, из исходных реализаций принятых УЗ колебаний выбираются фрагменты колебаний, содержащие эхо-сигналы от точек границы и когерентно суммируются. Перед этим точки границы, принадлежащие действительно одной и той же границе, выбираются, исходя из критериев превышения амплитуды УЗ сигнала от каждой точки над шумом и при малом расстоянии между точками.Such an operation can be performed, since the coordinates of each interface point are known from the obtained three-dimensional distribution of the amplitude of the scattered ultrasound from each interface point. Based on these coordinates, the delay times of the echo signals from each point of the boundary are calculated. And, using these delay times, fragments of oscillations containing echo signals from the boundary points are selected from the initial realizations of the received ultrasonic vibrations and are coherently summed. Before this, the boundary points belonging to really the same boundary are selected based on the criteria for exceeding the amplitude of the ultrasonic signal from each point over the noise and at a small distance between the points.
Практически, как это будет показано ниже, в описании работы блок-схемы, выбирать фрагменты реализаций можно (и даже проще и быстрее) не из массива исходных реализаций, которые записаны в память реализаций, а из уже построенного трёхмерного распределения рассеянного ультразвука. Ведь наряду с амплитудным распределением в памяти хранится и распределение накопленных эхо-сигналов от каждой точки материала ОК. Из него путём детектирования (выделения огибающей) и получается распределение амплитуд. Это распределение накопленных эхо-сигналов от каждой точки материала ОК получается путём суммирования фрагментов исходных реализаций принятых колебаний. Поэтому снова их суммировать не нужно. А нужно просто выбирать уже суммированные фрагменты реализаций только от нужных точек границы раздела.In practice, as will be shown below, in the description of the operation of the flowchart, it is possible to select fragments of implementations (and even easier and faster) not from the array of initial implementations that are recorded in the memory of the implementations, but from the already constructed three-dimensional distribution of scattered ultrasound. Indeed, along with the amplitude distribution, the distribution of the accumulated echo signals from each point of the OK material is also stored in the memory. From it, by detecting (extracting the envelope), the distribution of amplitudes is obtained. This distribution of accumulated echo signals from each point of the OK material is obtained by summing fragments of the initial realizations of the received oscillations. Therefore, they do not need to be summarized again. And you just need to select the already summed fragments of the implementations only from the necessary points of the interface.
Однако на практике может встретиться случай, когда за границей раздела находятся разные среды. Если внутри некоторой полости или за границей раздела находятся разные среды, то после суммирования фрагментов реализаций ото всех точек границы можно не получить существенного превышения отношения сигнал/шум для определения фазы отражения от границы. Примерно половина таких фрагментов может иметь одну фазу, а другая половина - противоположную.However, in practice, the case may occur when different media are located outside the interface. If different media are inside a certain cavity or outside the interface, then after summing the fragments of the implementations from all points of the boundary, one may not get a significant excess of the signal-to-noise ratio to determine the phase of reflection from the boundary. About half of these fragments can have one phase, and the other half can have the opposite.
В этом случае можно использовать метод «скользящего окна». Его суть в том, что суммирование производится только для части соседних точек, т.е. в пространственном «окне», которое перемещают вдоль границы. Тогда при проходе окна через зону, где за границей раздела меняется среда, фаза результирующего фрагмента реализаций плавно сменится с одного значения на противоположное. Ширину «окна» нужно выбирать такой, чтобы достоверно можно было определить фазу суммарного фрагмента реализаций при нахождении «окна» в зоне, где среда за границей раздела одна и та же. На практике такие случаи встречаются при контроле каналов с преднапряжённой арматурой. Часть канала может быть хорошо замоноличена (заполнена бетоном), а другая часть содержит полость с воздухом.In this case, you can use the "sliding window" method. Its essence is that summation is performed only for a part of neighboring points, i.e. in the spatial “window” that is moved along the border. Then, when a window passes through a zone where the medium changes beyond the interface, the phase of the resulting implementation fragment smoothly changes from one value to the opposite. The width of the “window” should be chosen so that it is possible to reliably determine the phase of the total fragment of implementations when the “window” is in the zone where the medium outside the interface is the same. In practice, such cases occur when monitoring channels with prestressed reinforcement. Part of the channel can be well monolithic (filled with concrete), and the other part contains a cavity with air.
Использование способа даёт возможность реализации максимально широкого «окна», охватывающей всю границу раздела или значительную её часть. В прототипе «окно» минимальное, равное размеру только одной точки границы раздела.Using the method makes it possible to implement the widest "window" that covers the entire boundary of the section or a significant part of it. In the prototype, the “window” is minimal, equal to the size of only one point of the interface.
Определение фазы (полярности) ультразвука, рассеянного границей раздела.Determination of the phase (polarity) of ultrasound scattered by the interface.
Обычно при УЗ томографии железобетонных конструкций полости с воздухом, в 2 – 3 раза превышающие зёрна крупного заполнителя, или пластиковые трубы, достаточно уверенно визуально обнаруживаются на экране прибора. Яркость их образов не намного выше фона от структурного шума. Но благодаря протяжённости они отличаются от более мелких пятен шума. При этом амплитуда их образов выше эффективного значения шума (среднего по изображению) приблизительно на 10 дБ. При меньших отношениях сигнал/шум обнаружение даже ещё больших объектов уже практически невозможно.Usually, when ultrasound tomography of reinforced concrete structures of a cavity with air is 2 to 3 times larger than coarse aggregate grains, or plastic pipes, they are confidently visually detected on the device screen. The brightness of their images is not much higher than the background from structural noise. But due to their length, they differ from smaller noise spots. Moreover, the amplitude of their images is higher than the effective noise value (average in the image) by approximately 10 dB. With lower signal-to-noise ratios, the detection of even larger objects is almost impossible.
Поскольку распределение вероятности структурного шума бетона близко к нормальному, плотность вероятности огибающей структурного шума (яркостей точек изображения) подчиняется закону Релея. Поэтому для обнаружения каких-либо неоднородностей обычно достаточно превышения амплитуды их образов на 10 дБ (примерно в три раза) по отношению к эффективному значению шума. Однако при таком отношении амплитуды образа к шуму достоверно определить полярность эхо-сигнала, вызвавшего этот образ на экране, не всегда возможно.Since the probability distribution of structural noise of concrete is close to normal, the probability density of the envelope of structural noise (brightness of image points) obeys the Rayleigh law. Therefore, to detect any inhomogeneities, it is usually sufficient to exceed the amplitude of their images by 10 dB (about three times) with respect to the effective noise value. However, with this ratio of the image amplitude to noise, it is not always possible to reliably determine the polarity of the echo signal that caused this image on the screen.
Эхо-сигнал от некоторой границы раздела сред, смешанный с шумом, получается путём когерентного суммирования отрезков реализаций УЗ колебаний, принятых антенной решёткой (АР) прибора. Далее для краткости эту когерентную сумму будем называть просто зашумлённым эхо-сигналом или смесью его с шумом. Составляющая «чистого» эхо-сигнала в нём неизбежно в большей или меньшей степени искажена шумом.An echo signal from a certain interface of the media mixed with noise is obtained by coherently summing the segments of realizations of ultrasonic vibrations received by the antenna array (AR) of the device. Further, for brevity, this coherent sum will be called simply a noisy echo-signal or a mixture of it with noise. The component of a “pure” echo signal in it is inevitably more or less distorted by noise.
Для сравнения фазы чистого (без шума) эхо-сигнала от границы раздела с фазой опорного сигнала вначале вычисляется взаимно-корреляционная функция между смесью эхо-сигнала с шумом и опорным сигналом. В качестве опорного сигнала используется копия зондирующего импульса, располагающаяся в момент времени, соответствующий пространственному расположению точки отражения ультразвука от границы раздела, по отношению к АР прибора. Максимум взаимно-корреляционной функции указывает на момент времени (или, что - то же, на пространственное положение), в котором находится чистый эхо-сигнал. Точнее, в этот момент амплитуда чистого эхо-сигнала достигает максимума. Однако из-за присутствия шума это утверждение не на 100 % достоверно, а лишь наиболее вероятно, т.к. взаимно-корреляционная функция показывает, где смесь эхо-сигнала с шумом наиболее похожа на чистый эхо-сигнал.To compare the phase of a pure (without noise) echo signal from the interface with the phase of the reference signal, the cross-correlation function between the mixture of the echo signal with noise and the reference signal is first calculated. As a reference signal, a copy of the probe pulse is used, which is located at the time moment corresponding to the spatial location of the reflection point of ultrasound from the interface, in relation to the AR of the device. The maximum of the cross-correlation function indicates the point in time (or, equivalently, the spatial position) in which the pure echo signal is located. More precisely, at this moment the amplitude of the pure echo reaches its maximum. However, due to the presence of noise, this statement is not 100% reliable, but only most likely, because the cross-correlation function shows where the mixture of the echo with noise is most similar to a pure echo.
Чистый эхо-сигнал практически такой же по форме, как и опорный или зондирующий сигнал при рациональном выборе рабочей частоты ультразвука. Максимум амплитуды опорного сигнала, т.е. максимум его огибающей, совпадает по времени с максимумом его автокорреляционной функции. Поэтому временной сдвиг ∆t между максимумами автокорреляционной функции опорного сигнала и взаимно-корреляционной функции между смесью эхо-сигнала с шумом и опорным сигналом позволяет определить и временной сдвиг между чистым эхо-сигналом от границы раздела сред и опорным сигналом. А по временному сдвигу легко оценить и фазовый сдвиг между ними, если вычислить, какую часть периода колебаний на средней частоте спектра зондирующего импульса составляет этот временной сдвиг ∆t. A pure echo signal is almost the same in shape as the reference or probing signal with a rational choice of the operating frequency of the ultrasound. The maximum amplitude of the reference signal, i.e. the maximum of its envelope coincides in time with the maximum of its autocorrelation function. Therefore, the time shift Δt between the maxima of the autocorrelation function of the reference signal and the cross-correlation function between the mixture of the echo signal with noise and the reference signal allows us to determine the time shift between the pure echo signal from the interface and the reference signal. And according to the time shift, it is easy to estimate the phase shift between them, if we calculate how much of the oscillation period at the average frequency of the spectrum of the probe pulse is this time shift Δt.
Для зондирования бетона используются УЗ импульсы, содержащие 1,5 – 2 периода колебаний. Относительная ширина спектра частот таких импульсов 60 – 80 %. Поэтому сравнение фаз сигналов выполняется лишь приближённо на средней частоте спектра.For sounding concrete, ultrasonic pulses containing 1.5 - 2 periods of oscillation are used. The relative width of the frequency spectrum of such pulses is 60 - 80%. Therefore, the comparison of the phases of the signals is performed only approximately at the average frequency of the spectrum.
Вышеуказанное поясняется графиками на фиг. 2 и фиг. 3. The above is illustrated by the graphs in FIG. 2 and FIG. 3.
На фиг. 2 вверху представлены графики зашумлённого эхо-сигнала продольной волны от границы раздела бетон – сталь (а) и опорного сигнала (б), а внизу – графики огибающих этих сигналов (в, г), соответственно. Зашумлённый эхо-сигнал - это аддитивная сумма чистого эхо-сигнала и структурного шума. Его огибающая вычислена для определения временного положения максимума зашумлённого эхо-сигнала, как и огибающая опорного сигнала. Видно, что в общем случае максимумы этих сигналов не совпадают. Отношение пикового значения чистого эхо-сигнала к эффективному значению шума в данном случае равно 10 дБ. При таком отношении образ границы раздела уже виден на фоне шума изображения.In FIG. Figure 2 at the top shows the graphs of the noisy longitudinal wave echo from the concrete-steel interface (a) and the reference signal (b), and below the graphs of the envelopes of these signals (c, d), respectively. A noisy echo is an additive sum of pure echo and structural noise. Its envelope is calculated to determine the temporal position of the maximum of the noisy echo signal, as well as the envelope of the reference signal. It can be seen that in the general case, the maxima of these signals do not coincide. The ratio of the peak value of the pure echo to the effective value of the noise in this case is 10 dB. With this relation, the image of the interface is already visible against the background of image noise.
На фиг. 3 приведена взаимно-корреляционная функция смеси эхо-сигнала с шумом и опорного сигнала (а), автокорреляционная функция опорного сигнала (б) и огибающая взаимно-корреляционной функции (в), по которой определяется момент её максимума. Из анализа фиг. 3 видно, что максимум огибающей взаимно-корреляционной функции (в) смещён приблизительно на 3,05 мкс вправо по рисунку относительно максимума автокорреляционной функции опорного сигнала. Для определения фазы чистого эхо-сигнала от границы раздела сред нужно опорный сигнал на фиг. 2 (кривая б) сместить на это время вправо по рисунку. Это смещение (∆t) показано на фиг. 2 в виде смещённого отрезка кривой опорного сигнала. Момент времени выбран в точке максимума огибающей опорного сигнала.In FIG. Figure 3 shows the cross-correlation function of the mixture of the echo signal with noise and the reference signal (a), the autocorrelation function of the reference signal (b) and the envelope of the cross-correlation function (c), which determines the moment of its maximum. From the analysis of FIG. Figure 3 shows that the maximum envelope of the cross-correlation function (c) is shifted approximately 3.05 μs to the right in the figure relative to the maximum of the autocorrelation function of the reference signal. To determine the phase of the pure echo signal from the media interface, the reference signal in FIG. 2 (curve b) to this right, shift to the right according to the figure. This offset (∆t) is shown in FIG. 2 in the form of an offset segment of the reference signal curve. The moment of time is selected at the point of maximum envelope of the reference signal.
Таким образом, смещённый опорный сигнал на фиг. 2, можно считать, совпадает по времени с чистым эхо-сигналом. Период колебаний на средней частоте спектра сигнала равен 10 мкс (частота 100 кГц). ∆t = 3,05 мкс составляет 30,5 % от этого периода, т.е. около 110 градусов.Thus, the biased reference signal in FIG. 2, it can be assumed that it coincides in time with a pure echo. The oscillation period at the average frequency of the signal spectrum is 10 μs (frequency 100 kHz). ∆t = 3.05 μs is 30.5% of this period, i.e. about 110 degrees.
По такому сдвигу фаз между сигналами ничего определённого сказать нельзя. Более вероятно, что сигналы противофазны, т.к. 110 градусов ближе к 180 градусам, чем к нулю. Но при таком отношении сигнала к шуму (10 дБ) большей достоверности добиться нельзя. Шум в данном случае сильно исказил полезный сигнал. При других конкретных реализациях шума возможны как решения о синфазности, так и о противофазности сигналов. А также и выводы о невозможности вынести определённое решение. Из этого примера видно, что при отношении пикового значения эхо-сигнала от границы раздела (т.е. амплитуды образа этой границы) к эффективному значению шума в 10 дБ определить соотношение акустических плотностей сред у границы их раздела практически нельзя.On this phase shift between the signals nothing definite can be said. The signals are more likely to be out of phase because 110 degrees closer to 180 degrees than zero. But with this signal-to-noise ratio (10 dB), greater reliability cannot be achieved. The noise in this case greatly distorted the useful signal. With other specific implementations of the noise, both decisions on the common mode and antiphase signals are possible. As well as conclusions about the impossibility of making a certain decision. This example shows that when the ratio of the peak value of the echo signal from the interface (i.e., the amplitude of the image of this interface) to the effective noise value of 10 dB, it is practically impossible to determine the ratio of the acoustic densities of the media at the interface.
Следует заметить, что в данном примере удалось определить временной сдвиг ∆t немного проще, чем это обычно бывает. Дело в том, что колебания зашумлённого эхо-сигнала и опорного сигнала (кривые а и б на фиг. 2) в окрестности максимума огибающей опорного сигнала, практически синфазны: и переходы через ноль этих колебаний, и максимумы отрицательных полуволн совпадают по времени. Поэтому фазы этих сигналов в точке максимума огибающей опорного сигнала равны. Это случайное совпадение. Чаще всего фазы могут отличаться. Тогда это отличие в виде некоторой временной разницы dt моментов времени перехода сигналов через одноимённые характерные точки dt = tоп – tэс нужно добавить к основному временному сдвигу ∆t, если dt и ∆t имеют одинаковые знаки, и отнять, если их знаки разные. И общую временную разность Dt = ∆t ± dt использовать для определения разности фаз «чистого» эхо-сигнала от границы раздела и опорного сигнала.It should be noted that in this example it was possible to determine the time shift Δt a little easier than it usually happens. The fact is that the oscillations of the noisy echo signal and the reference signal (curves a and b in Fig. 2) in the vicinity of the maximum envelope of the reference signal are practically in phase: both the zero transitions of these oscillations and the maxima of the negative half-waves coincide in time. Therefore, the phases of these signals at the maximum point of the envelope of the reference signal are equal. This is a coincidence. Most often, the phases may vary. Then this difference in the form of a certain time difference dt of the time points of the transition of the signals through the characteristic points of the same name dt = top - tes should be added to the main time shift Δt if dt and Δt have the same signs, and subtracted if their signs are different. And use the total time difference Dt = ∆t ± dt to determine the phase difference of the “pure” echo signal from the interface and the reference signal.
Одноимённые характерные точки сигналов – это точки перехода через ноль или точки максимумов полуволн. Их нужно выбирать ближайшими к моменту максимума огибающей опорного сигнала, двигаясь по кривым сигналов в одну сторону по оси абсцисс. Момент tоп – момент времени, например, точки перехода через ноль опорного сигнала, tэс – момент для такой же точки зашумлённого эхо-сигнала. Знак временного сдвига ∆t считается положительным, если сдвиг производится в положительном направлении оси абсцисс.The characteristic signal points of the same name are the points of transition through zero or the maximum points of half-waves. They must be selected closest to the time of the maximum envelope of the reference signal, moving along the signal curves in one direction along the abscissa. The moment top is the point in time, for example, the transition point through zero of the reference signal, tes is the moment for the same point of the noisy echo signal. The sign of the time shift ∆t is considered positive if the shift is made in the positive direction of the abscissa axis.
В рассмотренном примере, как видно из фиг. 2, в момент максимума огибающей опорного сигнала мгновенные значения зашумлённого эхо-сигнала и опорного сигнала имеют одинаковые знаки: отрицательные. Возможны также случаи, когда знаки мгновенных значений этих сигналов могут оказаться разными. Тогда для определения искомой разности фаз сигналов нужно к найденной временной разности Dt добавить или отнять половину периода колебаний средней частоты спектра сигнала.In the considered example, as can be seen from FIG. 2, at the moment of the maximum envelope of the reference signal, the instantaneous values of the noisy echo signal and the reference signal have the same signs: negative. There are also cases where the signs of the instantaneous values of these signals may turn out to be different. Then, to determine the desired phase difference of the signals, it is necessary to add or subtract half the period of oscillations of the average frequency of the signal spectrum to the found time difference Dt.
Как показано выше, отношения сигнал/шум порядка 10 дБ недостаточно для достоверного определения факта изменения фазы эхо-сигнала от границы раздела сред на 180 градусов (смены полярности) или отсутствия такого изменения. Для того, чтобы надёжно определить эту фазу, необходимо увеличить отношение сигнал/шум. При увеличении отношения сигнал/шум хотя бы в два раза (на 6 дБ) существенно повышается вероятность правильного определения факта изменения полярности эхо-сигнала. На фиг. 4 и 5 приведены сигналы и функции, аналогичные показанным на фиг. 2 и 3, но при отношении сигнал/шум 16 дБ. Легко видно, что максимум взаимно-корреляционной функции между зашумлённым эхо-сигналом и опорным сигналом почти совпадает с максимумом автокорреляционной функции опорного сигнала. Это означает, что чистый эхо-сигнал от границы раздела сред почти не сдвинут по времени относительно опорного сигнала. Поэтому сравнить фазы чистого эхо-сигнала и опорного сигнала легко по верхней части фиг. 4 без какого-либо сдвига кривой опорного сигнала. Точное значение сдвига фаз в данном случае не требуется, т.к. вполне очевидно, что он заметно меньше 45 градусов. Т.е. сигналы практически синфазны. Это отвечает реальности: эхо-сигнал продольных волн от границы бетон – металл не меняет полярность на обратную.As shown above, a signal-to-noise ratio of the order of 10 dB is not enough to reliably determine the fact that the phase of the echo signal changes from the interface by 180 degrees (polarity reversal) or the absence of such a change. In order to reliably determine this phase, it is necessary to increase the signal-to-noise ratio. With an increase in the signal-to-noise ratio at least twice (by 6 dB), the probability of correctly determining the fact of changing the polarity of the echo signal increases significantly. In FIG. 4 and 5 show signals and functions similar to those shown in FIG. 2 and 3, but with a signal to noise ratio of 16 dB. It is easily seen that the maximum of the cross-correlation function between the noisy echo signal and the reference signal almost coincides with the maximum of the autocorrelation function of the reference signal. This means that the pure echo signal from the interface is almost not shifted in time relative to the reference signal. Therefore, it is easy to compare the phases of the pure echo signal and the reference signal over the upper part of FIG. 4 without any shift of the reference signal curve. The exact value of the phase shift in this case is not required, because it is obvious that it is noticeably less than 45 degrees. Those. the signals are almost in phase. This corresponds to reality: the echo signal of the longitudinal waves from the concrete - metal border does not reverse the polarity.
В предложенном способе увеличение отношения сигнал/шум осуществляется за счёт дополнительного когерентного суммирования эхо-сигналов от точек обнаруженной границы раздела. Выбор точек границы производится по критерию превышения отношения сигнал/шум в 4 и более раз (12 дБ). Для этого порог выделения точек устанавливается на этот уровень. Поскольку граница раздела, как правило, начинает проявляться на экране при отношении сигнал/шум, равным 3 (10 дБ, точнее 9,54 дБ), что соответствует приблизительному равенству амплитуд пиков структурного шума и амплитуд эхо-сигналов в точках границы, то установка порога выше уровня пиков шума на 2,5 дБ (примерно на 33 %) обеспечивает надёжный выбор точек границы при малой вероятности ложного выбора точек. Вторым критерием выбора является близость точек друг к другу: расстояние между соседними точками не должно превышать половины длины УЗ волны, используемой при контроле. При этом, естественно, учитывается тот факт, что при отражении продольной волны от границы раздела материал – воздух происходит переворот фазы эхо-сигнала, а при отражении поперечной волны – не происходит. И наоборот, если граница раздела такова, что за границей находится материал, более акустически плотный, чем до границы, т.е. если отражение происходит, например, от границы бетон – металл: импульс продольной волны не меняет фазу на противоположную (не переворачивается), а импульс поперечной волны меняет фазу. In the proposed method, an increase in the signal-to-noise ratio is achieved due to the additional coherent summation of the echo signals from the points of the detected interface. The choice of boundary points is made according to the criterion for exceeding the signal-to-noise ratio by 4 or more times (12 dB). To do this, the point allocation threshold is set to this level. Since the interface usually begins to appear on the screen with a signal-to-noise ratio of 3 (10 dB, more precisely 9.54 dB), which corresponds to the approximate equality of the amplitudes of the peaks of structural noise and the amplitudes of the echo signals at the boundary points, then set the threshold 2.5 dB higher than the noise peak level (approximately 33%) provides reliable selection of boundary points with a low probability of false point selection. The second selection criterion is the proximity of the points to each other: the distance between adjacent points should not exceed half the length of the ultrasonic wave used in the control. In this case, naturally, the fact is taken into account that when a longitudinal wave is reflected from the material – air interface, the echo signal phase flips, but does not occur when a shear wave is reflected. And vice versa, if the interface is such that there is a material more acoustically dense than the boundary, i.e. if reflection occurs, for example, from the concrete-metal boundary: the longitudinal wave impulse does not change the phase to the opposite (does not turn over), and the transverse wave impulse changes the phase.
Работа устройства, реализующего способ, представлена на фиг. 1 и осуществляется следующим образом.The operation of the device implementing the method is shown in FIG. 1 and is carried out as follows.
По сигналам от синхронизатора 6 происходит поочерёдный запуск генераторов 5 импульсов возбуждения УЗ преобразователей 1. После излучения УЗ волн в ОК 2 каждым отдельным преобразователем 1 происходит приём из ОК реализаций УЗ колебаний всеми УЗ преобразователями 1 одновременно. Приём осуществляется многоканальным приёмным трактом 7. Принимаемые реализации УЗ колебаний записываются в память 8 синхронно по сигналам от синхронизатора 6. После окончания всего процесса излучения - приёма ультразвука или уже во время этого процесса (в зависимости от конкретного варианта программного обеспечения) в процессоре 9 происходит вычисление трёхмерного распределения амплитуд УЗ волн, рассеянных точками внутренней структуры материала ОК 2, которое запоминается в памяти 10. И в этой же памяти 10 (в другой области) хранятся значения амплитуд с координатами x, y, z всех точек распределения.The signals from the
Затем в процессоре 9 выполняются операции сравнения амплитуд трёхмерного распределения со средним уровнем эффективного значения шума и выделения точек, у которых амплитуда выше этого уровня более чем в четыре раза. Процессор 9 также выделяет точки, принадлежащие к одной группе по критерию близости, используя их координаты в пространстве. Например, если в ОК две границы, как показано на блок-схеме, то и групп точек тоже две. Далее процессор 9 суммирует эхо-сигналы всех точек каждой группы и записывает суммарный эхо-сигнал в память 11 отдельно для каждой группы точек. Эхо-сигнал каждой отдельной точки – это когерентная сумма фрагментов реализаций УЗ колебаний, содержащих (кроме шума) эхо-сигнал от данной точки границы раздела. Эти эхо-сигналы, т.е. суммы фрагментов реализаций, хранятся в памяти 10.Then, in the
В результате в памяти 11 формируются суммарные эхо-сигналы от каждой границы 4 раздела сред. Далее в блоке 12 производится сравнение фазы зондирующих импульсов (опорных сигналов) с фазой суммарного эхо-сигнала для каждой границы 4 раздела. По сути, сравнение производится с фазой импульсов возбуждения УЗ преобразователей, т.к. их фаза всегда однозначно соответствует фазе зондирующих импульсов. Алгоритм сравнения фаз изложен выше и иллюстрируется фиг. 2 – 5. Поскольку после суммирования эхо-сигналов, принадлежащих одной и той же границе 4 раздела сред, отношение сигнал/шум в суммарном эхо-сигнале повышается по сравнению с этим отношением в одиночной точке границы раздела, то определение фазы суммарного эхо-сигнала выполняется с высокой достоверностью.As a result, the total echo signals from each
Полученные данные о фазе УЗ волн, отражённых от каждой границы 4 раздела сред отображаются на дисплее 13, подсвечивая образ соответствующей границы 4 своим цветом: например, красным цветом при разности фаз по модулю менее 45 градусов и синим цветом - при разности фаз в пределах от 135 до 225 градусов.The obtained data on the phase of ultrasonic waves reflected from each
Таким образом в изобретении решена задача расширения диапазона достоверного определения соотношения акустических плотностей сред по обе стороны от границы раздела в область низких отношений сигнал/шум, т.е. расширены функциональные возможности системы неразрушающего контроля с одновременным улучшением дефектоскопических и эксплуатационных характеристик. Thus, the invention solves the problem of expanding the range of reliable determination of the ratio of acoustic densities of media on both sides of the interface in the region of low signal to noise ratios, i.e. expanded the functionality of the non-destructive testing system with the simultaneous improvement of flaw detection and operational characteristics.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017130377A RU2657314C1 (en) | 2017-08-28 | 2017-08-28 | Method of determination of acoustic density |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017130377A RU2657314C1 (en) | 2017-08-28 | 2017-08-28 | Method of determination of acoustic density |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2657314C1 true RU2657314C1 (en) | 2018-06-13 |
Family
ID=62619940
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017130377A RU2657314C1 (en) | 2017-08-28 | 2017-08-28 | Method of determination of acoustic density |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2657314C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113702504A (en) * | 2020-07-28 | 2021-11-26 | 广州建筑产业研究院有限公司 | Sleeve grouting fullness detection method and computer equipment |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4631965A (en) * | 1983-04-29 | 1986-12-30 | Commissariat A L'energie Atomique | Acoustic holography process and apparatus using a space-limited ultrasonic beam |
| RU2080592C1 (en) * | 1994-02-21 | 1997-05-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Фирма АКС" | Ultrasonic array in form of two-dimensional matrix |
| RU2089896C1 (en) * | 1994-05-24 | 1997-09-10 | Николай Николаевич Горохов | Method of examination of defects of pipe-lines and device for its implementation |
| US6186006B1 (en) * | 1996-08-22 | 2001-02-13 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. | Method for three-dimensional and non-destructive detection of structures |
| WO2001086281A1 (en) * | 2000-05-05 | 2001-11-15 | Acoustical Technologies Singapore Pte Ltd. | Acoustic microscope |
| RU2438123C2 (en) * | 2006-06-02 | 2011-12-27 | БАМ Бундесанштальт фюр Материальфоршунг унд-прюфунг | Method of detecting and classifying defects in structural components using ultrasound |
-
2017
- 2017-08-28 RU RU2017130377A patent/RU2657314C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4631965A (en) * | 1983-04-29 | 1986-12-30 | Commissariat A L'energie Atomique | Acoustic holography process and apparatus using a space-limited ultrasonic beam |
| RU2080592C1 (en) * | 1994-02-21 | 1997-05-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Фирма АКС" | Ultrasonic array in form of two-dimensional matrix |
| RU2089896C1 (en) * | 1994-05-24 | 1997-09-10 | Николай Николаевич Горохов | Method of examination of defects of pipe-lines and device for its implementation |
| US6186006B1 (en) * | 1996-08-22 | 2001-02-13 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. | Method for three-dimensional and non-destructive detection of structures |
| WO2001086281A1 (en) * | 2000-05-05 | 2001-11-15 | Acoustical Technologies Singapore Pte Ltd. | Acoustic microscope |
| RU2438123C2 (en) * | 2006-06-02 | 2011-12-27 | БАМ Бундесанштальт фюр Материальфоршунг унд-прюфунг | Method of detecting and classifying defects in structural components using ultrasound |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113702504A (en) * | 2020-07-28 | 2021-11-26 | 广州建筑产业研究院有限公司 | Sleeve grouting fullness detection method and computer equipment |
| CN113702504B (en) * | 2020-07-28 | 2023-06-20 | 广州建筑产业研究院有限公司 | Sleeve grouting fullness detection method and computer equipment |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Aldo et al. | Assessment of concrete structures using the Mira and Eyecon ultrasonic shear wave devices and the SAFT-C image reconstruction technique | |
| Hoegh et al. | Extended synthetic aperture focusing technique for ultrasonic imaging of concrete | |
| US6672162B2 (en) | Ultrasonic detection apparatus and ultrasonic detection method employing the same | |
| RU2438123C2 (en) | Method of detecting and classifying defects in structural components using ultrasound | |
| JP4166222B2 (en) | Ultrasonic flaw detection method and apparatus | |
| Ganguli et al. | Synthetic aperture imaging for flaw detection in a concrete medium | |
| CN110346453A (en) | Defect minispread reflection echo rapid detection method in a kind of concrete structure | |
| CN103149274B (en) | A kind of concrete defect detection method | |
| Schabowicz et al. | Nondestructive testing of a bottom surface and construction of its profile by ultrasonic tomography | |
| RU2657314C1 (en) | Method of determination of acoustic density | |
| Han et al. | Modified ultrasonic time-of-flight diffraction testing with Barker code excitation for sizing inclined crack | |
| Lin et al. | Estimation of wave velocity for ultrasonic imaging of concrete structures based on dispersion analysis | |
| Bernieri et al. | Ultrasonic NDT on aluminum bars: An experimental performance comparison of excitation and processing techniques | |
| JP5562118B2 (en) | Ultrasonic nondestructive measuring method, ultrasonic nondestructive measuring device, and program | |
| JPH0426709B2 (en) | ||
| RU2282875C1 (en) | Building structure exploration device | |
| Reyaz et al. | Plane wave imaging of concrete using phased array ultrasonic technique-a numerical Study | |
| Liu et al. | Vertical spectral tomography of concrete structures based on impact echo depth spectra | |
| Kuchipudi et al. | An ultrasonic wave‐based framework for imaging internal cracks in concrete | |
| JPWO2020184521A1 (en) | Ultrasonic flaw detection method, ultrasonic flaw detector, steel material manufacturing equipment, steel material manufacturing method, and steel material quality control method | |
| JP5150565B2 (en) | Inspection radar equipment | |
| Chang et al. | Feasibility of detecting embedded cracks in concrete structures by reflection seismology | |
| JP2005315622A (en) | Nondestructive inspection method and device of concrete structure | |
| Misak et al. | Comparison of 2D and 3D ultrasonic pulse echo imaging techniques for structural assessment. | |
| JP3732134B2 (en) | Radar equipment |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner |