Проблемы создания устройств визуализации дефектов в сварных швах

Разработчикам ультразвуковой аппаратуры нового поколения придется решить ряд сложных проблем. Дело в том, информация об отражателях, содержащаяся в эхосигналах, согласована между собой лишь отчасти. Объект контроля проявляет различные свойства при прозвучивании его с различных направлений. Невозможно указать точные соотношения (формулы), по которым можно было бы непосредственно рассчитать изображение, В связи с этим задача восстановления изображения относится к классу не строгих задач.

Процедуры реконструкции изображений всегда содержат эмпирические положения, основанные на здравом смысле и на физической природе явления. Кстати, вид изображения сильно зависит от того, какие идеи положены в основу синтеза, как разработчик желает показать изображение оператору.

Создание способов реконструкции изображений представляет собой дисциплину, занимающую место где-то между наукой и искусством.

Необходимо выразить наш подход к конечному результату-, к виду изображения. В задачах ультразвуковой дефектоскопии объемов, опасных в эксплуатации, результатом обследования является решение о пригодности или непригодности изделия. Решение выносится на основе анализа формы и размеров дефектов. Главный критерий здесь - влияние дефекта на прочность изделия. Ультразвуковой сканер, поэтому, должен надежно выявлять и отображать дефекты, а также должен максимально детально изображать их форму, размеры и местоположение. Изображение сканера должно быть похоже больше на чертеж изделия с дефектами, чем на реальное изображение, на котором интенсивность пропорциональна коэффициенту' отражения. Тем самым, прибор, некоторым образом направляет оператора к принятию того или иного решения. Представляет ему данные в форме, упрощающей анализ дефектов.

Дополнительно, изображение на сканере должно показывать границы изделия. В задачах контроля сварных соединений это принципиально важное замечание. В практике часто встречается ситуация, когда конструкция сварного шва точно не известна. Могут присутствовать проточки в корне сварного соединения, подкладные кольца, смещение кромок деталей, непараллельность стенок, разнотолщинность деталей по длине сварного шва и т.д.

Первая проблема состоит в создании системы прозвучивания. В Российских методиках ультразвукового контроля ввод ультразвуковых волн осуществляется с поверхности околошовной зоны. При этом наружный валик усиления не снимается. Поверхность ввода сильно ограничена. Практически единственный способ получения эхосигналов от дефектов в сварном шве - это прозвучивание с помощью наклонных ультразвуковых преобразователей. Ультразвуковой сканер должен содержать блок наклонных преобразователей.

Эхосигналы от дефектов в сварном шве формируются прямыми лучами преобразователя, а также однажды отраженными лучами. Это еще одна особенность акустической системы. Для правильной интерпретации дефекта в сечении шва необходимо знать точное расположение донной стенки детали. Кроме того, необходимо определить взаимное расположение стыкуемых деталей. Ультразвуковой сканер должен содержать подсистему измерения размеров деталей и их взаимную ориентацию.

Таким образом, разработка акустического блока представляет собой сложную техническую задачу. В качестве примера показан способ прозвучивания стыкового сварного шва посредством двух акустических блоков А и В. Здесь толщина детален составляет 12мм. Причем правая деталь смещена вниз относительно левой детали на 3 мм и повернута на 4 градуса. В центре рисунков пунктирной линией обведена область сварного шва, в которой производится реконструкция изображения.

 

Рис.3.11 Прозвучивание стыкового сварного шва с помощью двух акустических блоков:

А) - выявление дефекта в середине наплавленного металла прямыми и однажды

отраженными лучами преобразователей;

Б) - прозвучивание верхней границы детали однажды отраженными лучами;

В) - прозвучивание донной поверхности детали;

Г) - прозвучивание корня сварного соединения дважды отраженными лучами.

Прозвучивание сварного шва производится прямыми, однажды отраженными и дважды отраженными лучами преобразователей. Как видно, акустические блоки А и В обеспечивают выявление практически всех видов дефектов в наплавленном металле и околошовных зонах.

Вторая проблема заключается в способе интерпретации эхосигналов в виде отражающих границ на изображении. Вначале введем понятие проекции эхосигнала.

Пусть имеется ультразвуковой преобразователь, работающий в совмещенном режиме и прозвучивающий некоторый дефект. Естественно, получаем эхосигнал от дефекта. Рассмотрим вопрос о том, каким образом информацию, заложенную в эхосигнале, можно представить графически, в плоскости изображения объекта. Рассуждения начнем с того, что нам ничего не известно ни о размерах дефекта, ни о его расположении в пространстве. Может наблюдаться ситуация, когда два или более отражателей формируют один эхосигнал.

Рис. 3.12 Эхоснгнал от дефекта (А) и его проекция в плоскости изображения

объекта (Б).

Разглядывая эхосигнал (рис.3.12.А) и пытаясь изобразить отражатель, можно прийти к мысли, что допустимо говорить лишь о шансах его нахождения в том или ином месте. С эхосигналом можно сопоставить только некоторую область в пространстве, в которой могут находиться отражатели. Интенсивность изображения в данной области должна характеризовать вероятность выявления отражателя. Полагая, что отражатели имеют одинаковую вероятность нахождения в любой точке пространства и одинаковую вероятность ориентации, придем к выводу, что интенсивность изображения должна быть пропорциональна амплитуде эхосигнала F(L) и пропорциональна чувствительности схемы прозвучивания U(x,y). Обозначим Р(х,у) изображение, отражающее шансы выявления дефектов, и определим его в виде:

P(x,y)=F(L)*U(x,y),

Данное изображение, кроме полезной информации, содержит интерференционную составляющую, возникающую из-за волновой природы излучения. Дальнейшая обработка изображений Р(х,у) с целью полной реконструкции неизбежно приведет к интерференции картин. Результирующее изображение будет содержать шумовую составляющую, так называемый спекл-шум.

Пример изображения эхосигнала от дефекта в виде шансов его выявления - Р(х,у) - показан на рис. 3.12.Б. В контексте данный работы будем называть величину Р(х,у) проекцией данных ультразвукового зондирования на плоскость объекта, или просто проекцией.

Рассмотрим способы представления эхосигналов в виде изображения, основанные на понятии проекции.

Рис.3.13 Принцип построения элемента изображения дефекта:

А) прозвучивание дефекта ультразвуковыми преобразователями IА и 2А;

Б) сумма проекций ультразвуковых сигналов;

В) произведение проекций.

Пусть некоторый дефект прозвучивается акустическим блоком, состоящим из двух преобразователей IА и 2А (Рис. 3.13 А). Каждый из преобразователей прозвучивает область, в которой находится дефект, и принимает эхосигнал от него. После соответствующей обработки эхосигналов получаем две проекции Р_1А(х,у) и P_2А(x,y). Элемент изображения дефекта можно вычислить как сумму проекций (Рис. 3.13 Б) или в виде произведения проекций (Рис. 3.13 В).

Изображение дефекта, полученное в виде суммы проекций имеет наибольшую интенсивность в области поверхности дефекта, от которой действительно отражались ультразвуковые волны. Недостатком данной картины является высокий уровень интенсивности изображения на боковых частях проекций. Качество изображения будет повышаться при использовании большого количества преобразователей, когда производится суммирование множества проекций. Но, все равно, на изображении будет присутствовать остаточный шум (спекл-шум). Нужно отметить, что известные методы синтеза изображений используют исключительно аддитивный принцип формирования изображений.

Мультипликативный способ синтеза (произведение проекций) дает лучшие результаты. Например, на рис. 3.13 B показано изображение элемента поверхности дефекта, полученное умножением двух проекций. Видно, что интенсивность изображения локализована в небольшой области и отсутствует спекл-шум.

Способ синтеза, основанный на умножении проекций, имеет аналогии со статистической обработкой данных. Как известно, произведение вероятностей каких-либо событий характеризует вероятность совместного события, т.е. вероятность появления всех событий одновременно. Действительно, проекция понимается как распределение шансов нахождения отражателя в пространстве. Произведение проекций, также как произведение вероятностей, характеризует шансы локализации отражателя в пространстве при условии, что сигналы от него присутствуют на всех проекциях. Ясно, что при такой обработке область локализация отражателя резко сокращается.

Другая проблема синтеза изображений состоит в неоднозначности интерпретации эхосигналов. Продемонстрируем данное явление на примере. Па рисунке 3.14 А показан ультразвуковой преобразователь, прозвучивающий надкорневой дефект в сварном шве толщиной 12мм. Частота пьезоэлемента 5МГц, диаметр 6мм, угол призмы преобразователя 50°, материал призмы -оргстекло. Угол ввода преобразователя - 65, ширина диаграммы направленности 12. Длительность эхосигнала 0,6мкс (3 периода колебаний).

Па рисунке 3.14 хорошо видно, что дефект прозвучивается одновременно и прямыми и однажды отраженными лучами, т.к. в область прозвучивания попадает дефект и часть донной поверхности.

Рис.3.14 Формирование эхосигналов от надкорневого дефекта в стыковом

сварном шве толщиной 12мм:

А) схема прозвучивания;

Б) вид эхосигналов (ЗИ - зондирующий импульс).

 

В общем случае возникает три эхосигнала:

1. Прямой отраженный эхосигнал,

2. Эхосигнал, отраженный от донной поверхности и затем от дефекта,

3. Эхосигнал, полученный однажды отраженными лучами.

Все три эхосигнала имеют различную задержку, поскольку ультразвуковые волны проходят разный путь в процессе их формирования. Заранее неизвестно, какой способ отражения реализовался для того или иного эхосигнала. Можно попытаться представить эхосигналы в виде трех типов проекций. Тогда получим следующие частные изображения - рис.3.15.

Рис.3.15 Проекции эхосигналов для разных вариантов прозвучивания:

А) прямыми лучами преобразователя;

Б) лучами, отраженными от донной стенки и затем от дефекта;

В) однажды отраженными лучами (от донной стенки).

Рисунок 3.15 показывает, что во всех случаях только одна из трех проекций содержит адекватную информацию об отражателе, две других проекции будутсоздавать ложные изображения. Неоднозначность интерпретации эхосигналов увеличивается, если применяется прозвучивание дважды отраженными лучами.

Реконструкция изображений с высокой степенью адекватности требует создания новых алгоритмов, в которых учитываются возможные варианты формирования эхосигналов. Необходимо использовать логические связи между наборами эхосигналов, отраженных от границ деталей и дефектов различной формы, размеров и местоположения. Образно говоря, нужно анализировать акустическую ситуацию при прозвучивании сварного шва. Данная задача является типичной задачей распознавания образов.

По мнению авторов, наиболее перспективным направлением в решении задач распознавания дефектов по эхосигналам является применение нейронных сетей. Последние годы резко повысился интерес к ним в связи с появлением компактных высокопроизводительных компьютеров. Вопросы применения нейронных сетей, обсуждения их возможностей, проблемы обучения сетей настолько обширны, что требуют отдельного рассмотрения. Заинтересованному читателю для начального ознакомления рекомендуем литературу.

Будем надеяться, что в недалеком будущем будут решены проблемы синтеза изображений сварных соединений и появятся ультразвуковые сканеры с высокой разрешающей способностью. Дефектоскописты смогут выдавать отчет в виде изображения сварного шва с несплошностями.

Возможно не все идеи, высказанные в данной работе, являются конструктивными. Возможно, новая технология ультразвукового контроля будет выглядеть несколько иначе. По один факт не вызывает сомнений -будущее за системами визуализации несплошностей.