6 Помехи и шумы при эхоимпульсном методе

6.1 Виды и природа шумов и помех

К помехам и шумам при эхоимпульсном ультразвуковом контроле относят сигналы, мешающие приему полезных импульсов.

Временное положение помех относительно зондирующего импульса детерминировано и постоянно при неизменных условиях контроля (положении преобразователя). Шумом считают мешающие сигналы, случайные по амплитуде, фазе, времени прихода.

По характеру взаимодействия различают аддитивные помехи и шумы, которые складываются с полезными сигналами, и мультипликативные, которые перемножаются с ними. Большинство помех и шумов, возникающих при эхоимпульсном контроле, относятся к аддитивным.

Шумы, вызванные источниками, не связанными с дефектоскопической аппаратурой, называют внешними. Они имеют электрическую или акустическую природу и, как правило, носят импульсный характер. Электрические шумы обычно связаны с наличием работающего рядом мощного электрооборудования, электросварочной аппаратуры и др. Акустические возникают в результате ударов по объекту контроля или в результате его вибрации, попадания пузырьков воздуха в слой контактной жидкости (особенно при иммерсионном контроле). Эффективны способы борьбы с внешними шумами, при которых учитывается случайность времени их появления, а также то, что их частотный спектр не связан со спектром полезных сигналов. Применяют, в частности, суммирование сигналов, полученных в нескольких зондированиях (посылках), и сужение полосы пропускания усилителя или частотную фильтрацию.

Наибольшие сложности при контроле эхоимпульсным методом вызывают помехи в виде ложных акустических сигналов, которые возникают вследствие отражения и трансформации волн на границах, конструктивных особенностей или неровностей поверхности объекта контроля. Ложные сигналы особенно интенсивны при контроле протяженных изделий и изделий с переменным поперечным сечением (конусность, галтели, выточки).

Для снижения уровня помех, связанных с трансформацией продольных волн, изделия, длина которых превышает поперечный размер более чем в четыре раза, контролируют не с торца, а с цилиндрической поверхности.

Специфические ложные сигналы возникают за счет поверхностных волн, которые возбуждаются боковыми лепестками диаграмм направленности преобразователя и проникают с излучателя на приемник (при раздельной схеме включения) или отражаются от краев изделия.

Методы борьбы с акустическими помехами всегда основаны на анализе акустического тракта и оптимизации основных параметров контроля и схем прозвучивания.

6.2 Структурные помехи и способы борьбы с ними

Структурные помехи связаны с рассеянием ультразвука на структурных неоднородностях, зернах металла. Импульсы, образовавшиеся в результате рассеяния и приходящие к приемнику одновременно, складываются и в зависимости от случайного соотношения фаз могут усилить или ослабить друг друга. В результате структурные помехи имеют вид последовательности близко расположенных пиков, распределенных по всей длине развертки. Структурные помехи – фактор, который всегда ограничивает чувствительность при контроле как эхоимпульсным, так и другими методами отражения.

Поскольку амплитуды и фазы импульсов структурных помех распределяются случайным образом, их характеристики подчиняются статистическим закономерностям. При этом элементы структуры, как вторичные излучатели (рассеиватели), могут считаться независимыми. На этом основании можно считать, что распределение средней интенсивности помех подчиняется закону Рэлея (рэлеевское рассеяние) и характеризуется важным свойством – среднеквадратическое отклонение интенсивности сигналов помех равно среднему уровню помех. В таком случае амплитуда сигналов структурных помех случайно меняется от нуля до удвоенного среднего значения и для надежного выделения полезного сигнала на фоне помех соотношение сигнал/шум должно быть не менее 6 дБ.

Для определения среднего уровня структурных помех используют энергетическое приближение. Вычисляют интенсивность рассеянного структурой сигнала, приходящего из некоторого малого элемента пространства, и интегрируют это воздействие по всей области, занимаемой в данный момент времени ультразвуковым импульсом. Полученные таким образом формулы для среднего уровня амплитуды структурных помех в однородной среде с изотропным рассеянием, выраженного в единицах давления, имеют вид:

в ближней зоне – P_п = (1,0–1,5) P₀^½ λ(δ_рcτ / πЅ_a)^½ exp(–2δr);

в дальней зоне – P_п = P₀^½/r(δ_рcτЅ_a / 2π)^½ exp(–2δr),

где δ_р – коэффициент рассеяния;

Ѕ_a – площадь преобразователя;

δ – коэффициент затухания;

r – расстояние до области рассеяния.

Борьба со структурными шумами направлена на обеспечение максимально возможной чувствительности и проводится до регистрации сигналов путем оптимизации акустического тракта за счет выбора направлений озвучивания и значений основных параметров контроля, а также методами статистической обработки зарегистрированных сигналов (включающих полезные эхоимпульсы и сигналы помех).

Практические рекомендации по снижению уровня структурных помех сводятся к следующему:

1. Локализация контролируемого объема, т. е. уменьшение области, из которой получают информацию. Физический смысл этого заключается в увеличении отношения площади дефекта к суммарной площади озвучиваемых кристаллитов металла (структурных отражателей), участвующих в формировании импульсов помех, и таким образом в повышении выявляемости дефекта на фоне помех. Локализация контролируемого объема может быть достигнута за счет сужения диаграммы направленности, фокусировки ультразвукового пучка, уменьшения длительности импульса. Следует лишь иметь в виду, что достигаемый такими методами положительный эффект снижения уровня структурных шумов сопровождается увеличением объемов сканирования, или ухудшением отражающих свойств дефекта, или повышением затухания и искажением формы импульсов.

2. Выбор оптимального направления прозвучивания. Метод особенно эффективный и важный в случае контроля материала с неоднородной и анизотропной зернистой структурой.

3. Выбор типа волн с меньшим коэффициентом рассеяния. Рассеяние продольных волн обычно в четыре – шесть раз меньше, чем поперечных. Почти в два раза большая длина волны несколько снижает это преимущество, которое, однако, подтверждается на практике.

4. Выбор рабочей частоты. Возможна оптимизация, основанная на различной частотной зависимости амплитуд эхосигналов от дефектов и структурных шумов, а также на росте затухания с частотой.

5. Аппаратные методы, в том числе введение отсечки сигналов малой амплитуды и выравнивание чувствительности в зоне контроля (ВРЧ); использование зондирующих импульсов специальной формы.

Статистические методы выделения эхосигналов от дефектов на фоне структурных шумов основаны на выборе параметров полезных сигналов и шумов, которые принимают разные значения или по-разному изменяются в процессе контроля, и применении различных алгоритмов фильтрации.