Разработка средств пространственно-временной обработки данных матричной антенной решетки для акустического контроля фасонных отливок

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 4
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК ……….. 8
1.1 Формирование структуры стальных отливок …………………………………………….. 8
1.2 Характерные дефекты стальных отливок…………………………………………………. 11
1.2.1 Несоответствие по геометрии ……………………………………………………………. 12
1.2.2 Дефекты поверхности ……………………………………………………………………….. 13
1.2.3 Несплошности в теле отливки …………………………………………………………… 15
1.2.4 Включения………………………………………………………………………………………… 17
1.2.5 Несоответствия по структуре …………………………………………………………….. 17
1.3 Неразрушающий контроль стальных отливок ………………………………………….. 18
1.3.1 Магнитный метод неразрушающего контроля …………………………………… 19
1.3.2 Вихретоковый метод неразрушающего контроля ………………………………. 20
1.3.3 Метод контроля проникающими веществами…………………………………….. 21
1.3.4 Оптический метод контроля ……………………………………………………………… 21
1.3.5 Радиационный метод контроля ………………………………………………………….. 22
1.3.6 Акустический метод контроля …………………………………………………………… 24
1.4 Выводы к главе 1…………………………………………………………………………………….. 27
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ
ОБРАБОТКИ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОМОГРАФИИ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТРИЧНЫХ АР ……………………………………………………….. 28
2.1 Ультразвуковая томография с использованием АР ………………………………….. 28
2.2 Восстановление профиля поверхности объекта контроля по набору эхо-
сигналов ………………………………………………………………………………………………………. 40
2.3 Разработка алгоритма пространственно-временной обработки для
ультразвуковой томографии с использованием матричной АР с расчетами во
временной области ……………………………………………………………………………………….. 42
2.4 Разработка алгоритма пространственно-временной обработки для
ультразвуковой томографии с использованием матричной АР с расчетами в
частотной области ………………………………………………………………………………………… 46
2.4.1 Совмещенный режим работы матричной АР ……………………………………… 46
2.4.2 Работа матричной АР в режиме двойного сканирования ……………………. 51
2.4.3 Пространственно-временная обработка с расчетами в частотной области
с компенсацией непараллельности плоскости сканирования относительно
поверхности объекта контроля ………………………………………………………………….. 53
2.5 Выводы к главе 2…………………………………………………………………………………….. 56
ГЛАВА 3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ПРОГРАММНОГО ПАКЕТА CIVA UT …………………………………………………………… 57
3.1 Описание программного пакета CIVA UT ……………………………………………….. 57
3.2 Применение компьютерного моделирования для проведения сравнительного
анализа алгоритмов пространственно-временной обработки для ультразвуковой
томографии с использованием матричных АР ………………………………………………. 59
3.3 Результаты пространственно-временной обработки результатов
компьютерного моделирования с использованием предложенных алгоритмов 62
3.4 Выводы к главе 3…………………………………………………………………………………….. 71
ГЛАВА 4. МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ЭКСПЕРИМЕНТА ………………………… 72
4.1 Описание контролируемого образца ……………………………………………………….. 72
4.2 Описание экспериментальной установки…………………………………………………. 74
4.3 Методика снятия входных данных для пространственно-временной
обработки …………………………………………………………………………………………………….. 77
4.4 Процедура проведения пространственно-временной обработки
ультразвуковых данных матричной АР…………………………………………………………. 80
4.4 Выводы к главе 4…………………………………………………………………………………….. 83
ГЛАВА 5 ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ …………………………… 85
Выводы к главе 5………………………………………………………………………………………… 103
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 105
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………………………….. 107

Выполненная работа посвящена развитию средств ультразвуковой
томографии фасонных отливок. Актуальным вопросом развития методов и
средств ультразвукового контроля является повышение достоверности его
результатов. Одним из перспективных подходов является ультразвуковая
томография на основе технологии ЦФА с использованием матричных АР,
позволяющая получать трехмерные результаты с высокой разрешающей
способностью, что делает возможным эффективно решать задачу дефектометрии
несплошностей в объектах контроля. Использование матричных АР и технологии
ЦФА связано с необходимостью пространственно-временной обработки
значительного объема данных при восстановлении изображений структуры
контролируемых объектов. Таким образом, важным вопросом является разработка
средств, направленных на восстановление изображений внутренней высокого
качества с высокой скоростью.
Основные результаты исследования, проведенного в диссертационной
работе, приведены ниже:
1. Проведен сравнительный анализ различных подходов в реализации
алгоритмов пространственно-временной обработки с применением
компьютерного моделирования. Сравнительный анализ включал оценку качества
и скорости получения изображений структуры объектов контроля при
использовании различных подходов в реализации алгоритмов пространственно-
временной обработки. Проведенный сравнительный анализ показал, что алгоритм
с расчетами в частотной области является наиболее эффективным для решения
задач ультразвуковой томографии с использованием матричных АР. Данный
алгоритм включает в себя использование метода общей средней точки, метода
фазового сдвига и интерполяцию Столта.
2. На основе полученных результатов сравнительного анализа был
разработан алгоритм пространственно-временной обработки с расчетами в
частотной области, обеспечивающий восстановление изображений АР при
различных условиях проведения ультразвуковой томографии. Данный алгоритм
являлся основой экспериментального программного обеспечения
пространственно-временной обработки сигналов для ультразвуковой томографии
с использованием матричных АР.
3. Для проведения экспериментальной верификации разработанного
алгоритма пространственно-временной обработки был создан экспериментальный
стенд. Основными узлами экспериментального стенда является манипулятор,
многоканальный блок электроники, и управляющий компьютер. Данный
экспериментальный стенд позволяет проводить проверку разработанного
алгоритма при различных условиях проведения ультразвуковой томографии.
4. Была проведена экспериментальная верификация разработанного
алгоритма пространственно-временной обработки. Полученные результаты
экспериментальной верификации свидетельствуют о том, что разработанный
алгоритм пространственно-временной обработки способен обеспечивать
восстановление синтезированных изображений с высокой разрешающей
способностью. Соответственно, такие изображения позволяют эффективно
решать задачу дефектометрии несплошностей в объектах контроля.

1.Михайлов А. М. Литейное производство / Михайлов А. М., Бауман Б.
В. – М.: Машиностроение. 1987. – 256 с.
2.Куманин И. Б. Вопросы теории литейных процессов / Куманин И. Б. –
М.: Машиностроение. – 1976. –216 с.
3.Белов В.Д., Литейное производство : учеб. / Белов В.Д. – М. : МИСиС,
2015. – 487 с.
4.Козлов Л. Я. Производство стальных отливок/ Козлов Л. Я., Вдовин К.
Н.. – М: МИСИС, 2005. – 352 с.
5.ГОСТ 19200-80. Отливки из чугуна и стали. Термины и определения
дефектов. – М: Изд-во стандартов, 1980.
6.Тодоров Р. П. Дефекты в отливках из черных сплавов / Тодоров Р. П.,
Пешев П. Ц. – М.: Машиностроение. – 1984. – 184 с.
7.Чернышов, Е.А. Литейные дефекты. Причины образования. Способы
предупреждения и исправления: учеб. пособие / Е.А.Чернышов, А.И., Евстигнеев,
А.А.Евлампиев. – М.: Машиностроение, 2008. – 282 с.
8.Технология металлов/ Архипов В. В. и др. – М: Высшая школа. –
1978. – 769 c.
9.Литейные дефекты и способы их устранения / Лакедемонский А. В. и
др. – М.: Машиностроение. – 1972. – 184 c.
10.Литейные процессы / Батышев А. И. и др. – М: Изд. дом НИТУ
«МИСиС», 2019 – 219 с.
11.Марукович, Е. И. Литейные сплавы и технологии / Е. И. Марукович,
М. И. Карпенко. – Минск: Беларус. навука, 2012. – 442 с.
12.Ушаков В.М. Неразрушающий контроль и диагностика горно-
шахтного и нефтегазового оборудования/ Ушаков В.М. – М: Издательство «Мир
горной книги». – 2016. – 318 с.
13.Вальтер А.И. , Протопопов А. А. Основы литейного производства:
учебник/ Вальтер А.И. , Протопопов А. А. – М: Инфра- Инженерия, 2019. – 332 с.
14.Чернышов, Е. А. Теоретические основы литейного производства.
Теория формирования отливки : учебник / Е. А. Чернышов, А. И. Евстигнеев. —
Москва : Машиностроение, 2015. — 480 с.
15.ГОСТ Р 56542-2015 Контроль неразрушающий. Классификация видов
и методов. М: Стандартинформ, 2016 г.
16.Макарин, В. С. Средства неразрушающего контроля отливок : Учеб.
пос. для СПТУ / В. С. Макарин. – М. : Высшая школа, 1988. – 72 с.
17.Коротин И. М. Контроль качества термической обработки металла /
Коротин И. М. – М.: Высшая школа. – 1980. – 192 с.
18.Кукуй, Д. М. Теория и технология литейного производства. В 2 ч. Ч.
2. Технология изготовления отливок в разовых формах : учебник / Д. М. Кукуй, В.
А. Скворцов, Н. В. Андрианов. — Минск : Новое знание, 2011. — 406 с.
19.Современные системы радиационного неразрушающего контроля /
Троицкий В. А. и др. – Техническая диагностика и неразрушающий контроль. –
2015. – №. 1. – С. 23-35.
20.Майоров А. А. Цифровые технологии в радиационном контроле /
Майоров А. А. –В мире неразрушающего контроля. – 2009. – №. 3. – С. 45.
21.Алешин Н.П. Ультразвуковой контроль: учеб. пособие / Н.П. Алешин,
В.Т. Бобров, Ю.В. Ланге, В.Г. Щербинский. под общ. ред. В.В. Клюева. – М.:
Издательский дом «Спектр» – 2011. – 224 с.
22.Троицкий В. А. Краткое пособие по контролю качества сварных
соединений / Троицкий В. А. – Киев: Феникс. — 2006. – 320 с.
23.Ультразвуковаядефектометрияметалловсприменением
голографических методов / В.Г. Бадалян [и др.]; под. ред. А.X. Вопилкина. – М.:
Машиностроение, 2008. – 368 с
24.КретовЕ.Ф.Ультразвуковаядефектоскопияв
энергомашиностроении: учебное пособие/ Кретов Е. Ф. – СПб.: Радиовионика. –
1995. – 336 с.
25.Выборнов Б. И. Ультразвуковая дефектоскопия/ Выборнов Б. И. – М.:
Металлургия, 1985 г. –256 с.
26.Moles, M. Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology
Applications. R/D Tech Guideline./ M. Moles. – Olympus NDT, 2004. – 348 p.
27.Самокрутов А. А. Сканирование в ультразвуковой томографии /
Самокрутов А. А., Шевалдыкин В. Г. //В мире неразрушающего контроля. – 2010.
– №. 3. – С. 7-10.
28.Holmes C. The post-processing of ultrasonic array data using the total
focusing method / Holmes C., Drinkwater B., Wilcox P.//Insight-Non-Destructive
Testing and Condition Monitoring. – 2004. – V. 46. – №. 11. – P. 677-680.
29.Holmes C. Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit–receive
array data for non-destructive evaluation / Holmes C., Drinkwater B. W., Wilcox P. D.
//NDT & e International. – 2005. – V. 38. – №. 8. – P. 701-711.
30.Sampling Phased Array. A New Technique for Signal Processing and
Ultrasonic Imaging/ Bernus von L. et al..— In: 9th ECNDT.— Berlin. September 25—
29, 2006.
31.Самокрутов А. А. Ультразвуковая томография металлоконструкций
методом цифровой фокусировки антенной решетки. /Самокрутов А. А.,
Шевалдыкин В. Г. /Дефектоскопия. – 2011. – №. 1. – С. 21-38.
32.Hunter A. J. The wavenumber algorithm for full-matrix imaging using an
ultrasonic array / Hunter A. J., Drinkwater B. W., Wilcox P. D. //IEEE transactions on
ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. – 2008. – V. 55. – №. 11. – P. 2450-
2462.
33.Базулин Е. Г. Применение ультразвуковой антенной решетки для
регистрации эхосигналов методом двойного сканирования для получения
изображений дефектов /Базулин Е. Г., Коколев С. А., Голубев А.
С.//Дефектоскопия. – 2009. – №. 2. – С. 18-32.
34.Виды (методы) и технология неразрушающего контроля./ Бирюкова
Н.П. и др. – М: ГУП Науч.-техн. центр по безопасности в промышленности
Госгортехнадзора России, 2003 – 392 с.
35.Doctor S. R. SAFT—the evolution of a signal processing technology for
ultrasonic testing / Doctor S. R., Hall T. E., Reid L. D.//NDT international. – 1986. – V.
19. – №. 3. – P. 163-167.
36.Synthetic aperture focusing technique signal processing / Langenberg K. J.
et al. //NDT international. – 1986. – V. 19. – №. 3. –P. 177-189.
37.БазулинЕ.Г.Сравнениесистемдляультразвукового
неразрушающего контроля, использующих антенные решетки или фазированные
антенные решетки / Базулин Е. Г. //Дефектоскопия. – 2013. – №. 7. – С. 51-75.
38.Drinkwater B. W. Ultrasonic arrays for non-destructive evaluation: A
review / Drinkwater B. W., Wilcox P. D. //NDT & e International. – 2006. – V. 39. –
№. 7. – P. 525-541.
39.Phased Array technology : Concepts, probes and applications / J. Poguet et.
al. // 8th European Congress on NDT, 17–21 June, 2002, Barcelona, Spain.
40.Friedl J. H. Ultrasonic phased array inspection of seeded titanium billet /
Friedl J. H. et al. //AIP Conference Proceedings. – AIP, 2004. – V. 700. – №. 1. – P.
809-816.
41.Gekko[Электронныйресурс]//Эхо+-Режимдоступа:
http://www.echoplus.ru/engine/download.php?id=35 , свободный. – Загoл. с экрана
(дата обращения: 20.05.2020)
42.Ультразвуковой дефектоскоп TOPAZ 64 от ZETEC [Электронный
ресурс]//АВЭК- Режим доступа:https://avek.ru/production/nerazrushayushiy_
kontrol/ul_trazvukovoy_kontrol/ultrazvukovoy_defektoskop/ul_trazvukovoy_defektosk
op_TOPAZ_64_ot_ZETEC.html, свободный. – Загoл. с экрана (дата обращения:
20.05.2020)
43.Boehm R., Simulation of sparse matrix array designs / Boehm R., Heckel
T. //AIP Conference Proceedings. – AIP Publishing LLC, 2018. – Vol. 1949. – №. 1. –
Article number: 080003
44.Data set reduction for ultrasonic TFM imaging using the effective aperture
approach and virtual sources / Bannouf S. et al. //Journal of Physics: Conference Series.
– IOP Publishing, 2013. – V. 457. – №. 1. – Article number: 012007.
45.Hu, H. Ultrasonic phased array sparse-TFM imaging based on sparse array
optimization and new edge-directed interpolation / Hu, H., Du, J., Ye, C., Li,
X.//Sensors. – 2018. – V. 18. – №. 6. – Article number: 1830.
46.Yang P. A novel method to design sparse linear arrays for ultrasonic
phased array / Yang P., Chen B., Shi K. R.//Ultrasonics. – 2006. – V. 44. – P. e717-
e721
47.Hu, H. Ultrasonic sparse-TFM imaging for a two-layer medium using
genetic algorithm optimization and effective aperture correction / Yang P., Chen B., Shi
K. R. et al.//NDT & E International. – 2017. – V. 90. – P. 24-32.
48.Martínez-Graullera, O. 2D array design based on Fermat spiral for
ultrasound imaging / Martínez-Graullera, O., Martín, C. J., Godoy, G., Ullate, L. G..
//Ultrasonics. – 2010. – V. 50. – №. 2. – P. 280-289,
49.Ramalli, A. Density-tapered spiral arrays for ultrasound 3-D imaging /
Ramalli, A., Boni, E., Savoia, A. S., Tortoli, P.//IEEE Transactions on ultrasonics,
ferroelectrics, and frequency control. – 2015. – V. 62. – №. 8. – P. 1580-1588
50.Velichko A. Quantitave Characterisation of Complex Defects Using Two-
Dimensional Ultrasonic Arrays / Velichko A., Wilcox P. D.//Proceedings of the
ECNDT. – 2010. – V. 1. – P. 18.
51.Zhang J. Comparison of ultrasonic array imaging algorithms for
nondestructive evaluation / Zhang J., Drinkwater B. W., Wilcox P. D. //IEEE
transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. – 2013. – V. 60. – №.
8. – P. 1732-1745
52.Ермолов И. Н. Расчеты в ультразвуковой дефектоскопии (краткий
справочник) / Ермолов И. Н., Вопилкин А. Х., Бадалян В. Г. – М.: ООО НПЦ НК
«Эхо+».,2003 – 109 с.
53.Горюнов А. А. Обратные задачи рассеяния в акустике. / Горюнов А.
А., Сасковец А. В. – М:Изд-во Московского университета, 1989 – 152 с.
54.Russell J. Development of a membrane coupled conformable phased array
inspection capability / Russell J., Long R., Cawley P. //AIP Conference Proceedings. –
American Institute of Physics, 2010. – V. 1211. – №. 1. – P. 831-838.
55.Surface estimation methods with phased-arrays for adaptive ultrasonic
imaging in complex components / Robert S. et al. //AIP Conference proceedings. –
American Institute of Physics, 2015. – V. 1650. – №. 1. – P. 1657-1666.
56.Базулин Е.Г. Разработка системы эксплуатационного ультразвукового
неразрушающего контроля повышенной информативности с применением
антенных решеток: дис. … канд./д-ра техн. наук. НПЦ «Эхо+». – Москва, 2014.
57.Aschy A. Enhancement of the total focusing method imaging for
immersion testing of anisotropic carbon fiber composite structures / Aschy A. et al.
//AIP Conference Proceedings. – AIP Publishing LLC, 2017. – V 1806. – №. 1. – N.
040005.
58.Амосов А. А. Вычислительные методы для инженеров./ Амосов А. А.,
Дубинский Ю. А., Копченова Н. В. – М: Изд-во МЭИ, 2003 –544 c.
59.Virieux J, An overview of full-waveform inversion in exploration
geophysics // Virieux J., Operto S. /Geophysics. – 2009. – V. 74. – №. 6. – P. WCC1-
WCC26.
60.Hale D. Dip-moveout by Fourier transform / Hale D. //Geophysics. – 1984.
– V. 49. – №. 6. – P. 741-757.
61.Yilmaz O., Doherty M.S. Seismic data analysis: processing, inversion, and
interpretation of seismic data/ Yilmaz O., Doherty M.S. – Tulsa: Society of Exploration
Geophysicists, 2001 – 2027 p.
62.Curlander J. C. Synthetic aperture radar/ Curlander J. C., McDonough R.
N. – New York: John Wiley & Sons, 1991. –396 p.
63.Callow H. J. Wavenumber domain reconstruction of SAR/SAS imagery
using single transmitter and multiple-receiver geometry / Callow H. J., Hayes M. P.,
Gough P. T. //Electronics Letters. – 2002. – V. 38. – №. 7. – P. 336-338.
64.Bamler R. A comparison of range-Doppler and wavenumber domain SAR
focusing algorithms / Bamler R. A //IEEE Transactions on Geoscience and Remote
Sensing. – 1992. – V. 30. – №. 4. – P. 706-713.
65.Клаербоут Д. Ф. Сейсмическое изображение земных недр / Клаербоут
Д. Ф. – М.: Недра. – 1989 – 408 c.
66.Gazdag J. Wave equation migration with the phase-shift method / Gazdag
J. //Geophysics. – 1978. – V. 43. – №. 7. – P. 1342-1351.
67.Stolt R. H. Migration by Fourier transform / Stolt R. H. //Geophysics. –
1978. – V. 43. – №. 1. – P. 23-48.
68.NahamooD. Synthetic aperture diffraction tomography andits
interpolation free implementation. / Nahamoo D., Pan B.X., Kak A.S. // IEEE Trans.
Sonics and Ultrasonics – 1984 – V. 31 –№ 4 – P. 218-229
69.D’Aria D. Focusing bistatic synthetic aperture radar using dip move out /
D’Aria D., Guarnieri A. M., Rocca F. //IEEE Transactions on Geoscience and Remote
Sensing. – 2004. – V. 42. – №. 7. – P. 1362-1376
70.Lukomski T. Full-matrix capture with phased shift migration for flaw
detection in layered objects with complex geometry / Lukomski T. //Ultrasonics. –
2016. – V. 70. – P. 241-247.
71.Chinta P. K. Ultrasonic Nondestructive Testing of Inhomogeneous
Isotropic and Anisotropic Media: Modeling and Imaging. / Chinta P. K. – Kassel:
Kassel University Press GmbH, 2013 – 161 p.
72.Implementation of a GPU accelerated total focusing reconstruction method
within CIVA software / Rougeron G. et al. //AIP Conference Proceedings. – 2014. – V.
1581. – №. 1. – P. 1983-1990
73.Synthetic aperture focusing of ultrasonic data from multilayered media
using an omega-k algorithm / Skjelvareid M. H. et al. //IEEE transactions on
ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control. – 2011. – V. 58. – №. 5. – P. 1037-
1048.
74.Quantitative Defect Sizing on Components with Different Wall Thickness
using UT-SAFT / Brekow G. et al. //17th WCNDT, China, Shanghai. – 2008.
75.Amplitude-based Defect Sizing of SAFT-Results-From Imaging to
Quantitative Measurement/ Mooshofer H. et al.// 12th ECNDT, Gothenburg, Sweden. –
2018.
76.Pitkänen J. SAFT-is it a tool for improved sizing in ultrasonic testing /
Pitkänen J., Oy P. //Olkiluoto, Finland, ECNDT. – 2006.
77.Современные подходык аттестацииметодик ультразвукового
контроля / Коншина В. Н. и др. //Дефектоскопия. – 2008. – №. 2. – С. 3-14.
78.ГОСТ Р 50.05.05-2018 Система оценки соответствия в области
использования атомной энергии. Оценка соответствия в форме контроля.
Унифицированные методики. Ультразвуковой контроль основных материалов
(полуфабрикатов) . М: Стандартинформ, 2018 г.