Малоракурсная акустическая томография композитных материалов

С развитием современной промышленности, металлические материалы и сплавы, используемые ранее, становятся все менее пригодными для удовлетворения потребностей практических приложений, особенно в области авиа-, автомобиле- и кораблестроения. Им на смену пришли композитные материалы. В настоящее время композитные материалы широко используются в аэрокосмической технике, мостостроении, судостроении, автомобилестроении, медицинском оборудовании и других областях, тесно связанных с национальным экономическим строительством, научными разработками и национальной обороной [1-4].
Микроструктура композитного материала представляет собой сложную многофазную систему с пространственной анизотропией ее свойств. На стадии производства и использования композитного материала очень высока вероятность возникновения дефектов или повреждений [5-11], таких как разрыв волокна и расслоение внутри материала, которые значительно сокращают несущую способность компонентов и вызывает скрытую опасностью крупных инженерных аварий, поэтому регулярное тестирование готового продукта и используемого оборудования является наиболее важной частью производственного процесса [12- 18].
Дефект типа «расслоение» – наиболее распространенный вид дефекта в композитных материалах, он является внутренним дефектом и не может быть обнаружен невооруженным глазом, поэтому используются различные методы контроля, среди которых можно выделить ультразвуковой контроль. Ультразвуковой контроль обладает хорошими положительными свойствами: большая глубина обнаружения, точное определение дефекта, высокая чувствительность обнаружения, низкая стоимость, удобство использования и
5
безвредность для человека. Технология компьютерной томографии широко применяется в области медицины. Технология цифровой обработки изображений способствует развитию современной цифровой обработки сигналов. Эти три элемента органично интегрированы. В нашей работе анализируются и исследуются возможности и преимущества технологии компьютерной томографии (КТ), применяемой для неразрушающего контроля композитных материалов ультразвуковым методом [18-20].
Теневой метод обладает более высоким отношением сигнал/шум и подходит для обнаружения многослойных структур [21-28]. При сканировании поверхности тестируемого объекта акустическими преобразователями расположенными по разные стороны получают теневую картину внутренней структуры зоны контроля. Это позволяет обнаруживать внутренние дефекты и размеры их проекции на плоскость приемного преобразователя. Основной недостаток такого тестирования является невозможность определения глубины залегания дефектов. Решение этой задачи возможно при наличии набора проекций под разными углами, что широко используется в рентгеновской томографии. Многочисленные попытки разработать и испытать оборудование на основе линейных антенных решеток были сделаны в конце прошлого века, в которых теневой метод был применен для контроля резинотехнических изделий. В последние несколько лет были опубликованы работы по малоракурсной ультразвуковой томографии для решения широкого круга задач [29-31]. Однако проблемы улучшения дефектометрических характеристик (точности, чувствительности, шума и разрешающей способности) являются актуальными и в настоящее время. Метод мультипликативной обработки и фильтрации сигналов может улучшить дефектомертические характеристики акустической томографии.
Поэтому основная цель данного исследования заключается в повышение качества томограммы на основе малоракурсного зондирования с мультипликативной обработкой сигналов линейной акустической решетки и Гауссовой фильтрации исходной томограммы.
Объектом исследования в данной работе является малоракурсная

6
акустическая томография с использованием линейных решеток.
Цель диссертационной работы: исследование малоракурсной акустической томографии с мультипликативным способом обработки сигналов линейной акустической решетки и Гауссовой фильтрацией томограммы для улучшения
характеристик системы акустического контроля теневым методом.
Достижение поставленных целей потребовало решения следующих основных задач:
1. Разработать методику акустической малоракурсной томографии с мультипликативной обработкой сигналов линейной акустической решетки.
2. Разработать методику Гауссовой фильтрацией томограммы.
3. Провести теоретические исследования влияния различных параметров
Гауссовой фильтрации на результаты томографии.
4. Провести теоретические исследования мультипликативной обработки
сигналов линейной акустической решетки на результаты томографии.
5. Разработать алгоритм реконструкции акустического изображения на основе мультипликативной обработки сигналов линейной акустической
решетки.
6. Разработать макетный образец прибора и провести его испытания.
Методы исследований. Для решения теоретических задач диссертации
были использованы метод обратных проекций, теория дифракции Кирхгофа и компьютерное моделирование. Экспериментальные исследования выполнены с использованием метода физического эксперимента и последующей обработкой данных статистическими методами.
Научная новизна работы. В работе были получены следующие новые научные результаты:
1. Разработана компьютерная модель реконструкции зоны контроля, которая позволяет проводить исследования дефектометрических характеристик системы контроля при изменении параметров линейной решетки в широком диапазоне с аддитивной и мультипликативной обработкой сигналов и Гуссовой фильтрацией исходной томограммы.

7
2. Предложена методика Гауссовой фильтрации томограммы, позволяющая уменьшить среднюю абсолютную ошибку восстановления томограммы.
3. Предложен мультипликативный способ получения томограммы зоны контроля при теневом методе на основе принципа перемножения сигналов акустической решетки, позволяющий увеличить разрешающую способность, точность определения координат дефекта и чувствительность контроля.
4. Создан многоканальный акустический дефектоскоп на основе малоракурсного зондирования для контроля композитов, обладающий лучшими техническими характеристиками по сравнению с аналогами.
Теоретическая значимость работы состоит в дальнейшем развитии метода
теневой малоракурсной ультразвуковой томографии на основе мультипликативной обработки сигналов акустической решетки и Гауссовой фильтрации исходной томограммы для контроля композитных материалов, исследовании и анализе погрешностей определения координат дефектов, оценке влияния различных параметров линейной акустической решетки на результат контроля.
Практическая значимость.
1. Алгоритм мультипликативной обработки сигналов акустической решетки позволяет получать томограмму высокого качества и может быть применен при разработке дефектоскопов нового поколения.
2. Модель акустической малоракурсной томографии с аддитивной и мультипликативной обработкой сигналов акустической решетки позволяют исследовать акустический тракт трансмиссионного томографа.
3. Создан акустический теневой малоракурсной томограф, нашедший практическое применение в компании HENGJI PROPERTY Co Ltd и в учебном процессе Томского политехнического университета.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Модель акустического тракта, позволяет исследовать зону контроля на основе аддитивной и мультипликативной обработки сигналов акустической решетки, проводить Гауссову фильтрацию исходной томограммы при изменении

8
параметров акустического тракта в широких пределах.
2. Предложенный способ мультипликативной обработки на основе принципа
перемножения сигналов акустической решетки позволяет получить разрешающую способность по дальности 50 мм в центре зоны контроля и 90 мм на ее краях, угловая разрешающая способность 11,5 мм в центре и 15 мм на ее краях. Погрешность определения координат дефектов не более 9% для линейной решетки из 16 элементов и расстоянии между решетками 400 мм
3. Гауссова фильтрация исходной томограммы с оптимальными параметрами окна позволяет получить разрешающую способность по дальности 13.5 мм в центре зоны контроля, и уменьшить среднюю абсолютную ошибку восстановления томограммы с 0.53 до 0.045 для антенной решётки из 16 элементов.
Личный вклад автора: участие в постановке задач. Автором лично
предложен мультипликативный способ обработки сигналов акустической решетки для теневого метода контроля и Гауссова фильтрация томограммы при малоракурсной томографиии, разработана компьютерная модель и проведено исследование точности, разрешающей способности, чувствительности и средней абсолютной ошибки восстановления томограммы. Изготовлен и внедрен макет ультразвукового дефектоскопа.
Апробация работы.
Основные результаты работы доложены и обсуждены на международных и российских конференциях:
– на ИАМП-2018 тринадцатая всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» г. Бийск, 2018
– на “Междисциплинарные проблемы аддитивных технологий” г. Томск, 2018
– на XXX МЕЖДУНАРОДНАЯ ИННОВАЦИОННАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ И СТУДЕНТОВ (МИКМУС – 2018), г. Москва, 2018
– на 2019 International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON

9
2019 г. Томск, 2019
– на «XVI Международной школы-конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Инноватика-2020»» г. Томск, 2020
– на XXI International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, г. Томск, 2020
– IEEE 22nd International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials, Altai, Russia, 2021
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 10 работах, из них 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ, 2 статьи в журналах, входящих в базы данных Scopus и Web of Science и 7 публикаций в сборниках российских и международных конференций.
Достоверность
Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается непротиворечивостью полученных в исследовательской части работы результатов с данными других авторов, совпадением экспериментальных и расчетных значений.