Научное издание
Баранов Виктор Михайлович
ВВЕДЕНИЕ
Цели, задачи и особенности акустических измерений (АН).
На современном этапе развития науки и техники все более возрастает цена информации. Особенно высока стоимость ее получения в условиях, характерных для эксплуатации сложных технических объектов, типичный пример — определение влияния реакторных излучений на свойства конструкционных реакторных материалов. Длительность, сложность, высокая стоимость подобных исследований требуют тщательного предварительного анализа требуемой информации, продуманного выбора метода (или методов) измерений, совокупности информативных признаков сигналов измерительной информации и методов их обработки. Необходимо заранее сформировать представление об ожидаемых результатах, в противном случае итог дорогостоящих экспериментов может оказаться незначительным или вовсе нулевым. Необходим и технико-экономический анализ, сопоставляющий усилия и средства, затраченные на создание и эксплуатацию измерительного оборудования, с ценностью конечных результатов. Не соответствующими современному уровню развития науки и техники следует признать попытки получить возможно максимальную информацию без тщательного анализа конечной ценности ее для научных и практических целей.
Акустические методы измерения и исследования позволяют получать огромные количества информации о состоянии и режимах работы объектов, конструкционных элементов, изделий, материалов. На момент написания книги автору было известно об автоматических системах УЗ-дефектоскопии, обрабатывающих до двух-трех десятков информативных параметров УЗ-сигналов, каждый из которых может изменяться во времени и зависеть от положения преобразователей сигналов. Однако это не сводит к нулю значение ручного УЗ-контроля. Более того, технология контроля, осуществляемого опытными дефектоскопистами, служит основой для разработки алгоритмов автоматизированного контроля, наиболее полно учитывающих особенности отражения УЗ-сигналов от дефектов того или иного вида в изделиях разнообразной формы.
Поэтому анализ возможности и целесообразности проведения АИ для решения конкретной задачи, а также степени сложности соответствующего измерительного оборудования должен проводиться с учетом многочисленных научно-технических, технико-экономических и организационных факторов.
Измерения можно охарактеризовать как изучение реакций объекта или совокупности объектов па внешнее воздействие с целью получения информации об объекте исследования или воздействии. В случае АИ источником информации являются упругие колебания и волны, приводящие к возникновению сигналов, обычно электрических, на выходе первичных преобразователей информации (в дальнейшем — просто преобразователей). Упругие колебания и волны можно возбуждать в объекте измерений намеренно, и тогда информацию об объекте получают в виде значений параметров колебаний и волн и их изменений в результате взаимодействия с объектом. Обычно параметры возбуждаемых колебаний известны, что упрощает задачу определения физических свойств объекта. Подобный режим намерений условно назовем активным.
Характерные примеры—импульсный эхо-метод УЗ-дефектоскопии, резонансный метод измерений и др.
В отличие от активного метода пассивным назовем такой, при котором специальные средства возбуждения колебаний отсутствуют. Колебания объекта возникают в результате воздействия на него внешних факторов, связанных с его взаимодействием с окружающей средой и другими объектами. Типичный пример—возникновение упругих колебаний и волн при воздействии на объект статических механических нагрузок, изменений температуры, агрессивных сред и других физических воздействий, что получило название акустической эмиссии (АЭ). Другой пример — вибрации при протекании теплоносителя. вращении несбалансированных механизмов, взаимодействии элементов зубчатых зацеплений и т. д., что является основой акустической диагностики эксплуатируемых объектов. Результаты пассивных измерений труднее поддаются анализу из-за неопределенности параметров упругих колебаний и волн в месте их возникновения. Одна из задач пассивных измерений—изучение этих параметров по сигналам преобразователя, которые являются откликом объекта и самого преобразователя на первичное воздействие.
Рассмотрение схемы на рис. В.1 позволяет сформулировать ряд общих задач, подлежащих решению при проектировании и эксплуатации акустических измерительных систем.
Наиболее сложной проблемой в большинстве случаев является анализ взаимосвязей между генерируемыми в объекте сигналами к откликом последнего на них (позиции 1—3 на схеме). Решение этой проблемы должно привести к построению адекватном с точки зрения изучаемых явлений модели объекта. В зависимости от степени сложности решаемых при измерении задач модель может оказаться как весьма простои, так и чрезвычайно сложной. В последнем случае, как правило, для интерпретации результатов измерений требуются мощные вычислительные средства их обработки. Модель объекта строится на основе физико-математического аппарата акустики, теории колебаний, теории упругости, физики прочности материалов, молекулярной физики, физики твердого тела, материаловедения. Таким образом, построение модели объекта —задача комплексная, подчас требующая длительных усилий специалистов различного профиля. Характерно положение в области АЭ, где отсутствие адекватных моделей сложного по природе физического явления до сих пор не позволяет надежно применять АЭ-метод для прогнозирования разрушения эксплуатируемых объектов.
Достаточно специфичны задачи в области расчета, конструирования и эксплуатации преобразователей акустических сигналов 4, работающих в условиях, приближающихся к условиям эксплуатации ЯЭУ. Для обеспечения удовлетворительных метрологических характеристик, чувствительности, стабильности в условиях воздействия высокой температуры, ионизирующих излучений, агрессивных сред необходимо создание новых и совершенствование известных методов и средств взаимного преобразования механических и электрических сигналов. От достижений в этой области во многом зависит успешное применение акустических методов измерений в реакторной технологии. Немаловажны при этом вопросы согласования преобразователя с усилителем сигналов 5, в значительной степени определяющие сохранение достигнутой чувствительности и стабильности преобразователя. Функции и структура блока обработки сигналов 6, строго говоря, определяются всей совокупностью факторов и параметров, имеющихся в системе — соотношением параметров полезных сигналов и помех, выбором регистрируемых параметров и т. д. Основное назначение этого блока — приведение сигналов к такому виду, при котором регистрируемые параметры сигналов в наименьшей степени подвержены действию помех акустического и электромагнитного происхождения, а также к виду, приемлемому для регистрации регистратором 7. В качестве последнего можно использовать устройства различной степени сложности—от простейшего стрелочного регистратора до оперативных и долговременных запоминающих устройств современных ЭВМ. Нередко результаты измерений используют для управления объектом или технологическим процессом, что отражено пунктирной линией обратной связи на рис. B.1. Линия обратной связи должна содержать исполнительные устройства и механизмы, воздействующие либо на объект, либо на системы, управляющие условиями его эксплуатации или исследования (температурой, давлением, нагрузкой и т. д.).
Таким образом, в общем виде задача АИ сводится к определению набора значений параметров, характеризующих состояние объекта или условия его эксплуатации на основании набора значений параметров сигналов, поступающих на регистратор. Задача эта даже при регистрации всего одного параметра в общем случае не простая, поскольку из-за конечной точности измерений относится к классу некорректных математических задач и требует, помимо наличия адекватной модели объекта, малых погрешностей измерений, не превышающих некоторых допустимых значений.
Успех работы акустической измерительной системы во многом зависит от рационального конструкционного оформления измерительного устройства (системы). Например, тщательная конструкторская проработка определяет чувствительность и стабильность характеристик преобразователя, особенно в реакторных условиях, и в решающей степени влияет на работоспособность всей системы. Выполнение ряда конструкционных требований в электронной части прибора, выработанных на основе опыта многих десятилетий, позволяет существенно снизить воздействие на измерительную систему электромагнитных наводок и импульсных помех.
Кроме блоков, предназначенных непосредственно для получения и обработки измерительной информации, акустическое измерительное устройство содержит приспособления, которые обеспечивают пространственное и временное согласование измерительных преобразователей аппаратуры контроля с объектом. К ним относятся узлы закрепления образцов, перемещения преобразователей относительно объекта или, наоборот, объекта относительно преобразователей, устройства для обеспечения оптимальных условий возбуждения в объекте физических полей и регистрации сигналов после взаимодействия поля с объектом. Совокупность указанных задач должна решаться комплексно, с привлечением специалистов разного профиля.
Акустические измерительные системы следует рассматривать как разновидность информационно-измерительных систем подчиняющуюся общим принципам построения и анализа работы последних. Особо следует отметить следующие на них.
- Средство измерений взаимодействует не с физической величиной, а с реальным объектом. Поэтому количественная информация, которую можно получить в результате измерения, зависит от выбранной модели, т. е. математического описания объекта контроля.
Одному и тому же исследуемому объекту могут быть Поставлены в соответствие различные модели в зависимости от необходимой степени точности описания его свойств. Разумный выбор модели и, соответственно, контролируемых величин—ответственный момент при разработке средства измерения. Должен быть нс только решен вопрос о точности измерения некоторой физической величины (иля совокупности величин), но к дано обоснование самого ее выбора в качестве измеряемой.
- Сигналы, получаемые на выходе системы, являются результатом воздействия на измерительный преобразователь не только сигналов, отражающих изучаемые свойства объекта, но и физических величин, не описываемых выбранной моделью. Эти величины многочисленны и разнообразны и называются влияющими. Они проявляют себя случайным образом, поэтому результат измерения (контроля) — случайная величина.
В связи с этим анализ и синтез неразрушающего контроля должен проводиться на основе общей теории информационно-измерительных систем, аппарата математической статистики и теории принятия решений.
Сигналы измерительной информации и их преобразование в аппаратуре контроля. Возбуждаемое источником а исследуемом объекте поле воспринимается измерительным преобразователем в виде сигналов. Эти сигналы характеризуются некоторыми параметрами: амплитудой, частотным спектром, фазой, временем появления и т. д. Можно представить ситуацию, при которой объект контроля отсутствует и поле источника непосредственно воздействует на измерительный преобразователь, приводя к появлению на его выходе сигналов, которые характеризуются определенными параметрами, однако не содержат информации о контролируемом объекте. После введения объекта в поле источника часть параметров сигналов на входе преобразователя изменится. Эти параметры содержат информацию о состоянии объекта и носят название информативных, в отличие от оставшихся неизменными неинформативных параметров. Степень информативности параметров зависит от методики измерения и свойств объекта.
Таким образом, выбор информативных параметров сигнала определяется задачами и структурой измерительной системы. Необходим такой подход к ее проектированию, который обеспечивает преобразование сигналов измерительной информации с минимальными ее потерями.
Характер преобразования сигналов в объекте исследования определяется совокупностью факторов, влияющих на физическое поле, являющееся переносчиком сигналов. В общем случае АИ детальное математическое описание явлений, влияющих на параметры входного сигнала системы—сложная задача, для решения которой необходимо:
а) записать систему векторных уравнений движения в частных производных, описывающих акустическое поле в объекте и окружающей среде;
б) наложить векторные граничные условия на границе объект— среда, имеющей подчас сложную конфигурацию, особенно при наличии неоднородностей в объекте;
в) задать начальные условия;
г) решить систему уравнений при наложенных граничных и начальных условиях.
Математические трудности решений згой задачи очевидны хотя бы из того, что для тел даже сравнительно простой формы переменные в уравнениях не разделяются. Подобная ситуация имеет место, например, для цилиндра, у которого длина и диаметр —величины одного порядка.
Анализ преобразований сигнала существенно упрощается, если рассматривать объект как элемент измерительной системы, описываемый своими частотной характеристикой и передаточной функцией. Тогда измерительная система совместно с объектом может быть изучена методами анализа электрических цепей, весьма наглядными и хорошо развитыми в течение многих десятилетий. Упрощает анализ также следующее обстоятельство. Поскольку часто важно выявить в объектах отклонения от нормы (стандарта), можно описать объект сравнительно грубой математической моделью. Эта модель часто очевидна из простых физических соображений. Влияние отклонений учитывается введением в уравнения, описывающие объект, возмущающих членов, отражающих это влияние. Считая возмущения малыми (большие возмущения выявляются сравнительно просто), можно применить аппарат теории возмущений, что упрощает расчеты, и определить влияние возмущений на параметры сигнала (22, 48). Приближенный характер математической модели скажется на параметрах сигнала, однако разность этих параметров в различающихся объектах будет найдена с достаточной точностью. Погрешность расчета абсолютных значений параметров сигнала обычно несложно скомпенсировать введением и аппаратуру соответствующих органон регулировки.
