Búsqueda de medios técnicos basados ​​en métodos de introscopia. Motores de búsqueda acústicos.

Buscar herramientas técnicas basadas en métodos de introscopia. Sistemas de búsqueda acústica.

Kovalev Alexey Vasilievich, Doctor en Ciencias Técnicas

BUSCAR HERRAMIENTAS TÉCNICAS BASADAS EN MÉTODOS DE INTROSCOPIA.
MOTORES DE BÚSQUEDA ACÚSTICA.

La solución clásica de una gama suficientemente amplia de problemas de búsqueda, realizada sobre la base de la introscopia y métodos de prueba no destructivos, implica realizar, como primer y principal paso, la elección óptima de un método físico o su combinación, teniendo en cuenta el propósito y contenido del problema, las condiciones para su solución, así como las características del objeto de prueba y la búsqueda del objeto con el posterior desarrollo de un algoritmo, diagrama estructural y funcional del dispositivo y la creación directa de equipos en conjunto. con la técnica de control.

Los principales requisitos para los métodos seleccionados son:

1. Garantizar una solución eficaz al problema de la búsqueda.
2. Garantizar la seguridad del operador cuando trabaja con equipos de búsqueda.
3. La capacidad de crear sistemas de búsqueda móviles y portátiles.

Los factores importantes que determinan la decisión final sobre la elección de uno u otro método de control o su combinación son la disponibilidad de información a priori sobre la estructura y las propiedades físicas tanto del objeto de prueba como del objeto de búsqueda, la naturaleza de la interacción de los campos físicos con ellos, así como las condiciones y tiempo permitido de control.

Este artículo analiza el método de ensayo acústico, cuyo alcance principal es el control de estructuras de edificación (SC) de hormigón y hormigón armado.

El método de radiación comentado en artículos anteriores, por su versatilidad, permite controlar SC de hormigón y hormigón armado. Sin embargo, para implementarlo, por regla general, se requiere un enfoque bilateral del objeto de prueba, lo cual no siempre es posible.

Para evaluar adecuadamente las capacidades del método acústico para monitorear SC, sus ventajas y características, que analizaremos a continuación, consideremos brevemente las posibilidades del método de radiación para el diagnóstico de KS.

Para detectar defectos de bajo contraste en estructuras heterogéneas, que son hormigón, hormigón armado y otros materiales compuestos, de acuerdo con la práctica establecida, se utiliza el método de radiografía (para espesores superiores a 200 mm) o el método fluoroscópico (para espesores menores). . En ambos casos, la heterogeneidad del objeto de prueba tiene un impacto significativo en los resultados de la inspección (detectabilidad de defectos). Además, el espesor de la capa de hormigón u hormigón armado, en la que la heterogeneidad de la estructura se manifiesta de forma significativa, es de hasta 200 mm. La heterogeneidad de la estructura de hormigón tiene su máximo impacto cuando se detectan defectos en forma de huecos o inclusiones extrañas de forma irregular. Para barreras de hormigón más gruesas, la influencia de la heterogeneidad se reduce significativamente, lo que se debe principalmente a los procesos de albedo.

Los espesores controlables de las barreras de hormigón y de hormigón armado están determinados por el valor energético de la fuente de radiación primaria.

La Figura 1 proporciona información en forma de histogramas sobre los espesores óptimos de hormigón y hormigón armado que están sujetos a un control efectivo por diversas fuentes de radiación.

Fig. 1. Espesor de hormigón controlado para diferentes fuentes de radiación:

La limitación del espesor controlado de las estructuras de hormigón y de hormigón armado a 200 mm, típica en la gran mayoría de las tareas de búsqueda, permite considerar el método de introscopia, o más bien fluoroscopia, como fundamental en el desarrollo de los sistemas de búsqueda por radiación. . Las ventajas de este método incluyen un alto rendimiento de prueba, la posibilidad de visualización desde múltiples ángulos del objeto controlado, así como el potencial de mejorar los resultados del control mediante la acumulación de imágenes, la digitalización y el procesamiento matemático.

La Figura 2 muestra resultados experimentales para evaluar la detección de huecos y defectos en hormigón de sección redonda y rectangular, respectivamente, así como en alambre de cobre.

Figura 2a. Detección de huecos en el hormigón
1) defecto redondo
2) defecto rectangular

Figura 2b. Detectabilidad de varillas de cobre en hormigón.

Los cálculos estimados y los experimentos repetidos muestran que con un método bilateral de monitoreo de SC de hormigón y hormigón armado mediante introscopia de radiación, se encuentran disponibles espesores de 80-200 mm con energías de radiación de hasta 300 keV. En este caso, los resultados de sensibilidad realistas que se pueden lograr oscilan entre 0,8 — 1,8 % y 1,5 — 2,5 % para huecos, y el diámetro mínimo de un cable de cobre detectado de forma fiable no supera los 1,2 — 1,8 mm.

En condiciones comparables, la radiografía proporciona una mayor sensibilidad. Sin embargo, es posible aumentar la sensibilidad de los sistemas fluoroscópicos, logrando idealmente parámetros radiológicos, proyectando un aumento en la escala de la imagen de sombra del objeto de prueba. Cabe señalar que el uso de tomosíntesis o tomografía puede aumentar varias veces la sensibilidad del control y la detección de defectos. Sin embargo, la implementación de estos métodos aumentará significativamente el tiempo de control y su costo, y el equipo que los implemente tendrá características de peso y tamaño bastante impresionantes.

El método de prueba acústica, o más precisamente el método de eco de pulso ultrasónico (EE.UU.), proporciona la capacidad de visualizar la estructura interna de materiales heterogéneos (que incluyen hormigón y hormigón armado) con un enfoque unilateral. Naturalmente, estas características del método, junto con la capacidad de presentar los resultados de la inspección en forma de una imagen bidimensional de una sección de orientación arbitraria de la estructura interna de las estructuras en estudio (tomogramas), así como la síntesis de una imagen tridimensional, le confiere una serie de ventajas y la hace atractiva para su implementación en equipos de búsqueda. Estos equipos permiten diagnosticar el hormigón y los productos de hormigón armado con un acceso unilateral a su superficie, que suele ser la única posibilidad de control.

Hormigón, hormigón armado y otros materiales similares con un interior muy heterogéneo La estructura es un control de objetos muy complejo, lo cual se debe a varias razones.

En primer lugar, el rápido aumento del coeficiente de atenuación de las ondas acústicas con la frecuencia hace que sea casi imposible utilizar señales con frecuencias superiores a 200 kHz para probar dichos materiales. Además, ya en el rango de 100 a 200 kHz, la atenuación aumenta tan significativamente que el espectro de la señal recibida resulta notablemente limitado en las frecuencias superiores.

En segundo lugar, el de grano grueso (en comparación (Debido a la longitud de onda acústica) la estructura del material genera un fuerte ruido estructural, cuyo nivel aumenta cuanto mayor es la frecuencia de la señal, lo que también limita las posibilidades de elegir la frecuencia de funcionamiento de la señal.

En tercer lugar, la superficie normalmente rugosa, porosa y polvorienta de una estructura de hormigón complica enormemente la selección y el uso de lubricantes de contacto y hace que el contacto acústico del equipo con el objeto de prueba sea muy poco fiable e inestable. La realización del control en este caso va acompañada de importantes pérdidas de tiempo improductivas para crear y mantener el contacto acústico. Esta última circunstancia nos obliga a buscar y optimizar formas de utilizar el contacto acústico seco.

La importante heterogeneidad de la estructura interna del hormigón y de los objetos de hormigón armado es la causa de un alto nivel de interferencia estructural, una de las formas de reducirla es optimizar la señal de sondeo.

Por un lado, cuanto más corta es la señal de sondeo, menor es el nivel de ruido que genera, ya que en este caso el ruido es la superposición repetida de múltiples reflexiones de la señal de sondeo debido a faltas de homogeneidad en la estructura interna del objeto de prueba. Por otro lado, una señal más corta tiene un espectro más amplio, cuya región de alta frecuencia puede provocar un aumento del ruido. Finalmente, basándose en la resolución requerida del equipo (5-10 cm), la longitud espacial de la señal no debe exceder significativamente este valor, que, a velocidades de propagación de las vibraciones acústicas en el hormigón de 2000 — 4000 m/s, da duraciones de señal del orden de 15 — 50 μs. Estas señales con una frecuencia espectral media de 70 kHz pueden contener de 1,5 a 3 períodos de llenado. Las dificultades tecnológicas para crear transductores ultrasónicos capaces de procesar señales en 1,5 períodos de llenado son significativamente mayores que las de los transductores con señales más largas (en períodos).

El tipo de señal de sondeo se determina con bastante precisión mediante la función s(t ), modelando la señal recibida por un transductor ultrasónico después de emitir un pulso acústico por él mismo o por un transductor similar en un medio isotrópico homogéneo con un reflector puntual

,

donde:

A– amplitud de la señal,
Ф(t) – función Heaviside,
b – retraso de la señal relativo al pulso de sondeo,
а y х – parámetros que determinan la forma de la envolvente de la señal,
f – frecuencia de llenado,
t – tiempo.

La presencia de la función Heaviside excluye de la señal cualquier componente con un tiempo de retardo inferior a b. Esto concuerda bien con las condiciones físicas del problema de generación, propagación y recepción de señales acústicas. Esta señal, con la elección adecuada de los parámetros а y х, tiene la forma de un pulso de radio con una envolvente en forma de campana y varios períodos de llenado.

El ruido estructural es un conjunto de señales similares con retrasos aleatorios y multiplicadores de amplitud que dependen del valor del retraso, ya que un retraso mayor corresponde a un camino más largo recorrido por la señal en el objeto de prueba y un mayor número de reflexiones de sus faltas de homogeneidad. Por tanto, el ruido se puede representar como

,

donde:

bi – i componente de ruido de retardo,
y: un parámetro que modela la atenuación y dispersión de ondas ultrasónicas en el material.

Aquí no se tienen en cuenta las distorsiones de la parte de alta frecuencia del espectro del pulso de sondeo causadas por un aumento en el coeficiente de atenuación ultrasónico con la frecuencia, ya que, en primer lugar, la frecuencia f se elige de modo que para evitar distorsiones de frecuencia significativas de la señal y, en segundo lugar, estas distorsiones solo subestimarán ligeramente el nivel de ruido y prácticamente no tendrán ningún efecto en su dependencia de la duración de la señal.

La Figura 3a muestra modelos de oscilogramas de la señal de sondeo y la correspondiente implementación del ruido estructural causado por la radiación de esta señal en un semiespacio estructuralmente no homogéneo. Y la Fig. 3b muestra modelos similares de oscilogramas para una señal de sondeo más corta.

Fig. 3. Modelos de oscilogramas de la señal de sondeo con duración: 50 ms (a) y 25 ms (b) y las correspondientes implementaciones de ruido estructural.

De las figuras anteriores se puede ver que el nivel de ruido depende de la duración del pulso de sondeo.

La reverberación estructural, en particular en el hormigón, son reflexiones múltiples de ondas ultrasónicas entre elementos de árido grueso, acompañadas de la transformación mutua de vibraciones longitudinales en vibraciones transversales y viceversa. Como regla general, los tamaños de los elementos de relleno individuales y las distancias entre ellos son proporcionales a la longitud de onda ultrasónica, por lo que la energía del pulso de sondeo emitido en el hormigón se disipa principalmente en las irregularidades ubicadas en las proximidades del punto de emisión y solo diverge parcialmente. a capas más distantes del material. Como resultado, el ruido acústico recibido por el transductor ultrasónico decae desde el momento de la emisión del pulso de sondeo mucho más lentamente de lo previsto mediante cálculos que no tienen en cuenta la dispersión secundaria y más compleja. Las realizaciones de ruido estructural obtenidas a partir de sondeos repetidos en posiciones constantes del emisor y receptor de ultrasonidos están completamente correlacionadas entre sí en momentos coincidentes debido a la estacionariedad del medio. Sin embargo, cuando cambian las posiciones de los puntos de emisión y recepción, la correlación se rompe. Una evaluación de las principales características estadísticas del ruido en frecuencias de aproximadamente 80 kHz utilizando un conjunto de realizaciones obtenidas en diferentes puntos de la superficie del hormigón utilizando un transductor ultrasónico combinado y un par de transductores a una distancia constante entre ellos mostró que el ruido estructural es un proceso aleatorio no estacionario, que en cualquier momento fijo en el tiempo (excluyendo el intervalo de recepción de señales de ondas superficiales), la ley de distribución de valores instantáneos de ruido estructural es cercana a la normalidad con expectativa matemática cero, y la dispersión en el intervalo de 50 — 500 μs desde el momento de la emisión del pulso de sondeo disminuye en promedio a una velocidad de 0,05 — 0,1 dB/μs.

En principio, la selección espacial de reflectores con transductores ultrasónicos no direccionales puede garantizarse mediante un sondeo multiángulo de cada punto del semiespacio estudiado desde su superficie. Este método, que recientemente ha encontrado aplicación en el control de materiales de estructura fina y en el diagnóstico médico, es físicamente similar al enfoque de la radiación ultrasónica en cada punto del semiespacio y a la recepción enfocada de las señales reflejadas desde cada punto sondeado, y es prácticamente Se lleva a cabo escaneando la superficie del medio espacio con transductores ultrasónicos que sintetizan la apertura receptora-emisora ​​de grandes tamaños de onda. Este método de apertura sintetizada enfocada a un punto arbitrario en un semiespacio con procesamiento de datos coherente puede clasificarse como una de las variedades de holografía multifrecuencia. En la literatura se le conoce como método SAFT (Técnica de enfoque de apertura sintética). Al utilizarlo, la resolución longitudinal (en profundidad) está determinada en primera aproximación por la extensión espacial del pulso acústico, y en transversal (en el frente) está próxima a la longitud de la onda acústica.

La solución al problema de detectar señales útiles en un contexto de ruido estructural se combina armoniosamente con la solución al problema de la selección espacial de reflectores mediante el método SAFT. De hecho, dado que es imposible descorrelacionar significativamente las realizaciones del ruido estructural obtenidas con transductores ultrasónicos estacionarios cambiando los parámetros del pulso de sondeo, prácticamente lo único que queda es la posibilidad de acumulación espacial de la señal al irradiar el reflector y recibir señales de eco. desde diferentes direcciones al reflector desde la superficie del objeto de prueba, lo cual se realiza en el método SAFT. Pero para la acumulación espacial de una señal con el fin de aumentar la relación señal-ruido (S/N), naturalmente se requiere el mayor número posible de implementaciones no correlacionadas de las oscilaciones recibidas, mientras que para implementar solo la selección espacial (en ausencia de interferencia), la apertura sintetizada puede ser escasa.

Para obtener el mayor número de implementaciones no correlacionadas, es necesario seleccionar correctamente el paso de escaneo de los transductores ultrasónicos de la superficie del semiespacio durante la síntesis de apertura (o el paso del conjunto de antenas) y las dimensiones de la superficie activa del transductor (conjunto elemento).

En la figura. La Figura 4 muestra esquemáticamente un transductor de antena realizado en forma de una matriz bidimensional de transductores puntuales elementales ubicados con un paso Dl (hasta una primera aproximación mucho menor que la longitud de onda) en la superficie de un objeto dentro de la apertura S. Cada uno de Los transductores elementales pueden emitir y recibir vibraciones ultrasónicas. Un transductor de antena combinado desenfocado equivale a la conexión en paralelo de todos estos elementos, y para asegurar el enfoque en un punto arbitrario F, es necesario asegurar la posibilidad de puesta en fase independiente de cada uno de los elementos. Por fase nos referimos a la creación para cada elemento de dicho retraso (en la ruta eléctrica o acústica) durante la emisión y recepción de una señal, de modo que las señales acústicas excitadas por un pulso eléctrico de todos los elementos lleguen simultáneamente al punto F, y las señales reflejadas en él, después de ser recibidas por todos los transductores, se resumirían en fase .

Fig. 4. Esquema del convertidor de antena matricial

Para el método pulso-eco aplicado a pruebas concretas, dicha puesta en fase se puede realizar digitalmente basándose en el método SAFT-C modificado, que se diferencia en que las implementaciones iniciales se obtienen no solo de cada transductor de conjunto de antenas elementales (AR) que opera en un modo combinado, pero al mismo tiempo se utilizan todas las combinaciones de pares de transductores ubicados dentro de la apertura. En este caso, como es fácil de ver, el número total de implementaciones de eco no correlacionadas recibidas M (incluido el modo combinado) será

,

donde: n– el número total de elementos en la apertura.

En este caso, el número total de realizaciones de señales de eco recibidas será aproximadamente n/2 veces mayor que para el método SAFT. Esto proporcionará una mayor ganancia para la acumulación coherente de señales útiles, lo cual es necesario al inspeccionar concreto debido al alto nivel de ruido en una sola implementación.

Cuando se utiliza el método SAFT-C para cada punto F con coordenadas x, y, z en el plano reconstruido, el valor del coeficiente de reflexión condicional se calcula mediante la fórmula:

dónde:

i – número del elemento transmisor,
j – número del elemento receptor elemento;
A(q i, q j) – coeficiente de ponderación teniendo en cuenta la influencia de los patrones de radiación de los elementos transmisores y receptores;
Uij(t)– implementación de tiempo-eco-pulso, para el par de convertidores correspondiente;
t0 – tiempo de retardo de hardware constante en la ruta de recepción;
ri – distancia desde el elemento transmisor hasta el punto de enfoque;
rj – distancia desde el elemento receptor hasta el punto de enfoque;
с – velocidad de las ondas ultrasónicas .

La ganancia marginal en la relación señal-ruido, determinada en términos de voltaje (que es equivalente al brillo del tomograma resultante), bajo la condición de acumulación coherente de la señal y ruido no correlacionado, será

Para tamaños suficientemente grandes Se pueden considerar n valores

Por lo tanto, en una primera aproximación, para el método SAFT-C, la ganancia en s/n relativa a una sola implementación es directamente proporcional al número de elementos AR. Debe tenerse en cuenta que se puede lograr una ganancia adicional sin aumentar el número de elementos AR mediante el procesamiento conjunto de señales obtenidas para varias posiciones de apertura que no se superpongan en la superficie del objeto.

El número total de n elementos AR está determinado por el tamaño de la apertura y el paso de instalación dentro de sus límites de los convertidores elementales, que, a su vez, dependen del radio r de correlación de ruido estructural. Radio de correlación rdetermina el tamaño mínimo de una región circular en la superficie del espacio controlado en el que las realizaciones de ruido (en ausencia de defectos) tomadas de puntos en el centro y en el borde de la región con un emisor estacionario prácticamente no están correlacionadas. Es inútil utilizar un paso menor que r, ya que prácticamente no habrá acumulación de señal adicional de nuevas implementaciones de oscilaciones de entrada, y el número total de implementaciones aumentará.

El paso de disposición de los transductores elementales en el AR y el paso de escaneo mediante un solo transductor elemental de la superficie del objeto de prueba en el caso de la síntesis física secuencial de la apertura también dependen del tamaño del área de contacto del transductores. Cuando se utilizan transductores de contacto líquido, estas dimensiones suelen ser (0,5-1,5) la longitud de onda acústica en el hormigón. Cuando se utilizan convertidores de contacto seco, las dimensiones del área de contacto se pueden considerar cero.

La conexión entre el área de contacto acústico de un transductor elemental y el paso mínimo de escaneo de la superficie de un objeto, que asegura una correlación débil del ruido estructural de las posiciones vecinas del transductor, está sujeta a las siguientes disposiciones. Si el convertidor tiene dimensiones varias veces mayores que r, entonces con un paso de escaneo igual a rel transductor en una nueva posición cubrirá en gran medida parte de la superficie del objeto de prueba que ocupaba en la posición anterior, y las implementaciones adoptadas pueden correlacionarse significativamente entre sí. En el caso de dimensiones aproximadamente iguales del transductor al radio de correlación y un paso igual a r entre las realizaciones de las oscilaciones recibidas, aparentemente también habrá una correlación notable, ya que una parte significativa de Los puntos de la superficie del objeto de prueba pertenecientes a la nueva posición del transductor estarán separados de los puntos de la posición anterior a una distancia menor que r. Como lo han demostrado los experimentos, con un diámetro de la superficie activa de los transductores D » 1,5r, el paso mínimo de exploración debe ser igual a D.

La selección de las dimensiones de la superficie activa del transductor ultrasónico (diámetro o longitud de los lados, si es rectangular) para su uso como elemento AR se basa en las siguientes consideraciones. Cuanto mayor sea el tamaño del elemento, mayor será la relación S/N en una sola implementación de las oscilaciones recibidas por este elemento y, por tanto, con un menor número de implementaciones acumuladas, la relación S/N requerida en la imagen resultante podrá ser logrado. Sin embargo, un aumento excesivo del tamaño de un elemento conducirá naturalmente a un estrechamiento inaceptable de su función de directividad y, como consecuencia, a limitar el tamaño de la apertura que pueden sintetizar dichos elementos. Las dimensiones de la apertura sintetizada afectan no sólo a la resolución del equipo, sino también a la relación S/N resultante en el tomograma construido, que es mayor cuanto mayor es el área de apertura, ya que de un dispositivo se pueden eliminar un mayor número de realizaciones de oscilaciones ultrasónicas. área más grande.

Lo anterior nos permite formular los requisitos básicos para la apertura sintetizada por convertidores con contacto líquido para asegurar la relación S/N más alta en el tomograma resultante de la siguiente manera:

1. La apertura sintetizada debe estar llena, es decir, toda la superficie del objeto controlado, limitada por los elementos más externos de la apertura, debe estar activa.
2. Al recibir y recibir señales, cada par de elementos de apertura de todas las combinaciones posibles (por pares) debe usarse de forma independiente entre sí, así como cada elemento emparejado consigo mismo. Esta detección puede denominarse detección Raman.

El primero de estos requisitos significa que cada área de la superficie del semiespacio en estudio, que se encuentre dentro de los límites de la apertura sintetizada, debe usarse para emitir y recibir oscilaciones ultrasónicas y contribuir a la señal de eco total.

El segundo requisito maximiza el número de implementaciones no correlacionadas (en términos de ruido) de oscilaciones de entrada que se pueden obtener a partir del número limitado de elementos de apertura disponibles. En otras palabras, si la apertura se sintetiza mediante n elementos, entonces cada uno de ellos debe funcionar una vez en conjunto con los n-1 elementos restantes de la apertura como emisor (o receptor) de oscilaciones ultrasónicas y una vez como transductor ultrasónico combinado.

Para convertidores con contacto seco, el paso de los elementos en la apertura debe tomarse igual o ligeramente menor que el radio de correlación.

La posibilidad de obtener información sobre la distribución espacial de los reflectores en un semiespacio estructuralmente no homogéneo utilizando una matriz de un número finito de transductores ultrasónicos puntuales se deriva del hecho de que la distancia mínima entre puntos adyacentes de recepción (o emisión) de señales ultrasónicas de la superficie de dicho semiespacio en el que es posible obtener realizaciones prácticamente no correlacionadas del ruido estructural, diferentes de cero e iguales al radio de correlación. Esta conclusión se desprende del análisis de la dependencia del coeficiente de correlación de las realizaciones de ruido estructural del diámetro de los receptores de vibraciones acústicas instalados en la superficie del semiespacio. Como D del área de contacto acústico de los receptores tiende a cero, a partir de un diámetro igual a la distancia entre los receptores, el coeficiente de correlación del ruido, al disminuir, tiende a un valor finito distinto de cero. Como resultado, el paso de escaneo de dicho receptor en la superficie de un objeto, cuando D disminuye a cero, tiende no a cero, sino a un valor completamente finito igual al radio de correlación del ruido estructural. Por lo tanto, al construir un AR con contacto seco, no es necesario lograr un paso de rejilla pequeño con una gran cantidad de sus elementos para la acumulación espacial de la señal de cualquier reflector en el objeto de prueba.

Los requisitos para la abertura sintetizada en el caso de sus elementos puntuales difieren de los formulados anteriormente para una abertura en contacto con líquido solo en que el llenado de la abertura se entiende aquí como la ausencia de espacios vacíos en la red con un paso de r, y No se requiere una cobertura completa del área de apertura por la superficie activa.

Las disposiciones formuladas anteriormente permitieron desarrollar diagramas estructurales y funcionales y crear una serie de muestras de equipos acústicos de búsqueda para el diagnóstico de estructuras de hormigón y hormigón armado, así como productos fabricados con materiales estructuralmente heterogéneos que brindan control con acceso unilateral a la superficie de los objetos controlados.

Los primeros resultados significativos en el campo de la creación de instrumentos de búsqueda acústica nacionales, que hasta el momento no tienen análogos extranjeros, se expresaron en el desarrollo del medidor de espesores por ultrasonidos de baja frecuencia CONDENSER-7” (UT-201), que se muestra en la foto 1. y un tomógrafo de búsqueda “OTZYV-1” ( UI-201) – foto 2, destinado a medir parámetros geométricos y diagnosticar estructuras de edificios de hormigón armado mediante la visualización de la estructura interna de los objetos de prueba.

Foto 1. Medidor de espesor ultrasónico UT-201

El producto UT-201 consta de tres módulos principales: una unidad procesadora, un conjunto de antenas y una sonda de prueba para la evaluación preliminar. de la velocidad de propagación del ultrasonido en el objeto de control.

El complejo UI-201 incluye un conjunto de antenas, una unidad para el procesamiento preliminar y almacenamiento de información, un módulo de procesador, así como un dispositivo para suministro continuo de líquido de acoplamiento al área del plano de trabajo del conjunto de antenas.

Foto 2. Tomógrafo ultrasónico UI-201.

El hardware tiene características de peso importantes: UT-201 — hasta 8 kg, UI-201 ~ 30 kg. El algoritmo de su trabajo garantiza el control con un enfoque unilateral del objeto de búsqueda. Sin embargo, sus conjuntos de antenas, que son elementos transductores conectados rígidamente, requieren contacto con líquidos y no proporcionan un funcionamiento confiable en superficies irregulares y rugosas. La sensibilidad del equipo permite controlar profundidades de no más de 500 mm. En este caso, las dimensiones del defecto mínimamente detectable (cavidad de aire local) son ~ 50 mm de diámetro. Cabe señalar que al formar un corte tomográfico, el tiempo de una medición para UI-201 es de al menos 50 segundos.

El siguiente paso en la creación de herramientas de búsqueda acústica fue el desarrollo de equipos en los que se tuvieron en cuenta y eliminaron las deficiencias antes mencionadas, que eran el principal factor que limitaba el uso generalizado tanto del medidor de espesor como del complejo tomográfico.

La foto 3 muestra un moderno complejo de búsqueda ultrasónica: el tomógrafo A 1230, que incluye un dispositivo de antena (AD) basado en una matriz de antenas de 36 elementos, una unidad de procesamiento de señales espacio-temporales (procesador de antena) y una computadora personal. El AC contiene un dispositivo receptor y transmisor multicanal controlado por una computadora. El procesador de antena consta de una unidad de filtrado analógico-digital y un procesador especial espacio-temporal. En el bloque de filtrado analógico-digital, el procesamiento primario de la señal se lleva a cabo utilizando parámetros conocidos a priori de las señales recibidas y la interferencia, así como las características conocidas de los elementos AR y el medio de propagación de las oscilaciones ultrasónicas. Un procesador especial espacio-temporal sintetiza una serie de datos sobre las propiedades reflectantes de puntos en el volumen de material en estudio. Los datos se acumulan en la memoria de la computadora, que también controla el funcionamiento del equipo y sirve para mostrar tomografías en escala de grises.

Foto 3. Tomógrafo ultrasónico A 1230

El equipo de búsqueda visualiza la estructura interna del objeto controlado a una profundidad de hasta 1000 mm y permite detectar defectos con un diámetro de 30 mm o más en hormigón y hormigón armado. La resolución del equipo garantiza la detección separada de estos defectos si la distancia entre ellos es de al menos 100 mm. Las imágenes resultantes son fáciles de interpretar. La capacidad de ver rápidamente un volumen visualizado de material capa por capa con la presentación de tomogramas de tipo B y C facilita la identificación de defectos extendidos, por ejemplo, grietas, cavidades, delaminaciones, así como superficies del fondo. p>

La foto 4 (a-e) muestra las tomografías más características y visuales obtenidas con el equipo desarrollado. Todas las tomografías son del tipo B, ya que las tomografías C son menos expresivas debido a la ausencia de una señal inferior. Los niveles de señal en las tomografías en la pantalla del dispositivo se pueden presentar en forma de paleta de colores o tonos de gris. Las imágenes presentadas utilizan una escala de grises, donde un nivel de señal más alto corresponde a un tono más claro. Los defectos suelen aparecer como manchas blancas. El eje X horizontal coincide con la línea de exploración del dispositivo de antena en la superficie de la estructura que se está examinando. Eje Z — este es el eje de profundidad. Los ejes están graduados en milímetros. Todas las tomografías se obtuvieron con un paso de escaneo de 80 mm. Este paso combina una sensibilidad bastante alta con un rendimiento aceptable en muchos casos.

a)
b)
v)
r)
d)

Foto 4. Tomografías de bloques de hormigón con diversos defectos:

Canal de 30 mm (a);
tres canales de diferentes diámetros y a diferentes profundidades (b);
dos canales paralelos de 30 mm (c);
huecos esféricos (d) y viga metálica (e)

Las fotos 4 (a) y (b) muestran tomografías de bloques de concreto con canales perforados, simulando tuberías de comunicación. Los canales están situados paralelos a la superficie de hormigón accesible y perpendiculares a la línea de exploración. El árido grueso de hormigón es piedra triturada de granito con un tamaño máximo de partícula de 10 mm. Los patrones de canales son claramente visibles, especialmente a profundidades inferiores a 300 mm. El exceso de los niveles de señal por encima del nivel medio de ruido estructural para canales con un diámetro de 30 mm es de más de 18 dB, para canales con un diámetro de 13 mm – 10 y 8 dB. El canal ubicado a una profundidad de 345 mm tiene una señal menor (ver foto 4 (b)). Las coordenadas de las imágenes en el eje X coinciden con las verdaderas, mientras que en el eje Z hay cierta subestimación de la profundidad. Este error aumenta al disminuir la profundidad del canal y aumentar su diámetro, lo que puede explicarse por las crecientes diferencias entre el defecto y su modelo puntual utilizado en el algoritmo de síntesis de tomograma. Por ejemplo, un canal con un diámetro de 30 mm, cuyo eje está a una profundidad de 130 mm, se encuentra en el tomograma a una profundidad de 110 mm. Para un canal con un diámetro de 13 mm a una profundidad de 345 mm, este error es prácticamente nulo. La irregularidad de la imagen de la superficie inferior del hormigón puede explicarse por la interferencia de los reflejos del plano, ya que el algoritmo de síntesis de apertura está configurado para reflejos de puntos materiales en el espacio.

La foto 4 (c) muestra una tomografía de un bloque de hormigón con canales paralelos con un diámetro de 30 mm, que se encuentran a una profundidad de 160 mm a una distancia de 80 mm entre sí. Este bloque está fabricado de hormigón con árido de piedra caliza del tamaño mayor de 20 mm. Como resultado, se detectaron defectos en una relación señal-ruido estructural de aproximadamente 12 dB, que es menor que en el caso anterior. Sin embargo, se pueden resolver fácilmente entre sí. La superficie inferior del bloque no es visible aquí, ya que el espesor del bloque es de 600 mm. A la izquierda de la tomografía se puede ver la imagen de un bache en la superficie lateral del bloque.

La foto 4 (d) ilustra imágenes de modelos de defectos en forma de esferas vacías con diámetros de 35, 50 y 100 mm, cuyos centros se encuentran a una profundidad de 230 mm. La línea de escaneo se eligió de modo que todos los defectos cayeran dentro del plano de la sección fotografiada. El hormigón con el que está fabricado este bloque es el mismo que el de las dos primeras muestras, lo que permite evaluar en qué medida se detectan defectos no extendidos peores. Las relaciones señal-ruido en esta tomografía son 8, 12 y 16 dB, respectivamente, para un defecto con un diámetro de 35, 50 y 100 mm. La profundidad de la imagen de un defecto de 35 mm casi coincide con la verdadera; las profundidades de otros están subestimadas entre 10 y 20 mm por el motivo indicado anteriormente. A la izquierda de la tomografía, a una profundidad de 140 mm, podemos distinguir claramente la imagen de un mango de gancho de elevación incrustado en hormigón, hecho de alambre de refuerzo con un diámetro de 10 mm.

La tomografía (foto 4 (e)) se tomó durante una inspección de los cimientos de un edificio construido con el método de encofrado deslizante. Aquí hay una viga de metal en forma de I dentro del hormigón. Uno de los lados planos de la viga es paralelo a la superficie accesible de la base, a lo largo de la cual se realizó el escaneo con la antena del tomógrafo. La línea de escaneo se trazó horizontalmente de modo que la sección visualizada fuera perpendicular al eje longitudinal del haz. El espesor del hormigón en este lugar de cimentación es de 450 mm. La profundidad del plano de la viga que mira hacia la superficie de la cimentación es de aproximadamente 230-240 mm. Espesor del metal de la viga — 20 milímetros. En la tomografía, la viga de metal parece un plano reflectante que oscurece el reflejo de la superficie inferior del hormigón. La imagen de la superficie inferior se encuentra en la parte inferior izquierda del tomograma en el rango de 70 – 270 mm a lo largo del eje X.

Las imágenes presentadas muestran que el equipo de búsqueda creado permite detectar defectos locales en el hormigón, cuyo tamaño es comparable a la longitud de onda de las vibraciones ultrasónicas. El tamaño del grano del árido grueso de hormigón determina el límite natural de sensibilidad del dispositivo. Los defectos extendidos se detectan con una mejor relación de señal: — ruido, a pesar de que todas las tomografías se obtuvieron enfocando la apertura en cada punto del semiespacio.

La presencia de una computadora con un software especial en el complejo tomográfico A 1230 permite representar en forma tridimensional la información recibida sobre la estructura interna del objeto de prueba. Además, el programa ofrece la capacidad de preprocesar información, resaltar objetos de búsqueda, implementar visualización de vistas múltiples, etc. La foto 5 muestra una de las opciones para mostrar información en forma tridimensional.

Foto 5. Imagen tridimensional de la estructura interna del objeto de control.

En el proceso de creación de equipos de búsqueda destinados a monitorear estructuras de edificios de hormigón y hormigón armado, se acumuló una cantidad significativa de información, se encontraron varias soluciones técnicas y tecnológicas, se identificaron métodos y se obtuvieron varios resultados. Se han obtenido que permiten, sin costos adicionales, crear herrajes cuyo propósito funcional puede ser la evaluación de la calidad de las estructuras de hormigón y de hormigón armado, y su resistencia. En la creación de dicho hardware están trabajando decididamente especialistas de varios centros científicos extranjeros, entre los cuales el Instituto de Cambridge (Cambridge Ultrasonic) y el Instituto fur Massivbau Darmstadt han logrado los resultados más significativos. Sin embargo, cabe destacar que los resultados de la investigación de estas escuelas científicas todavía están muy por detrás de los presentados anteriormente.

La relevancia del trabajo con hormigón y hormigón armado está determinada por el hecho de que este material se ha convertido en el principal material de construcción del siglo XX. En el mundo se ha construido una gran cantidad de estructuras de hormigón: puentes, presas, túneles, edificios industriales y residenciales, carreteras, canales de transporte y riego, aparcamientos de varias plantas, instalaciones deportivas, etc. Para garantizar el funcionamiento seguro de estas estructuras es necesario su diagnóstico, proporcionando monitorización del estado y evaluación del factor de seguridad.

Para solucionar los problemas de diagnóstico, hoy podemos ofrecer una serie de herramientas técnicas de búsqueda adaptadas a las necesidades planteadas. problema.

La foto 6 muestra el probador ultrasónico UK 1401, diseñado para evaluar la resistencia de estructuras de hormigón y hormigón armado. La evaluación de la resistencia se basa en la correlación de la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas en el material con sus características físicas y mecánicas y su estado físico. Este producto es más eficaz para evaluar la capacidad de carga de pilares y soportes de hormigón, buscar defectos cerca de la superficie y evaluar el grado de anisotropía y textura de materiales compuestos.

Foto 6. Probador ultrasónico UK-1401