На правах рукописи

Угольков Андрей Викторович

АЛГОРИТМ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ

ЭХО-СИГНАЛОВ ПРИ СКОРОСТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ РЕЛЬСОВ

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Специальность:

05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Таганрог – 2013

Работа выполнена на кафедре теоретических основ радиотехники (ТОР) Инженерно-технологической академии Южного федерального университета (ИТА ЮФУ).

Научный руководитель: Федосов Валентин Петрович доктор технических наук, профессор

ИТА ЮФУ

г. Таганрог

Официальные оппоненты: Есипов Юрий Вениаминович доктор технических наук, профессор Донского государственного технического университета г. Ростов-на-Дону Бросалин Андрей Витальевич кандидат технических наук OOO Акустика г. Таганрог

Ведущая организация: ОАО Таганрогский научноисследовательский институт связи г. Таганрог

Защита состоится 23 декабря 2013 г. в 1610 часов в ауд. Д- на заседании диссертационного совета Д 212.208.20 при федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования Южный федеральный университет по адресу:

347928, Ростовская область, г. Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, д. 44.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: ул. Пушкинская 148, г. Ростов-на-Дону, Ростовская область, 344049.

Автореферат разослан ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.208. кандидат технических наук, доцент Савельев В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Неразрушающий контроль обеспечивает безопасность движения поездов, эксплуатацию различных железнодорожных систем и своевременное обнаружение дефектов рельсов. Применение пространственно-временных алгоритмов обработки эхо-сигналов позволяет существенным образом расширить возможности дефектоскопных систем и повысить вероятности обнаружения дефектов рельсов.

В настоящее время пространственно-временная обработка сигналов нашла широкое применение в портативных многоканальных дефектоскопных системах. В них широко применяется системы разнесенных в пространстве преобразователей акустических сигналов в электрические и последующая обработка этих сигналов, обеспечивающая высокую разрешающую способность. Исследованиями в этой области занимаются специалисты НПО ЦНИИТМАШ, ЭХО+, фирм АКС, Olympus NDT, а также МЭИ, ИТА ЮФУ и другие.

Характерной особенностью таких систем является использование множества излучателей и приемников на основе пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) с широкими диаграммами направленности и, как правило, они отделены от блока формирования и обработки сигналов. Такая архитектура обладает универсальностью и позволяет применять системы преобразователей с различными конфигурациями и параметрами, используя одно и тоже вычислительное устройство, но с разными настройками.

В основе существующих алгоритмов формирования и обработки сигналов для массива преобразователей по большей части лежит формировании диаграмм направленности, ориентированных в определенную зону пространства, за счет чего достигается высокая пространственная разрешающая способность. Однако, эти методы обладают низкой скоростью сканирования, что препятствует непосредственному их использованию в скоростной дефектоскопии рельсов.

Особенностью скоростной дефектоскопии рельсов железнодорожного пути является достаточно быстрое перемещение датчиков вдоль поверхности рельса, что сопровождает взаимное изменение пространственного положения и ориентации датчика относительно дефекта в рельсе. Тогда основная задача дефектоскопии рельсов сводится к формированию и обработке сигналов, для ориентации диаграммы направленности на дефект и получения его пространственных координат, за короткий промежуток времени. Такая задача может быть решена путем применения алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов, которые представлены в работах А.И Леонова, К.И. Фомичева, И.Я. Кремера, В.Г. Карташева, В.К. Качанова, А.А. Самокрутова, В.Г. Шевалдыкина и других.

Таким образом, актуальным является развитие алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов от многоэлементных пьезоэлектрических преобразователей (МПЭП) применительно к скоростной дефектоскопии рельсов железнодорожного пути.

Целью диссертационной работы является повышение надежности контроля рельсов железнодорожного пути на основе пространственновременной обработки эхо-сигналов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Разработать пространственно-временную модель распространения и отражения сигналов в дефектоскопном тракте (ПЭП призма рельс дефект рельс призма ПЭП).

2) Выполнить расчет эхо-сигналов с помощью разработанной модели методом компьютерного моделирования при различных дефектах рельса железнодорожного пути.

';

3) Разработать адаптивные алгоритмы, позволяющие определить пространственные параметры дефекта на основе анализа эхо-сигналов на выходах многоэлементного датчика.

4) Провести обработку эхо-сигналов по разработанным адаптивным алгоритмам при различных типах и положениях дефектов.

5) Разработать и изготовить экспериментальную установку для проведения натурных экспериментов.

6) Проверить работоспособность разработанных алгоритмов с помощью натурных экспериментов, сравнить результаты моделирования и натурных экспериментов.

Объектом исследования являются алгоритмы и цифровые устройства обработки эхо-сигналов для обнаружения и определения пространственных координат дефектов в рельсах железнодорожного пути.

Методы исследования основаны на использовании теории сигналов, линейной и матричной алгебры, методов статистического анализа, упругих колебаний и волн, а также теории электроакустических систем.

Численные расчеты и компьютерное моделирование выполнено с использованием численным методов прикладной математики и имитационного моделирования на языках Matlab и C. Экспериментальные исследования проводились с использованием установки на основе NI PXI-платформы (аппаратно-программная установка корпорации National Instruments для формирования и сбора сигналов) и в среде графического программирования LabVIEW.

Научная новизна. В диссертационной работе получен ряд новых результатов, основные из которых сводятся к следующему:

1) Предложен метод расчета эхо-сигналов с помощью импульсных характеристик тракта ПЭП призма рельс дефект рельс призма ПЭП c учетом их взаимного расположения в 3-мерном пространстве.

2) Получены аналитические выражения для расчета эхо-сигналов при различных дефектах в рельсе.

3) Разработаны адаптивные алгоритмы оценки зоны расположения дефекта в горизонтальной плоскости и угла ориентации плоского дефекта при скоростной дефектоскопии рельсов железнодорожного пути.

Практическая значимость.

1) Предложен метод численного моделирования импульсных характеристик дефектоскопного тракта, позволяющий рассчитать эхо-сигналы для МПЭП от точечного дефекта. Модель допускает обобщение для плоских дефектов состоящих из K точек, причем время расчета эхосигналов увеличивается в (0,8... 1,0)K раз.

2) Разработан адаптивный алгоритм обработки эхо-сигналов, определяющий местоположение дефекта в головке рельса при скоростной дефектоскопии рельсов, что позволяет в 3 раза уменьшить зону поиска при вторичном контроле участка рельса.

3) Разработан адаптивный алгоритм обработки эхо-сигналов, позволяющий оценить угол ориентации плоского дефекта, расширить диапазон применения датчика и надежность контроля рельсов железнодорожного пути, путем обнаружения дефектов развивающихся под углами от 35 до 90 относительно нормали к поверхности катания рельса.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Разработан метод численного моделирования импульсных характеристик тракта ПЭП призма рельс дефект рельс призма ПЭП, позволяющий рассчитать эхо-сигналы на выходе элементов МПЭП с учетом свойств всех компонентов тракта.

2) Разработаны адаптивные алгоритмы, позволяющие определить местоположение дефекта в головке рельса и угол ориентации плоского дефекта в шейке рельса.

3) Результаты модельных и экспериментальных исследований показали возможность использования информации о местоположении и угле ориентации дефектов в качестве дополнительных параметров для классификации и автоматического распознавания дефектов.

Внедрение результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках госбюджетной работы № 301*38-11/2013-3 и мероприятия 2.1 программы развития Южного федерального университета на 2011 г. (грант № 7-К-11-4). Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ООО НПСП ИнТехно г. Таганрога при разработке перспективного дефектоскопного комплекса для скоростных средств дефектоскопии рельсов железнодорожного пути. Полученные в работе результаты используются также в учебном процессе на кафедре теоретических основ радиотехники Южного федерального университета для дисциплин: Современные алгоритмы обработки сигналов, Математические модели сигналов и помех подготовки магистров по направлению Радиотехника, магистерская программа Системы и устройства передачи, приема и обработки сигналов. Внедрение и использование результатов работы подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная научная конференция Современные исследовательские и образовательные технологии, Таганрог, 2010 г.; Международная научная конференция Информационное общество: идеи, технологии, системы, Таганрог, 2010 г.; Всероссийская научная конференция Молодежь XXI века – будущее российской науки, Ростов-на-Дону, 2010 г.; Всероссийская научная конференция Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления, Таганрог, 2010 г.; Международная научная конференция Актуальные вопросы исследования общественных систем, Таганрог, 2011 г.; Международная научная конференция Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций, Санкт-Петербург, 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей и тезисов докладов в трудах Международных и Всероссийских научных и научнотехнических конференций (2 статьи в журналах из списка ВАК).

Структура диссертационной работы. Диссертационная работа написана на русском языке, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Изложена на 175 страницах, из которых 134 машинописных страниц, 68 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 102 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены основные квалификационных характеристики работы: обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи исследования; представлены объект и методы исследования; указаны научная новизна и практическая значимость; приведены результаты выносимые на защиту, апробация и структура диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены процессы формирования и распространения сигналов в ультразвуковых дефектоскопах. Описаны типы и группы дефектов рельсов. Приведены способы представления эхо-сигналов. Проанализированы алгоритмы и методы обнаружения дефектов с помощью одноэлементных и многоэлементных преобразователей. Обоснована цель и задачи исследований.

В трехмерном пространстве ультразвуковое колебание (УЗК) представляет собой две независимо распространяющиеся волны: продольную со скоростью cl и поперечную со скоростью ct, причем продольная волна всегда распространяется с большей скоростью, чем поперечная ct = 0,55 cl.

В основе ультразвукового метода неразрушающего контроля (НК) лежит изменение направления распространения УЗК при отражении волны от неоднородностей в исследуемом образце. Неоднородностями в материале могут служить как небольшие трещины (дефекты), так и стенки исследуемого образца. Существенным недостатком ультразвукового метода является невысокая вероятность обнаружения дефектов, у которых обратная диаграмма рассеяния пространственно не ориентирована на приемный датчик. Однако, не смотря на эти недостаток, ультразвуковой метод получил наибольшее распространение в дефектоскопии рельсов ж/д пути.

В современных дефектоскопах в основном используется импульсный режим излучения УЗК. На рис. 1 показана упрощенная структурная схема ультразвуковой дефектоскопной системы. Генератор формирует радиосигнал s(t) с заданными параметрами, который с помощью пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) излучается в рельс в виде упругих волн, то есть УЗК. Наталкиваясь в рельсе на дефект, зондирующий Генератор Синхронизация Индикатор сигнал u(t), огибающая U (t) которого отображается на индикаторе.

На рис. 2 представлены огибающие сигналов, U (t) отображаемые на индикаторе. В случае присутствия огибающей эхо-сигнала 2, в промежутке меж- ду огибающими зондирующего 1 и донного сигнаt ла 3 можно предполагать наличие дефекта в рельРис. се. Хотя возможна и ситуация, когда зондирующий сигнал отразится от стенок рельса и будет являться помехой. Расстояние z между датчиком и дефектом равно z = ct /2, где ct – скорость распространения УЗК в материале (рельсе).

Для выявления различных дефектов с различным местоположением и ориентацией в рельсе необходимо изменять направление распространения УЗК в рельсе, то есть вводить зондирующий сигнал s(t) в исследуемый образец под разными углами ввода. Для этих целей, на практике, l l1 обычно располагают призму из оргстекла (n1 ). На границе раздела сред падающая волна I = {l1 } распадаn соотношением Снеллиуса где c1 – скорость падающей волны, а c2 – преломленной.

Среди всех видов представлений результатов контроля рельсового пути, наибольшее распространение получили дефектограмма (изображение результатов дефектоскопирования) в виде В-развертки. Развертка типа В – это способ представления дефектограммы на коорtПЭП На В-развертке огибающие U (xПЭП, t) эхо-сигналов отображаются не полностью, а только те части, которые превышают пороговый уровень U где Vв – скорость перемещения вагона-дефектоскопа.

Одним из направлений совершенствования системы дефектоскопирования является применение многоэлементных датчиков, которые широко используются в ультразвуковой томографии и других разделах акустики.

В томографии широко используется методы сбора полной матрицы U и общей фокусировки. Суть метода заключается в излучении и сборе эхосигналов u(y, t) с каждого элемента МПЭП состоящего из N преобразователей и последующей обработкой матрицы U эхо-сигналов Метод общей фокусировки применяется для реконструкции изображения внутренней структуры исследуемого образца. Для этого определяется расчетная сетка {y1...K, z1...P } и для каждой клетки вычисляется набор задержек 1...N,k,p сигналов к каждому элементу МПЭП так, чтобы суммарный сигнал был сфокусирован в заданной клетке.

где i – номер излучающего элемента МПЭП, а j – принимающего, uk,p (y, t) – эхо-сигнал, сфокусированный для клетки {yk, zp }.

Другой метод обработки эхо-сигналов от МПЭП – это фокусировка синтезированной апертуры, путем сбора и обработки нескольких эхосигналов, при перемещении излучающих и принимающих ПЭП. Также метод общей фокусировки, фокусировка синтезированной апертуры применяется для реконструкции изображения в заданной расчетной сетке путем когерентного суммирования эхо-сигналов при соответствующих положениях y элемента МПЭП где i – номер излучающего и принимающего элемента МПЭП.

Во второй главе проведен анализ алгоритмов расчета сигналов в пространственно-временной области и разработана модель распространения сигналов в МПЭП, призме и рельсе. Предложен алгоритм расчета импульсных характеристик сред распространения зондирующего сигнала на основе принципа Гюйгенса-Френеля. Разработан алгоритм расчета эхосигналов от точечного и плоского отражателя в рельсе, при помощи импульсных характеристик.

показана струк- u1 (y, t) гоэлементным торые поступают сигналы: отраженные s1...N (y, t) от дефекта, различного рода шумы 1...N (y, t), и сигналы s1...N (y, t), переотраженные от граней рельса и других его конструктивных особенностей. Эхо-сигнал un (y, t) на выходе n-го элемента МПЭП описывается следующим выражением где gn (y, t) – импульсная характеристика дефектоскопной тракта для n-го элемента МПЭП, s(t) – зондирующий сигнал, n {1... N }, y – смещение датчика вдоль рельса, а символ () – обозначает операцию свертки. Однако, уровень шумов 1...N (y, t), применительно к дефектоскопии рельсов, пренебрежимо мал по сравнению уровнем сигналов, отраженных от дефекта, поэтому un (y, t) sn (y, t).

Импульсная характеристика gn (y, t) характеризует среду распространения сигналов и зависит от взаимного пространственного положения МПЭП, призмы, рельса и дефекта.

Блок-схема алгоритма расчета импульсной характеристики gn (y, t) среды распространения от излучателя до приемника Sn изображена на рис. 6.

Зондирующий сигнал s(t) с помощью ПЭП, с импульсной характеристикой gS (t), возбуждает УЗК в призме, с импульсной характеристикой gP (t). Далее он распространяется в рельсе, с импульсной характеристикой gR (y, t), до дефекта. Эта часть тракта обозначается как прямой путь распространения зондирующего сигнала s(t). После этого он отражается от дефекта и проходит обратный путь с импульсными характеристиками:

рельс gRn (y, t) призма gP n (t) ПЭП gS (t). Импульсные характеристики распространения УЗК при прямом и обратном прохождении сигналов отличаются, так как излучающий и принимающий элемент МПЭП имеют разное пространственное положение.

Основной проблемой при определении эхо-сигналов u1...N (y, t) является определение импульсных характеристик g1...N (y, t) от излучателя до где gS (t), gP (t), gR (y, t) – импульсные характеристики излучающего элемента МПЭП, призмы и рельса соответственно, при распространении зондирующего сигнала s(t), gSn (t), gP n (t), gRn (y, t) – импульсные характеристики n-го приемного элемента МПЭП, призмы и рельса соответственно, при отражении сигналов от дефекта. Импульсные характеристики элемента МПЭП gSn (t) и призмы gP n (t) не зависят от смещения y датчика вдоль рельса относительно дефекта. gD (y, t) – импульсная характеристика дефекта.

Импульсная характеристики gn (y, t) среды распространения сигналов, зависит от многих факторов: взаимного пространственного расположения элементов МПЭП, призмы, дефекта, а также от их геометрических размеров и свойств сред. Для вычисления импульсных характеристик gS (y, t), gP (y, t), gR (y, t) используется методика расчета на основе принципа Гюйгенса-Френеля.

дефект, и для расчеj} бить их поверхности на элементарные зоны, как показано на рис. 7.

Модель допускает щих из множества точечных дефектов.

Алгоритм расчета и аналитические выражения для определения импульсной характеристики gn (y, t) приведены в тексте диссертации.

В третьей главе разработаны адаптивные алгоритмы обнаружения дефектов с использованием многоэлементных датчиков. Предложена схема разбиения головки рельса на зоны для получения информации о местоположении дефекта. Также предложен алгоритм определения угла ориентации плоского дефекта в шейке рельса. Проведены модельные эксперименты для определения параметров дефекта с использованием разработанных алгоритмов.

Реальные дефекты имеют слабо предсказуемый характер и, в некоторых случаях, сигнал, отраженный от таких дефектов, будет слабым, так как обратная диаграмма рассеяния дефекта не направлена в сторону приемника. При высокой скорости движения вагона-дефектоскопа время одного контроля (период следования радиоимпульсов) может снизиться до T = 200 мкс. По этой причине практически невозможно применить в реальном времени многие алгоритмы томографии, которые требуют значительно больше времени на формирование и обработку сигналов.

Частичным решением этой проблемы является излучение только одного зондирующего сигнала s(t) и запись всех эхо-сигналов u1...N (y, t), принимаемых на каждом элементе МПЭП, с последующей обработкой этих сигналов. Таким образом, для одного излучающего и N принимающих ПЭП матрица эхо-сигналов U будет записываться в виде вектора-строки:

На рис. 8 показана упрощенная структурная схема дефектоскопа с использованием МПЭП. Генератор 2 формирует зондирующий радиосигнал s(t), который отправляется на один из элементов МПЭП. Далее зондирующий сигналs(t) распространяется в исследуемом рельсе и отражается от дефекта 1 назад. Эхо-сигналы u1...N (y, t) на каждом приемном ПЭП будут отличаться по размаху и задержке, так как все ПЭП имеют разное пространственное положение. Однако, чтобы сохранить преемственность с существующими системами обеспечения преемственности с обычными (одноэлемнтными) датчиками суммарная площадь всех элементов МПЭП должна быть близка по площади с одноэлементным ПЭП.

Кроме основной обработки эхо-сигналов (суммирование + детектирование), в блоке 5 производится обработка радиосигналов. Местоположение дефекта вычисляется по задержке эхо-сигналов u1...N (y, t). И только в случае присутствия дефекта (превышение определенного порога по размаху огибающей U (y, t) суммарного эхо-сигнала) записывается информация о его положении.

ся неравномерной нагрузке в плоскости поперечного сечения.

рельса наиболее сильно прояв- 1 – МПЭП; 2 – дефект; 3 – проекция шейки рельляется со стороны реборды ко- са; 4 – проекция болтового отверстия.

пытывает большую нагрузку. Из этого следует, что головку рельса целесообразно разбить на три зоны, в которых может располагаться дефект и обрабатывать эхо-сигналы для каждой зоны, как представлено на рис. 9.

Адаптивный алгоритм определения местоположения дефекта в головке рельса при перемещении y датчика вдоль оси Y следующий:

1) определить расстояние R0 (y) до дефекта;

2) вычислить матрицу углов отклонения основного лепестка ДН для каждой зоны q {1, 2, 3} головки рельса 3) рассчитать матрицу весовых коэффициентов для эхо-сигналов U, направленных в определенную зону q головки рельса 4) провести весовую обработку сигналов для каждой зоны q 5) определить огибающую U с помощью амплитудного детектора где H – операция преобразования по Гильберту;

6) выполнить пороговую обработку огибающих сигналов 7) принять решение о местоположении дефекта на основании превышения огибающей Uq (y, t) порогового уровня U0 (В-развертка) в зоне q.

В плоскости продольного сечения рельса целесообразно определять угол ориентации d плоского дефекта относительно нормали к поверхности катания рельса. Алгоритм определения угла ориентации плоского дефекта в шейке рельса будет подобен алгоритму определения местоположения дефекта в головке рельса. За исключением количества Q зон в плоскости вдоль шейки рельса и определения матрицы весовых коэффициентов где P = p1, p2,..., pN – вектор-строка ослаблений сигнала в призме для МПЭП из-за различных расстояний от основания призмы до элемента МПЭП, I – единичный вектор-столбец размером Q, WR = wnq (y) – матрица весовых коэффициентов для эхо-сигналов, () – операция поэлементного умножения матриц, n {1... N }, N – количество элементов МПЭП.

q (yk )|k=0 = 0.

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования разработанных адаптивных алгоритмов определения местоположения дефекта в головке рельса и угла ориентации плоского дефекта в шейке рельса.

Выполнен сравнительный анализ результатов компьютерного моделирования и натурного эксперимента.

На рис. 10 изображено схематичное расположение элементов экспериментальной установки для выявления дефекта в плоскости продольного сечения рельса. Элемент S4 МПЭП излучает зондирующий сигнал s(t), а остальные элементы МПЭП S1,2,3 являются приемниками эхосигналов u1,2,3 (y, t). Использование дополнительного излучающего элемента S4 связано с ограничениями экспериментальной установки, а именно изза низкой скорости переключения каналов приемника и передатчика по временному интервалу. Поэтому зондирующий сигнал s(t) излучается отZ использовался датчик с углом отклонения основного лепестка Рельс Дефект составляли q 8. На рис. показаны дефектограммы в виld1 = ld2 = 2 мм; d1 = 42 ; d2 = де В-развертки для каждой В скоростной дефектоскопии рельсов, основное применение датчиков с углом ввода = 42 – это обнаружение дефектов, развивающихся от болтовых отверстий. Такой угол ввода выведен из практических соображений, так как он является оптимальным для обнаружения дефектов в шейке и подошве рельса (в зоне проекции шейки рельса). В зоне q = 2, угол ввода и приема q (y) одинаков и на дефектограмме отображаются линии огибающих от болтового отверстия и дефектов 1, 2.

В зоне q = 1 для угол приема q <, поэтому обнаруживается только дефект 2. Это объясняется тем, что дефект 2 имеет больший угол наклона d2, чем дефект 1. Соответственно эффективная поверхность отражения для дефектa 2 и уровень эхо-сигналов, будет больше, чем дефекта 1, при угле ввода q. На дефектограмме, пороговый уровень превышают только сигналы от дефекта 2 и от болтового отверстия, линии огибающих которых отображены на рис. 11 (верхняя В-развертка).

В зоне q = 3 угол приема q > и ситуация противоположна ранее описанной. На дефекто- зона грамме отображаются то- отверстия. Угол d1 ориентации дефекта 1 мень- -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 - есть в этой зоне обратная диаграмма рассеяния направлена на датчик, а у дефекта 1 она направле- женного, можно сделать ориентирован более вертикально, чем дефект 2.

же может служить дополнительным информационным параметром для классификации и систем автоматического распознавания дефектов. Кроме того контроль рельсов в области сварных швов должен проводиться датчиками с углом ввода = 50, который можно получить, отклоняя главный лепесток ДН на больший угол, чем это было сделано в эксперименте. Это позволяет расширить диапазон применения датчика – одновременно контролируется, и болтовые отверстия и область сварных швов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В результате проведенных в диссертационной работе исследований были получены следующие новые научные и практические результаты:

1) Проанализирована пространственно-временная модель распространения сигналов в ПЭП, призме и рельсе, а также его отражения от различных дефектов.

2) Разработан метод численного моделирования импульсных характеристик тракта ПЭП призма рельс дефект рельс призма ПЭП, позволяющий определить эхо-сигналы на выходах элементов МПЭП с учетом свойств всех компонентов тракта. Эхо-сигналы рассчитываются путем свертки зондирующего сигнала с импульсной характеристикой тракта, в которой распространялся зондирующий сигнал.

3) Выполнено численное моделирование тракта для точечного и плоского дефектов в условиях характерных для скоростной дефектоскопии рельсов: ПЭП с призмой перемещаются вдоль рельса с дефектом.

Компьютерное моделирование учитывает расположение компонентов в 3-мерном пространстве-времени.

4) Разработан адаптивный алгоритм пространственно-временной обработки эхо-сигналов с МПЭП, позволяющий определить местоположение дефекта в головке рельса и угол ориентации плоского дефекта, развивающийся под углами от 35 до 90, в шейке рельса путем синтезирования диаграмм направленности на прием в нескольких направлениях.

5) Разработана программа, реализующая адаптивный алгоритм пространственно-временной обработки эхо-сигналов с МПЭП.

6) Проведено компьютерное моделирование и обработка эхо-сигналов для 2-х случаев:

– МПЭП с углом ввода = 65 и отклонением основного лепестка ДН в плоскости поперечного сечения рельса;

– МПЭП с углом ввода = 42 и отклонением основного лепестка ДН в плоскости продольного сечения рельса.

Показано, что использование МПЭП позволяет уточнить пространственное положение дефекта по сравнению с обычным (одноэлементным) ПЭП.

7) Разработана экспериментальная установка на базе NI PXI-платформы, позволяющая:

– формировать зондирующие сигналы произвольной формы;

– принимать и накапливать эхо-сигналы с выводов МПЭП;

– применять обработку эхо-сигналов по произвольным программируемым алгоритмам с возможностью быстрого их изменения.

8) Проведены экспериментальные исследования работы установки на основе МПЭП на участке рельса с искусственными дефектами: засверленные отверстия в головке рельса и прорези от болтового отверстия в шейке рельса.

9) Проверка разработанных адаптивных алгоритмов в натурном эксперименте подтвердила высокую степень сходства с результатами компьютерного моделирования. Это позволяет использовать разработанную компьютерную модель тракта для предварительной обработки эхо-сигналов с выводов МПЭП.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Угольков А.В., Цветков Ф.А. Расчет эхо-сигнала ультразвукового дефектоскопа от точечного дефекта при малых расстояниях до излучателя импульсного зондирующего сигнала // Материалы международной научной конференции Совреременные исследовательские и образовательные технологии, ч. 3. Таганрог, 2010. С. 66–72.

2. Угольков А.В., Цветков Ф.А. Моделирование поля пьезоэлектрических излучателей на языке программирования LabVIEW // Материалы международной научной конференции Информационное общество: идеи, технологии, системы, ч. 3. Таганрог, 2010. С. 83–86.

3. Угольков А.В., Цветков Ф.А. Моделирование отраженного ультразвукового сигнала от плоского дефекта в рельсе // Материалы международной научной конференции Информационное общество: идеи, технологии, системы, ч. 2. Таганрог, 2010. С. 68–75.

4. Угольков А.В. Расчет амплитуды эхо-сигнала на пьезоэлектрическом преобразователе от цилиндрического отверстия // X Всероссийская научная конференция Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления. Таганрог, 2010. Т. 1. С. 16.

5. Угольков А.В. Расчет эхо-сигнала ультразвукового дефектоскопа от плоского дефекта при малых расстояниях до излучателя импульсного зондирующего сигнала // Материалы международной научной конференции Актуальные вопросы исследования общественных систем ч. 3.

Таганрог, 2011. С. 57–60.

6. Угольков А.В. Расчет импульсных характеристик пьезопреобразователей для различных дефектов при ультразвуковой дефектоскопии // Известия ЮФУ. Технические науки. Таганрог, 2013. № 1. С. 26–32.

7. Угольков А.В. Применение многоэлементных пьезопреобразователей при скоростной ультразвуковой дефектоскопии рельсов железнодорожного пути // Электронный научный журнал Инженерный вестник Дона. Ростов-на-Дону, 2013. № 1. URL: http://ivdon.ru/ magazine/archive/n1y2013/1579 (дата обращения: 12.06.2013).

8. Угольков А.В. Исследование поля пьезоэлектрических излучателей в ближней зоне // Сборник тезисов конференции Молодежь XXI века – будущее российской науки. г. Ростов-на-Дону: 2010.

9. Угольков А.В. Скоростная ультразвуковая дефектоскопия рельсов с использованием многоэлементных пьезоэлектрических преобразователей // Сборник тезисов конференции Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций / НИИ мостов и дефектоскопии // Федеральное агентство железнодорожного транспорта // Петербургский государственный университет путей сообщения. СПб.: 2013.

Личный вклад диссертанта в работах, выполненных в соавторстве, заключается в разработке программы расчета эхо-сигналов, компьютерном моделировании импульсных характеристик дефектоскопного тракта, разработке и изготовлении экспериментальной установки и проведении натурных экспериментов.

Типография Инженерно-технологической академии Южного федерального университета в г. Таганроге пер. Некрасовский, 44, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17А, 347928.