УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТОМОГРАФИЯ (УВТ)

При ультразвуковой ВТ возможно вос­
становление различных акустических характе­
ристик объекта - скорости звука (показатель
преломления), коэффихщента поглощения и
коэффициента отражения. На основе измере­
ния указанных акустических характеристик
среды может быть восстановлено простран­
ственное распределение таких исходных физи­
ческих характеристик объекта, как плотность,
величина модуля упругости, коэффициент
затухания.
Существуют две группы методов УВТ -
трансмиссионные и отражательные.
Основными характеристиками средств
УВТ являются чувствительность и разре­
шающая способность.
Чувствительность определяется мини­
мальной величиной площади объекта контро­
ля, которая регистрируется с требуемой степе­
нью достоверности. Она определяется затуха­
нием звука в материале, структурной ревербе­
рацией и уровнем шумов приемного тракта.
Системы когерентной обработки сигнала, к
которым относится и УВТ, позволяют суще­
ственно повысить чувствительность метода по
сравнению с методами обычной ультразвуко­
вой дефектоскопии. Имеются сведения об
обнаружении УВТ дефекта в стали площадью
10 мм^ на глубине около 100 мм. Ориентация
дефектов и их толщина существенно меняют
их отражательную способность и, следователь­
но, чувствительность.
Разрешающая способность УВТ не мож
быть меньше длины волны звука на данной
частоте в исследуемом материале.
Увеличение рабочей частоты приводит к
сильному затуханию, которое существенно
усложняет решение задачи.
Предельное разрешение в металлах со­
ставляет 1-3 мм, в неметаллах примерно на
порядок ниже.
Задачи измерения локальных физических
характеристик и обнаружения аномалий объ­емной структуры материалов (рыхлоты и из­
менения плотности могут быть решены с ис­
пользованием одного из методов трансмисси­
онной УВТ, которую в свою очередь можно
разделить на две группы:
1) методы, использующие алгоритмы
рентгеновской томографии (время-пролетиая
УВТ);
2) методы дифракционной томографии,
основанные на решении волнового уравнения
в том или ином приближении.
Методы отражательной УВТ пригодны
для обнаружения полостей и трещин в мате­
риалах и конструкциях. Методы дифракцион­
ной томографии не требуют всестороннего
осмотра объекта. При одностороннем доступе
к контролируемому объекту возможно исполь­
зование голографического метода или метода
фокусированной синтезированной апертуры.
При этом, однако, возникает проблема распо­
знавания по полученным изображениям ре­
ального объекта.
В основе УВТ заложена возможность ре­
конструкции двумерного распределения ско­
рости звука в среде (время-пролетная методи­
ка) или ослабления (аттенюации) ультразвука
вдоль выбранного направления. В аттенюаци-
онной методике возникают трудности, связан­
ные с большим динамическим диапазоном
измеряемой величины. Кроме того, лучевой
интеграл связан с результатами измерений
нетривиально, вследствие чего измерительная
процедура усложняется.
Использование время-пролетной методи­
ки снижает требования к динамическому диа­
пазону регистрирующего устройства, посколь­
ку скорость ультразвука в объекте изменяется
в сравнительно небольших пределах. Изме­
ренная величина времени прохождения уль­
тразвука через исследуемый объект является
непосредственно лучевым интегралом:
ще X - длина пути ультразвука в объекте в
направлении qi;
Со, С (/) - скорости распространения
ультразвука в воде и в объекте соответственно;
п{1) -CQ /С{1) - пространственное
распределение локального коэффихщента пре­
ломления в объекте в направлении qi.
Для регистрации ti как длины распро­
транения фронта упругой волны давления

                                                                                           
можно использовать сравнительно простые
аппаратные средства.
На рис. 3.8.6 представлена упрощенная
схема ультразвукового трансмиссионного то­
мографа, основанного на время-пролетных
измерениях с последующей реконструкцией
поля скоростей или коэф<фициентов прелом­
ления ультразвука.
Исследуемый объект 1 располагается в
ванне, заполненной иммерсионной жид­
костью. На раме 2 жестко укреплены излуча­
тель 3 и приемник 4у частотные и геометриче­
ские характеристики которых согласованы и
обеспечивают формирование ультразвукового
пучка с поперечными размерами, обеспечи­
вающими требуемую разрешающую способ­
ность.
Блок 5 обеспечивает формирование на
излучателе короткого ультразвукового импуль­
са, который распространяется сквозь иссле­
дуемый объект вдоль линии, соединяющей
излучатель и приемник. Блок 5 генерирует
также электрический импульс, запускающий
измеритель времени 6 через линию задержки
7. Приемник 4 улавливает прошедший через
жидкость и объект ультразвуковой импульс и
формирует пропорциональный электрический
сигнал, который после усилителя 8 запускает
процесс измерения времени.
Усилитель 8 формирует запускающий
сигнал в момент прихода фронта ультразвуко­
вого сигнала на приемник 4. Сигнал прекра­
щения счета времени формирует схема 7. Про­
екция образуется поступательным перемеще­
нием рамы 2
После получения отсчетов по всем лучам
данного положения рама поворачивается на
небольшой угол и цикл измерений повторяет­
ся для следующей проекции и так далее до
поворота на 180" . Затем ЭВМ (9) по полу­
ченным проекциям производит реконструк­
цию поля скоростей в вьщеленном слое объек­
та. Восстановленное распределение визуализи­
руется с помощью полутонового дисплея 10 в
виде дискретной матрицы изображения. Яр­
кость элементов пропорциональна скорости.
Описанная процедура может дать хоро­
ший результат, если ультразвуковые волны не
испытывают значительной р^^факции на гра­
ницах объект-иммерсионная среда и в объекте
отсутствуют сильно преломляющие структуры;
спектральный состав ультразвукового сигнала
не зависит от особенностей распространения
ультразвука в исследуемом объекте, а времен­
ная привязка не чувствительна к изменению
формы фронта и амплитуды входного элек­
трического сигнала.
Реконструкция распределения скорости
звука по данной проекции производится ал­
гебраическим методом, в Фурье-области или
обратным проецированием с фильтрацией
сверткой.
Алгебраическая реконструкция сводится
к непосредственному решению системы ли­
нейных уравнений типа (7), с учетом разре­
женности матрицы, неустойчивости, неполно­
ты или избытка данных, наличия априорной
информации. Имеется большое число алго­
ритмов, учитывающих эти особенности.
Решение системы уравнений может быть
сведено к вычислению сверток проекций с
обратным преобразованием Фурье от некото­
рой функции в ограниченной полосе и затем
суммированию результатов по всем профилям.
Этот метод эффективнее метода алгебраи­
ческой реконструкции, поскольку он позволя­
ет использовать быстрое преобразование Фу­
рье. Методы алгебраической реконструкции
имеют большие возможности.
В основе методов реконструкции в Фу­
рье-области лежит тот факт, что преобразова­
ние Фурье от проекции объекта есть некото­
рый слой Фурье-преобразования объекта. Та­
ким образом, при достаточно большом числе
проекций можно получить преобразование
Фурье от всего объекта и таким образом ре­
конструировать сам объект.
Учет искривл;^ния лучей устраняет неко­
торые артефакты в изображениях, однако не
улучшает разрешающей способности таких
томографических методов, поскольку для
улучшения разрешающей способности требует­
ся учет дифракционных эффектов, при этом
вычислительные трудности возрастают значи­
тельно.