Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор аналитических и численных методов решения задачи распространения акустических колебаний в структурно-неоднородных средах 12
1.1. Слоистые среды 12
1.2. Структурно-неоднородные среды 21
Глава 2. Разработка моделей и алгоритмов решения задач о распространении акустических колебаний в структурно-неоднородных средах 40
2.1. Приближение слоистой среды 40*
2.2. Структурно-неоднородная среда. Твердые включения в изотропной среде 47
2.3. Поликристаллическая среда 58
2.4. Анализ распространения волн в структурно-неоднородных средах ограниченных размеров 59
2.5. Учет обратного рассеяния 61
2.6. Анализ результирующего сигнала по интегральным оценкам скорости распространения акустических волн (усреднение скорости по толщине образца и усреднение сигнала по площади приемного преобразователя) 66
2.7. Спектральные характеристики сигналов 68
Глава 3. Численный анализ построенных моделей 75
3.1. Влияние структурной неоднородности на формирование акустических спектральных линий плоскопараллельного образца... 75
3.2. Стационарные колебания тел ограниченных размеров. Анализ амплитудно-частотного спектра 80
3.3. Влияние статистических характеристик распределения неоднородностей по размерам и ориентации на параметры акустических спектральных линий плоскопараллельных образцов. 82
3.4. Анализ акустических спектральных линий образцов при наличии структурной неоднородности 85^
3.5. Влияние неоднородности на характер огибающих АС Л переотраженных УЗ импульсов 86
Глава 4. Сопоставление модельных оценок с экспериментом 89
4.1. Структурно-однородные среды 89
4.2. Структурно-неоднородные среды 90
4.3. Влияние термомеханической обработки структурно-неоднородных материалов на параметры распространения акустических волн. Анализ изменений временных и спектральных характеристик сигнала 98
4.4. Экспериментальные данные АСЛ для различных образцов из одного и того же материала (Д16Т) 108
Заключение 113
Библиографический список 115
Приложение 1. Листинг к задаче о распространении УЗ импульсов в структурно неоднородных средах 124
Приложение 2. Акт о внедрении компьютерной программы ASL... 140
- Структурно-неоднородные среды
- Структурно-неоднородная среда. Твердые включения в изотропной среде
- Стационарные колебания тел ограниченных размеров. Анализ амплитудно-частотного спектра
- Влияние термомеханической обработки структурно-неоднородных материалов на параметры распространения акустических волн. Анализ изменений временных и спектральных характеристик сигнала
Введение к работе
В настоящее время возросли требования к качеству материалов, используемых в различных отраслях промышленности. В связи с этим возросла потребность и в их диагностике методами неразрушающего контроля, в частно-• сти акустическими методами.
Большинство конструкционных материалов носят преимущественно неоднородных характер, так как они дешевы в производстве и обладают, как правило, нужными свойствами не только для научных исследований и производства, но и для товаров бытового пользования. В готовом изделии нас, как правило, интересует «целостность» его структуры, то есть отсутствие в нём трещин, инородных включений, каверн, приводящих к быстрому износу и разрушению; к таким видам товаров относятся, например, конструкционные материалы, применяемые как в технике, так и в строительстве.
Одним из эффективных способов обнаружения указанных дефектов (не-однородностей) является ультразвуковая дефектоскопия. Однако наличие сложных физических процессов при распространении ультразвука в неоднородных материалах ограничивает возможность создания математической модели в идеале.
Цель работы
Разработка моделей и алгоритмов решения задач распространения акустических колебаний в структурно-неоднородных средах.
Решаемые задачи
В процессе выполнения диссертационной работы были поставлены следующие задачи:
1. Сделать обзор аналитических и численных методов решения задачи распространения акустических колебаний в структурно-неоднородных средах.
2. Разработать модели и алгоритмы решения задач распространения акустических колебаний в структурно-неоднородных средах:
2.1. Приближение слоистой среды;
2.2 Структурно-неоднородная среда: твердые включения в изотропной среде;
2.3. Поликристаллическая среда;
2.4. Анализ распространения волн в структурно-неоднородных средах ограниченных размеров;
2.5. Учет обратного рассеяния (однолучевое приближение, многолучевое приближение).
3. Получить численное решение задачи о распространении акустических колебаний в структурно-неоднородных средах и его анализ:
3.1. Исследовать влияние статистических характеристик распространения неоднородностей по размерам и ориентации на параметры акустических спектральных линий плоскопараллельных образцов;
3.2. Анализ акустических спектральных линий образцов при наличии структурной неоднородности.
4. Разработать алгоритмы компьютерных программ для моделирования процессов распространения акустических колебаний в структурно неоднородных средах.
Методы исследования
Для решения поставленных задач применялись теоретические и экспериментальные методы акустики жидких и твердых сред, математического и компьютерного моделирования, методы теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна
1. Выявлено явление тонкой структуры акустических спектральных линий. Причем обнаруженные эффекты удалось зафиксировать лишь с применением прецизионных бесконтактных методов возбуждения и приема ульт-развуковых колебаний.
2. Проведены исследования влияния температурной обработки на параметры АСЛ и на формирование их тонкой структуры для сплава Д16Т. Показано, что расчетные значения а качественно совпадают с экспериментальны ми, различия достигают 30 и более процентов. Данное обстоятельство объясняется, по-видимому, с одной стороны тем, что функция распределения поликристаллитов этого сплава по размерам имеет иной характер, чем это прк.-нято в модели, взятой за основу при выводе соотношения (4.10), а с другой — проявлением особенности структуры самого материала. Показано, что при термообработке происходит не только изменение среднего размера поликристаллитов, но и закона их распределения по размерам: тонкая структура при закалке проявляется на частотах от 400 - 500 кГц до 25 — 30 МГц непрерывно. Определены временные рамки релаксационных процессов для данного сплава.
3. В системе компьютерной математике Matlab разработана программа по моделированию структурно-неоднородных сред и исследованию этой структуры посредством анализа акустических спектральных линий образцов.
4. Разработаны простые алгоритмические и численные методы решения задачи о распространении акустических волн в структурно-неоднородных средах, хорошо удовлетворяющие экспериментальным данным.
5. Разработана простая модель формирования АСЛ, с возможностью её адаптации к конкретным условиям «опыта» (введение дополнительных аку стических параметров в модель, обеспечивающих лучшее соответствие условиям эксперимента).
Практическая значимость
Предложена модель, описывающая распространение акустических коле-баний в структурно-неоднородных средах, и разработан программный комплекс для моделирования структуры образцов и анализа АСЛ, который позволяет существенно повысить информативность резонансных методов акустического контроля материалов. Кроме того, он может использоваться как на стадии отбора конкретных диагностируемых образцов (использовать или не использовать), так и на стадии аттестации стандартных образцов акустических характеристик материалов.
Разработки внедрены в Хабаровском филиале ВНИИФТРИ (акт внедрения прилагается).
Основные положения, выносимые на защиту
1. Разработанные модели адекватно описывают оценку экспериментальных данных.
2. Предложенные модели позволяют в дальнейшем по экспериментальным данным восстанавливать структуру материала.
3. Полученные результаты позволяют повысить точность измерения акустических характеристик неоднородных материалов.
Апробация работы
Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались:
1. На четвертой международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (г. Хабаровск, 2005).
2. Четвертом всероссийском симпозиуме «Сейсмоакустика переходных зон» (г. Владивосток, 2005).
3. Пятой региональной научной конференции «Проблемы теоретиче -ской и прикладной математики» (г. Хабаровск, 2006).
4. Третьем всероссийском симпозиуме «Принципы и процессы создания неорганических материалов» (Третьи Самсоновские чтения) (г. Хабаровск, 2006).
5. 64-й межвузовской научно-технической конференции творческой молодежи «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования» (г. Хабаровск, 2006).
6. Пятой международной научной конференции творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке» (г. Хабаровск, 2007).
7. Пятом всероссийском симпозиуме «Физика геосфер» (г. Владивосток, 2007).
8. Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB» (г. Санкт-Петербург, 2007).
9. 45-й Международной научно-практической конференции учены.-: транспортных вузов, инженерных работников и преподавателей академической науки «Инновационные технологии - транспорту и промышленности» (г. Хабаровск, 2007).
Публикации
Основное содержание диссертационной работы отражено в 13 публика-циях, в том числе 2 публикации - в центральной печати и 7 - на научно-практических конференциях, из них две - на международных.
Личный вклад соискателя
Соискателем предложены и исследованы основные алгоритмы и программы. Проведены все численные расчеты. При проведении экспериментальных работ автор принимал непосредственное участие как в процессе из,-мерений, так и при обработке полученных данных.
Структура диссертации
Работа включает введение, четыре главы, заключение, библиографический список и два приложения. Объем диссертационной работы — 140 страниц. Основной текст содержит 38 рисунков, 4 таблицы, 81 ссылку на используемые источники.
В первой главе проведен обзор аналитических и численных методов решения задачи о распространении акустических колебаний в структурно неоднородных средах и сделаны следующие выводы:
1. Модели распространения акустических волн в неоднородных средах позволяют достаточно точно описать случаи рассеяния звука на простых по форме неоднородностях.
2. Для сред с «распределенными» неоднородностями известные модели дают лишь качественное описание, причем даже учет статистических распределений не дает полного решения задачи.
3. На данный момент нет моделей, адекватно описывающих особенности формирования тонкой структуры акустических спектральных линий, проявляющейся в структурно-неоднородных средах в широком диапазоне частот.
Во второй главе представлены полученные аналитические выражения, описывающие распространение УЗ волн в плоскопараллельных образцах с различной структурой и предложены алгоритмы их реализации. Рассмотрены модели полученные для: однородного образца; слоистого образца; образца с единичной неоднородностью, которая приводит к диффузному рассеянию; _ полностью структурно-неоднородных образцов; тел ограниченных размеров , которые способны учитывать отражение от боковых границ. Рассмотрено моделирование таких эффектов, как прямое и обратное переотражение.
В третьей главе представлено описание эксперимента по изучению АСЛ однородного образца и образца с дефектом и приведены численные решения задачи для структурно-однородных и неоднородных образцов в двумерном и трехмерном случаях, а также модели тел ограниченных размеров. Дан анализ этого решения, показаны влияние статистических характеристик распространения неоднородностей по размерам и ориентации на параметры АСЛ плоскопараллельных образцов и согласованность численных результатов с экспериментальными данными в проводимом эксперименте для алюминиевого сплава Д16Т.
В четвертой главе приведены описание и результаты эксперимента по изучению температурной стабильности и структурной неоднородности о&-разцов, подвергшихся термомеханической обработке. Получены предварительные экспериментальные данные влияния режимов термообработки на акустические характеристики сплава Д16Т. Определены временные рамки релаксационных процессов. Представлены АСЛ структурно-неоднородных и однородных образцов: стали, сплавов алюминия, меди и стекла. Апробирована методика определения параметров структуры материалов по данным акустических измерений. Экспериментально показана возможность определения характеристик закона распределения поликристаллитов по размерам. Экспериментально установлен эффект усреднения «фазы» УЗ волн при увеличении размеров преобразователя и измерительной базы.
В приложениях представлен листинг разработанного программного обеспечения и акт о его внедрении в Хабаровском филиале ВНИИФТРИ.
Структурно-неоднородные среды
При анализе особенностей распространения упругих волн в неоднородных материалах будет рассмотрено главным образом три подхода. Первый -базируется на представлении материала многокомпонентной средой, свойства которой одинаковы с некой эквивалентной однородной средой, имеющей идентичные с исследуемым неоднородным материалом частотные характеристики коэффициентов отражения и прохождения. Второй подход учитывает дифракцию волн на отдельной неоднородности. Третий — основан на законах геометрической оптики. Рассмотрим подробнее эти подходы.
В основе большинства способов, реализующих УЗ методы неразрушаю-щего контроля, используется лучевое представление о распространении и рассеянии ультразвуковых волн на дефектах, размеры которых существенно больше длины волны [9-11, 27, 29, 31, 49]. При этом полагается, что при отражении от дефекта выполняются законы геометрической оптики (ГО). Согласно этому представлению каждую точку дефекта рассматривают как вторичный излучатель звука, а амплитуду отраженной волны вне дефекта считают равной нулю. Особенностью законов ГО является их локальность.
Законы ГО правильно описывают поля распространения и рассеяния в широком интервале углов падения, частот колебаний и форм отражателей [9, 16, 22-27, 35-46, 50, 67]. Однако существуют зоны, в которых законы ГО не выполняются и, тем не менее, поле в окрестности этих зон не имеет разрывов. Составляющие поля, «сшивающие» разрывы, представляют собой дифракционные поля.
В электродинамике и акустике под дифракцией понимают особенности поведения волновых полей, которые не могут быть описаны посредством законов ГО. В твердом теле существуют зоны четырех типов факторов, для которых законы ГО не применимы.
Представим иллюстрацию классификации зон и типов дифракции в твердых телах (рис. 1.2): 1. Острые края дефектов (например, трещин). Лучи первичного поля на краях трещины порождают дифракционное поле первого типа (рис. 1.2, а). 2. Зоны поверхности гладких тел, на которых лучи «касаются» поверхности (рис. 1.2, б). В этом случае формируются волны, огибающие поверхности тел, которые в свою очередь порождают дифракционные волны соскальзывания. В этих зонах формируется дифракционное поле второго типа. 3. Зоны третьего типа и соответственно дифракционные поля третьего типа, которые образуются при падении волн на границу раздела двух сред, или на свободную границу среды под первым, вторым или третьим критическими углами .
Дифракционные поля четвертого типа (рефракционные поля) образуются в слоисто-неоднородных средах, в которых групповая скорость меняется, например, по линейному закону, лучи отклоняются от прямолинейного распространения; и существуют зоны, в которых образуются каустики, то есть семейства огибающих лучей, которые, двигаясь по разным направлениям, собираются в одной точке (рис. 1.2, г).
Следует отметить, что этими типами дифракции не ограничивается всё многообразие дифракционных полей в твердом теле. Существуют, например, дифракция в ближней зоне преобразователей, дифракция узких пучков излучения. Они достаточно хорошо изучены И. Н. Ермоловым и В. В. Клюевым [18,31].
Все названные зоны являются источниками волн дифракции, которые, распространяясь в разных направлениях, проникают как в освещенную область, интерферируя в ней с отражёнными и преломлёнными волнами, так и в область тени, образуя суммарное поле в объекте. Следовательно, звуковая плоская волна не может оставаться прежней, когда в пространстве, где она распространяется, внесено тело, свойства которого отличны от свойств среды.
Математически полно задачу о рассеянии звука удается решить только для тел правильной геометрической формы, не имеющих острых краев, например для сферы бесконечного длинного цилиндра, сплющенного эллип-. соида вращения [11, 49, 50, 67, 69].
По типу граничных условий различные случаи могут приблизительно подходить к условию Дирихле, когда на поверхности тела давление обращается в нуль, или к условию Неймана, по которому на поверхности в нуль обращается нормальная составляющая скорости. Могут быть промежуточные случаи граничных условий.
Математически задачи о рассеянии на одиночных «дефектах» формулируются следующим образом. На тело определенной формы падает плоская волна, заданная потенциа-, лом с единичной амплитудой: Требуется найти потенциал поля рассеянной волны ф2(г, ), а также потенциал ф(г,) полного поля, возникающего в результате наложения па- дающих и рассеянных волн: Ф(Л0=ФІ(Л0+Ф2(Л0 Уравнения (1.7) и (1.8) решают путем разложения в виде рядов по собственным функциям в принятой системе координат. Вследствие плохой сходимости решений задач рассеяния упругих волн на отражателях протяженностью более нескольких длин волн следует применять метод высокочастотной асимптотики.
Структурно-неоднородная среда. Твердые включения в изотропной среде
Рассмотрим задачу на плоскости. Пусть дана прямоугольная область D (образец как плоское тело), с заданной в каждой ее точке скалярной функцией Str(d,c,OL,p), определяющей поведение основных акустических параметров образца: d — размер поликристаллита; с - скорость ультразвука; а — коэффициент затухания; р - плотность поликристаллита. Необходимо найти амплитуду УЗ сигнала, прошедшего данную область . Решение. В соответствии с поставленной задачей образец рассматриваем как упаковку поликристаллитов в прямоугольной области D, а поликристалг лит - как «частицу» среды с координатами (х, .у) и с определенным значением функции Str. Функцию Str будем называть акустическим вектором среды.
B соответствии с этим, структуру образца представим в виде массива ячеек [Mav), каждая из которых будут содержать значение акустического вектора среды (рис. 2.6). Созданную структуру назовем матрицей акустических векторов. Пусть d — усредненный размер частицы среды по ансамблю поликристаллита. Тогда п = [h/d] (целая часть от деления) - количество частиц по толщине образца (по пути следования УЗ волны при ее нормальном паде -49 нии); т = - количество частиц по длине образца. Получаем следующий t размер матрицы акустических векторов: \Mav)nxm. Для определения координаты частицы среды введем Декартову прямо угольную систему координат, связанную с образцом. Положительное на правление оси Оу совпадает с направлением распространения УЗ волны. Формула для комплексной амплитуды АСЛ (сумма переотраженных в образце УЗ волн) для однородного образца имеет вид [40]: л A0e-aheJkh А = —) -, (2.11) \-[e-aheJkhf где AQ — начальная амплитуда УЗ волны, задаваемая ёмкостным преобразователем; к = ю/с — волновое число; СО = 2п/ — циклическая частота; - » f — частота УЗ колебаний. Образец будет называться однородным, если в каждой его точке одинако вые акустические характеристики среды. Представим УЗ пучок в виде суммы элементарных лучей с началом в точг ках Mav(l,x) на входе в образец. Далее каждый луч переходит в точку Mav[2,x), затем - в Mav[3,x) и т. д., до тех пор, пока не дойдет до точки г Mav\n, х). Затем луч «отражается» от неё и идет обратно до точки Mav{l,x), и далее по циклу. Амплитуду общего сигнала получаем суммированием амплитуд по всем точкам Mav\n,\),Mav(n,2),...,Mav{n,m). Полученная амплитуда является " комплексной величиной, потому следует найти ее модуль для выражения амплитудно-частотной зависимости, которая отображается на экране анализе- Ї тора спектра и характеризует сигнал с приемника УЗ колебаний.
Решим данную задачу в общем случае, когда образец полностью неоднороден, то есть содержит неоднородность (неоднородность - частица среды, акустические характеристики которой отличаются от акустических характеристик среды основной матрицы). При этом будем учитывать коэффициент прохождения, так как УЗ волна при прохождении неоднородности изменяет свою амплитуду вследствие «потерь» на отражение [9]. Коэффициент прохо-. ждения определяется по формуле Wy,y = 72Z/y (2ЛЗ где Z — рс - акустический импеданс среды.
Амплитуды общего сигнала без учета переотражения и с его учетом получаем суммированием соответствующих амплитуд (2.14), (2.15) по всем точкам: Mav\nX),Mav\n,2\...,Mav\n,m). Полученные амплитуды являются комплексными величинами, поэтому следует найти их модуль для выражения амплитудно-частотной зависимости, которая отображается на экране анализатора спектра и характеризует сигнал с приемника УЗ колебаний. Вследствие того, что аналитические выражения модулей этих амплитуд по % лучаются очень громоздкими, то решение будем получать численно, используя Matlab 7.0.1.
Рассмотрим задачу в пространстве. Предложим следующую физическую модель [37] (рис. 2.8). Предполагаем, что измерения проводятся двумя преобразователями (излучающий и принимающий), имеющими одинаковые размеры рабочих поверхностей и размещенными соосно (блок-схема установки показана на рис.2.7). Учитывая, что по ходу распространения каждого УЗ луча от излучателя до приемника располагается вполне определенное и возможно различное количество поликристаллитов, ориентированных случай 11 ным образом, получаем для каждого луча свою фазу.
Если имеется слоистый образец, в котором толщина слоя сравнима с длиной волны, то для каждой точки этого слоя по длине образца необходимо применить модель диффузного рассеяния. Последующее суммирование амплитуд прошедших волн, нахождение абсолютной величины итоговой комплексной амплитуды дает возможность построения АСЛ на заданном диапазоне частот .
Стационарные колебания тел ограниченных размеров. Анализ амплитудно-частотного спектра
Проведенное численное решение задачи по модели (2.27) для плоского случая представлено на рис. 3.4. Согласно данной модели учет переотражения УЗ волн от боковых границ образца приводит к шуму, наложенному на основной сигнал. Данная АСЛ имеет один ярко выраженный пик, соответствующий основному сигналу.
Для корректировки вышепредставленной модели был добавлен множитель к основному сигналу, отвечающий за многократное переотражение от границ образца. Результат численного решения представлен на рис. 3.5, из которого следует, что средняя амплитуда шума уменьшилась, имеется пик, соответствующий основному сигналу. Данная модель более адекватно отражает стационарные колебания тел ограниченных размеров.
Затем была сделана еще одна модификация данной модели, для чего была уменьшена интенсивность УЗ волн, отраженных от боковых границ, путём добавления множителя к суммарным амплитудам этих УЗ волн. Результат численного решения представлен на рис. 3.6. Реальный эксперимент показывает, что отражение УЗ волн от боковых границ образца приводит к появлению изолированных сателлитов, появляющихся в АСЛ. Решение данной задачи показало наличие одного из таких сателлитов. Специфика алгоритма , решения задачи (большое количество вложенных циклов с большим числом итераций) приводит к длительному решению уже для плоского случая. Время расчета каждой задачи по предложенным моделям составило около 12 часов. Кроме того, длительность расчетов обусловлена спецификой работы пакета Matlab, который ориентирован на матричные вычисления.
Исследование было проведено в соответствии с моделью, рассматриваемой ранее (глава 2), на частоте около 20 МГц. В качестве анализируемой характеристики была выбрана скорость УЗ импульса. На рис. 3.7, а представлена АСЛ однородного образца, на рис. 3.7, в - закон распределения отклонений скоростей от среднего значения выбирался нормальным с параметрами: С = 6400 м/с и АС = 40 м/с. Для АСЛ характерно проявление тонкой структуры образца, обусловленное анизотропией акустических свойств поликристаллитов, из которых состоит образец. На рис. 3.7, в распределение скоростей - равномерное, с параметрами С = 6400 м/с и АС = 40. Пик ч АСЛ сдвинут в сторону увеличения частоты (рис. 3.7, г), ее вид характерен для однородного образца, однако на некоторых частотах с равномерным распределением скоростей на АСЛ проявляется тонкая структура только в пиках с характерным образованием сателлитов (рис. 3.7, б). Кроме того, амплитуда при равномерном распределении скоростей больше амплитуды при нормальном распределении скоростей приблизительно в 3,8 раза.
Интересен случай расползания сигнала по частотному спектру (рис. 3.7), где в, д, е- нормальное распределение скорости, однако отклонения от среднего значения различные: «в» — 40 м/с; «Э» — 20 м/с; «е» — 100 м/с.
Влияние размера неоднородностей в виде появления тонкой структуры не наблюдалось при различных распределениях зёрен. Увеличение размера зерна приводило лишь к уменьшению амплитуды, а уменьшение зерна — к увеличению амплитуды, при этом в последнем случае ширина АСЛ уменьшалась, что характерно для неоднородностей с меньшим коэффициентом затухания.
Если проявляется тонкая структура, то поликристаллиты, из которых построен образец, имеет существенную анизотропию свойств по скорости (или инородные включения имеют скорость, существенно отличающуюся от скорости звука в основном материале). Если тонкая структура проявляется у оснований АСЛ, то неоднородности обладают высоким коэффициентом зату-ч хания (это характерно для частот от 20 МГц и выше). При наличии тонкой структуры АСЛ по разнице в амплитуде можно сделать предположение о распределении скоростей: при равномерном распределении амплитуда примерно в 3,8 раз выше амплитуды с нормальным распределением скоростей. О размерах неоднородности по структуре АСЛ в рамках данной модели ничего сказать нельзя, тем не менее, размеры макронеоднородности повлияют на образование дополнительных боковых пиков к основным пикам АСЛ в результате многократного переотражения от границ образца, в том числе и боковых. Микронеоднородность приведет также появлению тонкой структуры, обусловленной диффузным рассеянием (для данного случая получена только математическая модель и предложен алгоритм ее реализации). Последний случай возможен, если с увеличением частоты длина волны будет приближаться к размерам микронеоднородностей и в результате произойдет соизмеримость длины волны и размеров зёрен образца по одному и тому же поряд-,ку.
Таким образом, создавая модельные образцы и получая их АСЛ, можно не только анализировать эти АСЛ и делать выводы о структуре модельного образца, но и сравнивать последние с АСЛ реальных образцов. При относи ч тельном сходстве АСЛ можно делать выводы о структуре образца (на нали -86-чие неоднородности и ее параметров) по структуре модельного образца, непосредственно изучая сгенерированную матрицу акустических векторов.
Специфика моделей лучевого приближения — это их простота вывода. Эти модели позволяют учитывать явления, связанные с распространением УЗ волн, посредством введения всего лишь дополнительных множителей, отвечающих за прямое и обратное переотражения. Различными комбинациями учета явлений, связанных с распространением УЗ волн, по методикам, пред- ложенным выше, можно подобрать модель для любого образца с последующим его изучением по построенной модели.
Влияние термомеханической обработки структурно-неоднородных материалов на параметры распространения акустических волн. Анализ изменений временных и спектральных характеристик сигнала
Создание стандартных образцов (СО) для метрологического обеспечения средств ультразвукового неразрушающего контроля было вызвано необходимостью исследования влияния режимов термообработки на акустические характеристики материалов. В ряде отраслей в качестве материала СО рекомендуется использовать сплав Д16Т. Однако для этого материала характерны некоторые специфические особенности, проявляющиеся в формировании акустической картины. Для уточнения указанных особенностей были проведены измерения акустических параметров образцов эхо-импульсным и резо-нансным методами в диапазоне частот 1 — 25 МГц при различных режимах термообработки (экспериментальные методики и установка описаны А. И. Кондратьевым [43]).
Резулътаты экспериментов. При проведении экспериментов использовалась установка, описанная А. И. Кондратьевым [43], которая обеспечивает выполнение измерений а в радиоимпульсном и непрерывном режимах (резонансный метод) в полосе частот от 100 кГц до 100 МГц.
Таким образом, измерения только коэффициента затухания ультразвука _ сужает возможности акустических методов исследования вещества (в частности, твердых тел). Вместе с тем, результаты определения частотной зависимости (не на 2-х — 3-х фиксированных частотах, как это проводится сейчас в соответствии с существующими рекомендациями, а на более широком наборе частот, обеспечивающим выявление областей изменения характера за- висимости а от/) коэффициента затухания УЗ колебаний позволяют опре- делить вид закона распределения поликристаллитов (или структурных неод-нородностей) по размерам и по «осевому» сечению образца.
Влияние термической обработки на параметры ACJI. Как отмечалось . ранее А. И. Кондратьевым [46], параметры акустических спектральных ли -102-ний плоскопараллельных образцов из сталей (СтЗ, Ст20, Ст45, Х18Н10Т, 40X13) и аморфных материалов (стекло марки К8, плавленый кварц, оргстекло) на частотах выше 5 — 10 МГц достаточно хорошо описываются выраже-нием (2.2), полученным в приближении «плоских волн».
Несмотря на то, что соотношение (4.6) позволяет учитывать дифракционную расходимость и вводить соответствующие поправки при измерении скорости распространения и коэффициента затухания УЗ колебаний по положению максимума спектральной линии fn и ширине АСЛ AF на заданном уровне соответственно, однако оно совершенно не предсказывает возникно-»вение «тонкой структуры».
Анализ выражений (2.2) и (4.6) позволяет выделить основной параметр, вариации которого приводят к результату, соответствующему полученным экспериментальным данным. Этим параметром является волновое число к (или точнее, скорость распространения УЗ колебаний С).
Требования к механической обработке образцов: торцевые (рабочие) поверхности обрабатывались до Rz не более 0,14 мкм; неплоскопараллель ность рабочих поверхностей на базе 50 мм - не более 0,5 мкм; неплоскост ноть - не более 0,3 мкм. Перед проведением измерений образцы исследовались на соответствие требований по акустической однородности исходного материала. Методика измерений описана В. И. Архиповым и А. И. Кондратьевым [5]. После выбора образцов и сравнения их акустических характеристик (образцы классифи -105-цировались по группам, в которых значения коэффициентов затухания УЗ колебаний в диапазоне частот до 30 МГц отличались не более чем на 20 %) выбирался один образец в качестве контрольного и образцы для проведения температурной обработки. Ранее проведенные исследования показали, что характеристики контрольного образца из сплава Д16Т своих свойств в пределах 5 %-ных различий за время проведения опытов (30 суток) не меняют. В . дальнейшем контрольный образец использовался в качестве меры сравнения.
Закалка (ТО-1). Температура нагрева образца - 5000 С. По истечении 15 минут выдержки проводилось охлаждение в холодной воде. Размер зёрен сплава при этом — максимален, твердость и прочность — минимальны. После закалки материал образца изменяет свои свойства, стремясь к равновесному состоянию. Процесс «старения» занимает 2 — 3 суток.
Ступенчатый гомогенизацгюнный отжиг (ТО-2). Для получения промежуточных состояний материала температура нагрева под гомогенизацию была принята- 360 С, выдержка составляла 20 минут, затем печь выключали, скорость охлаждения при этом была вдвое больше рекомендованной, что гарантировало фиксирование промежуточных состояний материала. Зерно измельчалось, прочность и твердость увеличивались. После отжига образец находился в стабильном состоянии. Результаты измерения коэффициента затухания ультразвуковых колебаний ОС резонансным методом на различных частотах для образца после всех режимов термообработки представлены на рис. 4.6. Как следует из рис. 4.6, при измерении а эхо-импульсным методом на частотах до 7 МГц для всех режимов термообработки различия значений параметра а находятся в пределах погрешностей. На частотах выше 7 МГц данные обоих методов совпадают.
