Введение к работе
Актуальность темы. В последние года большой интерес прояв
ляется к исследованиям структурной акустической нелинейности
твердых тел, связанной с нелинейностью деформации выделенных
областей тела из-за наличия в них включений с упругостью, отличной
от упругости остального объема, а также дефектов типа пор, зерен и
трещин. Характерным элементом структурной неоднородности таких
сред является контактная граница, образованная при контакте фраг
ментов дефекта, поджатых друг к другу внутренними напряжениями в
теле. В общем случае реальные контакты поверхности не являются
плоскими, напряжения сжатия контактов сильно изменяются по величи
не. Поэтому ігри высокой интенсивности акустической волны колебания
контактной границы могут быть существенно нелинейными и даже
сопровождаться разрывами сплошости среды. Это вызывает сильное
увеличение эффективной нелинейности тела и появление новых нели
нейных эффектов, характерных для контактной акустической не
линейности (КАН). Исследования метанизмов и специфики нелинейных
явлений КАН являются актуальным! для оценки нелинейных свойств
структурно-неоднородных сред. При этом важное значение имеет
определение оптимальных условий развития КАН и ее эффективности,
что может представлять интерес с точки зрения создания искусствен
ных композиционных материалов, обладающих аномально высокими нели
нейными свойствами. Кроме того, эти задачи исключительно важны для
нелинейной акустодаагностшш отмеченных выше дефектов, типичных
для материалов и конструкций авиационной техники, атомной энерге
тики , микроэлектроники к т.д.
Цель работы состоит в экспериментальном и теоретическом исследовании механизмов, ответственных за развитие нелинейных
акустических эффектов на КДН, изучение влияния статистических свойств контакта на характеристики КАН, ь также возможностей ее применения для создания новой методики акустической диагностики рельефа поверхности твердого тела.
Научная новизна работы определяется следующими результатами: I. Впервые экспериментально подтверждено наличие хлопающей нелинейности на контактной границе твердых тел. Обнаружены два типа хлопающей нелинейности, отличающиеся динамикой взаимодействия поверхностей границы раздела в процессе колебаний . Нелинейные колебания этих типов имеют пороговый характер и разделены областью неустойчивости, в которой развивается процесс хаотизащш посредством бифуркаций кратности периода колебаний. Для хлопающей нелинейности характерно немонотонное распредление' амплитуд высших гармоник по спектру,' что обусловлено импульсным характером нелинейное искажений колебаний контактной границы.
2. Установлено, что для контактных границ неплоских поверхностей
существенную роль играет механизм герцевской нелинейности. Ее
основные динамические характеристики хорошо соответствуют развитой
ранее теории нелинейности контакта Герца. С увеличением величины
отношения переменной и постоянной сил, приложенных к контакту,
герцевская нелинейность сменяется хлопающей нелинейностью,
гздрективность которой значительно выше.
3. Получено непосредственное экспериментальное доказательство
проявления хлопаюцеи нелинейности при нелинейном отражении звука
от контакта реальных поверхностей. Наблюдавшийся сдвиг максимума
нелинейности по величине контактного давления пропорционален
амплитуде акустической волны, что соответствует модели "разрыва"
контакта звуковой волной.
4. Предложен?) теоретическая модель шероховатой кенгактной границы
в виде статистического ансамбля линейно-упругих элементов. Нелинейность контакта при атом обусловлена изменением числа деформирующихся упругих элементов с изменением контактного давления и представляет собой своеобразное обобщение герцевской нелинейности на случай плоской, но шероховатой границы контакта. 5. В рамках предложенной модели рассмотрено линейное и нелинейное отражение звука от контактной границы. С использованием экспериментальных данных решена задача восстановления функции распределение высот микровыступов шероховатой поверхности твердого тела.
Практическая ценность работы состоит в разработке новой акустической методики определения качества обработки поверхности на основе амплитудных и фазсзнх характеристик, второй гармоники, возникающей при нелинейном отражении звука и распространении ПАВ на контактной .границе. Она может применяться для акустического неразрушающего контроля фрикционных контактов, играющих важную роль в технической проблеме износа механизмов и машин.
Кроме того, проведенные исследования характеристик контактной нелинейности имеют прямое отношение к задачам акустической диагностики структурно-неоднородных материалов. Полученные в работе результаты показывают, что на основе проявлений КАК возможна реализация нового нелинейного режима акустической дофектоскопии. При этом фактически показано, что регистрация нелинейных преобразований спектра мощной зондирующей акустической волны позволяет выявить начальные фази разрушения материала, для которых характерны незначительные дислокационныэ или усталостные нарушения структуры "невидимые" при линейной дефектоскопии.
Апробирование работы. Основные результаты диссертационной работы представлялись на следуодих конференциях:13-й конференции по
использованию ультразвуковых методов для изучения свойств конденсированных материалов (г.Жилина, ЧССР, 19Э1г.), Российской научно-технической конференции с международным участием "Керазрушающий контроль в науке и индустрии - 94" (г,.Москва, 1994), Ультразвуковом симпозиуме IEEE (г.'Канны, Франция, 1994г.), а тгкке докдады-вались и обсуждались на научных семинарах кафедры акустики физического факультета МГУ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы,-Изложение материала каждой главы систематизировано по параграфам. Работа содержит 94 страницы текста, 37 рисунков. Библиография содержит 105 наименований.'
