Содержание к диссертации
Введение
1. Взаимодействие акустических сигналов с внутренними и поверхностными неоднородностями листового проката. Состояние вопроса, постановка задач исследований 16
1.1. Внутренние дефекты и поверхностные неоднородности горячекатаного листового проката. Обоснование их идеализированных моделей. 16
1.2. Взаимодействие акустических сигналов с внутренними несплошностями изделий с гладкими гранями и методы их обнаружения 32
1.3. Взаимодействие звуковых пучков с плоскими несплошностями и методы их обнаружения 46
1.4. Исследование флуктуации акустических сигналов при контроле изделий со статистическими и периодическими поверхностными неоднородностями 54
1.5. Выводы. 66
2. Исследование дифракции акустических сигналов на внутренних локальных несплошностях листового проката 69
2.1. Постановка задач исследований 69
2.2. Многократно-теневой метод 70
2.2.1. Уравнение акустического тракта 70
2.2.2. Экспериментальное исследование дифракции акустических сигналов на моделях локальных несплошностей 85
2.2.3. Ультразвуковой контроль теневым методом с регистрацией отношения второго прошедшего импульса к первому 93
2.2.4. Выводы 97
2.3. Эхо-сквозной метод ультразвуковой дефектоскопии 98
2.3.1, Уравнение акустического тракта эхо-сквозного метода 102
2.3.2. Неравномерность чувствительности контроля эхо-сквозным методом по ширине листов растровыми акустическими з системами
2.3.3. Выводы 114
2.4. Разработка и исследование способа ультразвукового контроля изделий эхо-методом с регистрацией сигналов во втором временном интервале 114
2.4.1. Теоретический анализ акустического тракта эхо-метода с регистрацией сигналов во втором временном интервале 117
2.4.2. Выводы 124
3. Исследование дифракции ультразвукового пучка на крае плоскостных протяженных непрозрачных несплошностей листового проката 125
3.1. Постановка задачи исследований 125
3.2. Анализ прохождения акустического сигнала через лист с несплошностью в виде звуконепрозрачной полуплоскости 128
3.3. Анализ акустического тракта при контроле зеркально-теневым методом 138
3.4.Анализ акустического тракта при контроле теневым методом с регистрацией второго прошедшего импульса 151
3.5.Экспериментальные исследования прохождения звуковых пучков через лист с плоскими несплошностями 171
3.5.1. Аппаратура и методика экспериментальных исследований 171
3.5.2. Исследование ослабления сигнала краем звуконепрозрачной полуплоскости 174
3.6. Выводы 187
4. Дифракция звукового пучка на крае плоскопараллельного листа 192
4.1. Теоретическое исследование прохождения акустического сигнала в прикромочной зоне листа при теневом методе контроля 192
4.2. Экспериментальное исследование прохождения звукового пучка в прикромочной зоне листа 210
4.3.Исследование влияния прикромочной зоны листа при контроле теневым методом с регистрацией отношения второго прошедшего 214
сигнала к первому
4.4. Выводы 220
5. Исследование флуктуации акустических сигналов при контроле листов с поверхностными неоднородностями 223
5.1. Свойства поверхностей листового проката 223
5.2. Прохождение акустических сигналов через наклонно ориентированный лист с гладкими гранями 227
5.3. Флуктуация акустических сигналов при многократном взаимодействии со статистически шероховатыми гранями листа 237
5.4. Влияние периодически шероховатой поверхности листового проката при контроле иммерсионным способом 248
5.4.1. Влияние периодически неровной поверхности на чувствительность контроля листов 251
5.4.2. Влияние периодически неровной поверхности листа на форму и спектр прошедших акустических импульсов 259
5.4.3. Экспериментальные исследования влияния периодически неровной поверхности при контроле проката 265
5.5. Выводы 268
6. Реализация путей повышения чувствительности, надежности и информативности методов ультразвукового контроля листового проката 273
6.1. Повышение чувствительности надежности и информативности теневого метода ультразвукового контроля 274
6.1.1. Влияние шероховатости поверхности листов при контроле теневым методом 274
6.1.2. Влияние шероховатости поверхности проката при контроле теневым методом с регистрацией отношения второго прошедшего импульса к первому 278
6.1.3. Максимальная реализуемая чувствительность контроля листов
с непланшетной поверхностью 285
6.1.4. Максимальная реализуемая чувствительность контроля непланшетных листов со статистически шероховатыми поверхностями
6.1.5. Выводы 299
6.2. Повышение чувствительности, надежности и информативности эхо-сквозного метода контроля листового проката 300
6.2.1. Влияние шероховатости поверхности листов при контроле листового проката эхо-сквозным методом 301
6.2.2. Структурные реверберационные помехи при контроле изделий эхо-сквозным методом 305
6.2.3. Максимально реализуемая чувствительность контроля листового проката эхо-сквозным методом 320
6.2.4. Выводы 334
6,3.Повышение чувствительности, надежности и информативности эхо-
метода ультразвуковой дефектоскопии листового проката 335
6.3.1. Влияние шероховатости поверхности проката на параметры контроля листов эхо-методом 336
6.3.2. Оценка максимально-реализуемой чувствительность контроля листов с крупнозернистой структурой и шероховатой поверхностью 340
6.3.3. Предельная чувствительность контроля листов иммерсионным эхо-методом с регистрацией сигналов во втором временном интервале 349
6.3.4. Выводы 353
7. Исследование и разработка экспресс—методов контроля толщины и физико-механических характеристик материала листового проката 354
7.1. Постановка задачи исследований 3 54
7.2. Безэталонный метод измерения толщины и скоростей распространения, упругих волн в листовом прокате 357
7.3. Исследование корреляционных связей между прочностными и акустическими характеристиками некоторых марок сталей 362
7.4. Разработка экспресс-метода контроля среднего размера зерна материала листового проката
7.5, Выводы - 379
8. Разработка устройств с повышенной чувствительностью и надежностью для контроля толстолистового проката 382
8.1. Аппаратура для контроля листов многократно-теневым методом 382
8.1.1. Принцип действия и функциональная схема установки УДЛ-1М 382
8.1.1.1. Усилительно-логический блок 386
8.1.1.2. Коммутируемый предусилитель 391
8Л. 1,3. Блок установки начального порога аппаратуры УДЛ-1М 393
8.1.1.4. Система сканирования аппаратуры УДЛ-1М 397
8.1.2, Принцип действия и функциональная схема установки УДЛ-2 400
8.1.2.1. Усилительно-логический блок 402
8.1.2.2. Схема записи информации установки УДЛ-2 407
8.2. Аппаратура для ультразвукового контроля листового проката эхо-
сквозным методом 409
8.2.1. Установка ДУЭТ-2 для контроля горячекатаного листового проката 410
8.2.2. Аппаратура УДЛ-Ф для обнаружения флокеноподобных дефектов 417
8.3. Аппаратура для ультразвукового контроля толстолистового проката эхо-методом 422
8.3 Л. Установка УЗУП для контроля листов и плит 422
8.3.2. Установка УЗУП-М2 для контроля листового проката 425
8.3.2.1. Функциональная схема установки УЗУП-М2 426
8.3.2.2. Акустическая система установки УЗУП-М2 432
8.4. Выводы 437
Заключение 438
Список литературы
- Взаимодействие акустических сигналов с внутренними несплошностями изделий с гладкими гранями и методы их обнаружения
- Экспериментальное исследование дифракции акустических сигналов на моделях локальных несплошностей
- Анализ акустического тракта при контроле зеркально-теневым методом
- Экспериментальное исследование прохождения звукового пучка в прикромочной зоне листа
Введение к работе
Способность ультразвука распространяться в твердых средах позволила ему занять одно из ведущих мест в качестве инструмента исследования веществ и материалов. Изучение свойств объемных упругих волн в твердых средах проводилось еще в [1]. В нашей стране применение ультразвуковых методов исследования материалов и изделий связано с именем члена-корреспондента академии наук СССР, профессора, лауреата государственных премий Сергея Яковлевича Соколова [2]. Открытые явления, связанные с излучением и распространением упругих колебаний, сделали возможным решение таких важных задач, как: обнаружение скрытых дефектов в материалах и изделиях; измерение толщины стенок конструкций; прецизионные методы определения упругих постоянных кристаллов; измерение физико-механических характеристик материалов и т.д. Обнаруженные универсальные свойства ультразвука обеспечили ему преобладающее положение в ряде фундаментальных и прикладных научно-технических областей, привели к формированию таких прогрессивных направлений как акустическая диагностика, акустооптика, акустоэлектроника и др.
Достижение отмеченных успехов в применении ультразвука в значительной степени стало важным на основе результатов изучения распространения упругих волн, и особенно, тех разделов, в которых рассматривается их взаимодействие с различного рода неоднородн остями в твердых телах. В ультразвуковом неразрушающем контроле и измерениях, в качестве источника информации о внутренней структуре изделий используется рассеянные на неоднородностях упругие волны.
Проектирование приборов и автоматизированных систем неразрушающего контроля, основанных на этом принципе, начинается с анализа его акустического тракта, под которым понимается область среды, в которой осуществляется измеряемое взаимодействие ультразвука с веществом или объектом [3]. Полученные в результате анализа уравнения акустического тракта, связывающие величину регистрируемого прибором параметра с физическими и геометрическим характеристиками акустического тракта, в основном, и определяют возможности и эксплуатационные характеристики этих приборов. Очевидно, что при выводе и анализе уравнений акустического тракта необходимо вводить параметры, количественно описывающие взаимодействие упругих волн со средой, в которой распространяется ультразвуковое излучение, и которая может содержать различного рода неоднородности. По этой причине изучение процессов взаимодействия упругих волн с неоднородностями различных типов продолжает привлекать внимание исследователей. На основе полученных результатов таких исследований, разрабатываются новые средства и методы неразрушающего контроля, обладающие более высокими информативными характеристиками, по сравнению с предыдущими.
Ультразвуковая дефектоскопия, как одно из важнейших направлений технической акустики, в последние годы бурно развивается. Это обусловлено тем, что повышение качества выпускаемой продукции и, в частности, листового проката, выпускаемого во все возрастающем объеме, является одним из главных резервов экономии металла, так как это позволяет обеспечить необходимую надежность изделий при уменьшении их металлоемкости.
Несмотря на широкое распространение в промышленности ультразвуковых методов контроля, их информационные и метрологические возможности до сих пор исследованы недостаточно и, как показывает практика, далеко не исчерпаны. Для выявления этих возможностей необходимо решение акустических задач взаимодействия пучков упругих волн с неоднородностями среды.
Проведение массового неразрушающего контроля листового проката на металлургических предприятиях потребовало создание технических средств -промышленных автоматизированных высокопроизводительных дефектоскопов. В семидесятых годах эта задача была решена путем разработки и внедрения на заводах серии ультразвуковых установок типа УЗУЛ, основанных на применении теневого метода в иммерсионном варианте [4]. Однако повышенные требования к качеству проката, идущего на изготовление труб магистральных газо- и нефтепроводов, корпусов судов, нефтяных платформ, элементов энергетики, химических производств и других ответственных изделий потребовало разработки новых высокочувствительных методов ультразвукового контроля, исследования их информативных возможностей и аппаратурной реализации. Для высокочувствительного контроля горячекатаного толстолистового проката из черных и цветных металлов были предложены многократно-теневой, эхо сквозной и эхо-метод с регистрацией сигналов во втором временном интервале между первым и вторым донными импульсами. Исследование информационных возможностей этих методов, определение оптимальных параметров контроля, необходимых для разработки и изготовления автоматизированных систем, потребовало решения целого комплекса задач взаимодействия акустических сигналов с локальными и плоскостными нарушениями сплошности листового проката и его поверхностными неоднородностями
Решение соответствующих акустических задач применительно к проблематике ультразвуковой дефектоскопии листового проката посвящена диссертационная работа.
Целью работы является существенное повышение качества толстолистового проката за счет развития известных и создания новых методов высокочувствительного, достоверного и надежного неразрушающе го автоматизированного ультразвукового контроля сплошности, толщины и физико-механических характеристик его металла.
Для достижения поставленной цели потребовалось:
1. Выполнить комплекс теоретико-экспериментальных исследований акустических трактов многократно-теневого, эхо-сквозного и эхо-метода с регистрацией сигналов во втором временном интервале.
2. Исследовать влияние шероховатости и непланшетности (коробоватости и волнистости) поверхности проката, как основного вида несовершенств контролируемого объекта, на чувствительность и достоверность контроля выше указанными методами.
3. Оценить точность регистрации условных размеров обнаруживаемых при контроле несплошностей и величину неконтролируемых прикромочных зон путем исследования дифракции ультразвукового пучка на ребре непрозрачной полуплоскости (модель дефекта) и кромке листа.
4. Разработать методологию выбора основных параметров контроля (рабочая частота, размер преобразователя и др.), обеспечивающих максимальную реализуемую чувствительность и минимальное влияние акустических помех при контроле проката из крупнозернистого металла эхо и эхо сквозным методами.
5. Создать безэталонный способ измерения толщины листового проката в процессе его ультразвукового контроля в динамическом режиме.
6. Разработать и исследовать экспресс методы ультразвукового контроля физико-механических характеристик материала движущегося листового проката.
7. Обосновать функциональные решения и принципы построения аппаратуры для автоматизированного контроля листового проката с доведением их до практического внедрения.
Во введении сформулированы актуальность, цель, задачи и основные научные положения диссертации, выносимые на защиту.
В первом разделе на основании анализа дефектов горячекатаного листового проката из черных и цветных металлов приведено обоснование их идеализированных моделей. Рассмотрено современное состояние и проведен анализ теоретических и экспериментальных работ, рассматривающих взаимодействие упругих волн, звуковых пучков и импульсов с локальными и плоскостными моделями несплошностеи и поверхностными неоднородностями листового проката. Определены направления дальнейших исследований.
Во втором разделе с помощью представления звукового пучка пьезоэлектрического преобразователя дефектоскопа виде суперпозиции сферических волн и идеализированных моделей локальных несплошностеи проката в виде тонкого абсолютно мягкого диска получены уравнения акустического тракта теневого метода с регистрацией второго, прошедшего импульса, эхо-сквозного метода при несоосном положении диска и преобразователей и эхо-метода с регистрацией сигналов во втором временном интервале (между первым и вторым донными импульсами. Показано, что при контроле эхо-сквозным и эхо-методом во втором временном интервале необходимо регистрировать отношение эхо-сигналов к первому прошедшему и донному импульсам соответственно в тех же точках прозвучивания. На основе результатов анализа и экспериментальных исследований для этих методов получены АРД-диаграммы, позволяющие осуществлять безэталонную настройку дефектоскопов на заданную чувствительность, определять эквивалентные размеры дефектов и выбирать оптимальные параметры акустических систем при проектировании автоматизированных систем контроля.
В третьем разделе диссертации рассмотрена дифракция звукового пучка на ребре звуконепрозрачной полуплоскости - идеализированной модели расслоения применительно к теневому, зеркально-теневому и многократно-теневому методам. Задачи решались методом интеграла Кирхгофа с представлением звукового пучка аппроксимирующей функцией. По результатам расчетов, дополненных экспериментальными данными, построены диаграммы систематических ошибок регистрации размеров протяженных дефектов проката в зависимости от чувствительности контроля, волновых размеров преобразователей и глубины залегания несплошности.
В четвертом разделе метод интеграла Кирхгофа применен для исследования прохождения сигнала в прикромочной зоне обрезного листа. Решение потребовало учета интерференции частей акустических пучков прямо прошедшего через лист и претерпевшего отражения от его боковой кромки. Результаты расчетов и экспериментальных исследований позволяют определить величину неконтролируемой зоны по контуру листа при различных методах ультразвуковой дефектоскопии.
Пятый раздел диссертации посвящен анализу флуктуации регистрируемых акустических сигналов при различных методах контроля, вызванных их рассеянием на поверхностных неоднородностях. Рассмотрено влияние статистических и периодических шероховатостей листов, а также коробоватости и волнистости листов на чувствительность и другие параметры контроля. Получены аналитические выражения для оценки математического ожидания, дисперсии и коэффициента вариации амплитуд регистрируемых сигналов при прозвучивании листов со статистически неровными поверхностями, позволяющие определить максимально реализуемую чувствительность при заданной его надежности. Показано, что для уменьшения влияния таких шероховатостей на чувствительность контроля необходимо увеличивать размер преобразователей и уменьшать рабочую частоту. Периодически шероховатые грани проката не приводят к флуктуации регистрируемых сигналов в процессе сканирования, но снижают чувствительность и приводят к искажению длительности и спектра прошедших и отраженных сигналов. Это обстоятельство можно использовать для определения высоты неровной поверхности. Коробоватость и волнистость проката приводит к отклонению звукового пучка при преломлениях на его гранях в сторону, его трансформации в поперечные волны, и как следствие, к уменьшению уровня полезных регистрируемых сигналов и появлению ложных. Задача о прохождении сигналов через неплаишетный лист решена путем представления звукового пучка в виде суперпозиции плоских волн. Получены аналитические выражения для расчета амплитуд регистрируемых сигналов при теневом, зеркально-теневом, эхо и эхо-сквозном методах контроля, а также уровня ложных сигналов, при контроле эхо и эхо-сквозным методами.
В шестом разделе рассмотрены методы повышения чувствительности, надежности и информативности методов ультразвукового контроля листового проката. Получены аналитические выражения для оценки максимально реализуемой чувствительности контроля горячекатаного листового проката теневым, многократно-теневым, эхо и эхо-сквозным методами с учетом влияния шероховатости и непланшетности граней, позволяющие определять оптимальные параметры автоматизированных дефектоскопов. Рассмотрено влияние крупнозернистой структуры проката при контроле эхо и эхо-сквозным методами. Оценены уровни акустических помех, возникающих за счет трансформации звукового пучка на гранях листа, ограничивающих предельную чувствительность контроля.
Седьмой раздел диссертации посвящен разработке методов безэталонного измерения толщины листового проката в динамическом режиме и экспресс-контроля физико-механических характеристик (упругих, прочностных, структурных) материала листового проката.
В восьмом разделе дается методология построения многоканальной автоматизированной аппаратуры с механическим и электронным сканированием листового проката при иммерсионном способе ввода ультразвука многократно-теневым, эхо и эхо-сквозным методами контроля. Описываются принципы действия и функциональные схемы установок, усилительно-логических блоков, систем регистрации информации.
В заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований.
В списке литературы содержится 350 наименований источников В диссертации защищаются следующие основные научные положения: 1. Система высокочувствительного и достоверного автоматизированного ультразвукового контроля сплошности, толщины и физико-механических характеристик толстолистового проката, базирующаяся на развитых (эхо-сквозной) и созданных в работе (многократно-теневой и эхо-метод с регистрацией сигналов во втором временном интервале) методов и принципов построения аппаратуры, обеспечивающих значительное повышение его качества.
2. Закономерности ослабления амплитуд регистрируемых акустических сигналов, прошедших через контролируемый лист при его многократном взаимодействии с внутренними несплошностями в виде акустически непрозрачных дисков и полуплоскости, расчетные аналитические выражения, АРД-диаграммы для оценки чувствительности контроля и номограммы для определения систематических ошибок измерения условных размеров обнаруженных дефектов.
3. Закономерности прохождения звукового пучка вблизи боковой кромки листа, формулы и номограммы для определения величины прикромочной мертвой зоны контроля теневым, зеркально-теневым и многократно-теневым методами.
4. Методика и обобщенные аналитические зависимости для определения оптимальной рабочей частоты и максимально реализуемой чувствительности при контроле листового проката многократно-теневым, эхо-сквозным и эхо-методом с регистрацией сигналов во втором временном интервале с учетом действия дестабилизирующих факторов (шероховатости и непланшетности поверхности, структурных реверберационных помех) и заданных вероятностей недобраковки и перебраковки.
5. Способ безэталонного измерения толщины листового проката в процессе ультразвукового контроля в иммерсионном варианте.
6. Способы ультразвуковых измерений упругих (модуля Юнга, модуля сдвига, коэффициента Пуассона), прочностных (предела прочности, предела текучести, твердости) и структурных (среднего размер зерна) характеристик материала движущегося листового проката.
7. Принципы построения и функциональные решения узлов многоканальных автоматизированных ультразвуковых систем для контроля сплошности, толщины и физико-механических характеристик листового проката многократно-теневым, эхо-сквозным и эхо-методом.
Обоснованность и достоверность перечисленных основных результатов подтверждена экспериментами и расчетами, а также неоднократным обсуждением результатов на различных конференциях.
Новизна работы определяется тем, что в ее рамках впервые предложено использовать для ультразвукового контроля толстолистового проката теневой метод с регистрацией второго прошедшего импульса, отношения второго прошедшего импульса к первому, эхо-метода с регистрацией сигналов во втором временном интервале, получены АРД-диаграммы, связывающих амплитуды регистрируемых сигналов, размеры преобразователей, дисковых дефектов и геометрических характеристик акустического тракта для оценки чувствительности контроля многократно теневым, эхо-сквозным и эхо-методом с регистрацией сигналов во втором временном интервале. Впервые установлена связь дифракционных ошибок регистрации размеров протяженных несплошностей с параметрами акустического тракта и чувствительностью при контроле теневым, зеркально-теневым и многократно теневым методами. Впервые решена задача о прохождении звуковых пучков через шероховатую границу раздела со статистическими и периодическими неровностями применительно к методам ультразвукового контроля проката и установлена связь числовых характеристик флуктуирующих сигналов, длительности и спектра импульсов с параметрами шероховатостей. Получены аналитические выражения для оценки максимально реализуемой чувствительности контроля рассмотренными методами с параметрами акустических систем и надежностью контроля. Впервые решена задача оценки предельной чувствительности контроля эхо и эхо-сквозным методом в условиях реверберационных и акустических помех из-за трансформации звуковых пучков на гранях листа. Впервые предложены безэталонные способы измерения толщины проката и физико-механических характеристик его материала.
Практическая ценность настоящей работы заключается в повышении метрологических характеристик, чувствительности и надежности ультразвукового контроля толстолистового проката. Результаты работы использованы при выборе алгоритмов обработки акустических сигналов, оптимизации технических параметров ультразвуковых автоматизированных дефектоскопов УДЛ-1М, УДЛ-2, ДУЭТ-2, УДЛ-Ф, УЗУП, УЗУП-М2 и автоматического толщиномера, разработанных и изготовленных на кафедре электроакустики и ультразвуковой техники ЛЭТИ при участии и руководстве автора и внедренных на ряде предприятий страны.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 9-ти Всесоюзных и Российских конференциях «Неразрушающий контроль и диагностика», X (Москва, 1982) Международной конференции по неразрушающему контролю, 6-ти Всесоюзных акустических конферениях и сессиях РАО, международной конференции «Дефектоскопия-89» (Пловдив, Болгария), на НТК «Неразрушающий контроль в науке и индустрии (Москва, 1994), на НТК с международным участием «Физика и техника ультразвука -97», (12-ти Петербургских научно- технических конференциях по ультразвуковой дефектоскопии металлоконструкций, на 3-х Международных конференциях «Физические методы и средства контроля» - ЛЕОТЕСТ (Львов), на Ш-ей Международной конференции «Неразрушающий контроль изделий из полимерных материалов» (Туапсе, 1989), на 1Х-ом Международном симпозиуме по неразрушающий методам характсризации материалов (Сидней, Австралия, 1999), Международном Форуме «Ультразвуковая дефектоскопия -75» Санкт-Петербург, 2003), на региональных и республиканских конференциях, ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Двтором по теме диссертации опубликовано 180 печатных работ, в том числе 1 брошюра, 18 учебно-методических пособий, 58 статей (в том числе 19 в журнале "Дефектоскопия" РАН), 45 авторских свидетельств и патентов, 15 учебно-методических указаний.
Настоящая диссертационная работа выполнялась на кафедре электроакустики и ультразвуковой техники ЛЭТИ с 1970 года в рамках проводимых НИР по разработке методов и средств промышленной дефектоскопии толстолистового проката.
Взаимодействие акустических сигналов с внутренними несплошностями изделий с гладкими гранями и методы их обнаружения
Теоретические основы взаимодействия акустических сигналов с внутренними неоднородностями изделий изложены в 50-60-х годах XX века в работах отечественных и зарубежных ученых, посвященных вопросам возбуждения и дифракции упругих волн на моделях простой геометрической формы (диск, сфера, цилиндр и т.д.) в изотропном твердом теле.
Теоретическое исследование акустического поля поршневого преобразователя, расположенного на свободной поверхности полубезграничной твердой среды, проведено в работе Миллера и Персея [18]. В ней получены ассимптотические формулы для акустического поля на больших расстояниях от излучателя, а результаты расчета для различных компонент смещений представлены в форме полярных диаграмм. Авторами впервые показано, что поршневой источник наряду с продольными волнами излучает также поперечные и поверхностные. Амплитуда излученных поперечных волн при некоторых углах отклонения от оси преобразователя достигает максимального значения, сравнимого с амплитудой продольных волн. Однако в параксиальной области преобразователя поле излучения определяется, в основном, только продольными волнами, для описания которых достаточно использовать скалярное волновое уравнение. Выражение для характеристики направленности по продольным волнам при малых углах совпадает с выражением для излучения звука в жидкость [29]. Подобную особенность отмечали другие авторы, в частности, Мейплтон [17], исследовавший дифракционные эффекты в поле излучения преобразователя, нагруженного на твердую среду, а также Кнопов [30], рассмотревший дифракцию упругих волн на отверстии в экране. В своих теоретических исследованиях авторы перечисленных работ применяли интегральную форму решения волнового уравнения с использованием приближения Кирхгофа. Полученные ими данные позволяют полагать, что при малых углах отклонения от оси преобразователя влиянием сдвиговой упругости среды в режиме излучения можно пренебречь.
В монографии Е.Скучика [31] приведено в приближении Кирхгофа решение задачи о дифракции плоской волны на акустически жестком круглом диске. Анализ полученных аналитических выражений акустического поля за диском позволяет сделать следующий вывод: на оси непосредственно за диском находится светлое пятно, линейный размер которого примерно равен длине волны, и с удалением от диска оно увеличивается. Вокруг этого пятна располагается область меньшей освещенности, которая в отличии от области геометрической тени представляет собой область физической тени. Кроме того, Е.Скучиком осуществлено сравнение результатов, вычисленных в приближении Кирхгофа, с точными решениями, полученными другими исследователями [32,34]. Отмечается, что при высоких частотах и на значительном удалении (по сравнению с длиной волны) от диска результаты очень мало отличаются друг от друга, а на низких частотах теория Кирхгофа дает завышенные значения поля дифракции. Полученные результаты послужили основой для разработки метрики теневого метода ультразвуковой дефектоскопии.
Исходя из возможности пренебрежения сдвиговой упругостью, И.Н.Ермоловым в работах [19,20] была предпринята попытка рассчитать в скалярном приближении акустический тракт эхо-дефектоскопа, применительно к отражателю в виде плоского мягкого диска. С учетом результатов, приведенных в [17,18], автором получено следующее уравнение: Л П S„ 5Д S„ AB BC 1BC где сГф - среднее значение нормальной составляющей упругого напряжения, действующего на преобразователь в режиме приема; 2 - амплитуда упругого напряжения на преобразователе в режиме излучения; 8и, Sn, Sfl - площади излучателя, приемника и отражателя, соответственно; X - длина волны в твердой среде; г -расстояние между преобразователем и отражателем; rAB) rgC - расстояния между отдельными точками А и С преобразователя и точкой В отражателя.
И.Н.Ермоловым проведена также экспериментальная проверка полученных выражений и осуществлено сопоставление расчетных величин с экспериментальными данными других авторов. Результаты сравнения показали их вполне удовлетворительное совпадение.
На основании расчетных и экспериментальных данных удалось построить АРД-диаграмму (амплитуда-расстояние-диаметр), позволяющую осуществлять настройку эхо-дефектоскопа на заданную чувствительность и определять эквивалентные размеры обнаруженных дефектов [34]. Аналогичные результаты представлены в [35-42].
При выводе уравнения акустического тракта эхо-метода в контактном варианте (1.1) звуковое поле преобразователя представлялось в скалярном приближении формулой Релея [1]: 2я{\дп). г r S V"" z-0 где фв - потенциал колебательной скорости частиц среды в произвольной точке В; — - значение нормальной компоненты колебательной скорости на поверхности излучателя; г — расстояние от произвольного элемента dS излучателя до точки В. Распределение производной потенциала — по излучающей поверхности в 5п (1,2) определяется типом излучателя. Пьезоэлектрический преобразователь с достаточно хорошим приближением можно считать поршневым, для которого граничные условия записываются в виде: VI „vK,x2+yV (13) где Vo - значение амплитуды колебательной скорости поверхности ПЭП.
Экспериментальное исследование дифракции акустических сигналов на моделях локальных несплошностей
Экспериментальные исследования взаимодействия акустических сигналов с моделями дефектов осуществлялось на лабораторной установке, состоящей из иммерсионной ванны, координатного устройства и электронной аппаратуры.
Иммерсионная ванна выполнена в виде бака, в днище которого вмонтирован поворотный стол, на котором можно устанавливать образцы толщиной от 5 до 200 мм и габаритами в плане 300x300 мм. Механический привод позволял наклонять стол в одной плоскости на угол ±5 для юстировки параллельности плоскостей преобразователей и граней образцов. Координатное устройство позволяло осуществлять сканирование образцов в вертикальном и горизонтальном
Кривая 1 - d/a=0,l; 2 - 0,2; 3 - 0, направлениях при помощи двух электромоторов через ходовые винты. Излучающий и приемный преобразователи размещались в герметизированных стаканах, причем входной усилитель предварительного усилителя размещался в приемном стакане. Система креплений стаканов к координатному устройству позволяла путем юстировки совмещать оси характеристик направленности излучающего и приемного преобразователя.
Электронная аппаратура состояла из серийных и специально разработанных блоков. Структурная схема ее приведена на рис.2.7.
Работой установки управлял синхронизатор, в качестве которого использовался серийно выпускаемый генератор прямоугольных импульсов Г5-54. Импульсом с его синхронизирующего выхода запускался генератор высокой частоты. Высокочастотный электрический сигнал возбуждал излучающий преобразователь И, формирующий ультразвуковой импульс в иммерсионной жидкости. Принятый приемным преобразователем сигнал после предварительного усиления поступал на аттенюатор, а затем на основной высокочастотный усилитель. Далее сигнал детектировался детектором-формирователем, который формировал из него видеоимпульс с плоской вершиной, амплитуда которого пропорциональна амплитуде высокочастотного сигнала. После дополнительного усиления видеоусилителем он подавался на вход двух временных селекторов. С выхода основного усилителя исследуемый сигнал после прохождения через временной селектор III поступал на анализатор спектра типа СЧ-27А.
Сигнал со второго задержанного входа синхронизатора поступал на вход генератора сдвоенных импульсов типа Г5-7А. Назначение этого генератора управлять временными селекторами. С выхода временных селекторов I и II затянутые по длительности формирователями принятые сигналы поступали на входы двух самописцев уровня типа Н-110, на которых происходила запись огибающих амплитуд. Такое построение структурной схемы позволяло производить одновременную регистрацию амплитуд любых двух импульсов из последовательности многократно взаимодействующих с образцом и осуществлять исследование их спектров (например, первого и второго прошедших импульсов). Сшрони р«р
Структурная схема лабораторной установки Контроль за настройкой и работой всей установки в целом осуществлялся с помощью пятилучевого осциллографа С1-33. Наличие двух систем разверток, одна из которых может запускаться от другой через внутренний блок задержки, значительно облегчала процесс исследований. Запуск первой из систем разверток осуществлялся импульсом с выхода синхронизатора, а запуск второй системы -через выбранное исследователем время задержки. Это позволяло одновременно контролировать: многократную последовательность регистрируемых импульсов после их высокочастотного усиления, стробирование требуемых для исследования сигналов, а также отселектированные видеоимпульсы.
При экспериментальном исследовании акустического тракта с регистрацией второго прошедшего импульса в качестве модели несплошности использовался акустически непрозрачный диск, выполненный из оргстекла. Соединение двух частей его толщиной 0,2 мм осуществлялась с помощью дихлорэтана, а наличие внутренней воздушной полости толщиной 0,3 мм позволяло считать его акустически мягким. Набор таких дисков диаметром 2d=2,3,4,5,6,7,8,9,10,l 1,12,13,15,19 мм закреплялся с помощью эпоксидного клея в узлах сетки из стальной проволоки диаметром 0,05 мм, натянутой на металлический каркас.
В качестве излучателей и приемников ультразвука использовались слабодемпфированные кварцевые пластины Х-среза с резонансными частотами 1,0-ь4,0 МГц и диаметрами (2а) 7,9,10,12 и 18 мм. Акустическая система с помощью координатного устройства перемещалась в двух взаимно-перпендикулярных направлениях относительно неподвижной сетки с дисками. В процессе сканирования многократно осуществлялась запись на самописце Н-ПО амплитуды второго прошедшего импульса, ослабленного моделью несплошности. Такой набор размеров преобразователей и дисков, возможность изменения рабочей частоты и расстояния между преобразователем позволяли получать несколько экспериментальных точек для одних и тех же значений обобщенных параметров Н /ZU, и d/a. Величина разброса получаемых при этом значений величин характеризовала точность эксперимента.
Анализ акустического тракта при контроле зеркально-теневым методом
Осциллирующие функции косинус и синус интегралов Френеля от комплексного аргумента целесообразно представить в виде: i-c(x)-jS(x)= [g(x)+jf(x)]5 (3.30) где g(x) и f(x) - вспомогательные функции медленно меняющиеся при Rex 0 (табулированы в [202]).
Это позволяет при выполнении условия (ai/bi)2«l, что соответствует расположению полуплоскости в дальней зоне преобразователя, использовать аппроксимацию вспомогательных функций экспонентой, как это сделано в [203,209]. g(x) = -exp(-2,llx); f(x) = exp(-0,55x), (0 х 1,5). (3.31)
При использовании остронаправленных преобразователей, погрешность, возникающая при такой замене х 1.5 не приведет к ошибке более 10%.
Использованные представления (3.30) и (3.31) позволяют воспользоваться асимптотической оценкой интеграла по Хг в (3.26), разлагая функции g(x) и f(x) в области их медленного изменения в ряд вокруг точки стационарной фазы. Видно, что аргумент вспомогательных функций положителен при хг Д/рі. Вещественная часть р] всегда положительна и меньше единицы, а мнимая отрицательна и мала (рис. 3.6). В дальнейших выкладках для сокращения записей введем обозначения: (3.32) F(x)=i±i-c(x)-jS(x); d (x)=g(x)+jf(x)
Рассмотрим сначала случай, когда ось акустического тракта не перекрыта полуплоскостью (Л 0). При этом область интегрирования по х2 не соответствует области медленно-меняющихся g и f [рис. 3.7 (а)]. Поэтому воспользуемся нечетностью интегралов Френеля, и изменим знак аргумента на противоположный. Тогда (3.29) запишется в виде:
Дальнейшее интегрирование в (3.26) с учетом первого слагаемого в (3.33) выполняется аналогично (3.29). Второе слагаемое в (3.33) приводится к выражению вида: dx, ljL ] J«."! .гя«А їф fe(piX2 _д) у2а, д [V п вычисление которого ведется с использованием разложения функций g и f в ряд вокруг точки стационарной фазы подынтегрального выражения x=p,A [рис. 3.7 (а)] В случае, когда ось тракта перекрыта полуплоскостью (Д 0) видно, что лишь часть области интегрирования по х% соответствует области медленного изменения g и f [рис. 3.7 (б)]. В этом случае для вычисления U целесообразно ВОСПОльзоваться применительно ко второму экрану в плоскости X1O2Y2 принцип Бабине, математическая интерпретация которого имеет вид: ао ао А J — J — J (3.34) -ОО -( dx, - jia Тогда выражение (3.26) можно представить: д ja,xf J иг=м J j{«.x ,x,x,)dXa j j(alxr )x,x1)dXi dx2 I , (3.35) УіУг
Вычисление первого слагаемого в (3.35), определяющего однократную дифракцию, осуществляется с использованием полученных решений. Во втором слагаемом, после вычисления интеграла по xi (3.30) допускается использование метода стационарной фазы, так как теперь область интегрирования совпадает с областью x2 A/pi.
Выражение для и„ , определяющее амплитуду донного сигнала при отсутствии несплошности в листе, может быть получено двукратным использованием (3.29).
Тогда, опуская промежуточные выкладки, в нулевом приближении (функции g и f заменим их значением в точке стационарной фазы х = р\Д) уравнение акустического тракта примет вид [210-212]: Д 0 0.1 І" I W mfe)- ±ф $Є К(52) + -Л/Г і2в 4?та(82)ш(5, J, где: 5,=(l + j)JfMf A; 52=(l + j)J (l-pf)i; 5!=(і + і) (і-р,)д.
Из (3.36) видно, что сигнал на приемнике представляет собой сумму двух дифракционных компонент, определяющих однократную дифракцию на каждой из полуплоскостей, компоненты, обязанной двукратно дифрагированной волне, и прямой волны, не взаимодействующей с краем полуплоскости.
Анализ полученных выражений с учетом (3.28) показывает, что относительная амплитуда регистрируемого сигнала % является функцией трех безразмерных переменных H/ZU,; Д/ап и N. На рис. 3.8 представлена рассчитанная по (3.36) кривая 1 ослабления сигнала краем звуконепрозрачной полуплоскости для Н=8гбЛ и N-0,6. Для получения более точного решения необходимо учитывать несколько членов при разложении функций g и f вокруг точки стационарной фазы. Для сравнения результатов на рис. 3.8 построены кривые 2 и 3 с учетом линейного и квадратичного члена ряда, соответственно. Видно, что наибольшее расхождение в зависимостях наблюдается при малых значениях Д/а Это связано со снижением точности метода стационарной фазы по мере приближения точки х = рАх, к границе области интегрирования. Вместе с тем, учет дополнительных членов ряда уточняет результат, последовательно приближаясь к истинному значению, лежащему между кривыми 2 и 3 . Второе приближение (кривая 3) можно считать вполне удовлетворительным, так как обеспечивает погрешность менее 5%. Для качественных оценок характера ослабления донного сигнала вполне
Экспериментальное исследование прохождения звукового пучка в прикромочной зоне листа
Видно, что И] и pi здесь определяются в конечном итоге формулами (3.28) , в которых Н имеет смысл половины привязанной к однородной среде длины акустического тракта, а N - есть отношение суммарной длины водных задержек (привязанных к металлу) к общей длине акустического тракта, у0 и yrQ - косинусы углов падения сферической волны на боковую грань. Для у0 точки стационарной фазы, определяющий основной вклад в акустическое поле, создаваемое данной компонентой, будут соответствовать Xj = NA, z = —. Тогда Уо, А-х? 1-N (4Л7) 4(Д/ап)2(ап/Ь)2 о N(4-3N)A О 2(1-N)U у0 - характеризует направление из Xj =- г -А в z6 = — -ri. Тогда 1-N Ті= , . (4.18) fez + fi_NV 4(д/ап)2(ап/Ь)!(4-ЗЫ)г V
Как видно, коэффициент отражения, а следовательно и вся зависимость %, будет определяться кроме указанных параметров H/Z&,, N, А/ап и акустических характеристик материала листа и жидкости, еще одним безразмерным параметром an/h - отношением радиуса преобразователя к толщине листа.
Для получения более точного решения, необходимо, подобно тому, как это делалось в подразделе 3.3, учитывать несколько членов ряда при асимптотической оценке компонент дважды дифрагированных волн. Вследствие громоздкости, уточненные значения выражений для относительной амплитуды % прошедшего сигнала здесь не приводится. 201
Расчет взаимодействия второго прошедшего через лист сигнала с его боковой гранью не имеет принципиальных особенностей. Это видно из развернутой схемы акустического тракта (рис.4.2), которая подобна случаю регистрации первого прошедшего импульса, так как число дифрагирующих граней осталось прежним. Здесь лишь втрое увеличилась суммарная «толщина» листа h, а следовательно соответствующим образом изменились и параметры тракта.
Если первому прошедшему через импульсу соответствуют параметры акустического тракта (Н /z&Jb Nj, (an/hi), то несложно показать, что при регистрации второго прошедшего сигнала эти параметры будут определяться выражениями:
На рис .4.3 представлены результаты расчета относительно изменения амплитуды прошедшего сигнала в зависимости от расстояния до края листа из стали, отнесённого к радиусу преобразователя. Параметром кривых является относительная длина акустического тракта Н /z6jB при фиксированных значениях N и an/h. Это означает, что увеличение параметра Н /z соответствует пропорциональному уменьшению частоты. Таким образом, видно, что с повышением рабочей частоты излучения влияние боковой поверхности сказывается при меньших расстояниях от неё.
Для исследования влияния размеров преобразователей на характер ослабления сигнала вблизи края листа целесообразно представить х в зависимости от относительного размера A/h. Это связано с тем, что радиус преобразователя определяет как величину параметра Н /z5si, так и an/h и Д/ап На рис. 4.4 представлены результаты расчётов для стального листа. Кривая 1 соответствует обобщённым параметрам H/z6jl=10, N=0,5, an/h=0,I. Если увеличить радиус преобразователь в раз при постоянной частоте излучения и неизменных расстояниях в акустическом тракте, то обобщённые параметры примут значения: Н /г$л=5; an/h=0,141; N=0,5 (кривая 2). Видно, что при этом характер ослабления сигнала изменился незначительно. В то же время при увеличении частоты вл/2 раз (кривая 3) отличия будут более существенными, хотя обобщённый параметр H /z6j1 стал меньше лишь в V2 раз.
Для автоматизированного контроля толстолистового проката теневым методом представляет интерес оценить, как влияет толщина листа на амплитуду сигнала в прикромочной зоне при постоянных размерах преобразователей и фиксированном расстоянии между ними. На рис. 4.5 представлены соответствующие зависимости для преобразователей диаметром 14 мм, рабочей частоты 2,4 МГц и базового расстояния между преобразователями в акустической системе 350 мм. Кривая 1 соответствует случаю прозвучивания листа толщиной 50 мм. При этом обобщённые параметры имеют следующие численные значения: Н /z6n=6,33, an/h=0,14, N=0,605. Кривые 2 и 3 построены для толщин 100 и 150 мм (2 - н7гбл=8,19, an/h=0,07, N=0,39; 3 -Н IZQST 10,05, an/h=0,047, N=0,254). Видно, что с увеличением толщины контролируемого листа крутизна ослабления сигнала изменяется слабо, но сам спад начинается при больших значениях параметра Д/ап. Также растёт степень флуктуации амплитуды сигнала, что приводит к неравномерности чувствительности контроля вблизи края листа [36]. Здесь же для сравнения приведены зависимости ослабления сигнала для листа толщиной 100 мм из титанового сплава ВТ-3 (штриховая) и алюминия (штрихпунктирная) кривые. Видно, что материал изделия влияет в основном на флуктуацию сигнала, размах которой, определяется градиентом изменения коэффициента отражения от боковой поверхности: - = + 4nWl-m2 = 2_ Vl-n: 0 дг (l-2m2)2 где с=р0/р - отношение плотностей иммерсионной жидкости и металла; n=C(/C] -отношение скоростей продольных волн; m=co/ct - отношение скоростей продольных волн в жидкости к скорости поперечных волн в металле.
На рис. 4.6 представлены диаграммы относительной амплитуды сигнала вблизи боковой поверхности алюминиевого листа в зависимости от величины водных задержек N. В расчётах постоянными значениями были Н/z6n=13,6 и an/h=0,137. Параметром кривых является относительная величина смещения края листа от акустического тракта А/ап.
