Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Высокие требования к надежности современных технических устройств требуют совершенствования методов и средств нераэ-рушаюшего контроля. Широкий класс задач по обнаружению и оценке параметров внутренних и поверхностных дефектов материалов и изделий решается методами ультразвуковой дефектоскопии. Одним из основных параметров ультразвуковой дефектоскопии является паче излучения - приема пьезоэлектрических преобразователей, характеризуемое их диаграммой направленности, которая, в свою очередь, определяет чувствительность, точность измерения координат дефектов, шаг сканирования и ряд других параметров контроля.
Ряд задач современной дефектоскопии, таких как выявление подповерхностных дефектов, определение качества нанесения покрытий и др., при использовании ультразвуковых методов контроля связан с выявлением дефектов в ближней зоне поля излучения приема преобразователя. Задачи оценки параметров таких дефектов являются особенно актуальными для современного производства, т.к. они связаны с внедрением новых материалов (пластики, композит и др.) и технологий (нанесение защитных покрытий, сварка взрывом, склеивание и др.). Такие дефекты могут иметь малое раскрытие и не содержать воздушного слоя, что создает дополнительные трудности при их обнаружении. Вместе с тем, я литературе отсутствует достаточно полное теоретическое описание процессов формирования акустических полей в ближней зоне, недостаточно изучены вопросы формирования сфокусированного излучения, которое является необходимым для повышения чувствительности дефектоскопии подповерхностных дефектов. Это сдерживает совершенствование способов и средств выявления таких дефектов
Проводимые в Институте прикладной физики НАН Беларуси исследования магнитных жидкостей показали, что одним кз способов формирования и управления полем изучения - приема ультразвуковых преобразователей является использование эффекта деформации равновесной границы магнитная жидкость - немагнитная среда. Однако вопросы формирования магннтожидкостных звукопроводов, применительно к созданию устройств фокусировки ультразвука и обеспечению постоянства параметров' зву-копровода в течении всего цикла контроля, требуют дополнительных исследований. Данная работа посвящена решению указанных вопросов и направлена на совершенст-
. 2 вование способов и средств контролі подповерхностных дефектов с малым раскрытием, что является актуальной задачей современного машиностроения.
Связь с крупными научными программами, темами. Работа выполнялась в Институте прикладной физики Национальной академии наук Беларуси в рамках Государственной программы фундаментальных исследований на 1996-2000 годы "Развитие физических основ технической диагностики и неразрушаюшего контроля (Диагностика)" по теме "Исследование особенностей распространения боковых ультразвуковых волн в материалах со структурными неоднородностями" (№ госрегистрации 19962848) и темы Республиканского фонда фундаментальных исследований "Устойчивость, диагностика и прогнозирование свойств магнитных жидкостей в капиллярных системах под воздействием мощных физических полей (акустических, электромагнитных и др.)" (№Т 17-298).
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является развитие теории ультразвуковых преобразователей и анализ на этой основе поля излучения - приема первичных и вторичных источников ультразвукового излучения для расширения выявляемое подповерхностных дефектов при ультразвуковой дефектоскопии.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести теоретический анализ, и выявить основные закономерности формирования акустического поля фокусирующих непрерывных и дискретных устройств излучения -приема ультразвуковых колебаний в ближней зоне;
-
Исследовать диаграмму направленности дефектов с малым раскрытием - вторичных излучателей ультразвуковых колебаний,
-
Выполнить теоретический анализ процессов формирования равновесной поверхности магнитной жидкости и рассчитать параметры магнитожидкостных звукопрово-дов, обеспечивающих надежный акустический контакт при контроле намагничи-мющихся изделий сложного профиля;
-
Разработать ультразвуковые системы с управляемой диаграммой направленности на основе магнитной жидкости и исследовать их рабочие параметры;
-
Разработать ультразвуковой преобразователь с мапопожидкостным звукопроводом для контроля дефектов с малым раскрытием.
Научная новизна. 1. Дано дальнейшее развитие теории волновых полей в ближней зоне применительно к проблемам ультразвуковой дефектоскопии. Получены точные аналитические вира-
жених для расчета параметров акустического поля в зоне фокуса, определяющие продольные размеры фокального пятна, отклонение реального положения точки фокуса от расчетного, математические модели для численного расчета параметров дискретных и непрерывных систем изучения - приема.
-
Посредством аналитических и численных исследований модифицированного уравнения Бернулли рассчитаны параметры и установлены основные закономерности формирования магнитожидкостных звукоироводов в магнитном поле с учетом кривизны контактной поверхности и магнитной проницаемости контролируемого образца, а также при наличии массовых сил Определены условия формирования я даны оценки размеров немагнитных полостей в объеме магнитной жидкости, которые могут образовываться при переходе через точку неустойчивого равновесия с захватом граничащей жидкой или газообразной немагнитной среды. Впервые установлен механизм дефрагментации внутренней немагнитной полости на три фрагмента.
-
Впервые на основе аналитического и численного анализа гидродинамики свободной равновесной границы магнитная жидкость - немагнитная среда предложен и экспериментально исследован способ создания ультразвуковых магнитожидкостных линз для фокусировки ультразвука. Разработаны способы управления полем излучения - приема такой акустической линзы за счет изменения поперечных размеров объема магнитной жидкости; соотношения массовых и пондеромоторных сил; посредством дозированной подачи дополнительного количества магнитной жидкости в линзу.
Практическая значимость получении* ретлльтатпв. Разработан спосоё обнаружения дефектов с малым раскрытием типа "слипание" путем анализа диаграммы направленности ультразвукового преобразователя при распространении ультразвука 1ерез объект, содержащий область, изменяющую фазу ультразвукового сигнала. Предложен метод расчета звукопроводов акустических преобразователей с магннтожидкостнон линией задержки, обеспечивающих отсутствие внутренних полостей в контактом слое. Разработан и внедрен в НИИ импульсных процессов БГ НПК Порошковой металлургии ультратвукопой преобразователь для контроля качества сварки взрывом втулки с корпусом плунжерных насосов.
Осиоппыс положения инсссртяиин. выносимые на защиту. 1. Развитие теории акустических полей в ближней зоне и анализа на этой основе поля ипучёния приема ультразвуковых преобразователей.
-
Способ обнаружения дефектов с малым раскрытием типа "слипание" путем анализа диаграммы направленности вторичного ультразвукового излучателя (дефекта).
-
Установленные путем компьютерного моделирования зависимости параметров маг-нитожидкостного звукопровода, определяющих устойчивость его поверхности, от конфигурации магнитного поля, а также от магнитной проницаемости и кривизны контактной поверхности контролируемого объекта.
-
Разработанные способы управления полем излучения - приема ультразвуковых преобразователей за изменения формы свободной равновесной границы магнитная жидкость - немагнитная среда; за счет управления поперечными геометрическими размерами мапштожидкостного звукопровода; за счет изменения условий закрепления границы отражения акустического луча.
-
Разработанный акустический преобразователь с магнитожидкостным звукопроводом для коїпроля качества сварки взрывом втулки с корпусом плунжерных насосов.
Личный вклад соискателя. Автором выполнен теоретический анализ структуры акустического поля фокусирующих непрерывных и дискретных устройств излучения - приема ультразвуковых колебаний в ближней зоне; рассчитаны параметры и установлены основные закономерности формирования магнитожидкостных заукопроводоа в магнитном поле; рассчитаны и зкеперимсіггально исследованы фокусирующие характеристики магнитожидкостных линз. Ряд экспериментальных исследований влияния условий закрепления граничных поверхностей на амплитуду акустического луча выполнен в соавторстве. Работа выполнена в лаборатории капиллярных явлений. Института прикладной физики Национальной академии наук Беларуси. Апробация результатов диссертации.
Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной конференции по магнитной гидродинамике MAHYD (Рига 1995г.); Международной конференции "Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике" CM NDT-95 (Минск, 1995г.); Международной научно - практической конференции "Радиотехнические системы и устройства мм-диапазона длин волн и их применение в интересах народного хозяйства" (Тула, 1992г.); 7-я Международная конференция по магнитным жидкостям (Плес, 1996); Международная научно - практическая конференции "Проблемы безопасности на транспорте" (Гомель, 1997).
.t>
Оп-убликованность результатов.
По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 научные статьи, 6 тезисов на международных конференциях, 1 решение о выдаче патента. Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, обшей характеристики работы, пяти глав с краткими выводами по каждой глз!:;, выводов по работе, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 160 страниц, в том числе 122 страницы текста и 56 рисунков, и список использованных источников из 120 наименований.
Похожие диссертации на Ультразвуковые преобразователи с применением магнитной жидкости для контроля подповерхностных дефектов с малым раскрытием
