Введение к работе
Актуальность темы.
При решении ряда задач акустического контроля и диагностики с использованием воздуха в качестве переходной среды (предотвращение столкновений козловых кранов, автоматическая остановка мостовых кранов, парковка автомобилей, виброметрия, течеискание и т.д.) основной проблемой является согласование высокого акустического импеданса преобразователя с низким акустическим импедансом окружающей среды.
Малое значение фазовой скорости изгибных волн Лэмба на низких частотах обусловливает малое удельное акустическое сопротивление пластины. Поэтому пластины, колеблющиеся на изгибной моде, могут наилучшим образом согласовываться акустически с газообразными средами, вследствие чего могут быть использованы для разработки эффективных излучателей и приемников акустических волн в воздухе и других газах.
Чаще всего колебания пластин (оболочек) рассматривают в теории шума и виброизоляции, где изучению подлежит в основном полная звуковая мощность излучателя, зависящая от амплитуды смещений пластины, величина которой определяется рядом параметров и, как правило, не анализируется. При проектировании ультразвуковых преобразователей, для решения задач контроля и диагностики возникает необходимость анализа детальной картины акустического поля, а именно, расчета смещений в волнах, излучаемых пзгиоными колебаниями пластин. При этом целью расчетов является получение требуемых диаграмм направленности и амплитуд смешений в волнах. Анализ литературных данных показывает, что не существует методик расчета акустических полей таких преобразователей с учетом геометрических размеров и упругих свойств излучающей пластины, параметров импульса возбуждения и свойств окружающей среды, особенно, если пластина ограничена, ее размер сравним с длиной волны в окружающей среде и в импульсном режиме.
Закономерности явлений прозрачности и отражения в тонких пластина нашли применение, в основном, в теории шума и виброизоляции, однако прак тически не используются при разработке методов и средств физических ИЗМЄ рений, неразрушающего контроля, технической и медицинской диагностики.
Цель и задачи работы.
Целью диссертации является разработка изгибных преобразователей дл эффективного излучения в газообразные среды, а также развитие методик ак] стического контроля и диагностики с использованием изгибных волн.
В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие з; дачи:
разработка методики расчета полей акустических волн, излучаемых пл; стинами конечных размеров, совершающих колебания на изгибной моде, в з; висимости от рабочей частоты, параметров пластины, окружающей среды способа возбуждения;
исследование акустических полей изгибных резонансных преобразовать лей;
выработка рекомендаций по проектированию эффективных изгибнь преобразователей для приема и излучения в газообразных средах;
развитие методик акустического контроля и диагностики с использован! ем изгибных волн.
Научная новизна.
Впервые разработана методика количественного расчета акустическі полей смещений в волнах, излучаемых изгибными колебаниями пластин коне ных размеров в газообразных средах в зависимости от рабочей частоты, ге метрических размеров и упругих характеристик излучающей пластины в н прерывном и импульсном режимах. Теоретически и экспериментально иссл дованы акустические поля изгибных резонансных преобразователей.
Предложена принципиально новая методика количественной оценки мощности течей акустическим методом с использованием изгибных резонансных преобразователей.
Установлено, что выявляемость сквозных дефектов при контроле на герметичность полых изделий зависит от прозрачности (шума) их стенок.' Проверены исследования полезного сигнала и шума в зависимости от параметров сквозного дефекта, упругих свойств материала и толщины стенки объекта кон-гроля. Предложена оригинальная методика отстройки сигнала от шума.
С использованием явления незеркального отражения разработаны новая методика ультразвукового измерения упругих модулей, толщины и дефектоскопии тонкостенных изделий, новый способ повышения эхогенности игл для іиапевтических вмешательств и новый метод определения скорости ультразвука в жидких средах.
Для физиотерапии поверхностных и приповерхностных тканей..предложен новый низкочастотный акустический преобразователь на изгибной моде.
Методы исследования.
Используемый в диссертации математический аппарат включает элементы математического анализа, теории упругости, теоретической механики. Чис-тенные расчеты осуществлены на базе вычислительной техники с использовавшем среды Excel, MathCad. Экспериментальные исследования проводились на эборудовании общего и специального назначения.
Практическая ценность.
Разработанная методика количественного расчета акустических полей смешений в волнах, излучаемых изгибными колебаниями пластин конечных размеров в газообразных средах, позволяет проекгировагь іізшбньге преобразователи для эффективного излучения в газообразные среды с требуемой интенсивностью и диаграммой направленности.
Экспериментально полученные дисперсионные кривые моды an волны Лэмба в области малых толщин и низких частот могут быть использованы при разработке методик неразрушающего контроля тонких изделий с плоскопараллельными границами (лист, полоса, фольга и т.д.).
Разработанная методика количественной оценки мощности течей позволяет судить о количестве продукта (газа), вытекающего через течь в единиц} времени, то есть оценить потери продукта, загазованность помещений и т.д.
Показано, что бесконтактный акустический метод герметичности полы> изделий превосходит по чувствительности эхо-импульсный УЗ метод дефектоскопии при соответствующей отстройке от шума (размер выявляемого сквозно го дефекта с1леф~0,01-/1, где Я. - длина волны в окружающей среде).
Использование явления незеркального отражения позволяет обеспечит) более высокую точность определения упругих модулей тонкостенных изделий в особенности, когда невозможно создать деформацию кручения.
Создание игл на основе явления незеркального отражения позволяет по высить их эхогенность и обеспечить направленность диапевтических вмеша тельств, что предупреждает травму внутренних органов и крупных сосудисты: структур.
Использование изгибного преобразователя в ультразвуковой физиотера пии позволяет избежать теплового эффекта на граничных поверхностях и глу бокого проникновения ультразвука в ткань.
Положения выносимые на защиту.
-
Методика расчета полей акустических волн, излучаемых изгибным) колебаниями пластин конечных размеров в газообразные среды.
-
Результаты исследования акустических полей, излучаемых изгибным) колебаниями пластин, в зависимости от рабочей частоты, параметров пласти ны, окружающей среды, и способа возбуждения.
3. Методики и средства акустического контроля, технической и медицинской диагностики с использованием изгибных волн:
методика количественной оценки мощности течей бесконтактным акустическим методом течеискания в системах с избыточным давлением;
методика бесконтактного акустического контроля герметичности замкнутых объектов на наличие сквозных дефектов в условиях акустической прозрачное ги стенок объекта контроля;
методика измерения толщины и определения упругих постоянных материалов тонкостенных изделий;
способ повышения эхогенности иглы для днапевтических вмешательств;
методика измерения скорости ультразвука в исследуемой среде по незеркальному отражению от помещенного в нее волновода;
акустический низкочастотный преобразователь для физиотерапии поверхностных и приповерхностных органов и тканей.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и Осуждались на XXX научно-технической конфсрепции ИжГТУ "Ученые 11л-~ТУ - производству" (г. Ижевск, 2-4 апреля 1996), XXI научно-методической конференции ИжГТУ (г. Ижевск, 1-3 апреля 1997). XXXI научно-технической сонференции ИжГТУ (г. Ижевск, 15-17 апреля 1998), XVIII Уральской конференции "Контроль технологий, изделий и окружающей срелы физическими методами" (г. Ижевск, 13-16 апреля 1998}, Международной конференции "Аттическая эмиссия 99" (Чехия, г. Брно, 15-17 июня 1999).
Научные результаты, полученные в диссертации, используются в курсах Акустический контроль", "Акустические методы и средства медицинской дп-гносгикн и лечения", предназначенных для студентов, обучающихся по спепи-льности 190200 "Приборы и методы контроля качества и диагностика"
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных трудов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов с заключением и списка литературы. Содержит 143 страницы машинописного текста, включая 65 рисунков, 6 таблиц и 109 наименований библиографии.
