2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ..............................................................2
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ... .4 ВВЕДЕНИЕ..................................................................8
1. РАЗВИТИЕ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ БЕСКОНТАКТНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ УПРУГИХ ВОЛН В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ......................................15
1.1. Краткий анализ эволюции физических представлений о закономерностях электромагнитно-акустического (ЭМА) преобразования в металлах......15
1.2. Физические основы и сопоставление действия различных механизмов ЭМА - преобразования...................................................17
1.3. Особенности полевых характеристик электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАГ1)..............................................25
1.4. Аппаратные средства бесконтактного ультразвукового контроля...28
1.5. Анализ результатов и постановка задач исследования............30
Выводы по 1-му разделу.............................................33
2. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВ А11ИЯ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ..............................35
2.1. Режим возбуждения.............................................35
2.1.1. Формирование вихревого тока в рабочей зоне ЭМАП.......35
2.1.2. Подключение ИК ЭМАП в схеме ключевого генератора......44
2.1.3. Включение ЭМАП с помощью системы связанных контуров 52
2.1.4. Автотрансформаторное включение датчика ЭМАП...........56
2.2. Распространение упругих волн при бесконтактном возбуждении....61
2.3. Режим приема..................................................79
Выводы по 2-му разделу.............................................84
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОВЫШЕНИЯ ИНФОРМАТИВНОСТИ
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОБЪЕМНЫХ УПРУГИХ ВОЛН.............................................................86
3.1. Модели неоднородностей естественного происхождения в металлах.86
3.2. Взаимодействие упругих волн с плоскостными неоднородностями слоистого строения........................................................92
3.3. Оценки выявляющей способности упругих волн разных типов......101
з
Выводы no 3-му разделу.............................................107
4. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ОБНАРУЖЕНИЯ ПЛОСКОСТНЫХ ПРОТЯЖЕННЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ..............................................109
4.1. Моделирование электроакустического тракта теневого метода ультразвукового контроля................................................109
4.2. Практические способы коррекции параметров ультразвукового контроля
изделий с повышенной температурой поверхности......................115
Выводы по 4-му разделу.............................................121
5. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ И АППАРАТНЫЕ РЕШЕНИЯ СРЕДСТВ ВЫСОКОИНФОРМАТИВНОГО, БЕСКОНТАКТНОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ПРОКАТА.........................................122
5.1. Варианты конструктивного исполнения ЭМАП многоканальных дефектоскопических систем...........................................122
5.2. Схемотехнические решения приемо-передающих трактов............124
5.3. Основные, перспективные приемы повышения чувствительпости и помехозащищенности контроля........................................127
5.3.1. Когерентное накопление полезного сигнала..............127
5.3.2. Метод вариации. Сочетания когерентного накопления и метода вариации.....................................................129
5.3.3. Способы подавления импульсной помехи. Системы динамического контроля временных интервалов................................131
5.4. Примеры организации и построения многоканальных, дефектоскопических систем....................................134
5.4.1. Установка типа «Север-1»........................134
5.4.2. Установка типа «Север-2»........................138
5.5. Повышение информативности измерений прочностных характеристик металла проката акустическими методами..................148
5.6. Способ реализации автоматизированного ультразвукового контроля однородности механических свойств листового проката..........156
Выводы по 5-му разделу....:........................................161
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................162
7. ЛИТЕРАТУРА............................................................165
8. ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................184
4
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ А -параметр измерения;
а -параметр влияния проводящей поверхности, радиус дискообраз-
ной пьезопластины, радиус активной зоны; параметр; элементы матрицы переноса;
а -единичный вектор в направлении распространения волны
АЦВЬ) -амплитудные коэффициенты рассеяния плоской продольной
волны на плоской границе раздела двух твердых сред АЛ -нормированная амплитуда информационного сигнала
АУ(ВУ) -амплитудные коэффициенты рассеяния плоской поперечной БУ-
волны на плоской границе раздела двух твердых сред В -параметр, магнитное поле (индукция)
Ь -параметр, радиус активной зоны;
с -скорость упругой волны;
Су -элементы матрицы переноса (пропагатора) для плоского слоя
С -электрическая емкость;
Г) - амплитудный коэффициент прохождения упругой волны,
Оу -элементы матрицы переноса упругих смещений-напряжений
внутри элементарного слоя с! - диаметр эквивалентного дискового отражателя, дискриминант,
параметр;
ЭЕ - энергетический коэффициент прохождения упругой волны
ЭУ - коэффициент прохождения плоской поперечной БУ-волны на
плоской границе раздела твердых сред е - заряд электрона;
Е -модуль Юнга, энергия, амплитудный коэффициент; электриче-
ское напряжение;
Б -сила
f - частота, сила, вспомогательный многочлен, частота;
в -модуль сдвига
g(x) - вспомогательная функция “х”
Н - напряженность магнитного поля
НВ -твердость материалов по Бриннелю
5
Н|1(1)’(2\х) . цИЛИндрические функции Ханкеля порядка “п” первого и второ-
го рода
Ь -высота, высота эффективного слоя, оригинал переходной функ-
ции;
Ьь ,ЬП -толщина плоского слоя
[ -мнимая единица
'] -плотность вихревых токов;
I -электрический ток;
1п(х) -цилиндрические функции Бесселя порядка “п”
{КО’} -матрица перепоса жесткостей
КОМ(КОТ) -динамический модуль нормальной (тангенциальной) жесткости
к -волновое число, индекс суммирования, отношение скоростей по-
перечной и продольной волн, коэффициент вариации, параметр;
Ь -индуктивность
1 -индекс суммирования; расстояние от точки наблюдения;
М - взаимная индукция, макроскопическая намагниченность;
ш - индекс суммирования, масса электрона, параметр;
N - параметр накопления;
Щх) -цилиндрические функции Неймана порядка “п”
п -число витков, относительная площадь фактического касания, ин-
декс суммирования Р„(Х) -полином Лежандра степени ”п”
Рп(т>(х) - присоединенный полином Лежандра степени ”п”, порядка “пГ
р -давление, параметр Лапласа, волновое число электромагнитной
волны;
р -единичный вектор поляризации
<3 -механическая добротность, электрическая добротность;
Я -волновое число эффективной плоской волны
Я -активное сопротивление, коэффициент отражения;
г -радиус контактной зоны, радиус и расстояние в сферической и
цилиндрической системах координат, расстояние КЕ -энергетический коэффициент отражения упругой волны
6
ЯУ -коэффициент отражения плоской поперечной 8У-волны на пло-
ской границе раздела твердых сред 8 -параметр, площадь
б -индекс суммирования
I -время;
Т -тензор упругих напряжений;
I - время, количество интервалов
II -вектор упругого смещения, электрическое напряжение,
и -параметры слоистой среды, проекции вектора смещения
V -вектор колебательной скорости
У8 -тиристор;
\У -плотность потока энергии, проекция вектора смещения на ось у
X -случайная величина, матрица-столбец напряжений-смещений
х -ось декартовой системы координат, волновое число
У - матрица-столбец напряжений-смещений
у -ось декартовой системы координат
Ъ\у Дуь 21, -волновые сопротивления сред
ъ -координата
а -коэффициент затухания упругой волны, проекции вектора, угол в
декартовой системе координат, параметр;
Р -угол в декартовой системе координат, коэффициент объёмной
концентрации включений у -магиитомеханическое отношение;
А -оператор - лапласиан, параметр контактирования шероховатых
поверхностей;
5 -дельта-функция Дирака, коэффициент электрических потерь,
глубина проникновения вихревых токов; угол поворота плоских катушек;
в - обобщенное затухание;
£ -относительная величина воздушного зазора;
Л - коэффициент потерь, относительная ширина;
0 - угол в декартовой, цилиндрической и сферической системах
координат
7
X - первый коэффициент Ламэ. длина упругой волны
р. - второй коэффициент Ламэ, магнитная проницаемость;
V - коэффициент Пуассона;
£ - коэффициент перфорации, переменная интегрирования;
р - физическая плотность
с - упругое напряжение, электропроводность;
т - время релаксации;
Ф -фазовый сдвиг, угол падения продольной волны
О. -обобщенная частота;
0) -круговая частота
\|/ -угол падения поперечной волны, функция формы; фазовый
сдвиг;
X -угол поляризации поперечной волны, магнитная восприимчи-
вость;
П -функция векторного потенциала
Ф -функция скалярного потенциала, функция формы;
ЛН -локальная неоднородность
ГІН -протяженная неоднородность
ППН -плоскостная протяженная неоднородность
ВВЕДЕНИЕ
Практически неограниченное проникновение достижений научно-технического прогресса в разнообразные сферы человеческой деятельности и его возрастающие темны требуют непрерывного совершенствования средств, методов и научных достижений, обеспечивающих количественный и, особенно, качественный рост материального производства, реализуемого на базисе универсальных информационных технологий. Причем это совершенствование происходит под воздействием процессов, базирующихся как на фундаментальных, так и на прикладных исследованиях в различных областях знаний.
Одной из важнейших составных частей прикладной акустики являются акустические методы неразрушающего контроля, как одного из наиболее авторитетных современных способов повышения качества выпускаемых изделий и обеспечения безопасности жизнедеятельности человека. Как показала практика проектирования, внедрения, и эксплуатации средств ультразвуковой дефектоскопии одним из основополагающих моментов их эффективного применения является создание и поддержание в условиях вариативности производственных задач надежного акустического контакта между ультразвуковым датчиком и контролируемым изделием. Традиционные способы, применяемые для этих целей, хорошо известны: непосредственный контакт, иммерсионный, струйный, «щелевой», «локальная ванна». Имея свои достоинства и недостатки, каждый из них не является универсальным. Однако для достижения необходимого уровня качества мало осуществить даже 100% контроль уже готовой продукции. Дефектоскопическая система, благодаря оперативности, производительности и информативности должна способствовать организации корректирующей обратной связи, воздействующей на весь цикл технологических процессов или в реальном масштабе времени или в режимах максимально приближенных к нему.
Свойства непрерывно развивающегося, начиная с 70-х годов двадцатого столетия, бесконтактного, электромагнитно-акустического (ЭМА) способа возбуждения и приема ультразвука, представляются перспективными в этом плане. Ввиду того, что способ непосредственного преобразования электромагнитных колебаний в механические на границе электропроводящих сред не требует никакой переходной среды (в частности жидкости), в литературе по неразрушающему контролю метод принято называть бесконтактным; а построенные на этом принципе преобразователи электрического сигнала в акустический, - бесконтактными преобразователями или веской-
9
тактными датчиками. Методы неразрушающего контроля, основанные на использовании указанного способа возбуждения и приема ультразвука, по аналогии принято называть методами бесконтактного ультразвукового контроля.
За указанный период, как теоретико-экспериментальные представления о свойствах и закономерностях работы ЭМАП, так и практический опыт их применения испытали весьма значительную эволюцию. На сегодняшний день, благодаря работам многочисленной группы отечественных и зарубежных ученых, как, например: Б.А.Буденков, Г.А.Буденков, А.Н.Васильев, Н.П.Гайдуков, Н.А.Глухов, С.Ю.Гуревич, И.В.Ильин, В.А.Комаров, А. В. Малинка, О.В.Неволин, Ю.В. Петров, Ю. И. Сазонов, А.В.Харитонов, Г1.Ф. Шаповалов, Ю.М.Шкарлет, С.Н.Шубаев, Kaule В., Dobbs R., Larsen P., Houck J., Kawashima K., Frost II., Thompson R., Meredith D., Maxfield В. и др. созданы основы физических представлений о формировании и действии наиболее существенных механизмов электромагнитно-акустического преобразования в металлах с учетом различия в физических параметрах проводящих сред, уровнях магнитного поля и температурных диапазонах, а также других особенностей. Разработан математический аппарат, и эффективные методики для описания количественных представлений о структуре формируемых ЭМАП полей упругих волн, и предложены многочисленные варианты конструкций, обладающих достаточно высокой эксплуатационной эффективностью и имеющих широкую сферу практических приложений. В области аппаратных средств неразрушающего контроля разработана и внедрена обширно развитая номенклатура устройств и методического обеспечения, обладающих высокой эффективностью и обеспечивающих заметное возрастание экономических показателей производства. Методы бесконтактного ультразвукового контроля открыли принципиальную возможность, частично уже реализованную в действующих устройствах, решения задач контроля изделий с повышенной температурой, с загрязненной поверхностью и во время технологических операций, не допускающих применения веществ с повышенной агрессивностью по отношению к материалам контролируемых изделий. Однако уровень сложности и многообразие решаемых при изучении и создании ЭМАП задач оказался столь высоким, а открывающиеся при этом перспективы столь значительными, что результаты, достигнутые в данной технической области, не могут оставаться исчерпывающими. По этой причине количество публикаций по указанным вопросам продолжает оставаться заметно высоким. Появляются и новые разработки технических устройств. Однако и сегодня можно утверждать о далеко не полном использовании их потенциальных возможностей.
10
Настоящая работа является продолжением изучения средств неразрушающего контроля с использованием ЭМЛП и их технических характеристик, учитывающих преимущества полевых закономерностей и новые способы обработки информационных сигналов, характерных для функционирования автоматизированных дефектоскопических систем с повышенной информативностью.
Целью настоящей диссертационной работы является создание физико-технических предпосылок повышения эффективности бесконтактного (ЭМА) способа возбуждения и приема упругих волн с последующим обоснованием на их основе возможности и реализации повышения информативности ультразвукового контроля изделий листопрокатного производства с помощью многоканальных систем в промышленных условиях.
Работа содержит введение, пять основных разделов, заключение, список использованной литературы и приложения.
Во введении сформулированы актуальность, цель работы и основные научные положения, выносимые на защиту, а также определена структура диссертации, и ее основные характеристики.
В первом разделе представлены результат критического анализа итогов развития и современного состояния теории и технических средств бесконтактного (электромагнитно-акустического) возбуждения и регистрации упругих волн применительно к задачам ультразвуковой дефектоскопии металлоизделий, преимущественно плоско-стпой формы. Раздельно рассмотрены достижения в области физических основ, результаты решения волновых задач для оценки полевых характеристик, а также свойства и предельные возможности широко распространенных и оригинальных аппаратных средств ультразвукового контроля. Результаты критического анализа трансформированы в комплекс сформулированных научно-технических задач, решенных в ходе выполнения диссертационной работы.
Во втором разделе изложены теоретические основы повышения эффективности электромагнитно-акустического преобразования для целей ультразвуковой дефектоскопии изделий плоскостной формы. Раздельно для режимов: излучения, распространения упругих волн и приема разработаны математические модели образования информационных сигналов, закономерности которых положены в основу рекомендаций проектирования и построения многоканальных дефектоскопических систем.
В третьем разделе рассмотрены физические модели взаимодействия упругих волн с неоднородностями, относящимися к наиболее встречаемым в листовом прокате
типам дефектов. Разработанные модели позволяют обосновать различия выявляющей способности объемных продольной и поперечной воли, а также прогнозировать их информативные возможности.
В четвертом разделе изложены элементы методик получения количественных оценок значений параметров ультразвукового контроля при реализации способов получения и регистрации информационных сигналов для разноракурсного прозвучива-ния изделий плоскостной формы при реализации традиционного и модифицированного эхо-методов.
В пятом разделе рассмотрены примеры функциональных и аппаратных решений при построении нового поколения промышленных многоканальных дефектоскопических систем, обладающих повышенными эксплуатационными характеристиками, и реализующих новые подходы конструктивного исполнения, выбора схемотехнических решений и принципов обработки информационных сигналов при бесконтактном возбуждении и приеме упругих волн.
В заключении сформулированы основные результаты выполненных исследований.
В списке литературы содержатся наименования источников, используемых при цитировании.
В приложении приведены сводки необходимых для изложения основных разделов вспомогательных аналитических и фактических материалов, а также копии документов об использовании результатов работы.
В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
1. При анализе режима бесконтактного возбуждения упругих волн сформулирована и решена задача определения величины тока, питающего излучающую катушку (ИК) ЭМАП, с учетом многообразия схемотехнических решений и действующих основных параметров датчиков и электронных устройств. Доказана эквивалентность (с точки зрения максимизации значения указанного тока) прямого, трансформаторного и автотрансформаторного способов подключения ПК ЭМАП к генератору зондирующих импульсов.
2. Установлены связанные с изменением полевых характеристик ЭМАП закономерности, возникающие при варьировании величины рабочего зазора. Теоретически исследовано влияние конструктивных элементов ЭМАП на амплитуду и направленные свойства основных и дополнительных типов излучаемых волн. Сформулированы рекомендации по выбору конструктивных параметров ЭМАП, обеспечивающих ста-
12
бильность измерительного тракта и минимизацию уровня помех, обусловленных наличием «паразитных» воли.
3. При анализе режима бесконтактного приема сформулирована и решена задача выбора характеристик ПК ЭМАП при регистрации информационного импульсного сигнала с учетом влияния согласующих цепей.
4. Физически обоснованы, с учетом граничных условий в приближении «линейного скольжения», применительно к задаче о взаимодействии упругих волн с плоскостными, протяженными неоднородностями, причины преобладания выявляющей способности упругих поперечных волн по сравнению с продольными. Обоснована целесообразность применения «многоракурсного» прозвучивания» изделий плоской формы.
5. Осуществлен анализ уравнения акустического тракта дефектоскопа с ЭМАП, имеющих рабочую зону прямоугольной формы, возбуждающих и принимающих, преимущественно, линейно поляризованные поперечные волны, применительно к традиционным методам ультразвукового контроля и их модификациям. Установлены закономерности, возникающие при изменении параметров взаимного расположения излучающего и приемного ЭМАП при конфигурации, соответствующей теневому методу ультразвукового контроля.
6. Разработаны алгоритмы компенсации изменений обусловленных влиянием температуры объекта контроля в параметрах принимаемых сигналов при осуществлении ультразвукового коптроля листового проката.
7. Разработаны структурные и функциональные схемы многоканальных промышленных дефектоскопов с ЭМАП, а таюке алгоритмы вспомогательной обработки информационных сигналов для осуществления ультразвукового контроля с повышенной информативностью и улучшенными эксплуатационными характеристиками.
8. Предложен и методически разработан информативный признак ультразвуковых измерений на основе связи механических характеристик металла с отношением скоростей распространения поперечных волн, поляризованных вдоль и поперек направления проката листового материала.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в применении полученных результатов для:
- научно-технического обоснования инженерной методики проектирования многоканальной аппаратуры бесконтактного ультразвукового контроля с учетом фи-
13
зических особенностей возбуждаемых и принимаемых ЭМАП упругих волн, а так же спецификой несплошносгей в листовом прокате;
- создания и промышленной эксплуатации нового поколения высокоинформативных средств ультразвукового бесконтактного контроля листового проката.
На основании закономерностей, изученных в диссертационной работе, созданы, сертифицированы Госстандартом РФ и внедрены в промышленную эксплуатацию более тридцати единиц оборудования для автоматизированного бесконтактного ультразвукового кон'фоля листового, сортового проката и труб.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Основными факторами, влияющими на величину тока, питающего датчики электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП) в режиме излучения, следует считал» набор и физические параметры элементов, определяющих эффективность подключения ЭМАП к генераторному устройству. В частности, соотношение параметров накопительного и вспомогательных элементов обеспечивает оптимизацию длительности импульса возбуждающего тока. При этом, прямой, трансформаторный и автотрансформаторный способы подключения ЭМАП к генератору следует считать равнозначными.
2. С целью ослабления зависимости направленных свойств излучающих катушек (ИК) ЭМАП прямоугольной формы от неравномерности распределения вихревого тока в активной зоне необходимо увеличивать размер намотки в направлении, ортогональном протеканию тока, ограничивая при этом рабочий воздушный зазор и площадь ИК ЭМАП.
3. Для обеспечения наибольшего коэффициента передачи приемных катушек ЭМАП, при условии обеспечения минимальных искажений формы импульса, целесообразно использование согласующие цепи с резонансными свойствами. При этом «оптимальное» число витков ПК, равноразмерной ИК, можно выбирать значительно (во многих случаях на порядок) превышающим число витков ИК.
4. При разработке конструкции измерительного модуля и выборе схемы взаимодействия упругих волн с неоднородностью следует отдавать предпочтение более информативному «многоракурсному» прозвучиванию» при согласованной ориентации смещений упругих волн (поляризации) относительно направлений прокатки листовых изделий.
5. При выборе структурных вариантов и схемотехнических решений дефектоскопической аппаратуры следует сочетать комплексное применение элементов согла-
14
сования ИК и ПК ЭМАП с методами накопления, активного подавления импульсной помехи и динамического контроля временных интервалов. Это создает предпосылки для повышения чувствительности бесконтактного ультразвукового контроля металлических листов и плит до уровня, обеспечивающего его промышленную эффективность.
6. При определении степени равномерности механических свойств листового металла в качестве измеряемого информативного параметра целесообразно использовать отношение скоростей поперечных волн при их поляризации в параллельном и перпендикулярном направлениях относительно направления прокатки.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной выставке-семинаре «Современные проблемы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», Ялта. 6-8 октября 1998 г; Международной научно-технической конференции «Инфотех-99», Череповец: ЧТУ, 1999; XIII межвузовской военно-научной конференции, -Череповец: ЧВИИР, 1999; 15lh WordI Conference of Non-Destractive Testing, Rome, Italy, Octoberl5-21, 2000; Ежегодной научно-практической конференции «Инновационные процессы в производстве труб для нефтяной и газовой промышленности на примере Трубной металлургической компании, г.Волжский, 10-11 ноября, 2001 г.; XI международной конференции «Диагностика линейной части магистральных газопроводов «Диагностика -2001», Тунис, апрель 2001,; 8th European Conference of Non-Destractive Testing, Barcelona, Espany, Jynel7-21,2002.; 3-й Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», Москва, март 2004.; 16lh Wordl Conference of Non-Destractive Testing.- Montreal, Canada, August 30- September 3, 2004.; XVII Российской научно-технической конференции с международным участием «Неразрушающий контроль и диагностика», г. Екатеринбург, 5-11 сентября 2005 и др.
По теме диссертационной работы опубликовано 50 печатных работ, из них - 21 авторское свидетельство и патент, 12 статей и 17 работ в трудах научно-технических конференций.
Диссертационная работа состоит из списка условных обозначений, введения, пяти разделов, заключения, списка литературы, включающего 255 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 158 страницах машинописного текста. Работа содержит 67 рисунков и 6 таблиц.
15
1. РАЗВИТИЕ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ БЕСКОНТАКТНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ УПРУГИХ ВОЛН В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
1.1. Краткий анализ эволюции физических представлений о закономерностях электромагнитно-акустического преобразования в металлах.
Эффект преобразования электромагнитных волн в акустические и обратно за сравнительно продолжительный промежуток времени получил, как в отечественной, так и зарубежной литературе, толкование, содержащее ряд противоречивых моментов. В значительной мере это можно объяснить неравномерностью формирования и развития различных областей экспериментальной и теоретической физики, а также противоречивостью требований практики неразрушающего контроля.
Учитывая широкий интерес к близким по содержанию рассматриваемым в диссертационной работе вопросам, даже простое перечисление опубликованных работ потребовало бы чрезмерно большого количества места для описания. Поэтому содержание данного раздела не следует рассматривать как попытку создания исчерпывающе полного обзора по проблемам бесконтактного возбуждения и приема ультразвука. В настоящей работе, как правило, упоминаются сведения лишь тех работ, содержание которых имело принципиальную важность в качестве сравнительного материала.
В процессе развития теоретических представлений и экспериментальных исследований ЭМА-преобразования представляется целесообразным выделить четыре основных этапа.
Начало первого этапа (пятидесятые годы 20-го столетия) характеризуется появлением ряда работ, содержащих феноменологическое описапие процессов ЭМА-преобразования [1, 2], в которых приводятся сравнительно подробные изложения наблюдаемых физических эффектов. Однако, целенаправленных исследований фундаментальной и прикладной направленности в этот период осуществлено не было.
Приблизительно с начала шестидесятых годов стали появляться работы, затрагивающие значительно более широкий круг проблем бесконтактного возбуждения и приема ультразвука. Прежде всего, были выявлены особенности «скин-эффекта» в сильных магнитных полях [3-7]. Собственно процесс преобразования получил развернутую и принципиально корректную базисную физическую интерпретацию [8 -12].
16
Для описания процессов, сопровождающих электромагнитно-акустическое преобразование, предложено применение специального математического аппарата [13- 16]. Были разработаны и представлены для опубликования материалы первых конструкций электромагнитно-акустических преобразователей [17 - 23], где указывалось на возможность использования ЭМАП для целей неразрушающего контроля и метрологического усовершенствования ультразвуковых измерений.
Продолжительность третьего этапа можно приблизительно оценить, начиная с 70-х годов и заканчивая 90-ми годами прошлого 20-го столетия. Именно в этот период появилась основная масса работ, содержание которых и представляет современный базис физических воззрений на процессы прямого и обратного преобразования энергии электромагнитного поля в энергию упругих волн. Одновременно с этим шел процесс непрерывного совершенствования конструктивного исполнения ЭМАП и разработки специальной и вспомогательной аппаратуры. Вопросы теории и практики ЭМА-преобразования получили свое дальнейшее развитие, как в работах зарубежных, так и, в особенности, отечественных авторов [24 - 168]. Отмечается различие в механизмах ЭМА-преобразования для ферромагнитных и неферромагнитных металлов [28,29, 58 -60]. Исследованы направленные свойства ЭМАП различных типов в режимах излучения и приема [61- 63]. Исследованы и обсуждены различные конструкции ЭМАП, применяемые для возбуждения и приема, как объемных, так и поверхностных волн и волн Лэмба. Были сделаны шаги в направлении поиска оптимальных параметров этих конструкций [26, 64 - 66]. Осуществлены попытки оценки величины коэффициента преобразования энергии электромагнитного поля в энергию акустического поля [24, 67]. Согласованной оценкой большинства авторов является утверждение о том, что теоретическое значение этой величины для совмещенного ЭМАП примерно на два порядка меньше, чем для пьезоэлектрического преобразователя обычного, пластинчатого типа. [15, 16, 68]. Однако на практике даже эти скромные цифры оказывались трудно достижимыми, что ограпичивало сферу эффективного использования так динамично развивавшегося вида средств неразрушающего контроля.
Характерным оказалось также появление в рассматриваемый период первых обзоров по бесконтактным методам излучения и приема ультразвука [15, 16, 69,70,75, 85,149,162,165]. Отметим, что в достаточно большом числе публикаций зарубежных авторов описываются эффекты преимущественно в высокочастотной области [15, 16, 39, 40]. Для экспериментальных исследований, в основном, применялась стандартная приемо-передающая аппаратура, в разной степени адаптированная к работе с ЭМА-
- Київ+380960830922