УДК 620.179-534.1
ФОРМИРОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВОЛНЫ РЭЛЕЯ В ОБЪЕКТЕ С ВЫСТУПОМ.
ЧАСТЬ 2. ВЛИЯНИЕ УГЛА ВЫСТУПА И ДРУГИХ ФАКТОРОВ.
ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ
А.Р. Баев, М.В. Асадчая, О.С. Сергеева, Г.Е. Коновалов
Представлены экспериментальные данные исследования формирования в образцах с различным углом выступа у = 0—135° полей поперечной и продольной мод, первичным источником которых является преобразователь (ПЭП) волны Рэлея, в частотном диапазоне 1—3 МГц. Получены данные по коэффициентам прохождения поверхностной волны (ПАВ) через область сопряжения контактной поверхности образца с внутренней гранью выступа и преобразования ПАВ в головную (поверхностную) волну, являющуюся источником одной из составляющих поля поперечной моды. Исследовано влияние высоты выступа к на прохождение через него трансформированного акустического импульса ПАВ и показана возможность обнаружения поверхностных дефектов, расположенных с обратной стороны выступа. Рассмотрены прикладные аспекты использования результатов исследования в технике у. з. контроля и измерений.
Ключевые слова: волна Рэлея, краевая волна, сопутствующая волна, головная волна, выступ, трансформация мод, рассеяние, граничные условия, суперпозиция полей.
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на имеющийся обширный материал теоретических (преимущественно) и экспериментальных исследований, например [1—5], вопросы трансформации ПАВ и их рассеяния на выступах различной конфигурации и размеров недостаточно изучены. Наиболее близкие по теме настоящих исследований результаты получены в [6, 7], где объектом изучения служили образцы с выступом, угол наклона внутренней грани которого к контактной поверхности образца (угол выступа) прямой. В [6] первичным источником служил ПЭП подповерхностных поперечных волн с углом призмы Ь = = агс81и(С1/Сг), где С1 — скорость продольной волны в призме ПЭП, Ст — скорость поперечной волны, а ПАВ играла роль лишь сопутствующей моды. При этом на особенности трансформации ее в объемные моды и рассеяния в области сопряжения контактной поверхности с внутренней гранью выступа (далее — область сопряжения поверхностей ОСП) не обращалось должного внимания. При проведении акустических измерений использовали образцы с прямоугольными выступами, поверхность приема которых была плоской, что давало лишь качественную картину исследуемого поля в окрестности зоны а ~ 0 и значительно искаженную — вне ее. Эти недостатки были устранены в [7], где образцы с выступом выполнены с цилиндрической поверхностью приема волн, что позволило впервые установить роль сопутствующей поперечной моды в формировании результирующего поля, а также уточнить остальные составляющие поля: превалирующую по амплитуде краевую волну, рассеянную непосредственно на ОСП выступа, а также отходящую под
Алексей Романович Баев, главный научный сотрудник Государственного научного учреждения "Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси". Тел. (37517) 331-63-41. E-mail: baev@iaph.bas-net.by
Мария Вадимовна Асадчая, старший научный сотрудник Государственного научного учреждения "Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси". Тел. (37517) 331-63-41. E-mail: asadchaya@iaph.bas-net.by
Ольга Сергеевна Сергеева, ассистент Государственного научного учреждения "Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси". Тел. (37517) 222-52-12. E-mail: o.s.serg@mail.ru
Георгий Евменьевич Коновалов, ведущий научный сотрудник Государственного научного учреждения "Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси". Тел. (37517) 284-20-02. E-mail: mayorov@iaph.bas-net.by
углом к нормали передней грани выступа поперечную моду, генерируемую краевой головной волной. Была также показана возможность использования ПЭП поверхностных волн для выявления дефектов путем прозвучива-ния объекта поперечной вертикально поляризованной модой, значительная часть энергии которой получена при трансформации ПАВ на выступе.
Используемые на практике изделия, узлы и соединения могут иметь технологические выступы с различным значением угла выступа у и высоты h, а потенциально опасные дефекты — располагаться не только в объеме выступа, но и за ним — в недоступной зоне. С другой стороны, изучаемые объекты представляют собой волноводы сложной геометрии и знание особенностей возбуждения и прохождения через них различных упругих мод представляет интерес для создания как устройств приема, так и излучения упругих мод. Поэтому дальнейшее проведение исследований механизма трансформации и полей рассеяния объемных мод, первичным источником которых являются ПЭП волны Рэлея, является актуальным не только для у.з. контроля указанных объектов на наличие дефектов, но и других целей в технике у.з. измерений.
Нами выбран экспериментальный путь исследований, т. к. теоретический подход для описания рассматриваемых объектов ограничен ввиду сложности постановки граничных условий и др. В настоящей работе продолжено изучение особенностей формирования поля поперечных (преимущественно) Аг(а) и продольных AL(a) волн в стальных образцах, исследованы зависимости параметров поля от угла выступа у и его высоты h, определены коэффициенты прохождения и трансформации упругих мод на ОСП выступа.
Согласно полученным в [7] данным, поле Аг(а) представляет собой суперпозицию полей трех источников: ATS — поле сопутствующей поперечной волны, излучаемой преобразователем одновременно с волной Рэлея; А — поле краевой поперечной волны, трансформированной из ПАВ на ОСП; АТ* — поле отходящей под углом 33° к нормали внутренней грани выступа поперечной волны, генерируемой краевой головной волной. На основе полученных экспериментальных данных и проведенного их анализа рассмотрены некоторые пути использования полученных результатов в у.з. контроле и технике у.з. измерений.
1. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Методика исследований. Методика настоящих исследований изложена в [7]. Объектами исследования являются: стальные цилиндрические образцы радиусом Rq = 54 мм с различной величиной вырезанного углового сектора g, варьируемого в диапазоне у = 35—135°; образцы в виде параллелепипеда с варьируемой высотой выступа h = 1—5 мм. Для прояснения особенностей возбуждения и распространения краевых волн в объектах с нулевым углом выступа использован образец с усталостной трещиной длиной 15, высотой 0,4—0,5 мм и раскрытием устья 8 мкм, выполненный в ИПФ НАН Беларуси по специальной технологии, а также образец с вертикальными пропилами высотой 3, длиной 60 и шириной 0,3 мм.
Основные результаты исследований представлены на рис. 1—5, иллюстрирующих характер изменения поля рассеяния объемных мод и коэффициентов прохождения и трансформации ПАВ в продольные и поперечные моды в зависимости от угла выступа, его высоты и частоты волны.
Влияние угла выступа. Рассмотрим особенности формирования результирующих полей Ат(а) и AL(a) в объеме образцов с различным углом выступа. В отсутствие радиусного перехода (R = RA^^ = 0, где R — радиус ОСП, ^ПАВ — длина ПАВ) можно считать, что излучение краевых волн проводится источником (мнимым) с амплитудными и фазовыми параметрами, распределенными в объеме радиусом ~^ПАВ, и центром в координате х = z = 0. Отличие рассматриваемого источника упругих волн от известных
(малоапертурных) [8] заключается в своеобразии граничных условий, обусловливающих механизм трансформации мод и асимметрию формируемых полей.
Прежде всего обратим внимание на то, что зависимости Ат(а) имеют в окрестности а ~ 0° максимум (рис. 1, 2) и с уменьшением g наблюдается тенденция сдвига его (на ~5—7°) в область положительных значений а, что
А г дБ
10
20
-40
0
5
L-L
б
АТ, дБ
3 ■ ■
i ¿V- v. 2
+ Л k V
40
80
120 а, град -20
-10
0
10 20 а, град
Рис. 1. Влияние угла выступа на нормализованную амплитуду поля поперечной моды
в объеме выступа при R << 1: а — у = 35 (1); 60 (2); 90° (3); АТ = cosa (4); б — детализированная картина поля в области максимума:
Y = 90 (1); 35 (2); 135° (3).
А T дБ
10
20
0
40
80 а, град
Рис. 2. Нормализованная амплитуда поля поперечной волны в образце с y = 35°, R << 1: f МГц = 1 (1); 1,8 (2); 3 (3).
Фпав)а
(-^ПЛВ/£)
Л/
60 120 180
Y, град
Рис. 3. Влияние угла выступа на параметры ПАВ и возбуждаемых краевых
волн при Я1 << 1: 1 — коэффициент прохождения ПАВ через ОСП выступа по амплитуде (^плв)А' 2 — коэффициент трансформации ПАВ в краевые моды по энергии (КПАВ/Е)Й;, 3 — нормализованная амплитуда головной (поверхностной) волны А~£*.
x
0
0
2
4
6
0
А^ дБ
10
40
0
40
i \
\
1 1
Av а2. A2/Aj, дБ
1Л~1 Н , , ,,,, Л А,
80
120 а, град 0
Рис. 4. Влияние угла выступа на нормализованную амплитуду поля продольной волны в объеме выступа при Я1 << 1: g = 35 (1); 90 (2); 135° (3).
Рис. 5. Прохождение волны Рэлея через участок с прямоугольным выступом разной высоты:
1 — амплитуда нетрансформированной волны А2;
2 — амплитуда трансформированной на выступе волны А ; 3, 4 — отношение амплитуд А2/А1;
частота/; МГц = 0,985 (о, Д, □); 1,72 (•, ▲ , <).
детализировано на рис. 16. При этом изменение абсолютной амплитуды максимума поля на фиксированной рабочей частоте не превосходит 2—3 дБ.
Локальный минимум. Независимо от частоты волны и угла выступа зависимости Ат(а) имеют ярко выраженный локальный минимум, достигающий для у < 90° десятки дБ в окрестности характерного угла amin. Как показано ранее для у = 90° [7], этот экстремум возникает в результате взаимодействия рассеянной на выступе краевой Т^-моды и отходящей под углом 33° к нормали поверхности передней грани выступа поперечной Т*-моды. Последняя генерируется краевой головной волной, трансформированной из ПАВ.
Экспериментально установлено (рис. 1), что amin представляет собой линейную функцию от у
а = Е - Y, (1)
min
где с, — некоторая константа, зависящая от частоты.
Для у < 90° при варьировании частоты от 1 до 3 МГц Е изменяется в диапазоне 132—137° при погрешности угловых измерений не более 1°.
Используя представления лучевой акустики, получим обобщенное выражение для определения значений углов приема, пр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.