УДК 620.179-534.1
ФОРМИРОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВОЛНЫ РЭЛЕЯ В ОБЪЕКТЕ С ВЫСТУПОМ.
ЧАСТЬ I. УГОЛ ВЫСТУПА ПРЯМОЙ
А.Р. Баев, А.Л. Майоров, М.В. Асадчая, О. С. Сергеева
Обращено внимание на возможность использования преобразователей рэлеевских волн в качестве первичного источника (приемника) поперечных волн для у.з. контроля объектов с технологическими выступами, на которых происходит трансформация и рассеяние упругих мод. Проанализирован акустический тракт и экспериментально исследовано влияние кривизны радиусного перехода выступа и частоты волны на параметры формируемого поля, выявлен вклад в него сопутствующей подповерхностной поперечной моды, а также отходящей моды, генерируемой краевой головной волной. Приведены данные по влиянию углового положения искусственных отражателей в объеме образца с выступом на амплитуду отраженных поперечных волн, первичным источником которых является преобразователь волны Рэлея.
Ключевые слова: волна Рэлея, краевая волна, сопутствующая волна, подповерхностная волна, выступ, радиусный переход, трансформация мод, рассеяние, граничные условия, суперпозиция полей.
ВВЕДЕНИЕ
Объекты современного промышленного производства, включая машиностроение, авиастроение, тепловую энергетику и т. д., имеют различные технологические выступы, радиусные переходы сопрягаемых поверхностей и др. Как известно, в местах резкого изменения профиля поверхности объекта, как наиболее нагруженных, возможно образование трещин, раковин и других типов дефектов, возникающих как в процессе изготовления, так и при эксплуатации изделия. Кроме того, в силу различных причин дефекты структуры материала или несплошности могут образоваться в объеме выступа, их обнаруживают путем у.з. прозвучивания объемными модами. Выявление поверхностных трещин наиболее эффективно с помощью волн Рэлея, способных распространяться в объектах со сложным рельефом поверхности на большие расстояния. В ряде случаев использование традиционных схем прозвучивания подобных объектов объемными волнами затруднено из-за ограниченности доступа для установки преобразователей. Но даже при полном доступе к области выступа на валу прессового оборудования, вагонной оси колесной пары, сварного соединении (валик усиления сварного шва) и других возникают проблемы выявления дефектов с низкой отражающей способностью, ориентированных в вертикальной плоскости.
Нами обращено внимание на расширение возможностей применения преобразователей (ПЭП) поверхностных (рэлеевских) акустических волн (ПАВ) для контроля указанных объектов путем трансформации ПАВ на выступах объекта в краевую (edge) поперечную, вертикально поляризованную ТЕ-моду (рис. 1). Отметим, что вопросы трансформации мод ПАВ-^ ТЕ достаточно неплохо изучены применительно к акустоэлектронике, где объектом исследования являются периодические структуры с выступами, пространственные
Алексей Романович Баев, главный научный сотрудник Института прикладной физики НАН Беларуси. Тел. (375 17) 331 63 41. E-mail: baev@iaph.bas-net.by
Алексей Леонидович Майоров, заведующий лабораторией Института прикладной физики НАН Беларуси. Тел. (375 17) 284 20 02. E-mail: mayorov@iaph.bas-net.by
Мария Владимировна Асадчая, старший научный сотрудник Института прикладной физики НАН Беларуси. Тел. (375 17) 331 63 41. E-mail: asadchaya@iaph.bas-net.by
Ольга Сергеевна Сергеева, ассистент Института прикладной физики НАН Беларуси. Тел. (375 222) 22 52 12. E-mail: o.s.serg@mail.ru
1
б
3
х
Рис. 1. Пояснение к рассматриваемой задаче: 1 — образец с цилиндрической приемной поверхностью; 2 — образец с плоской приемной поверхностью; 3 — контактная поверхность; 4 — внутренняя грань выступа; 5 — ОСП; 6 — излучающий ПЭП;
7 — приемный преобразователь.
размеры которых I. << ХПАВ [1], где ХПДВ — длина рэлеевской волны, возбуждаемой при угле падения РПАВ = аго81п(С1/СПДВ); С1 — скорость продольной волны в призме ПЭП; СПАВ — скорость ПАВ. Что касается особенностей трансформации ПАВ в объемные моды и обратно на объектах с одиночными выступами, размеры которых I. > ХПАВ, а также формирования поля рассеяния, то они изучены далеко недостаточно. Это обусловлено сложностью акустических процессов, происходящих в окрестности области сопряжения поверхности (ОСП) внутренней грани выступа с контактной поверхностью объекта, которая может иметь различную геометрию. Среди работ, проводимых в этом направлении, следует отметить исследования по определению коэффициентов отражения и прохождения ПАВ через локальные участки объекта с цилиндрической поверхностью [2]. В ней теоретически получены выражения для коэффициента ослабления волны 5 как функции безразмерного радиуса Я.А = ^/ХПАВ, находящиеся в хорошем соответствии с данными эксперимента для значений Я.А > 5. Подобные вопросы, касающиеся трансформации объемных и поверхностных волн при исследовании отраженных сигналов от цилиндрических дефектов с 1 < Я.А < 2—4, изучены, например, в [3]. В [4] выполнены расчеты коэффициентов трансформации и рассеяния ПАВ на трещине, являющейся частным случаем объекта с углом выступа у = 0°. Эти данные носят частный характер и в некоторых случаях могут быть использованы для оценки энергетических параметров возбуждаемых при трансформации в объеме выступа мод. Ранее [5] было установлено, что значимый вклад в формирование поля поперечных волн, возбуждаемых ПЭП с углом призмы Р2 = агс81п(С1/Сг), в объеме объекта с выступом может вносить краевая поперечная ТЕ-мода. Последняя трансформируется из сопутствующей поверхностной волны, проходящей через ОСП, в результате рассеяния концентрируется в области а ~ 0° и выше.
Необходимо отметить, что применение для контроля объектов с выступами ПЭП подповерхностных волн (Р = Р2) в схемах тандем или дуэт имеет недостатки, обусловленные существенной зависимостью выявляемости дефектов от их расстояния до ПЭП, в особенности расположенных в области а ~ 0° и выше. Предполагается, что в значительном числе случаев эти недостатки могут быть преодолены путем использования ПЭП поверхностных волн, обладающих слабой расходимостью и локализацией потока энергии
в поверхностном слое глубиной ~ТПАВ. Как видно из представленных ниже экспериментальных данных, увеличение угла призмы ПЭП в диапазоне Р2 < р < < РПАВ сопровождается существенным (более чем на порядок) ростом отношения амплитуды ПАВ Апав к амплитуде сопутствующей моды АТ3. При дальнейшем увеличении угла призмы (в > вПАВ) эффективность излучения ПАВ падает, что ограничивает выбор р. Таким образом, в силу ряда особенностей возбуждения и распространения ПАВ, а также механизма трансформации мод (ПАВ^ТЕ), следует ожидать повышения эффективности контроля и расширения его технических возможностей на базе преобразователей волны Рэлея. Именно для этого случая исследованы особенности формирования акустического поля поперечных волн в образцах с выступом.
В первой части работы исследованы особенности формирования акустического поля поперечной моды в образцах с углом выступа у = 90°. Акцентировано внимание на вопросах влияния радиуса ОСП выступа и частоты волны на амплитудные и угловые параметры результирующего поля. Во второй части работы объектом исследования являются образцы с различными углами выступа и высотой. Рассмотрены также некоторые вопросы применения результатов исследований в технике акустических измерений.
1. КРАТКИЙ АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ АКУСТИЧЕСКОГО ТРАКТА
Для понимания картины формирования акустического поля, первичным источником которого является ПЭП волны Рэлея, в объеме образца с выступом необходимо обратить внимание на две характерные области, рассматриваемые как когерентные источники объемных мод (см. рис. 1б). Так, область падения акустического пучка из призмы ПЭП на контактную поверхность (х0 - а/со8рПАВ < х < х0 + а/со8РПАВ, где 2а — поперечный размер пьезо-элемента в плоскости падения волны, а х0 — точка выхода акустического луча) можно рассматривать как источник не только ПАВ, но и сопутствующих вертикально поляризованной поперечной (Т5) и продольной (Ь5) мод. Во второй области, совпадающей с ОСП выступа, происходит трансформация ПАВ в краевые поперечную (ТЕ) и продольную (ЬЕ) моды и их рассеяние.
В общем случае результирующие поля поперечной АТ и продольной Аь мод в объекте с выступом представляют собой суперпозицию полей когерентных источников краевых АТЕ и АЬЕ и сопутствующих подповерхностных поперечных АТ8 и продольных АЬ8 волн. Условие взаимодействия полей указанных источников заключается в совпадении во времени приходящих в точку наблюдения импульсных сигналов. При смещении ПЭП относительно выступа вдоль оси х изменяется не только соотношение амплитуд возбуждаемых волн вследствие различия законов ослабления ПАВ и объемных мод, но и фазовый сдвиг между ними. Сдвиг Дф. между Т5- и ТЕ-волнами, возбуждаемыми в некоторой точке рабочей поверхности ПЭП с координатой х и приходящими в точку наблюдения М, может быть определен как
Дф. = 2л
(¿га ). (.Уте ). _ (¿"пав ),■ _ .
Т Т т I
лт пав
(1)
где (я^. — путь Т5-волны от координаты элементарного источника х. до точки наблюдения М; (у^Д. и (уте). — длины пути проходящего акустического сигнала в виде ПАВ от х. до характерной координаты ОСП и, после трансформации в ТЕ-волну, от ОСП в точку наблюдения М; Дф. — неучтенный фазовый сдвиг между модами Т5 и ТЕ, обусловленный особенностями механизма их возбуждения и преобразования.
В отсутствие расхождения волны и диссипативных потерь коэффициент преобразования по энергии ПАВ в краевые моды, рассеянные на ОСП, может быть оценен в виде
(кпав/е)ш " = 1 - (^ПАВ) - (^пав) = (кте) + ке) (2)
где (^ПАВ)Ш и (^ПАВ)Ш — коэффициенты прохождения и отражения от ОСП выступа по энергии соответственно; (КТЕ)Ш и (КЬЕ)Ш — коэффициенты преобразования по энергии ПАВ в краевую поперечную и продольную моды соответственно.
Необходимо отметить, что аналитическое решение задачи о формировании поля краевых волн, излучаемых при прохождении поверхностной волной ОСП выступа, для Я, ~ 1 меньше и весьма затруднено, а при Я, >> 1 задача существенно упрощается. Рассмотрим в двумерной постановке неко
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.