автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Ультразвуковые преобразователи с применением магнитной жидкости для контроля подповерхностных дефектов с малым раскрытием

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

СИЛКОВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С ПРИМЕНЕНИЕМ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОДПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ С МАЛЫМ РАСКРЫТИЕМ

05.02.11. Методы контроля и диагностика в машиностроении

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

'Ч/

УДК 620.179

Минск-1997

Работа выполнена в Инстотуте прикладной физики HAH Беларуси f г. Минск

Научный руководитель:

кандидат технических наук, с.н.с. Бае» А.Р.

Офюоильные оппоненты:

Крилович BitKCimui Иванович, дт.н., проф., Академический научный комхиекс "Ииспггут TciLivb и масс<чюмсна им. А.В.Лыкова" НАЛ К. зав. лабораторией.

KvcaKHH Николая Алексеевич. к.т.н.. начальник Управления мегрслопш и радиомефнчсского контроля Госстандарта 1'Ь.

Ведущая организация -

I lavöio - исследовательский и конструкторско - тсхполошческий институт сварки запцтшх покрытий, г. Минск.

Запвтга состоите* и Я ■ " декабря !997г. в 1Ч часов на заседании Совета по гатите сертацнй Д 01.16.01 при Инсппуте прикладной физики НАНБ (220072, г. Минск,; Скарнны,16)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики НАНБ.

Автореферат разослан " А " моаор» 1997 г.

Ученый секретарь

Совета по защите диссертаций

кандидат физико - математических наук

Книев м А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Высокие требования к надежности современных технических устройств требуют совершенствования методов и средств нераз-рушающего 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 связал 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 HAH 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-

вование способов и средств контроля подповерхностных дефектов с малый раскрытием, что являете« 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 «разрушающего 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.)" (Х°Т 17-298).

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является развитие теории ультразвуковых преобразователей и анализ на этой основе поля юяучения - приема первичных и вторичных источников ультразвукового излучения для расширения выяв-ляемости подповерхностных дефектов при ультразвуковой дефектоскопии.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести теоретический анализ, и выявить основные закономерности формирования акустического поля фокусирующих непрерывных и дискретных устройств излучения -приема ультразвуковых колебаний в ближней зоне;

2. Исследовать диаграмму направленности дефектов с малым раскрытием - вторичных излучателей ультразвуковых колебаний,

3. Выполнить теоретический анализ процессов формирования равновесной поверхности магнитной жидкости и рассчитать параметры магнитожидкостных звукопрово-дов, обеспечивающих надежный акустический контакт при контроле намагничивающихся изделий сложного профиля;

4. Разработать ультразвуковые системы с управляемой диаграммой направленности на основе магнитной жидкости и исследовать их рабочие параметры;

5. Разработать ультразвуковой преобразователь с магнктожидкостным 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 н непрерывных систем изучения - приема. 1. 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 и 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. 3. 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 изучения - 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* регультятпв. 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 мапштожидкостной линией задержки, обеспечивающих отсутствие внутренних полостей в контактом слое. Разработан и внедрен в НИИ импульсных процессов БГ НПК Порошковой металлургии ультратвуковой преобразователь для контроля качества сварки взрывом втулки с корпусом плунжерных насосов.

Оснопныс положения инсссртяцин. выносимые на защиту. 1. Развитие теории акустических полей в ближней зоне и анализа на этой основе поля ипучёния • приема ультразвуковых преобразователей.

2. Способ обнаружения дефектов с малым раскрытием типа "слипание" путем анализа диаграммы направленности вторичного ультразвукового излучателя (дефекта).

3. 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.

4. 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.

5. Разработанный акустический преобразователь с магнитожидкостным звукопроводом для ко!ггроля 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 эксперимешально 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 МАНУО (Рига 1995г.); Международной конференции "Компьютерные методы и обратные задачи в неразрушающем контроле и диагностике" СМ ШТ-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).

Опубликованность 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 н приложений. Работа содержит 160 страниц, в том числе 122 страницы текста и 56 рисунков, и список использованных источников из 120 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована ее цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, представлены положения!, выносимые на защиту.

В первой главе дан анализ существующих способов и методов ультразвукового контроля применительно к использованию диаграммы направленности как основного параметра контроля. Проанализированы основные факторы, ведущие к изменению диаграммы направленности акустическою тракта в системе акустический источник, иммерсионная среда, граница раздела сред, акустический контакт, объект (структура материала, дефект), приемник. Дан обзор основных способов создания оптимальных условий ввода ультразвука в объект с точки зрения обеспечения надежного акустического контакта. Рассмотрены основные способы управления диаграммой направленности преобразователей и пути применения ультразпуковых систем излучения - приема для целей получения изображений, фокусирования колебаний. Проанализировано состояние исследований в области применения звукопроводных сред для управления диаграммами направленности. На основе анализа сформулированы задачи, решение которых необходимо для достижения цели, поставленной в диссертации.

Во второй глине на основе использования интегральных преобразований Фурье для пространственных характеристик волнового сигнала дано дальнейшее развитие теории акустических полей в ближней зоне. Найдены аналитически точные размеры зоны фокусировки в продольном направлении. Распределение поля вдоль плоскости приема - излучения преобразователя, при представлении амплитудного распределения поля в гауссовой форме, а фазового распределения в квадратичной форме, имеет вид

l{x.y.o) = exi{{-i, )ïJ]ex^[(-Y: + y|J )/], где .у,,р - характеризуют параметры амплитудного и фазового распределения соответственно. Используя теорему Гельдера и представление частотной характеристики свободного пространства для ближней зоны преобразователя (зоны Френеля)

где U,,U¡ - пространственные частоты, а к - волновое число.аналитически получено значение этого размера ,

'■Л

rie ii0 - расстояние до точки фокусировки, L,,Ly - эффективные геометрические размеры 1Гхх>бразозателя вдоль соответствующих координат.

Как известно, при использовании дискретной системы излучения - приема'увеличивается ее разрешающая способность, чте сопровождается появлением дополнительных экстремумов в диаграмме направленности, при этом образуются побочные зоны фокусировки волнового поля. На основе модели двухэлементной антенной релетки ){/) = дг(/) +■ х(/ - г)'н представления падающего фронта колебания в виде суммы двух параметров - наклона и кривизны волнового фронта

/ ч 2/г 2/г х2 2

(ж) = -—jcsina,+—— cos а,

изучена пространственная структура волнового поля дискретных преобразователей, сфокусированных в ближней зоне. Найдены пределы однозначности измерения координат по углу от нормали и по расстоянию от плоскости излучения - приема:

il / , \ d1 cas2 at, |ar,|<arcsin(/t/2</), K^™ >-—-.

Из анализа неравенств следует, что для обеспечения однозначности измерения по углу во всей передней полусфере, т.е. |а,| = /г/2, необходимо иметь решетку, у которой расстояние между элементами не более d = Л/2, и работать на удалении от нее не ближе Jtojiom При квадратичной аппроксимации фазового распределения поля преобразователя расстояние до фокального пятна будет меньше, чем расчетное. Получено значение

этого смешения в относительных продольному размеру величинах N = • < )

На основе компьютерного моделирования исследовано влияние неоднородностей среды распространения и поверхности образцов на дн.": рамму направленности ультразвуковых преобразователей. При использовании колмогоровской модели, при небольших величинах фазовых ошибок, вызванных турбулентностью среды, увеличение дисперсии фазового распределения примерно в два раза соответствует уменьшению интенсивности поля в фокальном пятое на 2-ЗдБ; эффективные размеры пятна в картинной плоскости изменяются незначительно, увеличиваются на 10-15%. В случае гауссова закона распределения неоднородностей на поверхности образца, интенсивность в фокальном пятне падает на 0.5-1.2дБ при увеличении дисперсии фазовых ошибок в два раза. Продольные и поперечные размеры пятна при этом увеличиваются примерно одинаково.

В третьей главе теоретически исследованы гидродинамические процессы формирования поверхности магнитной жидкости применительно, с одной стороны, к обеспечению параметров сплошности звухопровода и надежности акустического контакта с контролируемым объектом, которые существенно влияют на диаграмму направленности акустического тракта, с другой стороны, применительно к созданию управляемых мапштожндкостных линз за счет эффектов деформации свободной равновесной границы магнитная жидкость - немагнитная среда.

Формирование поверхности магнитной жидкости в зависимости от параметров магнитного поля, свойств магнитной жидкости, макрогеометрии и материала подложки, формы звукопровода, конструкции магнитной системы исследована на основе использования уравнения магнитостатики в обезразмеренном виде:

$ - 05ц„ <ш1.) + в;' (R; + /?г') + Ы= о.

где Ф, • магнитостатичсский потенциал; AM* - скачок мапштостатического давления на границе раздела намагничивающихся сред; В0 =pgfi2a~' - гравитационное число Бонда; Rj = Я, / h - главные радиусы кривизны поверхности.

Использовано приближение тяжелой жидкости, когда пондеромоторные и массовые силы значительно превосходят капиллярные 1, где Вт = ц0MVHh2a~'

магнитное число Бонда. В этом случае уравнение магнитостатики переходит в модифицированное уравнение Бсрнудлн, которое при степенном законе намагничивания маг-нишых жидкостей Мл =ЬЛН1-', где Ь„ = М,,Ьц - х, = ц,-/, имеет вид (f )Sm + $(?) = const.

где - некоторый числовой параметр, характеризующий соотношение между понде-ромоторными сапами и силами тяжести, Цг) - функции координаты поверхности. Реальные источники поля - призматические или кольцевые магниты - заменены, на основе соленондального представления, системой токовых шин. Тогда уравнение свободной поверхности примет вид

где

/ - безразмерный критерий, характеризующий отношение

пондеромоторной силы к силс тяжести, / - сила тока в проводнике и Л - характерный масштаб длины; к - коэффициент, характеризующий закон намагничения. Распределение магнитного поля Н(х,:) найдено методом электромагнитных отображений. Используя полученные выражения, посредством численного анализа получены фазовые портреты формирования поверхности магнитной жидкости с учетом гистерезисных явлений и установлены ее основные закономерности при поляризации поля магнитной системы вертикально, горизонтально и под углом к поверхности, при линейном законе намагничения жидкости (к~1) и при работе вблизи участка насыщения {к=2). Рассчитаны критические параметры АЛ перехода равновесной поверхности из одного устойчивого состояния в другое, когда происходит охват магнитной жидкостью полюса магнитной системы, при котором возможно образование полостей, с захватом граничащей жидкой или газообразной фазы. Дана оценка размеров этих полостей, а также координат максимального подъема поверхности магнитной жидкости в точках неустойчивого равновесия, что позволяет определять требования к магнитным системам для обеспечения сплошности и надежного акустического контакта магнитожидкостного звукопро-вода и контролируемой поверхности. Впервые установлен механизм дефрагментации внутренней полости на три фрагмента (рнс. 1).

У

—V.

- . . - -

ч У

Г- . 1 1 \ _ \ Л

а)М1 = 0.16 б) М1 = 1.45 вШ = 3.2

Рис. 1. Дефрагментация полости в магнитной жидкости на три фрагмента а = 3.

На основе использования двумерной модели источника магнитного поля и бесконечного цилиндрического объекта изучены особенности удержания магнитожидко-стных звукопроволов при наличии кривизны контактной поверхности. Применяя математическую модель, при использовании уравнения Бернулли и метода электромагнитных отображений, численно рассчитали значения критических параметров 2кр, Хкр точек неустойчивого равновесия поверхности при расположении ферромагнитного цилиндра над и под слоем магнитной жидкости. В результате аналитических и компьютерных исследований установлено, что эффективность удержания звукопроволов на объектах с положительной кривизной поверхности выше, чем на объектах имеющих плоскую контактную поверхность. Колее того, требования к энергетическим параметрам первичного источника поля снижаются с ростом кривизны объекта Если же поверхность образца вогнутая, то эти требования повышаются.

Из проведенного анализа формирования поверхности магнитной жидкости в магнитном поле следует, что если магнитная жидкость, погруженная в немагнитную жидкость, находится в аксиальном и центрально - симметричном поле, а Вщ » {#,,£,}, то равновесная конфигурация границы магнитная - нсмагшггиая среда обладает такой же симметрией, как и внешнее поле. Проходя через такую границу раздела сред, упругие волны фокусируются или расфокусируются в зависимости от величины коэффициеугга преломления звука пц, что предложено использовать для создания мапштожидкостных линз. Рассчитаны фокусирующие характеристики квазицилшшри-ческой мапштожидкостной линзы с учетом действия массовых сил, когда вектор массовых сил направлен коллинеарно или перпендикулярно поверхности магнитной жидкости (рис.2).

2.00_ МО-ООО

о

о

а

О

□

о дпею о

-1д1 = 0

ООО

гоо а)

4 00 6.00

8.00 10.00 М;

й. р, градус

225. 2.О0. 1Т5,

1.50

.6.00 _ 4.00

.2.00 0.00

о а

Не в« сил тяж.

р <Р0И.УГ1Х\

о.оо 2.оо ¿¡¡а ¿оо ?!оо ю!оо

б) Ж

Рис.2. Фокусирующие характеристики магнмтожндкостной линзы в поле массовых сил г0 = 0.8, V = сопи = 026 а) (| ОХ ), б) (ё10Х ).

и

ф

Параметры фокуса подучены через соответствующие первую и вторую производные координаты, равновесной поверхности магнитожидкостиой линзы:

Ф" Л.,

соз2 0 2п

■(п-1)- =

2л '

где г - фокальное расстояние, 9 - угол между направлением на точку фокуса и нормалью к поверхности, - длина волны в немагнитной жидкости. Фокальные характеристики изменяются: посредством изменения расстояния от источника магнитного поля до поверхности, на которой удерживается жидкость; изменением комплексного параметра что дает возможность получать электрически управляемую поверхность, форма которой определяет характеристики направленности системы магнитная жидкость - пьезоэлемент. Исследовано формирование равновесной поверхности квазици-лнндрической и квазисферической магнитожидкостиой линзы при приближении к намагничивающейся поверхности. Установлено, что применение определенных магнитных систем позволяет получать поверхности знакопеременной кривизны при изменении расстояния до ферромагнитной поверхности (рис.3).

/ ■"-^г-.. - ■

1

1.50 1,00 0.50 ООО -050 -Ш -150

( ) о

1 ) •а

* »

2 л

л О л С=0 Г.-08

а

а)

6)

Рис.3. Формы (а) и кривизна поверхности (б) квазицилиндрической линзы при приближении к ферромагнитной поверхности сй=5, ¿2=3, с13=2, с14=1.5, <15 = 1.2, с16= 1.1.

В четвертой главе на основе исследований, проведенных выше, предложен и экспериментально исследован ряд устройств управления диаграмму направленности акустических систем. Если преобразователь излучает ультразвуковые колебания перпендикулярно поверхности объекта к, Та вектор нормали к границе раздела сред Й21 прецессирует относительно вертикальной координаты : с угловой скоростью а, то

//

с такой же угловой скоростью вращается и акустический луч в объекте. Изменяя угол прецессии, представляется возможным прозвучивать различные зоны объекта, возбуждая в нем продольные, поперечные, поверхностные и другие типы волн. На основе магнитных жидкостей могут быть реализованы устройства не только с вращающимся, но и качающимся в вертикальной плоскости лучом, что представляет значительный интерес для создания преобразователей с электрически управляемыми диаграммами направленности. В этом случае угол ввода колебаний Да - а - а„ описывается выражением

Да = arcsins

{С С ' 1 I с

— sin (у + &у )-arcsin—smfAy-AmJ \-arcsin—siny

с, I с, - -JJ С.

Ширина основного лепестка диаграммы направленности в прямоугольной пьс-зопластины шириной 2а с учетом при 0 < л / 3 может быть представлена в виде:

О ш 0 61Х ^ ~ "" Sin' ^ ~ "'/ + АТ ~ arCSi"

a cos Ду cosjy + Ду - arcstr^n,, sin Ду)]

Численный анализ данного выражения показывает, что путем подбор« угла наклона пьезопреобразователя и нейтрального положения границы магнитная жидкость - немагнитная среда представляется возможным управлять диаграммой направленности излучателя, изменяя а. Так для с, = 1Ю21-¡0'м/с, с, = 1.9-10'м 'с, с, » 3.4 ■ 10'м ' с, Д9 / 6 » 0.05 при Да »35 + 40'. Учитывая, что наиболее приемлемые углы у *к/б + к/ 4, а параметры магнитной жидкости и внешнего магнитного поля М- /ООкА/ м, VH <• 5-10' А/ м', Др~ 0.5 + /• 10' кг/м', у* 10'м, получим, верхний диапазон угловых частот вращения поверхности о) S 70 + ¡40с~'. Скорость качания луча в одной плоскости соответствует максимальной скорости угловых колебаний границы магнитная - немагнитная среда, полагая, что А/« 50кА/м, г = IJ-10''м, VH = 3-10* А/ м', Ду - к / б .она составляет а £ 21 + 25 с'1, что соответствует 3-4 Гц.

Как установлено в данной работе, выбирая определенные соотношения между магнитным» массовыми и капиллярными силами достигается состояние, при котором происходи-, переток магнитной жидкости на приближаемую поверхность с образованием звукопровода. Был экспериментально исследован способ управления диаграммой направленности ультразвуковых устройств в режиме разделения объема жидкости в зазоре преобразователь - исследуемый образец, путем изменения параметров магнит©-

жидкостного звукопровода. При рабочей частоте ультразвуковых колебаний - 2.5МГц установлен диапазон управления шириной главного лепестка - от 3.6 до 6.5 градусов.

Экспериментальное исследование фокусировки ультразвуковых колебаний маг-нитожидкостными линзами проводилось на установке, состоящей из ультразвукового преобразователя с ыагнитожидкостной линзой в специальной оправе, выполненной с возможностью вращения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, ч погруженной в емкость с прозрачными стенками, заполненную водой, служащей в качестве иммерсионной среды. С целью изменения фокусного расстояния линзы магнит выполнен подвижным с возможностью перемещения вдоль акустической оси. Для формирования линзы использовались самарий - кобальтовые магниты, поляризованые тангенциально

излучающей поверхности, что было обусловлено необходимостью обеспечения конфигурации магнитного поля, при которой устраняются эффекты релеевской неустойчивости, сопровождающиеся появлением пиковой структуры, на границе магнитная - немагнитная среда и искажением волнового фронта. В качестве пьезоэлектрических преобразователей для фокусировки квазицилиндричсской линзой были выбраны пьезопла-стины прямоугольной формы из ЦТС-19 (цирконат ти-тапата свинца) на рабочие частоты 2.5 и 5 МГц. Соотношение сторон пьезопластин 2:1. При фокусировке ультразвука каазисфсрической линзой используются круглые пьезопластины. Демпфирование пьезопластин обеспечивалось тонким слоем эпоксидной смолы со свинцовым суриком. Получены распределения акустического поля в фокальной области (рис.4).

Р пятой гляве изучены особенности ультразвукового контроля дефектов с малым раскрытием и разработан преобразователь для их выявления. Теоретически обоснован н экспериментально исследован способ выявления дефектов соединений с малым раскрышсм типа "слипание", не содержащих воздушного слоя, которые образуются при склсиашшн, сварке трением и т.д. При отсутствии воздушных прослоек ультразвуковые волны проходят через такие области без достаточного ослабления и отражения. Однако они являются неоднородностью, приводящей к изменению фазы проходящего

Рис. 4. Фокусировка ультразвука иагнитожкдкостиой линзой. 1 - в плоскости фокуса. 23- хшХ,{0^РАта)

сигнала. Аналитически рассчитанная диаграмма направленности такого дефекта, который наполовину перекрывает луч шириной /., имеет вид

Экспериментальная проверка такого метода была выполнена на образцах из пластических материалов. Образец, расположенный в ближнем поле преобразователя, выполнялся в виде двух соприкасающихся прямолинейных зон разность фаз, при прохождении ультразвукового импульса через которые составляла <р=3/4л. На рис.5 представлены экспериментальные зависимости амплитуды импульса преобразователя (Г-2,5МГц) измеряемые в дальней зоне преобразователя. Параметр 8 характеризует величину перекрытия преобразователя дефектом. Отклонение от диаграммы направленности, рассчитанной по теоретической модели, составило около 5%.

дБ

дБ

дБ

м а

б) 8=0,5

е.*

в) Б-ОЛ

Рис.5. Экспериментальное исследование диаграммы направленности дефект» типа "слипание"

Экспериментальные исследования показали, что, создавая различные условия закрепления контактирующих поверхностей, можно управлять диаграммой направленности акустических преобразователей Эксперимент проводился следующим образом. Сначала устанавливали излучающий и приемный преобразователи на цилиндрическую поверхности полукруглого образца, и подключали их к генератору и приешшку электрических импульсов. Измеряя угол приема ультразвука, получали угловое распределение амплитуды отраженного сигнала. Затем на плоскую поверхность образца устанавливали плиту на заданном расстоянии </. Щелевой зазор заполнялся модельным адгези-зом, в качестве которого использовали магнитную жидкость. Стедует <тктт, что

я с

существуют оптимальные углы падения и приема, при которых наблюдается максимально возможное изменение величины отраженного сигнала при варьировании условий закрепления границы. Если линия "инверсии" прямая и лежит перпендикулярно плоскости падения волны и угол приема зондирующей волны фиксирован, то при изменении Ах зависимость амплитуды сигнала А(Ьх) имеет максимум и минимум, так что различие в их величинах составляет 20 дБ и более. Если линия инверсии условий закрепления может быть расположена параллельно плоскости падения - приема ультразвуковых колебаний, то изменение амплитуды зондирующего сигнала при варьировании составляло ЗОдБ, однако при этом отклонение характеристики от первоначальной несущественно

На основании предложенного способа выявления дефектов с малым раскрытием типа "слипание" разработан ультразвуковой преобразователь для контроля качества саарки взрывом втулки с корпусом плунжерных насосов. Конструкция преобразователя выполнена по раздельно - совмещенной схеме. Для улучшения рсвсрберационно - шумовых характеристик стенки камер, где размещаются излучающий и приемный элементы, покрыты звукопоглощающим слоем. Демпфирование элементов выполнено с использованием материалов из эпоксидных смол с каучуковым наполнителем. Для производительного контроля сварного соединения на различных этапах производства и эксплуатации а качестве контактной среды использована магнитная жидкость. Для обеспечения сплошности звухопровода и учета влияния вогнутой намагничивающейся контактной поверхности, расфокусирующей магнитное поле система удержания жидкости, ее параметры выбирались согласно исследованиям формирования магнитожидкостных иукопроводоа, проведенных • настоящей работе. Рабочая частота акустических колебаний преобразователя / «= 2.5М1'ц. Разработанный преобразователь позволяет выявлять дефекты с величиной не менее 0.5мм3 и работает с дефектоскопом УД2-12, который используется для возбуждения и приема ультразвуковых колебаний.

ВЫВОДЫ

I. Получены аналитические и численные соотношения, определяющие основные закономерности формирования акустического поля фокусирующих непрерывных и лис-кретных устройств «лучение - приема ультразвуковых колебаний в ближней зоне. НдЛдено аналитически точное выражение для расчета продольного размера зоны

фокусировки. При представлении падающего колебания я виде суммы двух параметров, наклона и кривизны волнового фронта, определены пределы однозначного измерения координат по углу и дальности при работе в ближней зоне фокусирующего дискретного преобразователя. Получены соотношения, определяющие отклонение реального положения фокального пятна при квадратичном фазовом распределении поля вдоль преобразователя.

2. На основе аналитических и численных исследований модифицированного уравнения Бернулли выявлены основные закономерности формирования равновесной поверхности магнитной жидкости в магнитном поле, находящейся на немагнитной или намагничивающейся подложке, для режимов линейного намагничения и вблизи участка насыщения. Найдены.параметры, определяющие точки неустойчивого равновесия поверхности, и условия, при которых происходит образование полостей в контактном слое с защемлением газовой или жидкой немагнитной среды, граничащей с магнитной жидкостью. Впервые установлен механизм дефрагментацни внутренней полости на три фрагмента.

3. На основе двумерной модели источника магнитного поля и бесконечного цилиндрического объекта методом электромагнитных отображений получены фазовые портреты изменения формы объема магнитной жидкости и рассчитаны параметры, определяющие устойчивое состояние поверхности магтгго жидкостного звукопровода, при расположении цилиндрического объекта в объеме магнитной жидкости и в немагнитной среде вблизи границы раздела магнитная - немагнитная среда. Установлено, что при наличии положительной крнвизны намагничивающейся поверхности контролируемого изделия эффективность удержания заукопроводов выше, чем на объектах с плоской контактной поверхностью

< Предложено и теоретически обосновано использование эффектов деформации равновесной границы намагничивающейся и немагнитной жидкостей в целях создания управляемых линз для фокусировки ультразвука. Проведен анализ фокусирующих характеристик кватнсферических и квазицилинлрических магнитожндкостных линз при действии массовой силы и при приближении к намагничивающейся поверхности. Предложены и обоснованы способы управления радиусом кривизны такой линзы: путем относительного смешения реальной или мнимой координаты локализации источника поля, за счет дол'.ро^-.-ной подачи дополнительного объема жидкости в линзу, путем изменения поперечных размеров иагнитожндкостной линзы.

5. Получены соотношения, определяющие максимально возможную скорость сканиро-. вания при качании (21-25 рад/с) и при вращении (70-140 рад/с) главной оси диаграммы направленности в объекте на основе устройств с магнитной жидкостью с вращающейся и качающейся свободной границей. Разработан и экспериментально исследован способ формирования диаграммы направленности преобразователя в режиме перетока магнитной жидкости на приближающуюся поверхность исследуемого образца, в том числе в режиме разделения объема жидкости.

6. Экспериментально получены амплитудные характеристики поля излучения - приема магнитожидкостной линзы к фокальной плоскости, и в параллельных плоскостях, лежащих по Обе стороны от фокуса на расстояниях, соответствующих ослаблению амплитуды на б дБ. Поперечные размеры фокуса, исследованной линзы соответствуют размерам, типичным для классических линз.

7. Экспериментально установлено, что изменение условий закрепления границы отражения акустических колебаний вызывает изменение амплитуды колебаний в направлении главной акустической оси отраженного луча на величину 20..30 дБ. Показано, что существуют оптимальные углы падения - приема ультразвука, при котором наблюдается максимальное изменение амплитуды сигнала при варьировании условий закрепления границы контактирующих Поверхностей.

S. Предложен и экспериментально подтвержден способ выявления дефектов с малым раскрытием типа "слипание" путем анализа диаграммы направленности ультразвукового преобразователя при распространении ультразвука через объект содержащий область, изменяющую фазу ультразвуковою сигнала. Разработанный ультразвуковой преобразователь использован для контроля качества сварки взрывом втулки с корпусом плунжерных насосов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Silkov D.N., Konovalov G.E., Prokhorenko P.P. The computer methods of phase inhomogencity analysis for ultrasonic testing // Computer Methods and Inverse Problems in Nondestructive Testing and Diagnostics CM NDT-95: Proceedings. - Minsk, 1995. -

P. 174-177.

2. Prokhorenko r.F., Bar.- A.R., Miyorav A L. Silkov D.N. On the formation and controlling of the magnetic fluid surface and its using in acoustic focusing // The 14th International Riga Conference of Magnetohydrodyr-aniics, МАИ YD. - Riga, 1995. - P. 222.

3. Решение о выдаче патента на изобретение РФ. МПК4 GOI R 29/10. Устройство измерения параметров волнового фронта методом фазового мгновенного сравнения сигналов / А.Е.Охрименко, О.Р.Ходасевич, Д.Н.Силко» и др. (РБ). - №5055533/09035064; Заявлено 21.07.92; Получ. реш. 11.01.96.

4. Силков Д.Н. Размеры зоны фокусировки СВЧ-энергии // Сб. Радиотехника и электроника. - Вып.22, Минск: Вышэйшая школа, 1992. - С. 31 - 38.

5 Силков Д.Н., Охрименко А.Е. Определение размеров зоны фокусировки и особенности распределения поля ВЧ - диапазона в зоне Френеля // Радиотехнические системы и устройства мм-днапазона длин волн и их применение в интересах народного хозяйства: Тез. докл. конф. - Тула, 1992. - С. 101-103.

6. Баев А.Р., Прохоренко ПП., Силков Д.Н., Чичхан Д М, Равновесные формы магнитной жидкости и распространение через них ультразвука // 7-я Международная конференция по магнитным жидкостям: Тез. докл. конф. - Плес, 1996. - С. 74-75.

7. Baev A.R., Prokhorenko P.P., Silkov D.N., Tchichkan D.N. Equilibrium forms of magnetic fluid volumes and propogation of ultrasonic through interface surface // 7th Intern. Conf. on Magnetic Fluids: Proceedings. - 1996, Plyos. - P.72 - 73.

8 Коновалов Г.Е., Майоров А.Л., Силков Д.Н., Анишенко А.Н. Применение открытого оптического канала в системах обеспечения безопасности железнодорожных перевозок // Проблемы безопасности на транспорте:: Тез. докл. конф. - Гомель, 1997. -

9. Силков Д.Н., Баев А.Р. Применение эффектов деформации равновесной границы намагничивающейся н немагнитной жидкостей для фокусировки ультразвука / Ред. журн. "Изв. АНБ. Сер. физ.-техн. наук". - Минск, 1997,- 12 с. - Деп. в ВИНИТИ 05.02.97, № 326 - В97.

10. Силков Д.Н., Баев А.Р. Влияние кривизны стальных изделий на равновесные формы мал"лтожидкостных звукопроводов // Известия АНБ. Сер. фкз.-техн. н. - 1997. -№2. -

11 Устойчивость, диагностика и прогнозировали» свойств магнитных жидкостей в капиллярных системах под воздействием мощных физических полей (акустических, электромагнитных н др.): Отчет по НИР, Республиканский фонд фундаментальных исследований / Институт прикладной физики АНБ; Науч рук. П П Прохоренко;

С.31-32.

С. 84-88.

ЖГ17-298 от 28.02.94. - Минск, 1997.

№

РЕЗЮМЕ

Силков Дмитрий Николаевич "Ультразвуковые преобразователи с применением магнитной жидкости для контроля подповерхностных дефектов с малым раскрытием"

Ключевые слова: акустические колебания, преобразователь, диаграмма направленности, ближняя зона, дефект, магнитная жидкость, фокусировка, подповерхностный

В диссертации рассмотрены вопросы анализа первичных и вторичных источников акустического излучения и формирование диаграмм направленности с применением магнитной жидкости Дано дальнейшее развитие теории волновых полей в ближней зоне. Предложен новый способ обнаружения дефектов с малым раскрытием типа "слипание". Исследовано формирование поверхности магнитной жидкости в поле магнита, в зависимости от магнитной проницаемости подложки, угла наклона магнитной системы, а также кривизны контактной поверхности образца. Теоретически и экспериментально обоснован способ управления диаграммами направленности акустических преобразователей за счет управления формой равновесной границы магнитна* жидкость • немагнитная среда в том числе и способ создания акустических линз с управляемым фокальным расстоянием и углом наклона фокального пятна. Исследовано влияние условий закрепления границы на диаграмму направленности Отраженного акустического луча.

РЭЗЮМЕ

Сикоу Дчм]трий Миаыасшч "Ультрагуклвые ператваральнш з ужываннем иагжтнаЯ вадкасш для кшггроля падпаверхнявых дэфектау з малым раскрыциСм"

Ключавыв словы: акустычныя ваганш, ператваралишк, дьшрама шшравакасш, блпкая зона, дэфект, мапнпоя вадкасць, факуаро^ка, палиаверхнявы

У дысертацы! разгледжаны питии анашза псршасных 1 другасных стварэлынкау акустычилта вилрамеш.вз»шя 1 фаршрааышс лыя/рам наюраванаст не-рапиралыпкау з ужываннем ыагштнай вадкасш. Даецца лалейшае развитие поры! хаалсяых палгу у бл^зкай зоне. Даследваи новы метад вызначэння дзфектау ты па глтання. Пршшнзаваиа фарм!раванне паверхш мапптай вадкасш у пол! мапита у залежшеш ад магшп&й успрцмальнасш падложи, вутла нахтлення магштнай оспми, а таксам* крившгы паверхш дэтал!, якую канграл1руюць Тэарытычна I зкеперимагтальпз гбаснаваны спосаб ыр&ааши дьшраммай намраванасш акуешчних

fS

перетваральшкау шляхам юравання формай ра?нашжанаД мяжы иагнггная вадказд, -немагготнае асяроддзе, у тим Л1ку i спосаб стварэння акустычных лют j фаяалм^а адлегласцю i вуглом нахмення факалыпга пятна, япя юруюида. Лчследиамш Уздзеянне 5?моу замацавання мяжы адбищя га дыягромыу наарааскасш ut '-кг акустычната прамсня.

SUMMARY

Silkov Dmitry Nikolaevich "Ultrasound transducers for testing of undersurface defect of small width with magnetic fluid applied"

Key words: acoustic oscillations, transducer, diagram directivity, near zone, defect, magnetic fluid, focusing

The thesis deal with the questions of analysis of diagram directivity of primary and secondary acoustic radiation sources and aperture synthesis with magnetic fluid applied. The theory of wave fields in the near zone are developed Дано дальнейшее развитие теории волновых полей в ближней зоне. A new detection method of the defect of cold welding are created The evolution of magnetic fluids are enquired in the field of a magnet with taking account the magnetic permeability of a sample, the inclination angle of magnet system aod the curvature of contact sample surface. A new method of diagram directivity controlling Ы acoustic transducer is theoretically and experimentally proved The method is realized by means of control of equilibrium forms of interface boundary magnetic fluid - nonmagnetic fluid including the method of * acoustic lens creation where focus distance and inclination angle of focus are controlled too. It is researched the method of diagram directivity control of reflected acoustic beam by mean of a condition change of reflection boundary.