Компьютерные исследования акустических свойств многослойных систем применительно к дефектоскопии упругих сред и конструкций Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СЕМИНАР 3

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"

МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.

^ © А.М. Чумичев, Н.С. Порхунова, У.С. Даценко, 2001

УДК 681.2 4

А.М. Чумичев, Н.С. Порхунова, У.С. Даценко КОМПЬЮТЕРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ СИСТЕМ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ДЕФЕКТОСКОПИИ УПРУГИХ

СРЕД И КОНСТРУКЦИЙ

В

настоящее время дефектоскопия как совокупность физических методов контроля является наиболее эффективной при оценке качества материалов, полуфабрикатов и изделий без их разрушения. Известно более двадцати методов дефектоскопии. Наиболее широкое применение получили акустические методы ,позволяющие выявить как поверхностные, так и внутренние дефекты, и основанные на использовании различных упругих волн и колебаний в частотном диапазоне от 50 Гц до 50 МГц, в частности методы ультразвуковой дефектоскопии (эхоимпульсный и др.).

Для излучения и приема акустических волн применяют электроакустические преобразователи, которые преобразуют электрическую энергию в механическую (акустическую) и обратно. При контактных способах излучения и приема преобразование энергии совершается в активном элементе (пьезоэлементе), отделенном от объекта контроля. Схема типового преобразователя показана на рис. 1.

Акустическое поле преобразователя обусловлено размерами, расположением отражателя и преобразователя, частотой колебаний, свойствами среды и длительностью генерируемых

импульсов. Применительно к преобразователю различают поля излучения, приема и излучения-приема. В случае нормального (прямого) преобразователя поле излучения, представляемое как результат действия элементарных источников, на которые разбита вся площадь преобразователя, определяется амплитудой давления, имеющей вид [1]:

1 е]кГлв

Р = -А 7 ДО х(влв)------------<15 =

7 5 ГАВ

= р 1 (ГАВ ) (1).

Как видно из рис. 1 преобразователь является многослойной системой, которую можно рассматривать как фильтр.

Спектр импульса ударного генератора в зависимости от параметра затухания d представлен на рис. 2.

Чем короче импульс, тем шире его спектр. Длительность импульса определяет разрешающую способность и минимальную зону контроля (мертвую зону). Дефект расположенный близко к поверхности изделия может быть четко обнаружен только в случае излучения генератором электрических колебаний импульсов малой длительности. Минимальный размер выявленного дефекта характеризует чувствительность преобразователя, которую можно определить по формуле [2]:

(З)

-0.5

Г

1 1 V \ 1 \

\

s' у 7

4 */ .у / \ \ \

/ о / Г / \

Импеданс протектора Z2 = 5 * 106 кг/м2*с Толщина протектора D2 = 0.3 мм Импеданс демпфера Z6 = 12 * 106 кг/м2*с Импеданс согласующего слоя

Z5 = 17 * 106 кг/м2*с Толщина согласующего слоя D5 = 0.8 мм Толщина контактного слоя D3=0.05;0Л;0.2мм

0.4 0.6 OS 1 1.2 1.4 1,6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 З.Ї 3

Частота. МГц

Рис. З.

K = 2S Re2l

(2)

x {l - cos x1 - a51 B sin x1 )2 + {a51 A sin x1 )2

{Г1 cos хЗ + Г2 sin хЗ )2 + {гз cos хЗ + Г4 sin хЗ )2

В процессе трансформации электрических импульсов в акустические и обратно спектр начального импульса искажается. Искажение происходит не только в результате прохождения через контролируемый объект, но и при передаче энергии генератора на пьезопластину и далее в изделие. Функция, определяющая передачу энергии от генератора в изделие (функция согласования) имеет вид [З]:

F = [(cosk1d1 - l)2 + (Z2/Zf )sin k1d1 J x x {[(Z^Z + Z • Z6/Z1)sink1d1 cosk3d3 +

+ (Z J Z + Z J Z 3) cos k1d1 sin k3d3 J2 +

+ [(1 + Z J Z) • cos k1d1 • cos k3d3 -

- (zJ z + z 6 z J ZZ1) sin k1d1 sin k3d 3 J2

Для того, чтобы спектр сигнала, излученного генератором без изменения передавался в изделие должно выполняться условие

AS (®)<AF (ю) (4)

Добиться наименьших искажений зондирующих импульсов в процессе контроля позволяет выбор оптимальных параметров преобразователя.

Решение подобной задачи чисто экспериментальными методами осложнено необходимостью перебора большого числа различных вариантов параметров, однако может вполне успешно осуществляться с использованием компьютерного моделирования.

Проведенные компьютерные исследования основывались на переборе вариантов расчета по формуле (2), которая является приближенной, вследствие чего расчетные параметры согласующих слоев и демпфера экспериментально проверялись на макетах преобразователей.

Поставленная задача - найти оптимальные параметры прямого преобразователя для контроля изделий с шероховатостью поверхности от 0.05 до 0.20 мм, при которой неравномерность АЧХ преобразователя в пределах полосы пропускания изменяется не более чем на — 2,5 dB - решалась исходя из заранее заданных условий. Импеданс пьезопластины полагался

Z1=32*106 кг/м2*х (ЦТС-19), импеданс демпфера и импеданс согласующего слоя варьировались от 3,2*106 кг/м2 с до 16*106 кг/м2*с с шагом 1,5*106 кг/м2*с,

X

14

импеданс протектора Z2 - от З,2*106 кг/м2*с до 9*106 кг/м2*с с тем же шагом,

Импеданс протектора Z2 = 5 * 10 кг/м *с Толщина протектора D2 = 0.32 мм Импеданс демпфера Z6 = 8.7 * 106 кг/м2*с Импеданс согласующего слоя

Z5 = 8.7 * 106 кг/м2*с Толщина согласующего слоя D5 = 0.08 мм Толщина контактного слоя

D3=0.05;0.1;0.2мм

Рис. 4.

толщина согласующего слоя и протектора полагалась равной четверти длины волны. Полученные семьдесят вариантов расчета проверялись на соответствие условиям задачи и возможности реализации полученной модели.

Преобразователь, АЧХ которого изображена на рис. 3, имеет демпфер, выполненный на основе эпоксидной смолы с 90% содержанием ферровольфрама, который соединен с пьезопластиной ЦТС-*19 через четвертьволновый слой толщиной

0.8 мм с импедансом 17*106 кг/м2*с, и четвертьволновый протектор толщиной 0,3 мм, выполненный на основе эпоксидной смолы с 50% содержанием ферровольфрама. Этот вариант трудно реализуем на практике из-за необходимости отдельного изготовления согласующей пластины с последователь-

1. Чумичев А.М. Неразрушающие методы контроля горных машин.- М.: 1994.

2. Ермолов И.Н. Методы ультразвуковой дефектоскопии. - М.: 1996.

ным приклеиванием ее к пьезопластине и затем приклеиванием демпфера. Клеевой слой будет искажать АЧХ. Наиболее приемлемым для изготовления оказался вариант, имеющий АЧХ, изображенную на рис. 4. В этом случае демпфер с импедансом 26 = 8.7*106 кг/м2*с может быть легко изготовлен на основе эпоксидной смолы с 80% содержанием ферровольфрама, протектор с импедансом 22 = 5*106 кг/м2*с, выполненный на основе эпоксидной смолы с 60% содержанием ферровольфрама наносится на пъезоэлемент без приклейки. Этот вариант был опробован на макете. Полученные при испытаниях на образцах значения длительности донного эхо-импульса оказались вполне приемлемыми для УЗ-контроля.

Результаты компьютерных исследований, находящие применение на практике, закладывают основу создания новых расчетных алгоритмов, адекватно описывающих процессы возбуждения, излучения и регистрации упругих волн в электроакустическом тракте преобразователя и доступных для реализации на современных ЭВМ. Решение подобных задач облегчает разработку эффективных УЗ-преобразователей, повышая тем самым надежность контроля.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Меркулов Л.Г., Яковлев Л.А., Яблоник Л.М. Согласованный преобразователь с составным демпфером. - Дефектоскопия, N4 1968, с 67-72.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Чумичев Алексей Михайлович - профессор, доктор технических наук, декан физикотехнического факультета, Московский государственный горный университет. Порхунова Н. С. - студентка, Московский государственный горный университет. Даценко У. С. - студентка, Московский государственный горный университет.