Волновые процессы распространения ультразвуковых сигналов в неоднородных гидроволноводах применительно к задачам неразрушающего контроля тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

На правах рукописи

003451292

Реука Сергей Валерьевич

ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ В НЕОДНОРОДНЫХ ГИДРОВОЛНОВОДАХ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ЗАДАЧАМ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ

Специальность: 01.04.06 - Акустика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

зоокт 2008

Санкт-Петербург - 2008

003451292

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» имени В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Аббакумов К.Е. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дымкин Г.Я. кандидат технических наук Кретов Е.Ф.

Ведущая организация - ФГУП ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей»

Защита диссертации состоится « Ю » 2008 года в « » часов

на заседании совета Д 212.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « ^ » 2008 года.

Ученый секретарь совета

Боронахин А.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Традиционной сферой широкого применения средств автоматизированного ультразвукового контроля является индустрия производства листового проката, который является самым массовым продуктом металлургии. Ежегодно в мире производятся сотни миллионов тонн стальных листов различного назначения. 100%-й неразрушающий контроль листового проката давно стал массовой технологической операцией и приобрел статус обязательного.

На сегодняшний день благодаря работам отечественных ученых, таких как, например Л.Г.Меркулов, В.М.Веревкин, Л.В.Веревкина, А.С.Голубев, С.К.Паврос, В.А.Каширин, а также зарубежных - D.Erdman, V.A.Del Grosso, J. Rrautkramer и других - разработаны и внедрены успешно работающие автоматизированные иммерсионные дефектоскопические установки. Основным элементом данных приборов является иммерсионная ванна, в которую контролируемый лист погружается целиком. Несмотря на надежность проверенного временем классического решения, оно имеет такие недостатки, как значительные массогабаритные показатели, сложность внедрения и обслуживания.

Перспективным способом преодоления указанных проблем может стать замена иммерсионной ванны на блок струйных акустических контактов с компактным водосборником. Возможность ввода ультразвуковых колебаний через струю жидкости была отмечена зарубежным исследователем Д.Эрдманом еще в 1956 году. Несмотря на периодические сообщения об использовании «струйного» акустического контакта, его общая математическая теория до настоящего времени разработана не была, не определены оптимальные параметры струеобразующих устройств, струй и преобразователей, не были выработаны рекомендации по оптимальному конструированию акустического тракта с целью достижения наилучших характеристик контроля.

«Струйный» акустический преобразователь является сложной системой, состоящей из собственно электроакустического преобразователя, «струеобразующего» устройства и истекаюхцией из него струи, по которой зондирующий ультразвуковой сигнал переходит в объект контроля. При этом на пути распространения ультразвукового сигнала граничные условия дважды испытывают резкое изменение. Это обстоятельство приводит к изменению формы и длительности акустического импульса. При этом возможно ухудшение целого ряда характеристик контроля (чувствительности, мертвой зоны и др.).

В настоящей работе разработаны основы теории гидроволноводного акустического тракта, позволяющие достичь наилучших характеристик контроля путем выбора оптимальных параметров тракта. В работе были развиты положения существующих теорий распространения ультразвуковых сигналов в волноводах, в частности, в жидкостных трубках цилиндрической формы.

Объектом исследования является гидроволновод с переменными граничными условиями применительно к задаче ввода ультразвуковых сигналов в объект контроля и их приема при дефектоскопии изделий в форме листа.

Целью диссертационной работы является разработка теоретических и экспериментальных основ методики проектирования струйных акустических систем, предназначенных для работы в составе многоканальных автоматизированных ультразвуковых дефектоскопов листового проката.

Достижение цели работы обеспечено решением следующих задач:

- разработкой алгоритма расчета дисперсионных искажений ультразвукового сигнала в неоднородном гидроволноводе применительно к задачам неразрушающего контроля;

- выводом и анализом уравнений акустического тракта для теневого метода, эхо-метода и их модификаций в струйном варианте;

- теоретическим и экспериментальным анализом влияния ненланшетности и коробоватости объекта контроля на результаты контроля;

- получением экспериментальных результатов исследований структуры акустического поля в гидроволноводе;

- оптимизацией параметров отдельно взятой струи для достижения минимальной флуктуации информативных сигналов при заданных условиях и параметрах контроля;

- оптимизацией взаимного размещения струй для достижения минимальной флуктуации сигналов для эхо-метода и последующим обобщением на методы прошедшего излучения.

Методы исследования: теоретические исследования, направленные на решение сформулированных задач, осуществлялись методами математической физики и анализа, интегрального исчисления. Экспериментальные исследования проводились в условиях компьютерного и натурного моделирования исследуемых процессов с использованием математического пакета МаШСАБ. Достоверность полученных теоретических результатов оценивалась путем их сопоставления с результатами проведенных экспериментов, а также с более простыми частными случаями, известными по более ранним исследованиям и доказательствам установленной корректности.

Научная новизна работы:

1. Разработан метод численного моделирования формы импульса в сечении комбинированного гидроволновода в составе «полубезграничная камера - струеобразующее устройство - струя».

2. Выработаны рекомендации по выбору параметров гидроволноводного акустического тракта (диаметры преобразователей и гидроволноводов,

расстояние «преобразователь-струеобразующее устройство») для практически реализуемых частных случаев (материал струеобразующих устройств - конструкционные пластмассы, диаметры струй - до 12 мм, преобразователи частотой 2 ... 4 МГц диаметром 8 ... 16 мм).

3. Разработаны уравнения акустического тракта для теневого и эхо-метода при использовании гидроволноводов. Расчетным методом и экспериментально показано, что при использовании гидроволноводных акустических контактов амплитуда принятого сигнала выше, чем при иммерсионном контакте.

4. Расчетным методом и экспериментально показано, что наличие непланшетности и коробоватости контролируемого изделия приводит к большему ослаблению принятого сигнала в случае использования гидроволноводов, чем в иммерсионном варианте контроля.

5. При заданных параметрах струеобразующих устройств экспериментально установлены оптимальные параметры струи (длина струи, скорость истечения жидкости), позволяющие получить информативные сигналы с наименьшей флуктуацией.

6. Предложено использование струй защиты, как способ снижения взаимного влияния струй в многоструйной акустической системе. В натурном эксперименте показана их эффективность.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в применении полученных результатов для:

- научно-технического обоснования инженерной методики проектирования одноструйных акустических контактов и многоструйных акустических систем с учетом особенностей контролируемого изделия;

- создания и промышленной эксплуатации струйных акустических систем для работы в составе многоканальных ультразвуковых дефектоскопов листового проката и иных изделий.

- на основании результатов диссертационной работы разработан комплект РКД на струйную акустическую систему для ЗАО «УЗ-Константа» по хоздоговору № 6761/ЭУТ-219.

Личный вклад автора. Научные результаты, представленные в диссертации, получены автором, за исключением тех, где предоставлены прямые ссылки на предыдущие существующие работы. В работах, опубликованных совместно, автору принадлежат введение в рассмотрение понятия коэффициентов перехода мод, алгоритм моделирования формы ультразвукового импульса в гидроволноводе, введение в рассмотрение диаграмм амплитуды мод и функций оптимальности.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Ультразвуковой сигнал, распространяющийся в комбинированном гидроволноводе, состоящем из водоуспокоительной камеры, струеобразующего устройства и струи претерпевает искажение, которое является следствием двукратного преобразования волновых мод в сечениях, где имеет место смена граничных условий.

2. Уменьшить искажение формы сигнала возможно путем оптимального выбора следующих параметров акустического тракта: а) соотношения диаметров пьезопреобразователя и струеобразующего устройства; б) расстояние от преобразователя до входа струеобразующего устройства

3. Наличие непланшетности и коробоватости объекта контроля сильнее изменяет принятый сигнал в струйном акустическом тракте, чем в иммерсионном, поэтому при реализации струйного акустического тракта предъявляются повышенные требования к данным характеристикам контролируемого изделия.

4. Флуктуации амплитуды сигнала, принятого после распространения в струе, обусловленные неламинарностью струи, при заданных параметрах струеобразующего устройства могут быть уменьшены путем подбора определенных значений длины струи и скорости истечения жидкости.

5. Флуктуации амплитуды принятых сигналов, обусловленные влиянием струй друг на друга, могут быть уменьшены путем введения струй защиты, не служащих для проведения ультразвуковых сигналов, имеющих меньший диаметр, чем основные струи, и расположенные в акустической системе между основными струями.

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований доложены и обсуждены в рамках следующих мероприятий:

- XII и XIII науч.-техн. конференциях «Ф1зичш методи та засоби контролю середовищ, матер1атв та вироб1в» («Физические методы и средства контроля сред, материалов и изделий «Леотест-2007 и Леотест-2008», Львов, 18-24 февраля 2007 г, 19-25 февраля 2008 г.

- XIX Санкт-Петербургской конференции "Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций" УЗДМ - 2007, Зеленогорск, 29.05.2007.

- конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2006, 2007 и 2008 года.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей, из них -1 статья в журнале из перечня изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 50 наименований и двух приложений. Основная часть работы изложена на 109 страницах машинописного текста. Работа содержит 65 рисунков и 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведен обзор существующих автоматизированных средств контроля листов, обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи работы. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту. Рассмотрена структура основной части работы.

В разделе 1 представлен обзор известных расчетных моделей ультразвукового поля в цилиндрических трубах постоянного сечения. Рассмотрены известные случаи трубы с акустически жесткими и акустически податливыми стенками, а также - с импедансными стенками. Также рассмотрен существующий метод определения дисперсионных искажений в среде с ограниченными размерами. Сформулированы научно-технические задачи, решаемые в ходе выполнения диссертационной работы.

В разделе 2 разработаны основы теории прохождения ультразвуковым импульсом комбинированного гидроволновода, который представлен в виде последовательности водоуспокоительной камеры 1, заполненной жидкостью и содержащей пьезопреобразователь 2 (далее -ПЭП), струеобразующего устройства 3 цилиндрической формы, и струи 4, также цилиндрической формы, которая падает на плоскую поверхность объекта контроля (рис.1). Решена задача нахождения амплитуды и формы импульса в произвольном поперечном сечении гидроволновода (в общем случае) и в частности - на поверхности объекта контроля, при известной форме импульса, излученного преобразователем.

С.1

С.2

Ш) /"--/-/7

5

г

Рис. 1. Схема гидроволноводного акустического тракта

Задача решена путем последовательного определения распределения колебательной скорости по сечению гидроволновода в характерных

сечениях: С.1 - вход струеобразующего устройства; С.2 - выход струеобразующего устройства - вход струи; С.З - выход струи - поверхность объекта контроля. Задача решена следующим образом.

Акустическое поле в водоуспокоительной камере 1 представляется известным способом в виде суперпозиции плоских волн, распространяющихся во всех возможных направлениях. Выражение акустического поля приводится к пригодному для численного интегрирования виду:

Ьо 2 о

Затем акустическое поле в струеобразующем устройстве представляется в виде суперпозиции разрешенных волновых мод:

=2>ЛК/)схр(-у^5-VIЦ),

р

где амплитуда р-й моды вычисляется следующим образом:

2 '

¡^ЛгРо (у,г)гА-,

а. '

р ьг-А{уР) о

Аналогичным образом представлено акустическое поле в струе: где амплитуда q-й моды

Достигая выхода струеобразующего устройства - входа струи каждая мода струеобразующего устройства преобразуется в множество мод струи. Введено понятие коэффициентов перехода р-й моды струеобразующего устройства в д-ю моду струи. Показано, что эти коэффициенты не зависят от диаметров струеобразующего устройства и струи, а только от импеданса стенок гидроволновода. Коэффициенты перехода вычисляются по выражению

Р 2 V

]МГРР)МП<,Р)Р<1Р> (3)

к„„ = ■

• -лЧ) о

при этом импеданс стенки определяет значения ур и щ.

Для частного случая, когда стенки струеобразующего устройства акустически жесткие, а стенки струи акустически податливые, эти коэффициенты приведены в табл. 1.

Таблица 1

р

0 1 2 3 4

0 1,60 1,07 0,85 0,73 0,65

1 0,42 0,83 0,43 0,33 0,28

2 0,06 0,52 0,74 0,40 0,25

3 0,02 0,11 0,56 0,71 0,30

Видно, что моды струеобразующего устройства наиболее эффективно переходят в моды струи того же порядка.

При известной форме входного импульса произведено численное моделирование формы импульса на выходе комбинированного гидроволновода. Импульс на выходе комбинированного гидроволновода представлен в виде следующей суммы:

& iT,t) = Z Z С"/) • ■S0~^). (4)

Р я

где kqp вычисляется по выражению (3), ар - по выражению (2) с учетом выражения (1), S(t - tqp) - временная форма входного импульса с учетом tqp -время прохождения импульсом моды (q, р) комбинированного волновода.

Пример расчета по (4) приведен на рис. 2. На рис. 2.а представлена форма импульса в виде трехмерной диаграммы, где по осям отложены амплитуда, расстояние от акустической оси и время. На рис. 2.6 приведена временная форма импульса: сплошной линией - при г = 0 (на акустической оси) и пунктирной линией - при г = 0,5 а (половина расстояния от акустической оси до стенки струи).

а) б)

Рис. 2. Пример моделирования импульса на выходе гидроволновода

Изменяя в выражении (1) параметр 5 и в выражении (2) параметр Ъ/а можно получить импульсы различной формы, длительности и амплитуды. Ясно, что наибольшая амплитуда и наименьшая длительность импульса будет в том случае, когда в гидроволноводе возбуждается преимущественно

одна из мод. На амплитуды мод в струе повлиять непосредственно не является возможным (вследствие наличия коэффициентов кЧР). Можно управлять амплитудами мод в струеобразующем устройстве посредством изменения входного распределения колебательной скорости £,\(г), то есть путем изменения параметров з и Ъ/а. На рис.3 построены диаграммы зависимости амплитуд мод в струеобразующем устройстве от данных параметров.

2.0 1.51.0 0.5-

0 0,5 1,0 1,5 2.0 б)

параметров возбуждения мод сопла

Светлые области на диаграммах соответствуют той паре параметров .? и Ыа, при которых амплитуда соответствующей моды максимальна. Чем большую яркость имеет клетка на диаграмме, тем больше амплитуда соответствующей моды при соответствующей паре параметров б и Ь/а. Из качественного анализа диаграмм можно сделать вывод, что целенаправленному возбуждению поддаются моды 0 и 1 порядков. Моды порядков 2 и более имеют слабо выраженные области оптимального возбуждения.

Моды 0-го и 1-го порядков имеют сопоставимые амплитуды, существенно более высокие, чем моды 2-го и большего порядков. Желательно возбуждать одну из них так, чтобы вторая была минимальна. Для нахождения такой пары параметров, при которой максимально отношение желательной моды к нежелательной, введены функции оптимальности в следующем виде:

а„ „ а.

F =-5-•<01

Их диаграммы приведены на рис.4.

О 0,5 1,0 1,5 2,0

а) диаграмма функции Foi

Рис. 4.

0,6 1.0 1,5 2.0

б) диаграмма функции Рщ

Ыг

а)

Рис. 3. Диаграммы

в)

0, 1 и 2-го порядков

Наиболее яркие клетки диаграмм соответствуют наибольшему соотношению мод. Проведен анализ численных значений функций Foi и F ¡о в ярких областях диаграмм рис.4 сформулированы следующие практические рекомендации:

- если выбрано Ь/а = 1,5 (например струя 012 мм и ПЭП 08 мм), предпочтительна 1-я мода; тогда максимальное F10 = 4 достигается на расстоянии 0,8 ближних зон.

если выбрано b/a = 1 (равные ПЭП и сопло), тогда предпочтительно возбуждать преимущественно 0-ю моду путем размещения ПЭП на расстоянии 0,5 ближних зон от входа сопла (отношение F01 = 1,6); если выбрано Ь/а = 0,5 (например струя 08 мм и ПЭП 016 мм), предпочтительна 0-я мода, тогда преобразователь следует размещать от входа струеобразующего устройства на расстоянии 2 ближних зон и более (отношение F01 = 3).

В разделе 3 приведен вывод уравнения акустического тракта для случая сквозного прозвучивания изделия, а также проанализировано влияние перекоса листа в акустическом тракте на амплитуду принятого сигнала.

Акустический тракт методов сквозного прозвучивания (теневого, эхо-сквозного и др.) при использовании гидроволноводов приведен на рис. 5. Он включает в себя излучающую систему (преобразователь 1, камера 2, струеобразующее устройство 3, струя 4), контролируемый лист 5 и приемную систему (приемный преобразователь 6, камера 7, струеобразующее устройство 8, приемная струя 9).

Рис. 5. Акустический тракт при использовании струйных акустических контактов

Данный акустический тракт рассмотрен при наличии бездефектного листа. Акустическое поле в приемной системе отличается от такового в излучающей системе. Ультразвуковой импульс, прошедший через лист, возбуждает в приемной струе множество разрешенных мод, которые проходят струю с различными групповыми скоростями и преобразуются во множество мод приемного струеобразующего устройства. Введены в

рассмотрение коэффициенты перехода мод приемной струи в моды струеобразующего устройства:

2

О" = ■

(5)

Л200 *

значения которых для случая акустически податливых стенок струи и жестких стенок струеобразующего устройства приведены в табл.2.

___Таблица 2

и

Я 0 1 2 3 4

0 0,43 0,7 0,19 0,10 0,07

1 0,12 0,59 0,67 0,21 0,12

2 0,06 0,19 0,61 0,66 0,21

3 0,04 0,11 0,20 0,62 0,65

Из данных табл. 2 видно, что моды струи переходят в моды струеобразующего устройства на один порядок выше.

Выведено уравнение акустического тракта в следующем виде:

с/.

ки.

2л_\ 5

Ш

г ¿г ,

(6)

где

£о » »

■Л2 РА

Х"=Щ{ЦЯ) рсо

РА(НВ, г., 1 2гУ/» ехр(-Д^/2 +г] +г2в -2гЛ ^ ^

2П °° & Vя« + ^ -V«)

= рю-

2г„

-ЕЕ-

а„к„

В результате расчета амплитуды принятого сигнала в струйном и иммерсионном вариантах получено, что струйный случай дает выигрыш в амплитуде принятого сигнала от 10 дБ и более благодаря отсутствию дифракционного расхождения в иммерсионной жидкости.

Произведено численное моделирование формы импульса, прошедшего акустический тракт. На рис. 6 приведена форма акустического импульса на оси приемного ПЭП (сплошная линия), а также форма электрического сигнала на электродах приемного преобразователя (пунктир).

Рис. 6. Форма акустического и электрического сигнала на приемном ПЭП

Из рис. 6 видно, что электрический сигнал оказывается короче акустического вследствие того, что моды высоких порядков неэффективно преобразуются в электрическое напряжение. Это можно объяснить противофазным колебанием разных участков поверхности преобразователя.

В разделе 3.5 рассмотрено влияние коробоватости и непланшетности объекта контроля на амплитуду принятого сигнала. Построены графики ослабления сигнала в зависимости от угла перекоса листа в акустическом тракте. На рис. 7 приведены данные зависимости, построенные для листов толщиной 10,20 и 30 мм.

-10 мм, -20 мм, -30 мм, -10 мм, -20 мм, - 30 мм, •10 мм, -20 мм, -30 мм,

расх.

расх.

расх.

нерасх.

нерасх.

нерасх.

эксп.

эксп.

эксп.

2 3 4

Угол перекоса листа, град.

Рис. 7. Зависимости ослабления принятого сигнала от угла перекоса объекта контроля

Теоретические зависимости построены для двух случаев: 1) звуковой пучок в объекте предполагался нерасходящимся, распространяющимся по законам геометрического приближения (10 мм нерасх., 20 мм нерасх., 30 мм нерасх.);

2) звуковой пучок в объекте расходящимся под углом, равным углу раскрытия основного лепестка диаграммы направленности преобразователя в дальней зоне. (10 мм расх., 20 мм расх., 30 мм расх.)

На графики также нанесены кривые, снятые экспериментально (10 мм эксп., 20 мм эксп., 30 мм эксп.).

Видно, что при данных параметрах зависимость для тонкого листа хорошо совпадает с предположением нерасходящегося пучка, а для толстого листа - со случает расходящегося пучка. Аналогичная зависимость для листа толщиной 20 мм имеет промежуточный характер.

В разделе 4 приведены результаты экспериментальных исследований струйного акустического тракта.

В разделе 4.1 описано устройство экспериментального стенда. Схема включения блоков и фотография макета акустической системы приведены на рис. 8.

В разделе 4.2 приведены результаты экспериментов, связанных с изучением структуры акустического поля в гидроволноводе.

Экспериментально получены значения амплитуды сигнала в струйном и иммерсионном случаях, при следующих параметрах акустического тракта: длина струеобразующего устройства - 90 мм, длина излучающей и приемной струй - 50 мм, диаметр струеобразующего устрйства и струи - 10 мм, диаметр ПЭП - 10 мм, частота - 3 МГц. При реализации эхо-метода выигрыш в амплитуде сигнала составляет 10 дБ, при реализации теневого и эхо-сквозного методов - 12 дБ.

Приведены результаты исследования структуры акустического поля и длительности импульса в гидроволноводе с импедансными стенками (в трубках из полипропилена, демпфированных с наружной поверхности).

а) Схема экспериментального стенда

б) Макет акустической системы

Рис. 8.

На графиках на рис. 8 приведены экспериментальные зависимости амплитуды сигнала в выходном сечении волноводов минимального и максимального диаметра (из исследованных). Полученные результаты подтверждают предположение, что максимальная амплитуда колебаний наблюдается вблизи геометрической оси гидроволновода. Изменение параметра 5 не приводит к существенному изменению формы зависимостей, но сказывается на общем уровне принятого сигнала.

координата, мм

■ 0 5 ■ ад 0.8 -

Ч-1.51

а) волновод 014 мм б) волновод 036 мм

Рис. 8. Распределения амплитуды колебаний по сечению гидроволноводов с импедансными стенками различного диаметра

Экспериментально доказано, что импульс на акустической оси имеет большую длительность, чем в стороне от нее. На рис. 9 приведены формы импульса, прошедшего волновод диаметром 18 мм длиной 200 мм (при возбуждении ПЭП частотой 1,25 МГц диаметром 24 мм при я = 2) в трех сечениях: а) на акустической оси, б) на расстоянии 0,56 от акводаустической оси, в) вблизи стенки волн. В случае а) различаются последующие импульсы высших мод, которые в других сечениях не наблюдаются.

1

А У лД

ч1

1 чА 1\ л

1 *

1

| ЧЛ»-

РФ ДА

1

, б) на расстоянии 0,5Ь от . ,

а) на оси /г в) вблизи стенки

оси 7

Рис. 9. Форма ультразвукового импульса в различных точках сечения волновода

В разделе 4.3 рассмотрены параметры струй, влияющие на флуктуацию ультразвуковых сигналов.

Рассмотрена флуктуация сигнала, излученного и принятого в отдельно взятой струе. Флуктуация может быть снижена путем подбора длины струи и скорости истечения жидкости через нее. В случае применения струеобразующего устройства цилиндрической формы и диаметром 10 мм рекомендована длина струи 50-60 мм при скорости истечения жидкости 100120 мл в секунду, при этом величина флуктуации не превышает 2 дБ.

Экспериментально показано, что одновременном истечении множества близкорасположенных струй, флуктуация сигнала в каждой из них увеличивается по сравнению со случаем отдельно взятой струи.

Показано, что при увеличении расстояния между струями до 50 мм взаимное влияние становится мало и флуктуация в рабочей струе не превышает 2 дБ, как в случае работы изолированной струи.

Предложен и экспериментально проверен способ снижения флуктуации, основанный на введении струй защиты, которые имеют уменьшенный диаметр, и расположены в промежутках между рабочими струями. Установлено, что использование струй защиты позволяет уменьшить расстояние между рабочими струями. В условиях эксперимента наилучшее защитное действие оказывали струи защиты диаметром 5 мм.

В разделе 4.4 приведены результаты оценки неконтролируемых прикромочных зон. Для обеспечения достаточной плотности контроля требуется акустическая система числом рядов преобразователей и струеобразующих устройств не более 3-х, и расстоянием между рядами 10-15 см. При любом варианте размещения струеобразующих устройств имеются неконтролируемые зоны на кромках контролируемого листа.

Показано, что для уменьшения неконтролируемых зон кромках листа необходимо создать условия, при которых верхняя струя будет всегда подавлять нижнюю при отсутствии изделия в акустическом тракте.

Показано, что размер прикромочных зон зависит от шага поперечного размещения рабочих струй. В зависимости от взаимного расположения боковой кромки и рабочих струй, пределы колебаний размера прикромочной зоны, в которой можно ожидать недопустимые флуктуации, составляет от £ до (2Ь-Ъ), где Ь - расстояние между осями рабочих струй, Ь -диаметр рабочей струи. Минимальное значение соответствует случаю, когда кромка листа рассекает рабочую струю посередине.

В заключении сформулированы основные результаты, достигнутые в ходе выполнения диссертационной работы, изложены основы методики проектирования гидроволноводного акустического тракта, полученные теоретически и прошедшие экспериментальную апробацию, а также сформулированы задачи дальнейших исследований по повышению надежности и достоверности контроля при использовании струйных акустических систем в составе автоматизированных дефектоскопов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В рецензируемом журнале из списка ВАК

1. Паврос С.К., Реука C.B. Исследование распространения ультразвукового импульса в струйном неоднородном волноводе. Дефектоскопия. - 2008. -№3. - С. 59-70.

В других изданиях

2. Реука C.B., Паврос С.К. О выборе оптимальных параметров струйного акустического тракта. // Сборник трудов 12 научно-технической конференции «Ф1зичш методи та засоби контролю середовищ, матер1ал1в та виробш. Випуск 12.» («Физические методы и средства контроля сред, материалов и изделий «Леотест-2007»), - Львов: Изд-во ФМИ, 2007. -С. 103-110.

3. Реука C.B. Особенности прохождения ультразвуковым импульсом гидроволновода с неоднородными граничными условиями. // Электронный журнал "Техническая акустика", http://ejta.org. - 2008. - №5

4. Паврос С.К., Реука C.B. Уравнение акустического тракта теневого метода при использовании струйных акустических контактов. // Известия Санкт-Петербургского Государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», серия «Приборостроение и информационные технологии». -2007.-№1.-С. 20-25.

5. Реука C.B. О применении струй жидкости для создания акустического контакта при дефектоскопии листового проката. // Сборник трудов 13 научно-технической конференции «Фпичш методи та засоби контролю середовищ, матер1шпв та виробш. Випуск 13. Неруйшвний контроль та техшчна д1агностика материал1в i конструкцш.» («Физические методы и средства контроля сред, материалов и изделий «Леотест-2008»). - Львов: Изд-во ФМИ, 2008. - С. 177-182.

6. Реука C.B. Акустическое поле в гидроволноводе с импедансными стенками. // Электронный журнал "Техническая акустика", http://ejta.org, -2008. -№11.

Подписано в печать 25.09.08. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 44.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Оглавление.

Список обозначений.

Введение.

1. Распространение ультразвука в цилиндрических волноводах.

1.1 Распространение звука в трубах бесконечной длнны с акустически жесткими стенками.

1.2 Распространение звука в трубе с податливыми стенками.

1.3 Распространение ультразвука в трубе с импедансными стенками.

1.4. Особенности распространения ультразвуковых импульсов.

1.5 Выводы. Задачи исследования.

2. Распространение ультразвуковых импульсов в комбинированном гидроволноводе.

2.1 Постановка задачи.

2.2 Акустическое поле преобразователя в камере.

2.3 Акустическое поле в струеобразующем устройстве.

2.4 Акустическое поле в сопле с импедансными стенками.

2.5 Акустическое поле в гидроволноводе.

2.6 Особенности перехода мод сопла в моды гидроволновода.

2.7 Дисперсионные искажения спектра ультразвукового импульса.

2.8 Моделирование формы импульса на выходе гидроволновода.

2.9 Оптимизация параметров акустического тракта.

2.10 Выводы.

3. Уравнение акустического тракта теневого метода.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Частный случай отсутствия листа в акустическом тракте.

3.3 Частный случай прозвучивания бездефектного листа.

3.4 Частный случай прозвучивания листа с дефектом в виде расслоения.

3.5 Влияние коробоватости объекта контроля на амплитуду сигнала.

3.6 Особенности использования коротких сигналов.

3.6 Выводы.

4. Экспериментальные исследования акустического тракта со струйными волноводами.

4.1 Экспериментальный стенд.

4.2 Результаты экспериментальных исследований и их анализ.

4.3 Оптимизация параметров флуктуации сигналов.

4.4 Особенности размещения струеобразующих устройств.

4.5 Выводы.

Уровень развития промышленности на современном этапе характеризуют не только объемом и ассортиментом выпускаемой продукции, но и в значительной мере - показателями ее качества. Использование высококачественного сырья, материалов и изделий позволяет увеличить срок службы машин и механизмов, снизить их материал]- и энергоемкость, повысить производительность труда, таким образом, улучшить все показатели, характеризующие эффективность производства. Контроль качества стал самой массовой технологической операцией в производстве [1].

Если обратиться к последовательности технологических операций изготовления детали машиностроительного производства и рассмотреть виды нарушений сплошности в металлических заготовках, то даже далеко не полный их обзор показывает, что дефекты очень разнообразны и в отношении их происхождения, природы, размеров, формы, ориентации, и в отношении их физико-механических характеристик. Однако, все дефекты объединяются общими признаками: во-первых, они ослабляют прочность материала и, во-вторых, вызывают изменение целого спектра физико-механических характеристик среды [2]. В связи с этим неразрушающие методы контроля имеют важное значение для повышения качества и надежности изделий и материалов в машиностроении, металлургии на транспорте. Одним из ведущих методов неразрушающего контроля являются ультразвуковая дефектоскопия [1].

Толстолистовой прокат является основным конструкционным материалом широкого спектра использования. Важнейшие задачи современной металлургической промышленности — увеличение объемов выпуска и повышение показателей качества данного вида полуфабриката.

В первую очередь актуальность этой задачи обусловлена необходимостью экономии металла. Потребность промышленности в металлозаготовках постоянно увеличивается. В то же время беспредельно наращивать выпуск металла невозможно. Поэтому экономия металла за счет использования методов и средств неразрушающего контроля представляется весьма перспективным подходом к решению задачи.

Возможное наличие дефектов в заготовках, а также нарушение технологии прокатки приводят к образованию в листах внутренних дефектов, снижающих прочностные характеристики листов. Поэтому при комплексном решении задачи повышения качества проката значительное место отводится развитию дефектоскопии на металлургических заводах. Дефектоскопия не только преграждает путь некачественной продукции к потребителю, кроме того, она стимулирует совершенствование технологии производства. Кроме того, понятие дефекта характеризуется относительностью. Несплошность одного и того же размера может для одних изделий быть допустимой, а для других, более ответственных — представляющей чрезвычайную опасность [2].

Для проведения неразрушающего УЗ контроля листового проката как звена технологической цепи на производстве необходимы специальные технические средства — промышленные листовые высокопроизводительные автоматизированные дефектоскопы [3].

Существующие средства контроля листового проката.

Впервые в мире ультразвуковой метод дефектоскопии был предложен С.Я.Соколовым в 1928 году как способ обнаружения нарушений сплошности в материале без его разрушения. [4] Им же были разработаны первые приборы для неразрушающего контроля материалов.

В послевоенное время в связи с возросшей потребностью в конструкционной металлопродукции, предназначенной для работы в условиях высоких давлений, температур и больших нагрузок (листы для изготовления труб магистральных нефте- и газопроводов, оборудования химических заводов, деталей авиационной и ракетной техники, судостроения) увеличилась необходимость снижения металлоемкости при сохранении гарантированной прочности таких изделий. Одним из эффективных решений указанной проблемы является введение контролирующей аппаратуры в технологический процесс на металлургических предприятиях — поставщиках металлопроката. Гарантией качества продукции могли быть следующие условия: а) 100%-й неповреждающий контроль продукции; б) наличие объективного документа о контроле на каждую единицу продукции. В этом случае при сплошном контроле продукции обеспечивается отпуск потребителям только высококачественного и проверенного металла. В тот период времени как в СССР, так и за рубежом отсутствовали подобные средства контроля.

В связи с этим в ЛЭТИ на кафедре электроакустики параллельно с выпуском ручных эхо-импульсных дефектоскопов в 50-е годы начались научные исследования по разработке методов и средств автоматизированного контроля листового проката. Целью работы являлось обеспечение высокой производительности и автоматизации самого процесса контроля. При этом решался целый спектр задач: создание надежного акустического контакта между ультразвуковым преобразователем и поверхностью листа; достижение необходимой чувствительности, определяемой размерами технически недопустимых дефектов; исключение областей металла, не подвергшихся контролю («мертвых зон») по ширине и толщине листов; получение документальных (объективных) данных о наличии, местоположений, форме и размерах внутренних дефектов; обеспечение надежности аппаратуры; и т.д. [4]

Установки серии «УЗУЛ». В 1959 году сотрудниками кафедры ЭУТ была предложена многоканальная система, позволившая осуществить одновременное сканирование контролируемого листа рядом «бегущих» лучей. Эта система легла в основу первой промышленной установки для высокопроизводительного контроля качества листового проката — «УЗУЛ-01». В 1961 году она была внедрена на Нижнетагильском металлургическом комбинате. В 1962-1964 гг. в ЛЭТИ были созданы еще три установки серии «УЗУЛ», отличавшиеся от «УЗУЛ-1» по ряду параметров. [6]

Таким образом, уже к середине шестидесятых годов в нашей стране была решена задача промышленного контроля толстолистового проката. Безотказная эксплуатация установок УЗУЛ за более чем 25 лет работы в жестких заводских условиях в практически непрерывном трехсменном режиме работы позволила не только многократно снизить капитальные затраты по вводу их в строй, но и самое главное - преодолеть барьеры недоверия к нетрадиционной новой технике.

Установки серии «УЗУЛ» были построены на использовании теневого метода. Они позволяли контролировать тонкие (до 40 мм) листы и выявлять дефекты, отражающая способность которых эквивалентна отражающей способности диска диаметром от 8 мм.

Установки серии «ДУЭТ». На смену установкам «УЗУЛ» пришли установки серии «ДУЭТ», которые работают по настоящее время на ряде металлургических заводов для контроля толстолистового проката, в том числе двухслойного, а также плоских изделий, листов и плит из стали, титановых и алюминиевых сплавов [7]. В них реализован эхо-сквозной метод, обеспечивающий эквивалентную чувствительность, равную 2,5 . 4,0 мм [8]. В установках «ДУЭТ» предусмотрена возможность работы только в теневом режиме для более уверенного обнаружения приповерхностных дефектов при контроле листов толщиной 20 мм и менее. Установки имеют стационарные многоканальные иммерсионные акустические системы в жестких механически прочных корпусах, относительно далеко отстоящих от контролируемых изделий.

В зависимости от размеров контролируемых листов различают установки «ДУЭТ-1», «ДУЭТ-2», «ДУЭТ-3», «ДУЭТ-4» и «ДУЭТ-5». Все они предназначены для обнаружения в толстолистовой стали, в том числе двухслойной, а также в листах и плитах из цветных сплавов, таких внутренних дефектов металла, как расслоения, закаты, протяженные скопления неметаллических включений и другие нарушения сплошности, ориентированные параллельно плоскости проката. [7]

Акустические системы установок состоят из двух линеек преобразователей, которые расположены парами, соосно. В различных установках количество пар преобразователей составляет от 256 до 400. Лист прозвучивается с практически равномерной чувствительностью благодаря перекрытию диаграмм направленности соседних пар преобразователей, которое проявляется при движении листа через акустическую систему. В отличие от установок «УЗУЛ» в установках «ДУЭТ» является т.н. многоканальное электронное сканирование — оригинальное решение, позволяющее существенно увеличить скорость контроля при сохранении приемлемого числа электронных узлов. Для различных модификаций установок «ДУЭТ» при общем числе пар датчиков от 256 до 400 число электронных каналов составляет от 10 до 40.

Благодаря использованию эхо-сквозного метода в установках «ДУЭТ», моменты регистрации импульсов приемным преобразователем не зависят от положения контролируемого изделия между излучающими и приемными преобразователями. Благодаря этому отпадает необходимость отслеживать местоположение поверхностей контролируемых изделий, ослаблено влияние волнистости листов и их вибрации при движении через акустическую систему установки. [7]

В установках «ДУЭТ-1», «ДУЭТ-2», «ДУЭТ-3» и «ДУЭТ-4» регистрация производилась на электротермической бумаге в масштабе 1:10. В системе регистрации было предусмотрено три градации яркости записи изображения на электротермической бумаге: бездефектный лист - отсутствие записи, наличие дефекта, обнаруженного любым из используемых методов, - яркая черная запись, отсутствие листа под преобразователем — полутоновая запись. По этой записи хорошо определись контуры листа и дефектов. Таким образом, результатом контроля являлась дефектограмма, представлявшая собой, по существу, развертку типа «С», на которой отображались в выбранном масштабе контур листа, форма, размеры и координаты несплошностей в плоскости листа. Расшифровка производилась вручную, путем измерения площадей дефектов на дефектограмме. Скорость контроля составляла от 0,5 до 1 м/с.

Установка нового поколения «ДУЭТ-5» [6] осуществляет управление и документирование всего процесса контроля через ЭВМ. Возможность подключения нескольких персональных компьютеров-терминалов позволяет осуществлять управление установкой, анализ и расшифровку дефектограмм с нескольких рабочих мест. Процесс документирования контроля заключается в записи А-скана в каждой точке контроля. Путем последующей обработки массива А-сканов можно получить на экране компьютера В и С-сканы в любом сечении листа на любом уровне чувствительности. Это позволяет быстро разбраковывать листы и планировать их оптимальный раскрой. Программное обеспечение способно автоматически принимать решение о соответствии листа отечественным или зарубежным стандартам качества. В установку встроен краскоотметчик, для обозначения дефектных участков прямо на листе. В установке применен инновационный метод транспортировки изделия. Установка не содержит механизмов для опускания листа в ванну и для его извлечения. Контролируемый лист движется по рольгангу, который плавно понижаясь, входит в ванну. Лист изгибается вслед за рольгангом и проходит акустическую систему. За участком контроля рольганг снова повышается и выходит из ванны. Недостатки установки являются принципиальными недостатками иммерсионных установок: невозможность контроля листов в горячем виде и значительные габариты иммерсионной ванны, осложняющие ее внедрение в существующих цехах.

Установки серии «УЗКЛ». Установки типа «УЗКЛ» [10] разработаны для автоматического ультразвукового контроля листов из алюминиевых сплавов. Контроль ведется эхо-методом с применением нормальных волн, чувствительных ко всем видам дефектов в листах. Это обеспечивает компактность и высокую производительность установок в расчете на один канал контроля. Скорость контроля составляет до 20 м в минуту для листов шириной до 3500 мм и длиной до 7000 мм, толщиной 2 . 8 мм. Способ акустической связи — контактный, через трансформаторное масло.

Установки типа «УЗКЛ» имеют три модификации. Наиболее совершенная из них «УЗКЛ-ЗМ» контролирует листы шириной до 3 м.

Описанные ультразвуковые установки введены в эксплуатацию на нескольких металлургических и машиностроительных заводах. Первые из них были смонтированы в декабре 1965 г. («УЗКЛ-2М») и в марте 1966 г. («УЗКЛ-ЗМ»). На основе сопоставления результатов регистрации контроля и металлографических исследований проконтролированных листов из алюминиевых сплавов, специалисты ЦЗЛ провели тщательную проверку качества контроля. В своих заключениях они дали положительную оценку созданным установкам.

Установка «УЗУП-М». Более 10 лет на ОАО «Ижорские заводы» эксплуатировалась установка «УЗУП-М» [11] для автоматизированного контроля листового проката и плит толщиной 20-450 мм, шириной до 4000 мм и длиной до 12 000 мм. В этой аппаратуре реализованы одновременно три метода ультразвукового контроля в иммерсионном варианте: эхо-метод с регистрацией сигналов в первом временном промежутке — между эхо-сигналами от передней грани листа и первым донным импульсом, зеркально-теневой метод и эхо-метод с регистрацией сигналов во втором временном интервале — между первым и вторым донными импульсами. Во втором временном интервале от одного дефекта возникает, как минимум, два эхосигнала. Первый временной интервал в аппаратуре является основным, обеспечивающим требуемую высокую чувствительность контроля, зеркально-теневой канал обеспечивает обнаружение грубых дефектов и слежение за качеством акустического контакта, а второй временной промежуток используется для контроля листов толщиной 20-60 мм с малой «мертвой зоной».

Прозвучивание листа осуществляется акустической системой из 12 пьезопреобразователей диаметром 20 мм и частотой 3 МГц, расположенных с шагом 10 мм друг относительно друга. Акустическая система совершает продольно-поперечное комбинированное сканирование относительно листа со скоростью 270 мм/с. Таким образом, за один проход прозвучивается полоса шириной 120 мм, а время контроля листа максимальных габаритов не более 30 минут. Документирование результатов обеспечивалось записью дефектограммы на электротермической бумаге как изображения листа в плане в масштабе 1:10.

Установка «УЗУП-М» хотя и обладала значительным числом достоинств, к сожалению, имела и некоторые существенные недостатки, такие как: необходимость ручной расшифровки результатов контроля оператором по дефектограмме; необходимость проведения при наличии дефекта повторного контроля на более низкой чувствительности для сдачи листа по другой категории качества; отсутствие регистрации на дефектограмме глубины залегания дефекта, что особенно важно для контроля толстых листов и плит; значительное влияние на результаты контроля коробоватости и волнистости листов, особенно после их термообработки; и др.

По просьбе завода СПбГЭТУ «ЛЭТИ» провел модернизацию аппаратуры «УЗУП-М», и новая ее версия «УЗУП-М2» с 1 января 2001 г. находится в опытно-промышленной эксплуатации [12]. Установка предусматривает полную документацию результатов, связанную с сохранением А-скана в каждой точке контроля. Обслуживающая программа позволяет обрабатывать результаты с требуемой чувствительностью и желаемой комбинацией методов контроля согласно действующим стандартам. Кроме того, программное обеспечение позволяет сохранять данные на жестком диске компьютера, представлять результаты на экране монитора и в виде распечатки. Контроль осуществлялся зеркально-теневым методом с чувствительностью от -13Т до -20 ЗТ по ГОСТ 22727-88 [13].

Из нововведений следует отметить введение «плавающей» акустической системы, которая, будучи установленной на специальных роликах, адаптируется к углу наклона поверхности проката непосредственно на данном участке. Это существенно уменьшает влияние непланшетности проката и позволяет увеличить чувствительность контроля по зеркально-теневому каналу до уровня -6 ЗТ.-12 ЗТ вместо использовавшегося ранее -26 ЗТ.- 30 ЗТ для листов, коробоватость и волнистость которых не хуже 12 мм/м. Полная дефектограмма состоит из развертки типа «С» и двух разверток типа «В», представляющих сечение листа в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, на которые проецируются все внутренние дефекты.

Новая регистрирующая система на основе цифровой обработки сигналов позволяет осуществлять контроль на максимально возможной чувствительности с запоминанием амплитуд и времени прихода всех акустических сигналов, выполнять последующую их амплитудную селекцию с целью определения качества листа, комбинировать в различных сочетаниях каждый из трех методов контроля с различной чувствительностью каждого из них и с анализом его результатов, выделять и подробно анализировать любой участок изделия. По распечатке можно легко определить протяженность дефектов в плоскости изделия по глубине, определить их размер и форму.

В течение периода опытной эксплуатации параллельно действовали обе системы регистрации - на электротермической бумаге и с компьютерной обработкой. Последняя легко освоена операторами и дает существенно большие возможности для расшифровки результатов контроля.

Применение струйных систем в дефектоскопии. В 80-е годы на кафедре акустики в ЛЭТИ велись разработки варианта установки ДУЭТ с обеспечением акустического контакта посредством струй жидкости. Возможность реализации струйного ввода ультразвуковых колебаний в изделие давно упоминалась различными авторами. Существует патент [14] на устройство для ввода ультразвука в объект контроля. Устройство представляет г собой водонаполненную камеру, содержащую ПЭП и открывающуюся в сопло конической формы, формирующее струю жидкости, по которой распространяются ультразвуковые колебания.

Особо отметим работу сотрудников кафедры ЭУТ в данной области — это В.М.Веревкин, Л.В.Веревкина, В.А.Каширин и другие. Отдельные результаты их исследований были опубликованы в [15 - 22]. Работа носила характер, преимущественно экспериментальный, и рассматривала вопросы стабилизации геометрической формы струй. Были исследованы вопросы флуктуации амплитуд и длительностей зондирующих импульсов и экспериментально подобраны пригодные для работы параметры струеобразующих устройств и преобразователей. Теория гидроволноводного акустического тракта с изменяющимися граничными условиями сформирована не была.

На основании проведенных работ была сконструирована установка «Дуэт-С», однако внедрение ее было остановлено на стадии наладки, и дальнейшие работы в данном направлении были заморожены. Установка использовала аппаратуру, которая в электронной части повторяла аппаратуру установки «ДУЭТ-4». Принципиальное отличие состояло в акустической системе шириной 0,5 м, которая осуществляла комбинированное сканирование полосы шириной 2 м. Контроль проводился эхо-сквозным методом на чувствительности А16ЭС при скорости полосы 1 м/с [20].

В [23] сообщается о введении в строй автоматической установки под рабочим названием GBP со струйными акустическими контактами фирмы Krautkramer.

Установки с ЭМАП. В последние годы широкое распространение на отечественных и зарубежных предприятиях стали получать автоматизированные дефектоскопы с бесконтактными ЭМА-преобразователями. Ведущим отечественным разработчиком таких установок является компания Nordinkraft. Значительные достоинства ЭМАП ограничены повышенными требованиями к чистоте поверхности листового проката, а также высокой стоимостью аппаратуры. Установки работают под управлением специальных ЭВМ и ведут полное протоколирование результатов контроля благодаря записи А-сканов в каждой точке прозвучивания. Данный подход позволяет вести удаленную расшифровку дефектограмм по любому стандарту качества. [24]

По вопросам ЭМА-контроля имеется большое количество публикаций, и обзор состояния данного вопроса не входит в задачи данной работы. I

На основании изложенного можно сделать следующие выводы:

1. Были проведены обширные работы по разработке и внедрению автоматизированных установок для контроля проката. Установки использовали иммерсионный принцип работы, который- позволял построить аппаратуру с хорошей чувствительностью к дефектам и высокой достоверностью контроля.

2. Установки с ЭМА-преобразователями демонстрируют хорошие эксплуатационные характеристики, однако высокая стоимость аппаратуры ограничивает возможности их широкого внедрения.

3. Важным путем совершенствования иммерсионных установок является замена иммерсионной ванны на струйные акустические контакты в сочетании с компактным водосборником. Известные работы, проведенные в этой области показали перспективность применения струй жидкости для ввода ультразвуковых колебаний в объект контроля, однако теория гидроволноводного акустического тракта разработана не была.

В настоящей работе объектом исследования является гидроволновод с переменными граничными условиями применительно к задаче ввода ультразвуковых сигналов в объект контроля и их приема при дефектоскопии изделий в форме листа.

Целью диссертационной работы являлась разработка теоретических и экспериментальных основ методики проектирования струйных акустических систем, предназначенных для работы в составе многоканального автоматизированного ультразвукового дефектоскопа листового проката.

Достижение цели работы обеспечено решением следующих задач:

- разработкой алгоритма расчета дисперсионных искажений ультразвукового сигнала в неоднородном гидроволноводе применительно к задачам неразрушающего контроля;

- выводом и анализом уравнений акустического тракта для теневого метода, эхо-метода и их модификаций в струйном варианте;

- теоретическим и экспериментальным анализом влияния непланшетности и коробоватости объекта контроля на результаты контроля;

- получением экспериментальных результатов исследований структуры акустического поля в гидроволноводе;

- оптимизацией параметров отдельно взятой струи для достижения минимальной флуктуации информативных сигналов при заданных условиях и параметрах контроля;

- оптимизацией взаимного размещения струй для достижения минимальной флуктуации сигналов для эхо-метода с последующим обобщением на случай сквозного прозвучивания.

Решение задач обеспечено теоретическими и экспериментальными методами исследования. Решение сформулированных задач, осуществлялось методами математической физики и анализа, интегрального исчисления. Экспериментальные исследования проводились в условиях компьютерного и натурного моделирования исследуемых процессов с использованием математического пакета MathCAD. Достоверность полученных теоретических результатов оценивалась путем их сопоставления с данными экспериментов а также с более простыми частными случаями, известными по более ранним исследованиям и доказательствам установленной корректности.

Практическая ценность работы состоит в применении результатов для:

- научно-технического обоснования инженерной методики проектирования одноструйных акустических контактов и многоструйных акустических систем с учетом особенностей контролируемого изделия.

- создания и промышленной эксплуатации струйных акустических систем для работы в составе многоканальных ультразвуковых дефектоскопов листового проката и иных изделий.

Основная часть диссертационной работы состоит из 4 разделов. В разделе 1 представлен обзор известных расчетных моделей ультразвукового поля в цилиндрических трубах постоянного сечения. Рассмотрены известные случаи трубы с акустически жесткими и акустически податливыми стенками, а также — с импедансными стенками. Также рассмотрен существующий метод определения дисперсионных искажений в среде с ограниченными размерами. Результаты обзора преобразованы в научно-технические задачи, решаемые в ходе выполнения диссертационной работы.

В разделе 2 разработана теория прохождения ультразвуковым импульсом комбинированного гидроволновода, который представлен в виде последовательности камеры, заполненной жидкостью и содержащей электроакустический преобразователь, струеобразующего устройства, и струи, которая падает на поверхность объекта контроля. Решалась задача нахождения амплитуды и формы импульса в произвольном поперечном сечении струи (в общем случае) и в частности - на поверхности объекта контроля, при известной форме импульса, излученного преобразователем. На основании полученных результатов рассмотрены практически значимые частные случаи и выработаны конкретные рекомендации по выбору оптимальных параметров акустического тракта.

В разделе 3 выведено уравнение акустического тракта для случая сквозного прозвучивания изделия. Произведены расчеты и показано, что струйный способ обеспечивает выигрыш в амплитуде принятого сигнала по сравнению с классическим иммерсионным способом ввода ультразвуковых колебаний. Также в главе 3 проанализировано влияние перекоса листа в акустическом тракте на амплитуду принятого сигнала. Произведен расчет ослабления принятого сигнала при разных углах перекоса контролируемого листа и показано, что теневой метод контроля при обеспечении акустического контакта посредством струи жидкости является более чувствительным к перекосу изделия, по сравнению со случаем иммерсионного акустического контакта.

В разделе 4 приведены результаты экспериментального исследования струйного акустического тракта.

В разделе 4.1 экспериментальных исследований сравнивались амплитуды различных принятых сигналов в струйном и иммерсионном случаях. Результаты подтверждают, что струйный случай дает большие амплитуды принятого сигнала.

В разделе 4.2 экспериментальной части проводилось исследование структуры акустического поля в гидроволноводе с импедансными стенками (струеобразующем устройстве) при осесимметричном возбуждении. Он имитировался пластиковыми трубками различных диаметров и длин. Измерялось распределение колебательной скорости в выходном сечении трубок. Эксперимент убедительно показал, что поле в цилиндрическом волноводе сосредоточено вблизи его оси. Также зафиксированы формы импульса, прошедшего гидроволновод, в различных точках его сечения - на оси, вблизи стенки, а также на расстоянии 0,5 радиуса от оси. Эксперимент доказал, что волновод увеличивает длительность прошедшего через него импульса, причем данный эффект наиболее проявляется вблизи оси.

В разделе 4.3 экспериментальных исследований производилась оптимизация режима работы струйной акустической системы с целью уменьшения флуктуации информативных сигналов. Была исследована флуктуация эхо-сигнала от донной поверхности изделия при работе 5 струй, из которых одна рабочая (в которой распространяется наблюдаемый сигнал) и 4 побочных (сигналы в которых не рассматриваются, и которые являются мешающими факторами по отношению к рабочей струе). Показано, что внедрение специальных струй защиты позволяет существенно снизить флуктуации амплитуды принятых сигналов. Выработаны конкретные рекомендации по конструкции многоструйной акустической системы, включающей несколько рядов рабочих струй и струй защиты. Кроме того произведена оценка неконтролируемых прикромочных зон и даны рекомендации по их уменьшению.

В заключении сформулированы основные результаты, достигнутые в ходе выполнения диссертационной работы, изложены основы методики проектирования гидроволноводного акустического тракта, полученные теоретически и прошедшие экспериментальную апробацию, а также сформулированы задачи дальнейших исследований по повышению надежности и достоверности контроля при использовании струйных акустических систем в составе автоматизированных промышленных дефектоскопов.

На защиту вынесены следующие научные положения:

1. Комбинированный волновод, состоящий из водоуспокоительной камеры, струеобразующего устройства и струи неизбежно приводит к искажению распространяющегося в нем ультразвукового сигнала, которое является следствием двукратного преобразования волновых мод в местах смены граничных условий.

2. Уменьшить искажение формы сигнала возможно путем оптимального выбора следующих параметров акустического тракта: а) соотношения диаметров пьезопреобразователя и струеобразующего устройства; б) расстояние от пьезопреобразователя до входа струеобразующего устройства

3. Наличие непланшетности и коробоватости объекта контроля сильнее изменяет принятый сигнал в струйном акустическом тракте, чем в иммерсионном, поэтому при реализации струйного акустического тракта предъявляются повышенные требования к этим характеристикам контролируемого изделия.

4. Флуктуации амплитуды сигнала, принятого после распространения в струе, обусловленные неламинарностью течения струи, при заданных параметрах струеобразующего устройства могут быть уменьшены путем подбора определенных значений длины струи и скорости истечения жидкости.

5. Флуктуации амплитуды сигнала, принятого после распространения в струе, обусловленные влиянием струй друг на друга, могут быть уменьшены путем введения струй защиты, не служащих для проведения ультразвуковых сигналов, имеющих меньший диаметр, чем основные струи, и расположенные между основными струями.

4. Основные результаты данной главы опубликованы в [50].

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы были достигнуты следующие результаты:

1. Разработана методика расчета формы звукового импульса, проходящего гидроволновод с переменными граничными условиями.

2. Выработаны рекомендации по выбору параметров гидроволновода в их связи с параметрами контроля.

3. Разработано уравнение акустического тракта теневого и эхо-метода контроля изделия в форме листа.

4. Показано преимущество струйного способа ввода ультразвуковых колебаний как самого эффективного после непосредственно контактного.

5. Рассчитаны поправки на непланшетность объекта контроля.

6. Проведены экспериментальные исследования: а) распределения колебательной скорости по сечению импедансного гидроволновода; б) изменения формы импульса в гидроволноводе в связи с условиями возбуждения; в) флуктуация сигнала в одно- и многоструйном случае при реализации эхо-метода контроля; г) зависимости амплитуды принятого сигнала от перекоса изделия; д) предложен и исследован способ снижения взаимного влияния струй при использовании вспомогательных струй защиты; е) произведена экспериментальная оценка размеров прикромочных зон недостоверного контроля.

7. Результаты работ были опубликованы в 8 изданиях, из них 1 работа - в рецензируемом журнале.

8. На основании результатов исследований и хоздоговора с ЗАО «УЗ-Константа» (шифр №6761/ЭУТ-219) разработан комплект РКД на струйную акустическую систему для многоканальных ультразвуковых дефектоскопов листового проката. Акт внедрения результатов диссертационной работы приведен в Приложении.

1. Ермолов И.Н. Методы ультразвуковой дефектоскопии. М.: Московский горный институт, 1967.

2. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. — М.: Машиностроение, 1981.

3. Ежов А.А., Герасимова Л.П. Дефекты в металлах. Справочник-атлас. — М.: Русский университет, 2002. — 360 с.

4. Веревкин В.М., Паврос С.К. Развитие ультразвуковых методов и средств автоматизированного контроля толстолистового проката // Известия ЛЭТИ,- 1997. Вып. 505.-С. 11-31.

5. Пат. № 11371 СССР, класс 42к, 29. Способ и устройство для испытания металлов. № 23246; Заявл. 02.02.28. Опубл. 30.09.29. Вестн. ком. по делам изобрет. №6.

6. Промышленный ультразвуковой контроль качества толстолистового проката с помощью установок УЗУЛ / Под. ред. проф. Л.Г.Меркулова. Л.: ЛДНТП, 1968.

7. Веревкин В.М. Ультразвуковые установки «ДУЭТ» для контроля толстолистового проката // Дефектоскопия. 1982. №1. - С. 22-27.

8. Голубев А.С., Веревкин В.М., Паврос С.К. Акустический тракт дефектоскопа при контроле листов эхо-сквозным методом в иммерсионном варианте // Дефектоскопия. 1980. - №7. — С. 70-79.

9. Веревкин В.М., Егоров Н.Н., Золотухо Р.Н. и др. Установка ДУЭТ-5 для ультразвукового контроля толстолистового проката // Дефектоскопия,. 1999.-№8.-С. 68-77

10. Барышев С.Е., Жуков В.Д., Иванов В.Д. Установки типа УЗКЛ для автоматического контроля листов // Дефектоскопия. 1968. - №2. С. 37.

11. Паврос С.К. Ультразвуковые методы и аппаратура для автоматизированного контроля изделий // Техническая акустика. 1992. — Т.1, вып. 2.-С. 46-58.

12. Паврос С.К., Ромашко Р.В., Рыжков А.Ф. и др. Установка УЗУП-М2 для ультразвукового автоматизированного контроля толстолистового проката // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», серия «Приборостроение и информационные технологии». 2003. - №1. — С. 22-27.

13. Прокат толстолистовой. Методы ультразвукового контроля: ГОСТ 22727-88.-Введ. 01.07.89.-М. 1988.

14. Erdman D. Apparatus for coupling ultrasonic waves. Патент США №2751783, опубл. 26.06.1956.

15. Веревкина JI.B. Влияние коробоватости и волнистости листов на чувствительность ультразвукового контроля при струйном акустическом контакте //Известия ЛЭТИ. 1978. - Вып. 233. - С. 21-25.

16. Каширин В.А., Новицкий В.А. К вопросу использования ультразвуковых струйных трактов для целей дефектоскопии толстолистового проката. // Известия ЛЭТИ. 1978. - Вып. 233. - С. 25-31.

17. Веревкина Л.В., Голубев А.С., Каширин В.А. Возбуждение и распространение ультразвука в струйном волноводе // Известия ЛЭТИ. -1979.-Вып. 252.-С. 11-16.

18. Веревкина Л.В., Каширин В.А. О распространении нормальных волн в ультразвуковых волноводах с импедансными стенками // Известия ЛЭТИ. 1981.-Вып. 301.-С. 59-64.

19. Веревкина Л.В., Каширин В.А. Флуктуация амплитуд ультразвуковых импульсов при струйных акустических контактах // Известия ЛЭТИ. -1982.-Вып. 305.-С. 18-22.

20. Каширин В.А., Новицкий В.А. Повышение плотности ультразвукового контроля при струйных акустических контактах // Известия ЛЭТИ. -Вып. 325. С. 12.

21. Веревкин В.М., Веревкина Л.В., Каширин В.А. Ультразвуковое поле струеобразующего устройства установки Дуэт-С // Известия ЛЭТИ. -1985.-Вып. 355.-С. 79-83.22,23