ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-2-339-347ntv-168Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONМодель акустического тракта раздельно-совмещенного оптико-акустического преобразователяModel of the acoustic path of a separate-combined optical-acoustic transducerhttps://orcid.org/0000-0003-0612-922XФедоровА. В.FedorovA. V.

Федоров Алексей Владимирович — доктор технических наук, доцент 

 Санкт-Петербург, 197101 

 sc 57219346304 

 Alexey V. Fedorov — D.Sc., Associate Professor 

 Saint Petersburg, 197101 

 sc 57219346304 

afedor62@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6126-3547БыченокВ. А.BychenokV. A.

Быченок Владимир Анатольевич — кандидат технических наук, доцент 

 Университет ИТМО 

 sc 56487907100 

 Vladimir A. Bychenok — PhD, Associate Professor 

 Saint Petersburg, 197101 

 sc 56487907100 

bychenok-vladimr@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8493-7324БеркутовИ. В.BerkutovI. V.

Беркутов Игорь Владимирович — кандидат технических наук, руководитель центра неразрушающего контроля 

 Санкт-Петербург, 197343 

 sc 56487628800 

Igor V. Berkutov — PhD, Head of the Center for Non-Destructive Testing 

Saint Petersburg, 197343 

 sc 56487628800 

chigivara56712@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7649-8007АлифановаИ. Е.AlifanovaI. E.

Алифанова Ирина Евгеньевна — аспирант

 Санкт-Петербург, 197101 

 sc 57217058499 

Irina E. Alifanova — PhD Student 

Saint Petersburg, 197101 

 sc 57217058499 

sherbairina@mail.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationУчреждение науки «Инженерно-конструкторский центр сопровождения эксплуатации космической техники» (ИКЦ СЭКТ)РоссияCenter of Supporting the Operation of Space TechnologyRussian Federation202214122024222339347Copyright © Федоров А.В., Быченок В.А., Беркутов И.В., Алифанова И.Е., 20242024Федоров А.В., Быченок В.А., Беркутов И.В., Алифанова И.Е.Fedorov A.V., Bychenok V.A., Berkutov I.V., Alifanova I.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/168

Предмет исследования. Ультразвуковые методы контроля занимают одно из ведущих мест в дефектоскопии, структуроскопии, при оценке прочностных характеристик материалов и напряженно-деформированного состояния изделий. Метод основан на явлении акустоупругости и позволяет контролировать напряженнодеформированное состояние изделий по изменению скорости распространения продольной подповерхностной ультразвуковой волны. Для возбуждения акустических колебаний применяются раздельно-совмещенный оптико-акустический преобразователь и лазерно-ультразвуковой дефектоскоп. Конструкция раздельносовмещенного оптико-акустического преобразователя должна обеспечивать точность измерений времени достижения продольной подповерхностной волной приемника акустических колебаний. Для анализа регистрируемых акустических сигналов и выделения из них сигнала продольной подповерхностной волны в данной работе предложена и разработана конечно-элементная модель акустического тракта раздельносовмещенного оптико-акустического преобразователя. Метод. Конечно-элементная модель реализована в программном комплексе COMSOL Multiphysics с применением явного решателя на основе разрывного метода Галеркина. Основные результаты. Разработанная конечно-элементная модель позволяет визуализировать поля перемещений акустических колебаний, получать А-сканы и рассчитывать время прихода на приемник оптико-акустического преобразователя продольной подповерхностной волны. Выполнено сравнение расчетных значений времени прихода продольной подповерхностной волны на приемник оптико-акустического преобразователя с результатами натурного эксперимента. Расчеты и натурные эксперименты выполнены для стальных пластин различной толщины. Адекватность модели подтверждена с использованием критерия Фишера (F-мера). Полученные в результате моделирования А-сканы позволили идентифицировать сигналы, регистрируемые оптико-акустическим преобразователем: сигнал продольной подповерхностной волны, сигналы головной и отраженной поперечной волн, собственные шумы оптико-акустического преобразователя. Практическая значимость. Разработанная модель позволяет выделять среди регистрируемых сигналов оптикоакустического преобразователя сигнал продольной подповерхностной волны. Предложенная модель может найти применение при проектировании новых оптико-акустических преобразователей, а также в дефектоскопии и материаловедении.

Ultrasonic testing methods occupy one of the key positions in flaw detection, structurescopy, in assessing the strength characteristics of materials and the stress-strain state of products. The method is based on the phenomenon of acoustoelasticity and makes it possible to control the stress-strain state of products by changing the propagation velocity of a longitudinal subsurface ultrasonic wave. To excite acoustic waves, a separate-combined optical-acoustic transducer and a laser-ultrasonic flaw detector are used. The design of a separate-combined optical-acoustic transducer should ensure the measurements accuracy of the time it takes for a longitudinal subsurface wave to reach the receiver of acoustic oscillations. To analyze the recorded acoustic signals and extract from them the signal of a longitudinal subsurface wave, in this work, a finite element model of the acoustic path of a dual-coupled optical-acoustic transducer is proposed and developed. The finite element model was implemented in the COMSOL Multiphysics software package using an explicit solver based on the discontinuous Galerkin method. The developed finite element model makes it possible to visualize the displacement fields of acoustic oscillations, obtain A-scans, and calculate the time of arrival of a longitudinal subsurface wave at the receiver of the optical-acoustic transducer. The calculated values of the arrival time of a longitudinal subsurface wave at the receiver of an optical-acoustic transducer are compared with the results of a full-scale experiment. Calculations and full-scale experiments were performed for steel plates of various thicknesses. The adequacy of the model was confirmed using the Fisher criterion (F-measure). The A-scans obtained as a result of the simulation made it possible to identify the signals recorded by the optical-acoustic transducer: the signal of the longitudinal subsurface wave, the signals of the head and reflected transverse waves, and the intrinsic noise of the optoacoustic transducer. The developed model makes it possible to single out the signal of the longitudinal subsurface wave among the recorded signals of the optical-acoustic transducer. The proposed model can be used in the design of new optical-acoustic transducers, as well as in non-destructive testing (NDT) and materials science.

остаточные напряженияакустический методнеразрушающий контрольпродольная подповерхностная волнакомпьютерное моделированиеresidual stressesacoustic methodnon-destructive testinglongitudinal subsurface wavecomputer simulationReferencesКретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении. 4-е изд., перераб. СПб.: СВЕН, 2014. 312 с.Kretov E.F. Ultrasonic Flaw Detection in Power Engineering. St. Petersburg, SVEN Publ., 2014, 312 p. (in Russian)Клюев В.В. Неразрушающий контроль. Т. 3. Ультразвуковой контроль. М.: Машиностроение, 2004. 864 с.Kliuev V.V. Non-Destructive Testing. V.3. Ultrasonic Examination. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2004, 864 p. (in Russian)Карабутов А.А., Нгуен Суан Мань, Фам Мань Хао, Черепецкая Е.Б., Шибаев И.А. О возможности контроля структуры и свойств фибробетона методом лазерно-ультразвуковой структуроскопии // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 7. С. 32–41.Karabutov A.A., Nguen Xuan Man, Pham Manh Hao, Cherepetskaya E.B., Shibaev I.A. The possibility of controlling the structure and properties of fiber-reinforced concrete method of laserultrasonic structuroscopy. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2016, no. 7, pp. 32–41. (in Russian)Stepanova K.A., Kinzhagulov I.Y., Yakovlev Y.O., Kovalevich A.S., Ashikhin D.S., Alifanova I.E. Applying laser-ultrasonic and acousticemission methods to nondestructive testing at different stages of deformation formation in friction stir welding // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2020. V. 56. N 3. Р. 191–200. https://doi.org/10.1134/S1061830920030122Stepanova K.A., Kinzhagulov I.Y., Yakovlev Y.O., Kovalevich A.S., Ashikhin D.S., Alifanova I.E. Applying laser-ultrasonic and acousticemission methods to nondestructive testing at different stages of deformation formation in friction stir welding. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2020, vol. 56, no. 3, pp. 191–200. https://doi.org/10.1134/S1061830920030122Marusina M.Y., Fedorov A.V., Bychenok V.A., Berkutov I.V. Evaluation of the influence of external factors in ultrasonic testing of stress-strain states // Measurement Techniques. 2017. V. 59. N 11. Р. 1165–1169. https://doi.org/10.1007/s11018-017-1109-3Marusina M.Y., Fedorov A.V., Bychenok V.A., Berkutov I.V. Evaluation of the influence of external factors in ultrasonic testing of stress-strain states. Measurement Techniques, 2017, vol. 59, no. 11, pp. 1165–1169. https://doi.org/10.1007/s11018-017-1109-3Marusina M.Y., Fedorov A.V., Prokhorovich V.E., Berkutov I.V., Bychenok V.A., Tkacheva N.V., Mayorov A.L. Development of acoustic methods of control of the stress-strain state of threaded connection // Measurement Techniques. 2018. V. 61. N 3. Р. 297–302. https://doi.org/10.1007/s11018-018-1424-3Marusina M.Y., Fedorov A.V., Prokhorovich V.E., Berkutov I.V., Bychenok V.A., Tkacheva N.V., Mayorov A.L. Development of acoustic methods of control of the stress-strain state of threaded connection. Measurement Techniques, 2018, vol. 61, no. 3, pp. 297– 302. https://doi.org/10.1007/s11018-018-1424-3Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2005. 208 с.Nikitina N.E. Аcoustoelasticity. Practical Experience. Nizhny Novgorod, TALAM Publ., 2005, 208 p. (in Russian)Fedorov A.V., Bychenok V.A., Berkutov I.V., Alifanova I.E., Khoshev A.E. Methodology for assessing the uncertainty of measurements of mechanical stresses by the ultrasonic method with the help of an optical-acoustic separate-combined transducer // Journal of Physics: Conference Series. 2021. V. 2127. N 1. Р. 012036. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2127/1/012036Fedorov A.V., Bychenok V.A., Berkutov I.V., Alifanova I.E., Khoshev A.E. Methodology for assessing the uncertainty of measurements of mechanical stresses by the ultrasonic method with the help of an optical-acoustic separate-combined transducer. Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 2127, no. 1, pp. 012036. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2127/1/012036Федоров А.В., Быченок В.А., Беркутов И.В., Алифанова И.Е. Методика оценки неопределенности измерений механических напряжений ультразвуковым методом с помощью оптико-акустического раздельно-совмещенного преобразователя // Контроль. Диагностика. 2021. Т. 24. № 7(277). С. 56–61. https://doi.org/10.14489/td.2021.07.pp.056-061Fedorov A.V., Bychenok V.A., Berkutov I.V., Alifanova I.E. Methodology for evaluation the uncertainty of measurement of mechanical stress by the ultrasonic method with the help of an opticalacoustic separate-combined transducer. Testing. Diagnostics, 2021, vol. 24, no. 7(277), pp. 56–61. (in Russian). https://doi.org/10.14489/td.2021.07.pp.056-061Карабутов А.А. Лазерно-ультразвуковой дефектоскоп. Патент RU2381496C1. Бюл. 2010. № 4. 11. Разыграев Н.П. Физика, терминология и технология в ультразвуковой дефектоскопии головными волнами // Дефектоскопия. 2020. № 9. С. 3–19. https://doi.org/10.31857/S0130308220090018Karabutov A.A. Laser ultrasonic flaw detector. Patent RU2381496C1. 2010. (in Russian)Баев А.Р., Майоров А.Л., Асадчая М.В., Левкович Н.В., Жаворонков К.Г. Особенности распространения подповерхностных и поверхностных волн в объектах со слоистой структурой. Ч. 1. Влияние геометрических параметров объекта // Приборы и методы измерений. 2018. Т. 9. № 4. С. 325–336. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2018-9-4-325-336Razygraev N.P. Physics, terminology and technology in ultrasonic testing with head waves. Defektoskopija, 2020, no. 9, pp. 3–19. (in Russian). https://doi.org/10.31857/S0130308220090018Петров К.В. Зеркально-теневой метод контроля цилиндрических изделий с использованием электромагнитно-акустических преобразователей: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова. Ижевск, 2020 [Электронный ресурс]. URL: https://etu.ru/assets/files/nauka/dissertacii/2020/petrov/petrov-k.v.-dissertaciya.pdf, свободный. Яз. рус. (дата обращения: 19.01.2022).Baev A.R., Mayorov A.L., Asadchaya M.V., Levkovich N.V. Zhavoronkov K.G. Features of the surface and subsurface waves application for ultrasonic evaluation of physicomechanical properties of solids. Part 1. Influence of the geometrical parameters. Devices and Methods of Measurements, 2018, vol. 9, no. 4, pp. 325–336. (in Russian). https://doi.org/10.21122/2220-9506-2018-9-4-325-336Тапков К.А. Научное обоснование методики оценки остаточных напряжений в дифференцированно-упрочненных рельсах на основе явления акустоупругости и математического моделирования: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова. Ижевск, 2020 [Электронный ресурс]. URL: http://udman.ru/ru/scientific-activity/dissertationcouncil/protection/dissertatsiya-tapkova-kirilla-aleksandrovicha/Тапков%20К.А.%20-%20Диссертация.pdf, свободный. Яз. рус. (дата обращения: 19.01.2022).Petrov K.V. Shadow-mirror technique for testing cylindrical products using electromagnetic acoustic transducers. Dissertation for the degree of candidate of technical sciences. Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University, 2020. Available at: https://etu.ru/assets/files/nauka/dissertacii/2020/petrov/petrov-k.v.-dissertaciya.pdf (accessed: 19.01.2022). (in Russian)Беркутов И.В. Исследование и разработка метода акустической тензометрии специальных резьбовых соединений: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / СПбГУ ИТМО. СПб., 2018 [Электронный ресурс]. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01009876980 (дата обращения: 19.01.2022).Tapkov K.A. Scientific substantiation of the methodology for estimating the residual stresses in differentially hardened rails based on the acoustoelasticity phenomenon and mathematical simulation. Dissertation for the degree of candidate of technical sciences. Izhevsk, Kalashnikov Izhevsk State Technical University, 2020. Available at: http://udman.ru/ru/scientific-activity/dissertation-council/protection/dissertatsiya-tapkova-kirilla-aleksandrovicha/Тапков%20К.А.%20-%20Диссертация.pdf (accessed: 19.01.2022). (in Russian)Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1981. 240 с.Berkutov I.V. Research and development of the acoustic tensometry method for special threaded connections. Dissertation for the degree of candidate of technical sciences. ITMO University, 2018. Available at: https://search.rsl.ru/ru/record/01009876980 (accessed: 19.01.2022). (in Russian)Янкин С. DG-FEM: новая технология для масштабных расчетов распространения акустических и упругих волн в COMSOL Multiphysics® [Электронный ресурс]. URL: https://www.comsol.ru/video/dg-fem-new-technology-for-acoustic-and-elastic-wavemodeling-on-large-scales-in-comsol-webinar-ru, свободный. Яз. рус. (дата обращения: 19.01.2022).Ermolov I.N. Theory and Practice of Ultrasonic Testing. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1981, 240 p. (in Russian)Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики: учебное пособие. М.: Наука, 1977. 736 с.Iankin S. DG-FEM: new technology for large scale calculations of acoustic and elastic wave propagation in COMSOL Multiphysics®. Available at: https://www.comsol.ru/video/dg-fem-new-technologyfor-acoustic-and-elastic-wave-modeling-on-large-scales-in-comsolwebinar-ru (accessed: 19.01.2022). (in Russian)Торшина И.П., Якушенков Ю.Г. Оценка адекватности компьютерной модели оптико-электронной системы ее заданным свойствам // Известия вузов. Приборостроение. 2009. Т. 52. № 9. С. 63–67.Tikhonov A.N., Samarskii A.A. Equations of Mathematical Physics. Moscow, Nauka Publ., 1977, 736 p. (in Russian)Орлов В.Ю., Волков Е.М. Основы статистической обработки результатов научного эксперимента: метод. указания. Ярославль: ЯрГУ, 2014. 68 с.Torshina I.P., Yakushenkov Y.G. Valuation of adequacy for computer model of opto-electronic system. Journal of Instrument Engineering, 2009, vol. 52, no. 9, pp. 63–67. (in Russian)Orlov V.Iu., Volkov E.M. Basics of the Statistical Processing of Scientific Experiment Results. Yaroslavl, Yaroslavl State University Publ., 2014, 68 p. (in Russian)Orlov V.Iu., Volkov E.M. Basics of the Statistical Processing of Scientific Experiment Results. Yaroslavl, Yaroslavl State University Publ., 2014, 68 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.