ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-2-376-384ntv-173Research ArticleМАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕMODELING AND SIMULATIONИсследование влияния параметров электромагнитно-акустического преобразователя на точность измерения толщины изделий методами численного моделированияInfluence investigation of electromagnetic-acoustic transducer parameters on thickness measurement accuracy by numerical modeling methodshttps://orcid.org/0000-0003-3549-113XАшихинД. С.AshikhinD. S.

Ашихин Денис Сергеевич — аспирант

СанктПетербург, 197101 

 sc 57190847400 

Denis S. Ashikhin — PhD student 

 sc 57190847400 

Saint Petersburg, 197101 

ashikhinds@mail.ruhttps://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 

avfedorov@itmo.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202214122024222376384Copyright © Ашихин Д.С., Федоров А.В., 20242024Ашихин Д.С., Федоров А.В.Ashikhin D.S., Fedorov A.V.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/173

Предмет исследования. Электромагнитно-акустический метод применяется при контроле толщины электропроводящих изделий. Метод основан на электродинамическом взаимодействии вихревых токов, наведенных в электропроводящем материале, с внешним магнитным полем. При генерации акустических сигналов в изделии возникают волны, многократно отраженные от границы раздела сред. Регистрируемый отраженный сигнал позволяет определить толщину изделия. В состав электромагнитно-акустического преобразователя входят: магнитная система, генерирующая и приемная катушки. Точность толщины измеряемого объекта определяется геометрией генерирующей и приемной катушек, а также величиной зазора между ними. Задача экспериментальной оценки влияния геометрии преобразователя на точность измерений толщины достаточно сложна. Для решения проблемы повышения точности преобразователя при электромагнитноакустической толщинометрии предложена и реализована численная модель распространения акустических волн в проводящей пластине. Методы. Численная модель реализована в программной среде COMSOL Multiphysics с применением разрывного метода Галеркина высокого порядка с явной по времени схемой интегрирования. Адекватность модели качественно подтверждена полученными результатами натурного эксперимента. Эксперимент проведен с применением специализированного электромагнитно-акустического толщиномера с преобразователем и мерой толщины. Для оценки неопределенности измерений толщины массив значений принятого сигнала обработан в программной среде MathCad. Основные результаты. На основе сравнения результатов моделирования и натурного эксперимента показана адекватность предложенной двумерной модели распространения ультразвуковых волн в пластине. Выполнена оценка влияния конструктивных параметров электромагнитно-акустического преобразователя на точность измерений толщины. Представлены рекомендации по разработке преобразователя и методики измерений толщины объектов контроля. Практическая значимость. Полученные результаты могут найти применение при проектировании электромагнитно-акустических преобразователей, предназначенных для неразрушающего контроля толщины изделий.

The electromagnetic-acoustic method is applied in the control of the electrically conductive products thickness. This method is based on the electrodynamic interaction of eddy currents induced in an electrically conductive material with an external magnetic field. Acoustic waves are generated with multiple reflections from the media interface. The recorded signal reflected allows determining the product thickness. Electromagnetic-acoustic transducer includes a magnetic system, generating and receiving coils. Thickness measurement accuracy of the control object is determined by the geometry of the generating and receiving coils, as well as the size of the gap between them. To assess this effect by the experimental data is rather difficult task. The acoustic wave propagation numerical model in a plate with electromagnetic-acoustic thickness measurement is proposed and developed for the problem solution. The numerical model is implemented in the COMSOL Multiphysics software environment using a discontinuous high-order Galerkin method with time explicit integration scheme. Model adequacy was confirmed using the results of a full-scale experiment, for which a specialized electromagnetic-acoustic thickness gauge with a transducer and a thickness gauge were used. To estimate the uncertainty of thickness measurements, an array of values of the received signal was processed in the MathCad software environment. The adequacy of the model has been confirmed by comparing the simulation results with a full-scale experiment. The influence of the transducer design on the thickness measurement accuracy was estimated. Conclusions are drawn, as well as general recommendations for the development of an electromagneticacoustic transducer, and methods for object thickness measuring are given based on the investigation results. The results can be used in the design of an electromagnetic-acoustic transducer and in the development of thickness measurement techniques.

ультразвуковая толщинометрияэлектромагнитно-акустический преобразователь (ЭМАП)численное моделированиераспространение ультразвуковых волнточность измерений толщиныultrasonic thickness measurementelectromagnetic-acoustic transducer (EMAT)numerical modelingpropagation of ultrasonic wavesaccuracy of thickness measurementsReferencesГоголинский К.В., Сясько В.А. От неразрушающего контроля к мониторингу состояния. Тенденции развития цифровой экономики // В мире неразрушающего контроля. 2020. Т. 23. № 1. С. 4–8. https://doi.org/10.12737/1609-3178-2020-4-8Gogolinskiy K.V., Syasko V.A. From NDT to condition monitoring. development trends in digital economy. NDT World, 2020, vol. 23, no. 1, pp. 4–8. (in Russian). https://doi.org/10.12737/1609-3178-2020-4-8Krautkrämer J., Krautkrämer H. Ultrasonic Testing Of Materials. Springer Science & Business Media, 2013.Krautkrämer J., Krautkrämer H. Ultrasonic Testing Of Materials. Springer Science & Business Media, 2013.Hirao M., Ogi H. Electromagnetic Acoustic Transducers. Springer, 2017. 380 p. https://doi.org/10.1007/978-4-431-56036-4Hirao M., Ogi H. Electromagnetic Acoustic Transducers. Springer, 2017. 380 p. https://doi.org/10.1007/978-4-431-56036-4Rieger K., Erni D., Rueter D. Noncontact reception of ultrasound from soft magnetic mild steel with zero applied bias field EMATs // NDT & E International. 2022. V. 125. P. 102569. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2021.102569Rieger K., Erni D., Rueter D. Noncontact reception of ultrasound from soft magnetic mild steel with zero applied bias field EMATs. NDT & E International, 2022, vol. 125, pp. 102569. https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2021.102569Варочко А.Г., Кузнецов С.В., Половцев В.А., Саратов Н.Н., Прохорович В.Е., Быченок В.А. История становления и перспективы развития технологии сварки трением с перемешиванием в АО «ГКНПЦ им. МВ Хруничева» // Технология машиностроения. 2021. № 4. С. 16–41. https://doi.org/10.34641/TM.2021.226.4.012Varochko A.G., Kuznetcov S.V., Polovtcev V.A., Saratov N.N., Prokhorovich V.E., Bychenok V.A. History of formation and development potential of the friction stir welding technology in AO “Khrunichev State Research and Production Space Centre”. Technology of Mechanical Engineering, 2021, no. 4, pp. 16–41. (in Russian). https://doi.org/10.34641/TM.2021.226.4.012Ашихин Д.С., Беркутов И.В., Степанова К.А., Котовщиков И.О., Федоров А.В., Свитнев И.В., Яковлев Ю.О., Быченок В.А. Обеспечение качества стыковых алюминиевых соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием // Технология машиностроения. 2018. № 8. С. 4–47.Ashikhin D.S., Berkutov I.V., Stepanova K.А., Kotovshchikov I.О., Fedorov А.V., Svitnev I.V., Yakovlev Yu.O., Bychenok V.A. Quality ensuring of butt aluminum joints obtained by friction stir welding. Technology of Mechanical Engineering, 2018, no. 8, pp. 15–22. (in Russian)Петров К.В., Муравьева О.В., Мышкин Ю.В., Башарова А.Ф. Моделирование магнитных, электрических и акустических полей проходного преобразователя для контроля цилиндрических объектов // Дефектоскопия. 2019. № 2. С. 16–24. https://doi.org/10.1134/S0130308219020027Petrov K.V., Murav’eva O.V., Myshkin Y.V., Basharova A.F. Modeling magnetic, electric, and acoustic fields of a pass-through transducer when testing cylindrical objects. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2019, vol. 55, no. 2, pp. 102–110. https://doi.org/10.1134/S1061830919020062Ren W., He J., Dixon S., Xu K. Enhancement of EMAT’s efficiency by using silicon steel laminations back-plate // Sensors and Actuators A: Physical. 2018. V. 274. P. 189–198. https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.03.010Ren W., He J., Dixon S., Xu K. Enhancement of EMAT’s efficiency by using silicon steel laminations back-plate. Sensors and Actuators A: Physical, 2018, vol. 274, pp. 189–198. https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.03.010Chiappa A., Iakovlev S., Marzani A., Giorgetti F., Groth C., Porziani S., Biancolini M.E. An analytical benchmark for a 2D problem of elastic wave propagation in a solid // Engineering Structures. 2021. V. 229. P. 111655. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.111655Chiappa A., Iakovlev S., Marzani A., Giorgetti F., Groth C., Porziani S., Biancolini M.E. An analytical benchmark for a 2D problem of elastic wave propagation in a solid. Engineering Structures, 2021, vol. 229, pp. 111655. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.111655Ремезов В.Б. Исследование эффективности возбуждения акустических колебаний в неферромагнитных материалах. Построение 3-D диаграмм для наглядного представления распространения акустических колебаний, возбуждаемых двухпроводным излучателем // Дефектоскопия. 2010. № 6. С. 50–59.Remezov V.B. Investigation of the efficiency of excitation of acoustic oscillations in nonferromagnetic materials. construction of 3D diagrams for pictorial representation of the propagation of acoustic oscillations excited by a double-wire radiator. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2010, vol. 46, no. 6, pp. 431–439. https://doi.org/10.1134/S1061830910060070Лещенко Н.Г., Мужицкий В.Ф., Ремезов В.Б. Электромагнитноакустический преобразователь. Патент RU31305U1. Бюл. 2003. № 21.Leshchenko N.G., Muzhitckii V.F., Remezov V.B. Electromagnetic acoustic transducer. Patent RU31305U1, 2003. (in Russian)Mahmod M.F., Mukhtar M.F.H. Simulation analysis of ultrasonic testing in steel-based butt weld joint // Research Progress in Mechanical and Manufacturing Engineering. 2021. V. 2. N 1. P. 136– 144.Mahmod M.F., Mukhtar M.F.H. Simulation analysis of ultrasonic testing in steel-based butt weld joint. Research Progress in Mechanical and Manufacturing Engineering, 2021, vol. 2, no. 1, pp. 136–144.Groth E.B., Clarke T.G.R., Schumacher da Silva G., Iturrioz I., Lacidogna G. The elastic wave propagation in rectangular waveguide structure: Determination of dispersion curves and their application in nondestructive techniques // Applied Sciences. 2020. V. 10. N 12. P. 4401. https://doi.org/10.3390/app10124401Groth E.B., Clarke T.G.R., da Silva G.S., Iturrioz I., Lacidogna G. The elastic wave propagation in rectangular waveguide structure: Determination of dispersion curves and their application in nondestructive techniques. Applied Sciences, 2020, vol. 10, no. 12, pp. 4401. https://doi.org/10.3390/app10124401Delrue S., Aleshin V., Bou Matar O., Van Den Abeele K. 2D modeling of elastic wave propagation in solids containing closed cracks [Электронный ресурс]. https://www.comsol.ru/paper/2d-modelingof-elastic-wave-propagation-in-solids-containing-closedcracks-37571 (дата обращения: 11.03.2022).Delrue S., Aleshin V., Bou Matar O., Van Den Abeele K. 2D modeling of elastic wave propagation in solids containing closed cracks. Available at: https://www.comsol.ru/paper/2d-modeling-of-elasticwave-propagation-in-solids-containing-closed-cracks-37571 (accessed: 11.03.2022).Therrien С., Tummala М. Probability and Random Processes for Electrical and Computer Engineers. CRC Press, 2012. P. 287.Therrien С., Tummala М. Probability and Random Processes for Electrical and Computer Engineers. CRC Press, 2012, pp. 287.Андреев В.Г., Дмитриев К.В., Зотов Д.И., Крит T.Б., Коробов А.И., Руденко О.В., Румянцева О.Д., Сапожников О.А., Хохлова В.А. Нелинейные ультразвуковые волны в средах с поглощением и дисперсией: учебное пособие для физического практикума по акустике. М: Физический факультет Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 2017. 112 с.Andreev V.G., Dmitriev K.V., Zotov D.I., Krit T.B., Korobov A.I., Rudenko O.V., Rumiantceva O.D., Sapozhnikov O.A., Khokhlova V.A. Nonlinear Ultrasonic Waves in Absorbing and Dispersive Media. Textbook for practical physics on acoustics. Moscow, Faculty of Physics M.V.Lomonosov Moscow State University, 2017, 112 p. (in Russian)

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