Модель акустического тракта раздельно-совмещенного оптико-акустического преобразователя

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.

1. Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении. 4-е изд., перераб. СПб.: СВЕН, 2014. 312 с.

2. Клюев В.В. Неразрушающий контроль. Т. 3. Ультразвуковой контроль. М.: Машиностроение, 2004. 864 с.

3. 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.

4. 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/S1061830920030122

5. Marusina 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/s11018-017-1109-3

6. Marusina 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/s11018-018-1424-3

7. Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. Нижний Новгород: ТАЛАМ, 2005. 208 с.

8. 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/10.1088/1742-6596/2127/1/012036

9. Федоров 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.056-061

10. Карабутов 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/S0130308220090018

11. 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/10.21122/2220-9506-2018-9-4-325-336

12. Петров 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).

13. Тапков 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).

14. 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).

15. Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1981. 240 с.

16. 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).

17. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики: учебное пособие. М.: Наука, 1977. 736 с.

18. 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.

19. Орлов В.Ю., Волков Е.М. Основы статистической обработки результатов научного эксперимента: метод. указания. Ярославль: ЯрГУ, 2014. 68 с.