Исследование влияния параметров электромагнитно-акустического преобразователя на точность измерения толщины изделий методами численного моделирования

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.

1. Гоголинский 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/10.12737/1609-3178-2020-4-8

2. Krautkrämer J., Krautkrämer H. Ultrasonic Testing Of Materials. Springer Science & Business Media, 2013.

3. Hirao M., Ogi H. Electromagnetic Acoustic Transducers. Springer, 2017. 380 p. https://doi.org/10.1007/978-4-431-56036-4

4. Rieger 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.2021.102569

5. Варочко 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.2021.226.4.012

6. Ашихин 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.

7. 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/S0130308219020027

8. Ren 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.2018.03.010

9. Chiappa 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.2020.111655

10. Ремезов 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.

11. Лещенко Н.Г., Мужицкий В.Ф., Ремезов В.Б. Электромагнитноакустический преобразователь. Патент RU31305U1. Бюл. 2003. № 21.

12. 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.

13. 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/app10124401

14. Delrue 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).

15. Therrien С., Tummala М. Probability and Random Processes for Electrical and Computer Engineers. CRC Press, 2012. P. 287.

16. 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.