научная статья по теме ФОРМИРОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВОЛНЫ РЭЛЕЯ В ОБЪЕКТЕ С ВЫСТУПОМ. ЧАСТЬ 2. ВЛИЯНИЕ УГЛА ВЫСТУПА И ДРУГИХ ФАКТОРОВ. ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «ФОРМИРОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВОЛНЫ РЭЛЕЯ В ОБЪЕКТЕ С ВЫСТУПОМ. ЧАСТЬ 2. ВЛИЯНИЕ УГЛА ВЫСТУПА И ДРУГИХ ФАКТОРОВ. ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ»

ФОРМИРОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ВОЛНЫ РЭЛЕЯ В ОБЪЕКТЕ С ВЫСТУПОМ.

ЧАСТЬ 2. ВЛИЯНИЕ УГЛА ВЫСТУПА И ДРУГИХ ФАКТОРОВ.

А.Р. Баев, М.В. Асадчая, О.С. Сергеева, Г.Е. Коновалов

Представлены экспериментальные данные исследования формирования в образцах с различным углом выступа у = 0—135° полей поперечной и продольной мод, первичным источником которых является преобразователь (ПЭП) волны Рэлея, в частотном диапазоне 1—3 МГц. Получены данные по коэффициентам прохождения поверхностной волны (ПАВ) через область сопряжения контактной поверхности образца с внутренней гранью выступа и преобразования ПАВ в головную (поверхностную) волну, являющуюся источником одной из составляющих поля поперечной моды. Исследовано влияние высоты выступа к на прохождение через него трансформированного акустического импульса ПАВ и показана возможность обнаружения поверхностных дефектов, расположенных с обратной стороны выступа. Рассмотрены прикладные аспекты использования результатов исследования в технике у. з. контроля и измерений.

Ключевые слова: волна Рэлея, краевая волна, сопутствующая волна, головная волна, выступ, трансформация мод, рассеяние, граничные условия, суперпозиция полей.

Несмотря на имеющийся обширный материал теоретических (преимущественно) и экспериментальных исследований, например [1—5], вопросы трансформации ПАВ и их рассеяния на выступах различной конфигурации и размеров недостаточно изучены. Наиболее близкие по теме настоящих исследований результаты получены в [6, 7], где объектом изучения служили образцы с выступом, угол наклона внутренней грани которого к контактной поверхности образца (угол выступа) прямой. В [6] первичным источником служил ПЭП подповерхностных поперечных волн с углом призмы Ь = = агс81и(С1/Сг), где С1 — скорость продольной волны в призме ПЭП, Ст — скорость поперечной волны, а ПАВ играла роль лишь сопутствующей моды. При этом на особенности трансформации ее в объемные моды и рассеяния в области сопряжения контактной поверхности с внутренней гранью выступа (далее — область сопряжения поверхностей ОСП) не обращалось должного внимания. При проведении акустических измерений использовали образцы с прямоугольными выступами, поверхность приема которых была плоской, что давало лишь качественную картину исследуемого поля в окрестности зоны а

0 и значительно искаженную — вне ее. Эти недостатки были устранены в [7], где образцы с выступом выполнены с цилиндрической поверхностью приема волн, что позволило впервые установить роль сопутствующей поперечной моды в формировании результирующего поля, а также уточнить остальные составляющие поля: превалирующую по амплитуде краевую волну, рассеянную непосредственно на ОСП выступа, а также отходящую под

Алексей Романович Баев, главный научный сотрудник Государственного научного учреждения "Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси". Тел. (37517) 331-63-41. E-mail: baev@iaph.bas-net.by

Мария Вадимовна Асадчая, старший научный сотрудник Государственного научного учреждения "Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси". Тел. (37517) 331-63-41. E-mail: asadchaya@iaph.bas-net.by

Ольга Сергеевна Сергеева, ассистент Государственного научного учреждения "Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси". Тел. (37517) 222-52-12. E-mail: o.s.serg@mail.ru

Георгий Евменьевич Коновалов, ведущий научный сотрудник Государственного научного учреждения "Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси". Тел. (37517) 284-20-02. E-mail: mayorov@iaph.bas-net.by

углом к нормали передней грани выступа поперечную моду, генерируемую краевой головной волной. Была также показана возможность использования ПЭП поверхностных волн для выявления дефектов путем прозвучива-ния объекта поперечной вертикально поляризованной модой, значительная часть энергии которой получена при трансформации ПАВ на выступе.

Используемые на практике изделия, узлы и соединения могут иметь технологические выступы с различным значением угла выступа у и высоты h, а потенциально опасные дефекты — располагаться не только в объеме выступа, но и за ним — в недоступной зоне. С другой стороны, изучаемые объекты представляют собой волноводы сложной геометрии и знание особенностей возбуждения и прохождения через них различных упругих мод представляет интерес для создания как устройств приема, так и излучения упругих мод. Поэтому дальнейшее проведение исследований механизма трансформации и полей рассеяния объемных мод, первичным источником которых являются ПЭП волны Рэлея, является актуальным не только для у.з. контроля указанных объектов на наличие дефектов, но и других целей в технике у.з. измерений.

Нами выбран экспериментальный путь исследований, т. к. теоретический подход для описания рассматриваемых объектов ограничен ввиду сложности постановки граничных условий и др. В настоящей работе продолжено изучение особенностей формирования поля поперечных (преимущественно) Аг(а) и продольных AL(a) волн в стальных образцах, исследованы зависимости параметров поля от угла выступа у и его высоты h, определены коэффициенты прохождения и трансформации упругих мод на ОСП выступа.

Согласно полученным в [7] данным, поле Аг(а) представляет собой суперпозицию полей трех источников: ATS — поле сопутствующей поперечной волны, излучаемой преобразователем одновременно с волной Рэлея; А — поле краевой поперечной волны, трансформированной из ПАВ на ОСП; АТ* — поле отходящей под углом 33° к нормали внутренней грани выступа поперечной волны, генерируемой краевой головной волной. На основе полученных экспериментальных данных и проведенного их анализа рассмотрены некоторые пути использования полученных результатов в у.з. контроле и технике у.з. измерений.

1. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Методика исследований. Методика настоящих исследований изложена в [7]. Объектами исследования являются: стальные цилиндрические образцы радиусом Rq = 54 мм с различной величиной вырезанного углового сектора g, варьируемого в диапазоне у = 35—135°; образцы в виде параллелепипеда с варьируемой высотой выступа h = 1—5 мм. Для прояснения особенностей возбуждения и распространения краевых волн в объектах с нулевым углом выступа использован образец с усталостной трещиной длиной 15, высотой 0,4—0,5 мм и раскрытием устья 8 мкм, выполненный в ИПФ НАН Беларуси по специальной технологии, а также образец с вертикальными пропилами высотой 3, длиной 60 и шириной 0,3 мм.

Основные результаты исследований представлены на рис. 1—5, иллюстрирующих характер изменения поля рассеяния объемных мод и коэффициентов прохождения и трансформации ПАВ в продольные и поперечные моды в зависимости от угла выступа, его высоты и частоты волны.

Влияние угла выступа. Рассмотрим особенности формирования результирующих полей Ат(а) и AL(a) в объеме образцов с различным углом выступа. В отсутствие радиусного перехода (R = RA^^ = 0, где R — радиус ОСП, ^ПАВ — длина ПАВ) можно считать, что излучение краевых волн проводится источником (мнимым) с амплитудными и фазовыми параметрами, распределенными в объеме радиусом

^ПАВ, и центром в координате х = z = 0. Отличие рассматриваемого источника упругих волн от известных

(малоапертурных) [8] заключается в своеобразии граничных условий, обусловливающих механизм трансформации мод и асимметрию формируемых полей.

Прежде всего обратим внимание на то, что зависимости Ат(а) имеют в окрестности а

0° максимум (рис. 1, 2) и с уменьшением g наблюдается тенденция сдвига его (на