Исследование электромагнитно-акустических преобразователей сдвиговых колебаний тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Локшина, Н. Н.

• Локшина, Н. Н.
• 1971

Оглавление диссертации Локшина, Н. Н.

I. ВВЕДЕНИЕ. f

П* ГЛАВА X» Состояние вопросов теории и практики электромагнитное акустического метода.,.

§ I.I. Литературный обзор

§ 1«2. Выводы и постановка задаче

1. ШВА 2. Приближенная методика расчеса возбуждающего и приемного элементов ЭМА преобразователя различных конструкций . U

§ 2.1» Методика расчета вносимых напряжений элементов преобразователя различных конструкций

§ 2*2. Глубина проникновения неоднородного электромагнитного поля в проводящем полупространстве

§ 2.3. Плотность вихревых токов при питании преобразователя импульсом тока в виде одиночной ступени.

§ 2*4. Выводы

1У. ГЛАВА 3. Электромагнитное возбуждение едвиго вых ультразвуковых колебаний

§ 3.1. Гармонические касательные электродинамические силы

§ 3*2» Импульсные касательные электродинамические силы Лоренца.

§ 3.3. Упрощенные выражения для импульсных сил, возбужденных в идеальном металле.

§ 3.4. Упругие радиальвоподярвзованные смещения в металлическом слое.

§ 3.5. Выводы

У« ГЛАВА 4. Электромагнитная регистрация сдвиговых волн в резонансном и эхо-импуль-сном режимах работы преобразователя.

§ 4.1* "Магнито-акусгические" вихревые ТОКИ

§ 4*2. Результирующий вектор-потенциал воля в воздушном полупространстве над металлическим слоем.

§ 4.3. Электродвижущая сила на прием-ном элементе в резонансном режиме работ преобразователя.

§ 4.4. Электродвижущая сила в эхо-импульсном режиме работы преобразователя совмещенного типа

§ 4.5. Влияние электромагнитных характеристик на величину и форму импульсной электродвижущей силы

§ 4.6. Вывода.

У1. ГЛАВА 5. Экспериментальное исследование электромагнитво-акустического преобразователя сдвиговых волн . ЮО

§ 5.1. Исследование зависимостей выходного напряжения ох изменения величины индукции я зазора между катушкой преобразователя и поверхностью образцов из различных металлов

§ 5«2» Особенности работы ЭДА преобразователя, не учгевные в методике расчета выходиого напряжения. Новые конструкций преобразователей. 1°б

§ 5*3. Выводы . Ю*

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование электромагнитно-акустических преобразователей сдвиговых колебаний»

Неразрушающие пек оды контроля качества, сплошности и габаритов металлических изделий нашли широкое распространение в металлургической, металлообрабатывающей и машиностроительной промышленностях, становясь необходимой и неизбежной операцией в процессе Эксплуатации продукции, а также в технологическом цикле производства деталей. Большое значение приобретает проблема изыскания и исследования новых, более эффективных методов дефектоскопии и толщинометрии металлических изделий. Таким, сравнительно новым является электромагнитно-акустический (ЭМА) метод неразрушающего контроля, в котором исключены некоторые существенные недостатки, присущие широко известным методам контроля: электромагнитному с помощью вихревых токов и ультразвуковому. К недостаткам, ограничивающим области применения последних методов следует отнести следующие. При ультразвуковом контроле с использованием пьезо-преобразователей необходим акустический контакт, резко влияющий на результаты исследования и ограничивающий скорость конт роля изделий в потоке производства. При электромагнитном методе контролируется лишь поверхностная и подповерхностная (в пределах нескольких милиметров) область металлического изделия Электромагнитно-акустический метод в силу своей бесконтактности является более производительным по сравнению с указанными методами, позволяет контролировать массивные изделия с помощью ультразвуковых волн при повышенных скоростях их прохождения, а также в условиях высоких температур и давлений в тех-нологическом цикле производства деталей. Отсутствие требования необходимости акустического контакта при электромагнитном возбуждении ультразвука в металлических материалах устраняет ряд существенных мешающих факторов, связанных с нестабильностью акустического контакта и с влиянием свойств контактных жидкости и масла. Поэтому ЭМА метод позволяет с повышенной точностью производить абсолютные измерения в процессе исследования упругих свойсгв7анизотропии и величины зерна материалов, при решении многих металловедческих задач. Таким образом, этот метод является следующим перспективным и более эффективным шагом в области развития неразрушающих методов контроля и исследования как материалов, так и изделий металлургической и машиностроительной промышленностей.

Несмотря на большие преимущества и достоинства, ЭМА метод должного распространения, к сожалению, не получил. К серьезным причинам, сдерживающим ускоренное развитие этого метода, следует отнести малый коэффициент преобразования по сравнению с ультразвуковым методом, а также отсутствие глубоких исследований в области физики явлений электромагнитного возбуждения ультразвуковых волн в металлических : средах электродинамическими силами Лоренца, а также явления преобразования энергии акустических колебаний в энергию электромагнитного поля, т.е. ясного представления физических явлений, лежащих в основе работы электромагнитно-акустического преобразователя.

Поэтому проблема изучения физической сущности ЭМА метода и определения условий, повышающих коэффициент преобразования,актуальна и имеет первостепенное значение для широкого развития этого довольно перспективного метода и ускоренного создания аппаратуры (дефектоскопов, толщиномеров и др.) с преобразователями электромагнитно-акустического типа.

Как будет показано в следующей главе, ЭМА преобразователи применяются различных конструкций- в зависимости от того, какой тип ультразвуковой волны возбуждается и регистрируется.

Значение контроля изделий с помощью продольных и сдвиговых волн в равной степени велико. Однако сравнение этих типов волн показывает преимущества применения сдвиговых волн. Это связано с тем, что из-за меньшей скорости распространения сдвиговые волны дают возможность повысить разрешающую способность при импульсном методе контроля, и чувствительность, благодаря более низкому коэффициенту затухания, а также отсутствию искажения формы волны при распространении в среде. Сдвиговые волны, обладая свойством поляризованности, чувствительны к анизотропии материала среды. Кроме того, на примере бесконтактного возбуждения сдвиговых волн нагляднее демонстрируется преимущество ЭМА метода по сравнению с ультразвуковым, в котором для введения в металлическую среду сдвиговых волн необходимы более жесткие требования к качеству акустического контакта, чем в случае продольных. Так при применении пьезопреобразователей сдвиговых колебаний необходимо использовать специальные контактные смазки или, в лучшем случае,приклеивать искатель к поверхности контролируемого изделия. Необходимо отметить, что к настоящему моменту теоретические и экспериментальные работы по бесконтактным преобразователям продольных волн уже проведены. Поэтому из перечисленных преимуществ и причин следует, что задача исследования ЭМА преобразователей сдвиговых колебаний актуальна и важна.

Таким образом, с целью дальнейшего развития ЭМА метода в настоящей работе поставлена следующая задача:1. Исследование физических основ электромагнитного воз-буждения и регистрации сдвиговых ультразвуковых волн в режиме питания ЭМА преобразователя как гармоническим, так и импульсным токами.

2. Создание методики расчета преобразователей сдвиговых колебаний, показывающей влияние основных факторов (величины индукции и тока, электромагнитно-акустических характеристик металаов, геометрии преобразователя) на величину коэффициента преобразования электромагнитно-акустического метода неразрушающе го контроля.

П. ШВА I.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСОВ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДАЭяектромагнитно-акустический метод позволяет контролировать металлические изделия ультразвуковыми волнами, бесконтактно возбуждаемыми и принимаемыми с помощью электромагнит-но-акустического преобразователя (ЭМАП).

В данной работе предметом исследования выбран ЭМАП сдвиговых волн, которые по сравнению с продольными обладают рядом указанных ранее достоинств / 1,2,3, /. Рассмотренный в работе вид преобразователя состоит из катушек индуктивности (токовой и измерительной) накладного типа и электромагнита. Такой конструкции преобразователь универсален, т.к. позволяет контролировать изделия любой формы (в виде пластины, трубы, прутка и т.д.) при одностороннем доступе к поверхности детали.

Задача исследования работы указанного вида ЭМА преобразователя в присутствии металлической среды в большой степени облегчается благодаря существующей теории метода вихревых токов, возбуждаемых накладным датчиком с витками круглой формы / 4 •/.№ 1.1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

Необходимо также остановишься на оригинальном способе возбуждения и приема крутильных колебаний в стержнях с помощью бесконтактного магнит о*-отрикционного преобразователя, предложенного Каринским С.С./16/.

Перечисленные выше работы содержат данные по экспериментальным исследованиям ЭМА преобразователей и особенностям их конструкций.

Среди теоретических исследований в работах /17-25/ самыми близкими к рассматриваемому нами вопросу являются материалы работ /17 и 18/. Польманом и Гербертцем /17/ исследовался вопрос о бесконтактном возбуждении и приеме акустических колебаний в неферромагнитных металлах« Рассмотренный преобразователь состоял из П-образного магнита, между полюсами которого горизонтально к поверхности металла рааположена катушка в виде прямоугольной петли. Такой преооразовагедь мож$т возбуждать как сдвиговые, так и продольные колебания. В работе приведен расчет электродинамических сил и напряжения при приеме колебаний в предположении, что металл является идеально проводящим. Вызывает еомнение целесообразность интегрирования сил по поверхности металла, поскольку акустическое поле зависит- не только от результирующей (полной) силы, но и от функции ее распределения по поверхности. Формула напряжения при приеме акустических колебаний получена в случае, если скорость смещения частиц металла задана. Задача о нахождении смещения и скорости из волнового уравнения теории упругости авторамине решалась, Результаты эксперимента, к сожалению, приведены в такой форме, что сопоставление с расчетом провести невозможно.

В работе /18/ получена формула для коэффициента преобразования при возбуждении и приеме сдвиговых колебаний с помощью преобразователя, конструкция которого описана в /8/. Выражение для электродвижущей силы (ЭДС), наведенной на катущ-ке преобразователя при приеме акустических колебаний вызывает сомнение, т.к. эта ЭДС должна быть пропорциональна величине питающего катушку тока, а не напряжения, как получено в работе. Кроме того, в выражении для ЭДС не оценены коэффициенты пропорциональности. Сопоставления расчетных и экспериментальных данных в работе отсутствуют. Тем не менее, вывод, что коэффициент преобразования пропорционален отношению квадрата индукции в металле к величине его акустического сопротивления, является верным. Последнее подтверждается расчетными данными работы /19/,для коэффициента преобразования при трансформации энергии электромагнитного поля в энергию акустических колебаний и обратно. В работе рассмотрен случай падения плоских электромагнитных волн на границу немагнитного проводящего полупространства, находящегося в постоянном магнитном поле. В диапазоне частот, применяемых в практике ультразвукового контроля, полученный коэффициент преобразования не зависит от величины электропроводности проводящей среды. Для рассмотрения нами задачи о возбуждении и приеме сдвиговых ультразвуковых колебаний, созданных неоднородным переменным электромагнитным полем, результат работы /19/ может представлять интерес, как частный случай. Расчет выходного сигнала преобразователей типа ни!и,вика и катушки в виде плоской спирали, возбуждающих продольные улмразвуковые волны, подробно изложен в работе Сазонова Н.И. и Шкарлета Ю.М. /20/.

Рассмотрение литературных источников показывает, что разви тие и исследование ЭМА метода осуществляется в течение Долее 10 лет. За это время появилось довольно много интересных и ори гинальных работ, в том.числе и работы по наиболее полному исследованию преобразователей продольных волн /7,20/.

К настоящему времени уже разработаны конструкции ЭМА преоб разователей сдвиговых колебаний с катушками (возбуждающей и приемной) в виде прямоугольной рамки, плоской спирали или плоского кольца /8,17,18/. Преобразователи с такими катушками будут исследованы в данной работе.

Критические замечания по существу сводятся к следующим:1). Теоретические исследования прямого и обратного ЭМА преобразования проведены лишь в случае падения плоских (однородных) волн на границу проводящей среды /19,21,22/. Результаты этих расчетов не связаны с каким-либо видом преобразователя и могут представлять интерес как частный случай.

2). Расчеты выходного напряжения преобразователей сдвиговых волн проводились для каждого вида катушек ЭМАП, оказались частично неверными и были выполнены для случая идеально проводящей среды /17,18/. В результате, отсутствуем приемлемая теория ЭМАП сдвиговых волн, и тем более, нет единой методики расчета преобразователей с катушками различных конструкций.

3). По причине большой сложности теоретически не рассматривался вопрос работы ЭМА преобразователей в импульсном режиме питания. Для неразрушающих методов кои±ридя импульсный ражи»наиболее распространенный и перспективный, особенно для ЭМА метода из-за низкого коэффициента преобразования.

Решению перечисленных в п.п0 2 и 3 задач посвящена настоящая работа. Сформулируем подробно задачу исследования в той последовательности, в которой изложен материал работы.

С целью дальнейшего развития перспективного и актуального ЭМА метода, а также расширения его возможностей и области применения в настоящей работе поставлена следующая задача:1. Создание единой методики расчета вносимых напряжений и плотности вихревых токов катушек индуктивности накладного типа различных конструкций, являющихся составной частью ЭМА преобразователей.

2. Исследование физических основ электромагнитного возбуждения ультразвуковых сдвиговых волн в ферромагнитной проводящей среде с помощью ЭМА преобразователя;а) Расчет и анализ гармонических и импульсных электродинамических, касательных сил Лоренца.б) Исследование упругих смещений и скорости смещений в металлической среде, возбужденных касательными силами.

3. Исследование физики явлений, лежащих.в основе электромагнитной регистрации упругих колебаний, возбужденных касательными силами Лоренца;а) Получение выражения для плотности индукцивнных ("маг-нито-акустических") вихревых токов.б) Расчет гармонической и импульсной результирующей электродвижущей силы (выходного напряжения), наведенной индукционнымиIокапи на приемном элементе преобразователя.в) Анализ основных факторов, влиявдих на величину выходного напряжения, а, следовательно, на коэффициент преобразования ЭМА метода.

4. Экспериментальная проверка основных*выводов теории преобразователя сдвиговых колебаний.

Ш. ГЛАВА 2.

ПРИБЛИЖЕННАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВОЗБУЖДАЮЩЕГО й ПРИЕМНОГО ЭЛЕМЕНТОВ ЭМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

Как известно /4,26-31/, в электромагнитном методе нераз-рушающего контроля материалов и изделий с помощью вихревых токов применяются датчики - катушки индуктивности различных типов. Основной частью электромагнитно-акусшического преобразователя являются возбуждающий и приемный элементы, представляющие собой катушки - датчики накладного типа. В преобразива-телях, как показано в главе I, используются катушки с витками круглой и прямоугольной формами, а также в виде плоского спирального кольца. Теория метода вихревых токов для накладных датчиков широко известна /4/ и создана лишь для катушек с витками круглой формы и прямоугольным сечением обмоток. В настоящей главе излагается приближенная единая методика расчета вносимых напряжений при расположении над металлической средой элементов преооразователя различных вышеуказанных конструкций./32-36/. Кроме того, дается формула для глубины проникновения неоднородного электромагнитного поля в металлическом полупространстве, а также выражение для плотности вихревых токов при импульсном питании возбуждающего элемента преобразователя /43/.§ 2.1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВНОСИМЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

Для накладного датчика таким понятием, как "диаметр изделия" является диаметр эквивалентного контура вихревых токов. Если в выражение параметра ^>0Ъ0\/сосгрС вместо диаметра Д, ввести диаметр эквивалентного контура вихревых токов Д, который, как будет показано ниже, связан с общим зазором = то в выражение (2.1) будет внесена поправка, обеспечивающая недостающую фазовую зависимостьот изменения зазора Ьэ. Итак, при = [/соауи* формула для вносимого напряжения приобретает следующий вид:(2.2)Впоследствии было показано /39/, что в обобщенны® параметры, от которых зависит вносимое напряжение на датчиках накладного ( с витками круглой и прямоугольной формами), экранного и проходного'типов, входит диаметр эквивалентного контура вихревых токов. Проведенный расчет был выполнен с целью выявить основные закономерности (без оценки сочности) физических основ теории метода вихревых токов с использованиемэтих датчиков для контроля тонких металлических листов и тонкостенных труб.

Итак, вносимое напряжение, представленное формулой (2.^, зависит от геометрических параметров датчика и Д значение которых связаны с определенной конструкцией датчика. Вначале определим величину диаметра эквивалентного контруа вихревых токов. Для этого проанализируем выражение для элемента электродвижущей гиды (ЭДС), наведенной в эквивалентном витке радиуса Йо катушки элементарным вихревым током, про9текающим в кольце шириной с!г и радиуса ъ. Элемент ЭДС равен:.где: М - коэффициент взаимной индукции ДО/ между витком радиуса Я® =- * расположенным над металлической средой на расстоянии Ьэ и витком радиуса т с вихревым током с/3.

Ток ¿У получим, проинтегрировав по глубине г металлической»среды выражение для плотности вихревых токов У во втором приближении /4/:IсГЗ 9иовг приведенная кповерхности плотность токов. Тогда ЭДС с!1 имеет вид:.с!Ч -к.зА *(а.з)- *оМО.

В работе были исследованы датчики следующих конструкций: датчик № I с витками круглой формы и № 2 с витками прямоугольной формы, а также датчик fe 3 с обмоткой в виде плоского спирального кольца. Датчики № I и № 2 были трансформаторные, а 13- параметрический (однообмоточный). Внешний вид датчиков ивображен на рис. 2Л.

Для создания единой методики расчета датчиков перечисленных конструкций был использован расчет датчиков с витками круглой формы, по которому с учетом введенной поправки вносимое напряжение определялось по формулам (2.2 и 2.2а). Использование выражения (2.2) для расчета датчиков различных конструкций основано на предположении, что функция (fa) отображающая законы распределения электромагнитного поля в проводящем полупростррнвтве является общей для рассмотренных видов датчиков и отличается значением эквивашнзсного диаметраП,Ы1ь г|Ыйх.

ГТ7 / / // / / / -М 2>о ¿в А/3Рис. 2Л. Конструкции датчиков № 1,2,3. I- каркас, 2- обмотка.каждого датчика. Величины функции 44]^) соответствующие определенному ^ находятся в таблице 10 /4/.

В расчет вносимого напряжения на датчике с витками круглой формы входит диаметр Ц который при отсутствии зазора между датчиком и металлом равен среднему диаметру большей обмотки датчик Для каждой конструкции датчика необходимо обосновать выбор величины Д,. Предварительно рассмотрим датчик с витками квадратной формы. В качестве такого датчика принята средняя длина обмотки на одной стороне квадрата, т.к. вихревые токи текут по контуру линии близкой к окружности, вписаной в квадрат, с диаметром равным его стороне. В качестве П, датчика й 1 с витками прямоугольной формы принята средняя длина обмотки на меньшей стороне прямоугольника. Такой выбор Д, понятен, еоли разбить прямоугольный контур образованных датчиком вихревых токов на квадраты. Величина вносимого напряжения будет складываться из напряжений, созданных на датчике током каждого квадрата. Как уже говорилось, в качестве Д> для датчика с витками квадратной формы выбрана длина стороны квадрата, которая в случае прямоугольного контура вихревых токов.является меньшей стороной. Для расчета датчика в виде плоского спирального кольца в качестве Ъ0 естественно служит средний диаметр кольца, как и в случае датчика с витками круглой формы.

Следующей существенной геометрической характеристикой датчика является параметр А входящий в расчет вносимогонапряжения датчика. У датчиков с витками круглой формы и прямоугольным сечением обмотки, а также датчиков в виде плоского спирального кольца ^ ■ др. Для датчиков других конструкций эхо соотношение не выполняется.

Экспериментальное исследование датчиков К 1,2 было проведено по компенсационной схеме, когда измерительные обмотки двух идентичных датчиков соединялись встречно, а токовые -последовательно. Питание датчиков осуществлялось с помощью звукового генератора Г3-34, а измерение вносимых напряжении на датчиках производилось фазовым вольтметром В5-1« Датчики устанавливались без зазора {Ь» 0) на массивные образцы из меди, алюминия, латуни, свинца, нержавеющей стали и титана» Для каждого датчика были измерены величины Ц, и А по описанной выше методике* Основные параметры датчиков помещены в таблице 2, в которой введены обозначения: значения А при расстоянии от 0 до 2 мм между 2-мя идентичными датчиками; I), - значение диаметра, использованное в расчете;5г - частота витающего тока«Таблица 2датчик.

ПЛОТНОСТЬ ВИХРЕВЫХ ТОКОВ ПРИ ПИТАНИИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ИМПУЛЬСОМ ТОКА В ВИДЕ ОДИНОЧНОЙ СТУПЕНИ.

Для исследования работы электромагнитно-акустического преобразователя в импульсном режиме питания, необходимо определить нестационарную илитниоть ¿»ихрвлнх гоки^, созданных ъ проводящем ферромагнитном полупространстве возбуждающей катушкой преобразователя накладного типа Д^Уу. До сих пор было изучено лишь нестационарное электромагнитнов поле накладного датчика над проводящим немагнитным листом и полупространством /4£/, а также над проводящим ферромагнитным листом /45/*Пусть питание преобразователя осуществляется импульсом тока в виде одиночной ступени:' О ■где Н(1) - единичная функция Хевисайда.

Выражение для плотности вихревых токов при питании возбуждающей системы током в виде ступени представляет самостоятельный интерес и может быть использовано для определения по методу интегралла Дюамеля /46/ нестационарного вихревого тока или поля при любых других формах импульса питающего тока.

На основании единой методики расчета (§2*1) вносимых напряжений и связанных с ними электромагнитных полей, созданных возбуждающими катушками различных конструкций в присутствии¿а)=г„нш =металлического полупространства, можно пользоваться также известным выражением для плотности вихревых токов ^ Д/. В ходе дальнейших исследований будут рассмотрены катушки преобразователя в виде плоского кольца, хотя результаты могут быть применимы и для других конструкций катушек. Как было показано, геометрический параметр катушки в виде плоского кольца Д равенъ/3)0 0 погрешностью 12$,^эквивалентный диаметр контура вых-ревых токов £4 определяется выражением (2.6). В силу малости коэффициента преобразовавия на современном этапе исследования электромагнитно-акустического метода зазор между катушкой и металлом следует выбирать как можно меньший« Обычно зазор не превышает 10% от диаметра Э*. В; таком случае можно пренебречь зависимостью диаметра Д от зазора Ьз тогда Д = 1)0 • В случае расположения системы катушек с большим зазором в результаты расчета необходимо вводить, как было проделано ранее, обобщенный параметр ^ (2.2а) вместо Д « При этом методика расчета преобразователя не будет принципиально отличаться от указанной ниже.

Для расчета нестационарной плотности вихревых токов, вое-пользуемся выражением /4/ для плотности токов */ в первом приближении, когда питание *шовой катушки в виде плоского кольца осуществляется переменным током I * 1а е^ •где: с^ = у Д, - большийиз диаметров и 2.x - среднийвалентный) диаметр катушки, Ьэ - эквивалентный зазор, равныйМатематический црием, с помощью которого определяются нестационарные токи или электромагнитные поля на основе существующего решения при синусоидальном воздействии, хорошо известен /44,45/ и обосновав в теории электрических цепей Хевисайда /47/.

Нахождение нестационарной плотности вихревых токов основано на применении математического аппарата преобразования Лапласа /47/. Задача сгодится к отысканию оригинала У(^) по изображению ^ (р) где р=¿со - комплексный параметр преобразования Лапласа. Изображением плотности токов является функция у(р) полученная из формулы /2.8/ с учетом того, что I(1)=»1„/р.(2.9)где ,«вшш вреыви».

На рисунке 2.7 представлены зависимости относительной плотности токов от времени t (мксек) в магнитном материале В (ju = 100,<Г= I0*106^-jj) для следующих расстояний 8* в мм: 0; 0,25; 0,5; 0,75; I; 1,5; 2; 2,3* Глубинные токи в магнитном материале тоже возникают с некоторым запаздыванием, затем достигают максимума и спадают с ростом времени. Однако, скорость спадания токов на поверхности наибольшая и уменьшается с ростом расстояния & ♦ Поэтому в ояределенный момент времени, например, при t = 1000 мксек значения функции указанные втаблице 5, растут с ростом глубины S.

Таблица 5S в мм 0 0,25 0,5 1,50,001 0,01 0,02 0,03НО: Ъ ЯСфункцииПг' /от времени <- вг- у • - ■:'' ^■ ' ¿Г В маги и т ном материале ВОтметим общие черты, присущие временный процессам плотности вихревых токов, возбужденных как в магнитных, так и немагнитных средах (рис. 2.6, 2.7).

1. Скорость нарастания со временем плотности токов уменьшается с ростом расстояния & от поверхности среды.

2. Фуякция ^tr^i а,следовательно, и плотность токов существенно отличается от нуля в диапазоне изменения параметраот 0 до 0,01 на рис. 2.6 ( до 0,004 на рис. 2.7) в слое толщиной 0 - 2 мм, а в диапазоне - в 3,5 раза большем - в слое толщиной 0-3,3 мм.

3. На большей глубине величина максимума плотности тока меньше, и он возникает по истечении большего отрезка времени. Однако, при сравненииположений максимумов на временной оси видно, что для магнитного сериала В (j»= 100) они соонвтствувт временам в 100 раз большим, чем для материала A (ju = I), Это говорит о том, что переходные процессы в магнитных материалах протекают значительно медленнее, чем в немагнитных, если сравнивать материалы с одинаковой электропроводностью.

2. Показано, что глубина проникновения электромагнитного поля в металлической среде зависит не только от электромагнитных характеристик и частоты тока питания, но иот величины диаметра катушки возбуждения.

3. По полученной формуле проанализированы переходные процессы плотности вихревых токов, происходящие в ферромагнитных и неферромэгнигных металлических средах при питании катушки преобразователя импульсом тока в виде одиночной ступени.

Обнаружено, что в ферромагнитных металлах для каждого фиксированного значения времени (в рассмотренном диапазоне)существует глубина, на которой плотность вихревых токов максимальна. Чем больше время процесса, тем на большей глубине наблюдается максимум.

4. Результаты материалов главы 2 также применимы к теории метода неразрушающего контроля с помощью вихревых токов.

Государстве»™»* БйБЛШЕЙа1У. ГЛАВА 3.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ СДВИГОВЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙВ настоящей главе исследуется явление прямого электромагнит-но-вкустического преобразования, т.е. трансформации энергии электромагнитного поля в энергию ультразвуковых волн в металлической среде» Основными этапами исследования являются определение электродинамических сил Лоренца и порождаемых ими сдвиговых упругих смещений, распространяющихся в металлическом слое в виде ультразвуковой волны, В главе дается подробный анализ касательных гармонических и импульсных сил Лоренца. Определение переменных сил и упругих смещений в металлическом слое является первой стадией в ходе общего расчета режима работы электромагнитно-акустического преобразователя сдвиговых колебаний.§ 3.1. ГАРМОНИЧЕСКИЕ КАСАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕСИЛЫ ЛОРЕНЦА.

Первоочередной задачей теории электромагнитно-акустических преобразователей (ЭМАП) является расчет электродинамических сил Лоренца, создающих в металлической среде сдвиговые ультразвуковые волны. При неразрушающем контроле, например, толщины метал*лических изделий с помощью ультразвука большое значение имеет разонансный метод. Поэтому рассмотрим работу преобразователя в режиме возбуждения сил гармоническим током.совмещенногоИселедуемый преобразователь (рис.3.1) раздельногК"типа состоит из двух плоских катушек индуктивности (токовой и измериРис» 3,1, Схематическое расположение ко тушек преобразователя и полюсов электромагнита над металлическим слоем.тельной) с числами витков соответственно VI4 и V* » расположенных соосно с зазором над ферромагнитных проводящим слоем, и электромагнита. Катушки преобразователя вместе со слоем пронизывает нормальное к поверхности металла постоянное магнитное поле электромагнита, напряженность которого значительно больше напряженности поля вихревых токов в металле»Для решения поставленной задачи были прянаиа следующие допущения, которые вытекают из практики применения ЭШ. метода:1) Электропроводность и магнитная проницаемость материала среды постоянны и не зависят от величины переменного поля, поскольку постоянное поле электромагнита значительно болме переменного» Источник постоянного поля не влияет на амплитуду и фазу переменного.

2) Глубина проникновения электромагнитного поля мала по сравнению с толщиной металлического слоя и диаметрами катушек преобразователя.

3) Глубина проникновения поля мала по сравнению с длиной ультразвуковой волны, что дает возможность перейти от объемных сил к поверхностным.

4) Толщина слоя соизмерима с диаметрами катушек, поэтому рассеянием ультразвуковых волн можно пренебречь.

5) Система катушек жестко закреплена.

6) Металлическая среда рассматривается сплошной и изотропной.

Обоснование допущений будет дано ниже.

1тс круговой частотой № в поверхностном скин-слое металлагческой среды возникают вихревые токи с плотностью которые имеют только угловую составляющую (Формула 2,8). В результате электродинамического взаимодействия между вихревыми токами и постоянным магнитным полем, нормальным к поверхности металла, возникают силы Лоренца, которые являются источником ультразвуков!* волн. Эти силы определяются векторным произведением плотности тока на величину индукции в слое /50,51/. В результате силы Лоренца имеют только радиальную составляющую и действуют синхронно вдоль каждого радиуса, проведенного из точки 0 начала координат. Элемент радиальной (касательной) силы ¿я, равен:V, (зд)где: Б - нормальная компонента вектора индукции в металле, ¿V — элемент объема среды.

Для металлов предположение о сплошности среды в частности, означает, что временем свободного пробега электронов проводимости можно пренебречь по сравнению с временем процесса силового взаимодействия, например, по сравнению с периодом электромагнитных или ультразвуковых колебаний. Поэтому, как показано в главе I, можно пренебречь дополнительными силами, считая силы Лоренца определяющими в данном процессе прямого преобразова-ния.»В формуле (3.1) величина *ф</ представляетсобой плотность объемных сил Лоренца, распределенных в сплошнойсреде и сосредоточенных, в основном, в скин-слое вблизи поверхности слоя.

Представим формулу 3.2 в виде: „ \№ь-лгВ случае I» смещениеыКГи.

Выражение в квадратных скобках при г = 0 равно I, Равенство* о * Исмещений Ы* и Ы^ точнее выполняется, когда точка наблюдения 2 находится под поверхностью или в глубине металлической среды, т.е. при Ъ „Итак, при условии р^А или на основе допущения 3 можнообъемные силы свести к поверхностным.

Таким образом, получено выражение для гармонических касательных сил Лоренца, приложенных к поверхности металла и возбужденных пространственно неоднородным электромагнитным полем.§ 3.2. ИМПУЛЬСНЫЕ КАСАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ ЛОРЕНЦА.

При неразрушающем контроле с помощью ультразвуковых волн толщины и выявления различного рода дефектов в металлических изделиях первостепенное значение имеет эхо-импульсный метод. Поэтому исследуем работу 8У& преобразователя в режиме возбуждения сил импульсом тока.

Для начала рассмотрим случай питания преобразователя (рис.З.Х) импульсом тока в виде одиночной ступени. В металлической среде возникает импульс объемных касательных сил с плотно-стью Выражение для плотности этих сил найдем с помощьюпреобразования Лапласа аналогичным путем, как в случае определения нестационарной плотности вихревых токовП) в § 2.3.являетсяполученное на основе имеющегося выражения для переменной объгде плотность токов ] (£■) представлена формулой (2.10), постоянная времени.

При определении настационарных сил, приведенных к поверхности, необходимо вывести критерий правомерности перехода от объемных сил к поверхностным. В случае импульсного электромагнитного возбуждения ультразвука спектры переходных процессов могут быть весьма широкими и нельзя пользоваться в качестве критерия допущением 3, т.к. конкретной толщины скин-слоя в данном случае не существует.

Установленный критерий освобождает от значительных математических трудностей, связанных с учетом объемного распределения сил. Зная граничное время в пределах указанного диапазона для данного импульса воздействия и измеряя выходной сигнал на ЭМА преобразователе в моменты времени, превышающие граничное, уменьшается погрешность при сопоставлении величин экспериментальной амплитуды сигнала с расчетной, полученной в случае сосредоточения источника возбуждения ультразвуковых колебаний на поверхности металлической среды.

При условии рассмотрения переходного процесса в диапазоне времени, ограниченном критерием (3.9), сведем объемные силы с плотностью (3.6) к поверхностным. Поверхнострую нестационарную плотность касательных сил найдем проинтегрироваввыражение (3.6) по di :оЭтот интеграл не выражается через элементарные функции точно, поэтому функция была найдена методом численногоинтегрирования в диапазоне изменения параметра от0,2 до 50 с уч®10м критерия (3.9). При этом значения функции уменьшались от I до 0,1. На рис. 3.4. представлен график функции или относительной плотности силы в зависимости от изменения параметра /л2"^:. Как видно из рисунка, в начальные моменты времени сила велика вследствие возбуждения максимального по величине вихревого тока в момент подачи скачка тока питания. С ростом времени t ток питания постоянен, вихревые токи вновь не возбуждаются, поэтому имеет место затухающий переходной процесс для токов, а следовательно, и сил. В фиксированный момент времени наблюдается увеличение силы с ростом электропроводности (Г и уменьшением магнитной проницаемости^ металлических сред. Это объясняется тем, что переходной процесс является интегральной характеристикой величины составляющих спектральной плотности на каждой частоте. Как был© показано в предыдущем параграфе, величина силы (3.5) на каждой фиксированной частоте растет с ростом и уменьшением ]и. Поэтому эта тенденция наблюдается в исследуемом переходном процессе. Функция была аппроксимирована с погрешностью 10% аналитической зависимостью в виде суммы трех экспонент:Ьк(Оde49#ozКоэффициенты аь и 6Ь указаны в таблице 7.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Локшина, Н. Н.

УП. ОСНОВНЫЕ выводы щ гШИШ

I» В результате проведенных исследований впервые создана приближенная теория электромагнитно-акустических (ЭМА) преобразователей (Ьез учета явления рассеяния ультразвуковых волн в металлической среде). Изучена физика явлений электромагнитного возбуждения и приема радиально-поляри-зованных сдвиговых волн*

2. Расиирена теория метода контроля с помощью вихревых токов за счет решения задач об определении нестационарной плотности вихревых токов, возбуждаемых накладным датчиком в ферромагнитной проводящей среде, и создания единой методики расчета вносимых напряжений катушек преобразователя различных конструкций«

3. Исследовано явление прямого ЭМА преобразования* Подучены и проанализированы выражения для импульсных и гармонических касательных электродинамических сил Лоренца* Для всех рассчитанных сил наблюдается общая тенденция роста величины сил о увеличением электропроводности и уменьшением магнитной проницаемости металлических сред до предельной величины, соответствующей случаю возбуждения сил в идеальном (выеокопроводящем) металле«

4. В диапазоне частот и длительностей импульсов питающего тока, приемлемых в практике ультразвукового контроля изделий из типичных металлов, влияние электромагнитных характеристик среды на величину сил незначительно, и им можно пренебречь.

5. Получено аналитическое выражение для линейно и'радиально поляризованных упругих смещений в металлическом слое, возникающих под действием гармонических электродинамических сил. Показано, что амплитуда смещений пропорциональна т-оку питания, величине индукции, числу витков катушки возбуждения и обратно пропорциональна модулю сдвига. Амплитуда смещений падает с уменьшением электропроводности и увеличением магнитной проницаемости материала среды, а также с ростом отношения величин зазора к диаметру катушки преобразователя.

6. Исследована физика явлений обратного преобразования акустической энергии в энергию электромагнитного поля в сов-, мещенном режиме (возбуждения и приема) работы преобразователя.

Получено и проанализировано выражение для гармонической электродвижущей силы (ЭДС), наведенной на приемном элемен$е преобразователя суммарными "магнито-акустическими" вихревыми токами в металлическом слое, с учетом явления затухания сдвиговых волн.

В случае исследования преобразователей совмещенного типа получено выражение для выходного напряжения при воздействии импульсным током.

7. Выявлены основные факторы, влияющие на величину выходной ЭДС. Амплитуда импульса выходного напряжения пропорциональна не только квадрату индукции в металлической среде и квадрату числа витков катушки преобразователя, но и величине тока питаниями обратно пропорциональна акустическому сопротивлению материала среды. Амплитуда экспоненциально уменьшается с ростом отношения величины зазора между катушкой и поверхностью металла к ее среднему радиусу.

8. Установлено, что с уменьшением электропроводности и увеличением магнитной проницаемости при исследовании различных металлических сред, величина выходного сигнала уменьшается.

9. В диапазоне частот и длительностей импульсов, применяемых в ультразвуковом контроле изделий из типичных металлов, влиянием электромагнитных характеристик на величину выходного напряжения можно пренебречь с приемлемой для практики погрешностью.

10. Предложенная методика определения величины выходного напряжения с погрешностью до 30$ применима для расчета ЭМА преобразователей при ультразвуковом методе > контроля металлов в широком диапазоне их электромагнит- • -ных и акустических свойств.

11. Совпадение расчетных и экспериментальных данных величины выходного сигнала на преобразователе подтвердило, что: $) при нахождении электродинамических сил, возбуждающих ультразвук, как в неферромагнитных, так и в ферромагнитных массивных средах определяющими являются силы Лоренца в диапазоне частот, применяемых в ультразвуковой дефектоскопии и толщинометрии; б) в расчете величины выходного сигнала можно полагать катушки преобразователя жестко закрепленными.

Список литературы диссертационного исследования Локшина, Н. Н., 1971 год

1. Монография "Физика и техника мощного ультразвука" под редакцией 1.1. Розенберга, кн. 2 "Мощные ультразвуковые поля", АН СССР, АКИН, изд-во "Наука", П., 1968 г.

2. Гольдберг З.А. мО взаимодействии плоских продольных и поперечных упругих волн", Акуст. Ж., 6, 307,1960.3. "Методы и приборы ультразвуковых исследований", Физическая4

3. Акустика под редакцией У.М.Ззона, Часть А» том 1« Изд."Мир", Москва, 1966 .

4. Соболев В.С., Шкарлет ЮЛ., "Накладные и экранные датчики11, Изд-во "Наука", Сибирское отделение, Новосибирск, 1967.

5. Виноградов К.Н., Ульянов ГД*, Измерение скорости и затухания ультразвуковых поверхностных волн в твердых материалах, Акустический журнал, г.5, 1959, вып.З.

6. Ульянов Г.К., 0 применении неконтактных магнито-акустиче-ских преобразователей в ультразвуковой дефектоскопии.

7. Тр.ЛИАП , в 45, 19, 65, стр. 27.

8. Сазонов Ю.И., Стефаров В.И., Шкарлет Ю.М., Экспериментальное исследование электродинамического возбуждения ультразвука, Сигнальная информация ЦНЙИТМАШ, Научная публикация5 172, 1968г.

9. Буденков Б.А., Буденков Г.А., Глухов Н.А., Бенько А.М., Бесконтактный ввод и прием ультразвука, Дефектоскопия, Ш I, 1969, стр. 121*

10. Wafiace IV.Р., Поиск IR;, Bow«* R-,

11. Graexitnetn.R', ScL ^mti.,39, » 12, p.1863, 1968.

12. Thomas R.¿. Tu^e? Bohm H.V. Physicae Review Letters,1. W 20, К 5, 1968, p. 207.13.' Ксш£е l*/ &teht DJ/?7 k£:*2K , Ш06 К 29718 ,1.a. —«----------—— и —rr—~~ № 32388 ,14. —-«-—-и — «—" *32378

13. Меркулов Л.Г., Ультразвуковая хехника, К 3« стр.31,1965.♦ tot.

14. Каринекий С.С., Зеленин В.В., Бесконтактный магнихо-еврйкционный преобразователь для возбуждения и приема крухильвых ульхразвуковых колебаний, груды РТЙ, АН СССР, ( в пвчахи), 1970.

15. PohCman RfHe?fertz 1 5 Congees ^hte^nationa6 D'fícous-tuojue 7 Y07trage D5"¿rliege, ief>ïem€ei } 1965.

16. Буденков Б. А., Буденков Г.А., Шаповалов П.Ф., Попова Л .А., Повышение коэффициевха преобразования при электромагнитном способе возбуждения и приема упруfix колебаний, Дефектоскопия, ft 6, 1969, стр. 108.

17. Конторович В.М., Тищенко Н«А*, Преобрезование звуковых и электромагнитных волн на границе упругого проводника в магнитном пола, Изд. Вузов, Радиофизика, № 1,т.6, охр. 24, 1963.

18. Сазонов Ю.И., Шкарлет Ю.М., Исследование бесконтактных методов возбуждения и регистрации ультразвуковых колебажий, Дефектоскопия, 15, 1969, стр.1.

19. Скобов В:Г;,Канер Э.А:,Теория связанных электромагнитных и звуковых волн в металлах, ЖЭТФ, т.46, NÜ1, 1964, стр.273.

20. Кравченко В.Я., Электромагнитное возбуждение звука в металлической пластине, ЖЭТФ, т.54, в.5,1968, стр.1494

21. Канторович В.И., Уравнения теории упругости и дисперсия звука в металлах, ЖЭТФ, т.45, в.5, 1963, стр 1Ъ2>8 .

22. Зацепин H.H., Сб. Об электромагнитных методах контроля качества изделий, Свердловск, Средне-Уральское книжное издательство, 1965.

23. Дорофеев АЛ., Никитин А.И., Рубин А.Л., Индукционная тол-щинометрия, Москва, изд. "Энергия", 1969.

24. Герасимов В.Г., Чувствительность проходных датчиков при контроле параметров многослойных цилиндрических изделий, Дефектоскопия, ЙЗ, 1969.

25. Шкарлет Ю.М., Локшина H.H., Некоторые вопросы расчета накладных датчиков вихретоковой дефектоскопии, Сигнальная информация ЦНИТМАШ, Научная публикация №152, 1969.

26. Локшина. Н.Н,, Шкарлет Ю.М., Единая методика расчета накладных датчиков разных конструкций, СИ ЦНИТМАШ, Научная публикация 1153,1969.

27. Роднгин Н.М,j Денмскиж, В.Д., "Дефектоскопия" №1 , 1967.

28. Неразрушающие испытания, Справочник,, под редакцией Р.Мак-Мастера, т.2, М.-Л., изд. "Энергия, 1965.

29. Шкарлет Ю.М., К вопросу о физических основах метода вихревых токов, Электромагнитные методы контроля (Материалы семинара), ВДНТ11, Москва, 1уоэ.

30. Калантаров ПЛ., Цейтлин Л.А., Расчет индуктивностей, Изд. "Энергия", Ленинградское отделение, 1970.

31. Выгодский М.Я., Справочник по высшей математике, ГИФ МЛ, М., 1963.

32. Крылов В.И., Шульгина Л.Т., Справочная книга по численному интегрированию, Изд. "Наука", гл.ред. Физ-мат. лит. Москва, 1966.

33. Локшина H.H., Шкарлет D.M., Плотность вихревых токов при импульсном питании накладного датчика, Сигнальная информация ЦНЙЙТМАШ, Научная публикация К- 228, 1969.

34. Шкарлет Ю.М., Локшина H.H. "Плотность вихревых токов при импульсном питании накладного датчика",.Дефектоскопия, №3, стр. 49, 1971.

35. Хэркевич A.A., "Основы радиотехники", Связь изд.Москва, 1963.

36. Андре Анго "Математика дл& электро- и радиоинженеров", Изд. "Наука", Москва, 1965.

37. Лыков A.B., "Теория теплопроводности", изд."Высшая школа", Москва, 1967.

38. Янке Е, Эйде Ф., Лёш Ф, "Специальные функции", изд."Наука", Гл. Ред. ф-м, Литер., Москва, 1968.

39. Локшина Н.Н., Сазонов Ю.И., Шкарлет Ю.М.,"Электромагнитные методы возбуждения и регистрации ультразвуковых волн", Тр. Всесоюзной межвузовской конференции по вопро« сам ультразвуковой спектроскопии, Каунас, Изд.КПИ, 1969, стр. 50.

40. Градштейн И.С., Рыжим И.М., Таблицы интегралов сумм, рядов и произведений. Госуд. изд. физ-мат литер., Москва, 1963, стр. 210.

41. Красильников В.А. Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, в ввде и твердых телах, Изд. 3, М», ГИФМЛ, 1960г.67« Безухов Н.И. ¿Основы теории упругости, пластичности и ползучести", изд. "Высшая школа", М., 1968г.

42. Ландау Д.Д., Дифжиц Е.М» "Теория упругост-е-^ изд. "Наука", Гл.ред. физ-мат. литер., Москва, 1965г»

43. Шкарлег Ю.М., Локшина Н.М.»"Исследование здектромагнитно-акустического преобразователя сдвиговых колебаний", Дефектоокопия, Ш 3, 1970, стр. 3.

44. Shear fei Y.M., Lock s>hlna N.'N* A/oncontactbidci-r о magnetic. Transducer $oz Mit^asomic

45. ThLchness Test ofMetaeeiс Ptoducis,61CNT, Preprints о/ Session9 Reports /УВЯ,1. Hannover,1. June 1-5, 197061« Ландау ад., Лифшиц E.M., "Электродинамика сплошных сред",

46. Толстостенных металлических изделий", Сб. докладов Всесоюзной научно-технической конференции "Современные методы и средства контроля качества материалов и изделий без разрушения", Конференция в г. Минске, 18-20 ноября, 1970г.

47. Шкарлет D.M., Локшина H.H., Сазонов Ю.Й., Авторское свидетельство Ш 249728 на изобретение "Бесконтактный дондеро-моторно-акустический преобразователь", по заявке № 1208396 от 26 декабря 1967г., зарегистрировано 23 мая 1969г.

48. Шкарлет Ю.М., Локшина H.H., Авторское свидетельство258691 на изобретение "Элвктромагнитно-акустический преобразователь" по заявке te I25224I от 24 июня 1968г.23 сентября 1969г.j

49. Шкарлет Ю.М.,Сазонов Ю.И., Стефаров В.И., "К вопросу электромагнитно-ультразвуковой дефектоскопии", Электромагнитные методы контроля, Материалы семинара МДНТП, Москва, 1969г.