Ультразвуковые фазовые и модуляционные средства измерения для неразрушающего контроля материалов и конструкций

• Автор: Казаков, Вячеслав Вячеславович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 333 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Состояние и перспективы развития ультразвуковых фазовых и модуляционных методов измерений
1.1. Обзор литературы
1.1.1. Измерители виброперемещений в воздухе
1.1.2. Дефектоскопы на нелинейном акустическом эффекте
1.2. Акустический тракт измерения
1.3. Модуляция звука звуком
1.4. Фазовый метод измерения
1.5. Ультразвуковые преобразователи для локации в воздухе
1.6. Цель и задачи исследования
1.7. Выводы
Глава 2. Ультразвуковые фазовые измерители виброперемещений
2.1. Схемы измерителей виброперемещений
2.1.1. Цифровое фазосдвигающее устройство
2.1.2. Измерения макроперемещений
2.1.3. Измерения микроперемещений
2.1.4. Измерения при условии перемещения датчика рукой
2.2. Нелинейные искажения в акустическом тракте
2.3. Преобразователи на радиальных модах колебаний
2.4. Технические характеристики измерителей
2.5. Выводы
Глава 3. Ультразвуковые измерители для диагностики в технике
3.1. Метод измерения вибрационных полей
3.1.1. Измерения вибраций канонических объектов
3.1.2. Вибрационные поля цилиндрической оболочки и ультразвукового излучателя
3.2. Диагностика геометрии тел вращения

3.2.1. Определение асимметрии тел сложной формы
3.2.2. Обнаружение некруглости и биения абразивных кругов
3.3. Выводы
Глава 4. Ультразвуковые измерители для диагностики в медицине
4.1. Определение поверхностного натяжения жидкости по
дисперсионному соотношению для капиллярных волн
4.2. Исследование динамики высыхания капли растворов
биологической жидкости
4.3. Способ определения модуля упругости мозга человека in vivo
4.4. Инструментальный метод исследования сенсорных сфер
человека (слуха, зрения)
4.5. Выводы
Глава 5. Ультразвуковые модуляционные дефектоскопы
5.1. Аппаратурный вариант дефектоскопа
5.2. Программный вариант дефектоскопа
5.3. Модуляция низкочастотными вибрациями
5.3.1. Обнаружение одиночных трещин в стержнях
5.3.2. Диагностика трещин и полостей в пластинах
5.3.3. Дефектоскопия трубы магистрального газопровода
5.4. Дефектоскоп для разбраковки однотипных изделий
5.5. Локальная модуляция с помощью электромагнитных
импульсов
5.6. Модуляция последовательностью фазоманипулированных
акустических импульсов
5.7. Выводы
Заключение. Основные результаты работы
Литература
Приложения
ВВЕДЕНИЕ
Ультразвуковые локационные средства измерения широко используются для исследования свойств различных материалов и конструкций [1-11]. Уникальные возможности, которые дает ультразвуковая диагностика, в первую очередь связаны с отсутствием разрушающего воздействия на исследуемый объект, что позволяет многократно осуществлять мониторинг его акустических характеристик: контактно или бесконтактно, локально или интегрально исследовать как макро и микроперемещения объекта, изменения его геометрии, так и особенности структуры и состава материала, в котором распространяется ультразвуковая волна [1-2, 5-10]. Чувствительность и пространственные характеристики измерителей зависят от частот излучаемых волн и геометрических характеристик ультразвуковых преобразователей, которые могут изменяться в широких пределах, обеспечивая оптимальные условия для проведения измерений. Методические подходы и технические решения, используемые при ультразвуковых измерениях в воздушной и твердой средах, основаны на общих локационных принципах, хотя и имеют свои особенности.
Локация в воздухе более ориентирована на решение задач вибрационной диагностики, бесконтактного исследования вибраций или формы различных объектов [1-9, 5, 12, 13, 14]. Локация твердого тела направлена на определение его акустических свойств или исследование изменения структуры, в частности, - обнаружение дефектов различных типов: трещин, полостей [2, 7, 8, 11, 15-20].
Важность решения задач бесконтактного измерения вибраций и геометрии объектов общепризнанна, поэтому попытки их решения осуществляются непрерывно, что привело к созданию большого разнообразия ультразвуковых измерительных средств: дальномеры и координатные устройства [21-33], интерферометры [6, 9, 34, 35], фазовые измерители виброперемещений [5, 12, 13, 36-64], измерители для исследования структуры материалов

зависит от амплитуды возбуждаемых колебаний. Ультразвуковая волна, отраженная от дефектов, принимается и обрабатывается. Результат обработки представляется в виде спектра, в котором присутствуют, как несущая частота ультразвуковых колебаний, так и продукты нелинейного взаимодействия в виде комбинационных (боковых) частот. Наличие трещины или множества трещин определяется по соотношению спектральных составляющих несущей и комбинационных частот [100, 122, 124].
Рассмотрим эффект модуляции ультразвуковой волны частотой оь низкочастотными вибрациями объекта с частотой (У/, возникающий из-за наличия в нем трещин, и определим вклад основных параметров, формирующих сигнал модуляции [95, 109, 234]. На рис.1.2 приведена общая схема локации трещины.
'х Трещина
соЗ < / > 0)2 > ( 0)1 > '
ь г
Рис. 1.2. Схема локации трещины в стержне
Для определенности предположим, что лоцируемый объект - стержень с трещиной, имеющей координаты х0) г0. Толщина стержня Н и длина Ь много меньше длины волны низкочастотных вибраций. Трещина имеет эффективную толщину Д длину к «Я, проявляет упругие свойства благодаря взаимодействию ее внутренних границ и не влияет на распространение полей напряжений и деформаций, создаваемых вибрацией и ультразвуковой волной. При этом внутреннее напряжение Ла, приложенное к границе описыва-