авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН

Содержание

Ультразвук и ультразвуковая технология

УДК 534.8

И.С.Кольцова, А.С.Полухина, М.А.Дейнега

ПОГЛОЩЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН В ПРОЦЕССЕ НАБУХАНИЯ ВЗВЕСИ ЧАСТИЦ

ЖЕЛАТИНА

Санкт-Петербургский Государственный Университет, Физический факультет Россия, 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская,1 E-mail: a_polukhina@mail.ru Биокомпозиты желатина, крахмала и агар-агара имеют большое значение, как в пищевой, так и в медицинской промышленности. Поэтому их изучению различными методами уделяется большое внимание во многих лабораториях мира. Данная работа посвящена изучению процессов набухания частиц желатина и крахмала акустическим методом.

В работе измерялся коэффициент поглощения ультразвуковых волн во взвесях желатиновых частиц и крахмальных на частоте 3 МГц. Полученные результаты обсуждались с привлечением теорий Релея, Рытова, Исаковича, Аллегра, Хавлея, Френкеля, Био и Чабан [1-5].

Коэффициент затухания ультразвуковых волн измерялся импульсным методом с переменным расстоянием при помощи установки, блок-схема которой показана на рисунке 1.

В блоке генерирования ультразвуковых волн 1 создавался импульсный сигнал с частотой 3 МГц, который подавался на преобразователь 2, излучающий УЗВ в исследуемую систему. С приемного преобразователя 3 сигнал подавался через усилитель 4 на осциллограф 5, синхронизированный с генератором ультразвуковых волн. В кювете 6, которая была термостатированна, располагались так же термометр и мешалка.

Приемник, закрепленный в держателе, перемещался с помощью микрометрического винта с шагом 1 мм вдоль оси излучающего кварца. Параллельность плоскостей приемника и излучающего кварца осуществлялась при помощи юстировочных винтов. При параллельности плоскостей достигалась максимальная величина принятого импульса.

Рис.1. Блок-схема установки: 1-генератор, 2,3-пьезодатчики, 4-усилитель, 5-осциллограф, 6-кювета, 7 термометр, 8-мешалка.

Измерение коэффициента поглощения проводилось следующим образом. Вначале приемник помещался на определенном расстоянии от излучающего кварца. Их плоскости устанавливались параллельно друг другу, и на экране осциллографа фиксировалась амплитуда первого прошедшего импульса, при этом отмечались показания аттенюатора. При перемещении приемника на фиксированные расстояния от излучающего кварца, прошедший импульс, вследствие поглощения в исследуемой среде уменьшался на некоторую величину. При помощи аттенюатора добивалась прежняя величина импульса на экране осциллографа. По градуировочной кривой аттенюатора находились логарифмические значения, соответствующие показаниям давления акустической волны. Затем строился график, по оси абсцисс которого откладывались расстояния, пройденные ультразвуковым импульсом в исследуемой среде, а по оси ординат соответствующие логарифмические величины. Тангенс угла наклона полученной прямой дает коэффициент поглощения УЗВ:

ln p1 ln p вз =, x2 x XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология В ходе работы была создана компьютерная программа, которая позволяла быстро рассчитывать коэффициент поглощения ультразвуковых волн по показаниям аттенюатора.

На рисунке 2 приведены измерения коэффициента ослабления УЗВ во взвесях частиц крахмала от времени наблюдения при концентрации 1% вес. при нормальных условиях (200С). Как видно из графика коэффициент поглощения УЗВ плавно увеличивается со временем в течение 30 мин, затем его величина стремится к постоянной величине.

10 2, см Рис.2. Зависимость коэффициента поглощения УЗВ во взвеси частиц крахмала от времени наблюдения при концентрации 1% вес. и температуре 200С На рисунке 3 представлена зависимость коэффициента поглощения от времени 3% вес. взвеси частиц желатина в водной матрице при температуре 300C. Как видно из графика, в отличие от взвеси крахмальных частиц, поглощение УЗВ со временем заметно уменьшается.

10 2, см Рис.3. Зависимость коэффициента поглощения от времни 3% взвеси частиц желатина в водной матрице при температуре 300C Снимки сделанные под микроскопом взвеси крахмальных частиц при температуре 130С и 500С показали, что структура взвеси с изменением температуры и времени наблюдения мало изменилась (Рис.4). Снимки сделанные под микроскопом частиц желатина при температуре 300С показали, что структура взвеси частиц желатина при неизменной температуры 300С заметно меняется со временем (Рис.5).

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология Полученные результаты можно объяснить следующим образом, взвесь крахмальных зерен и частиц желатина в области малых концентраций можно описать моделью Мандельштама [1]. В модели микронеоднородных сред Мандельштама предполагается, что когда расстояние между частицами rmn превышает их размеры (rmn»2R), то взаимодействие между акустической волной и конкретной частицей не зависит от наличия других частиц в матрице. В этом случае считается, что давление p ультразвуковых волн во взвесях подчиняется экспоненциальному закону в виде p=p0exp(-x)exp[t-kx] (где коэффициент ослабления ультразвуковых волн, - частота, k- волновой вектор, x- путь, пройденный волной). При облучении ультразвуком на границе частица-матрица возбуждаются тепловые волны, вязкие, рассеянные, продольные и сдвиговые волны, распространяющиеся в матрице и в частице соответственно.

Рис.4. Взвесь крахмальных частиц при температуре 130С и 500С при увеличении в 63 раза Рис.5. Взвесь частиц желатина при температуре 300С при увеличении в 63 раза Коэффициент ослабления определяется суммой всех потерь акустической энергии[1-3]:

вз = 0 + R +S + T +, (1) где 0 и R – коэффициенты поглощения в дисперсной и диспергированной средах;

S, T, – коэффициенты, связанные с возбуждением вторичных волн.

В случае, когда размеры частиц много меньше ультразвуковых волн (kR«1), много меньше тепловых и вязких волн (kTR«1, kR«1) Релей, Исакович и Рытов в своих теоретических работах, ограничиваясь первыми гармониками, получили выражения для коэффициентов поглощения рассеянный, тепловых и вязких волн:

2 2 4 6 1 1 = Nk R s + 3 2 2 2 + (2) XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология 2 1 1 = N 2 R 5cT 1 ( 2 ) 1 T + C 1 p1 2C p 2 1 5 (3) N 2 R 5 2 2 = c (4) где 1,2 – плотности дисперсной и диспергированной фаз соответственно;

1, 2 –вязкости;

1, 2 – сжимаемости;

1, 2 – коэффициенты теплового расширения;

1, 2 –теплопроводности;

Сp1, Cp2 – теплоемкости при постоянном давлении;

N, R – объемная концентрация и размер частиц;

- частота;

T температура;

p – давление.

Анализируя выражения для коэффициента потерь, можно выделить три группы параметров, определяющих ослабление УЗВ в дисперсных системах :

[( ] )( = f,,,, C, C n, R )(, T, p ) (5) p Из измеренных гистограмм сухих и набухших крахмальных зерен было получено, что размер частиц крахмала при набухании увеличивается (средний размер сухих частиц равен 20 мкм, набухших мкм).

Увеличение размеров частиц, как следует из формул (2), (3), (4), приводит к увеличению коэффициента ослабления УЗВ.

Снимки под микроскопом частиц желатина позволяют предположить, что частицы, со временем набухая, растворяются, что приводит к гомогенизации системы. Это объясняет уменьшение коэффициента поглощения во взвеси со временем.

Таким образом, проведенные исследования зависимости коэффициента поглощения УЗВ во взвесях частиц крахмала и частиц желатина дали возможность с помощью акустического метода проследить динамику процесса набухания частиц при заданной температуре. Достигнув состояния максимального набухания при определенной температуре, структура взвеси крахмала стабилизируется и сохраняется длительное время. В частицах желатина в водной среде одновременно с набуханием возникает процесс растворения частиц. Вследствие чего, частица со временем полностью растворяется, что приводит к исчезновению дополнительного коэффициента поглощения.

ЛИТЕРАТУРА И.С.Кольцова. Распространение ультразвуковых волн в гетерогенных средах // Изд-во С.-Петерб. ун-та, 1.

2007. - С.247.

М.А.Исакович. О распространении звука в эмульсиях // ЖЭТФ.1948.Т.18,№10.С.905-912.

2.

С.М.Рытов, В.В.Владимирский, М.Д.Галанин. Распространение звука в дисперсных системах // 3.

ЖЭТФ.1938.Т.8,№6.С.619-619.

4. J.R.Allegra., S.A.Hawley. Attenuation of sound in suspensions and emulsions: theory and experiments // J.A.S.A.1971.Vol.51, №5.P.1545-1564.

И.А.Чабан. Затухание звука в грунтах и горных породах // Акуст.ж.,1993.Т.39.Вып.2.С.262-269.

5.

УДК 534. И.С.Кольцова, М.А.Дейнега, А.С.Полухина ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС ГЕТЕРОГЕННОГО СЛОЯ Санкт-Петербургский Государственный Университет, Физический факультет Россия, 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, E-mail: mv12.86@mail.ru Резонансные явления в сплошных твердотельных пластинах хорошо изучены и имеют широкое применение, как в науке, так и в технике. Резонанс гетерогенного слоя до настоящего времени не исследовался. Данная работа посвящена изучению возникновения резонанса гетерогенного слоя. В кювете, заполненной дистиллированной водой, возбуждалась бегущая волна на частоте 3МГц. При перемещении отражателя, относительно излучателя возникали стоячие волны. Гетерогенные слои создавались при внесении и последующем оседании частиц крахмала (3-80мкм), железа(50-420мкм) из жидких матриц. Условия опыта были таковы, что динамика осаждения частиц хорошо описывалась законом Стокса. Возникновение резонанса гетерогенного слоя фиксировалось по возникновению стоячей волны. Результаты исследования резонансов гетерогенного слоя позволили получить зависимость резонанса гетерогенного слоя от вязкости, плотности жидких матриц и от размеров диспергированной фазы.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология Акустические резонансные явления в твердых пластинках хорошо изучены [1,2]. Они широко используются как в науке, так и в технике. Акустические резонансы гетерогенных слоев до настоящего времени не исследовались. Гетерогенные слои получались в процессе осаждения диспергированной фазы из жидкой матрицы. Процессы осаждения частиц играют большую роль, как в природе [3,4], так и в технике, особенно в химической промышленности. На процессах образования осадков основаны методики разделения веществ по различным критериям;

создание пористых материалов с определенной структурой пор и их концентрацией;

порошковая металлургия.

Данная работа посвящена обнаружению и изучению возникновения акустических резонансов гетерогенного слоя. Исследования проводились на интерферометре, пьезодатчики которого были расположены вертикально относительно друг друга. Ультразвуковые волны возбуждались на частоте МГц. Акустическая ячейка заполнялась жидкостью: водой или раствором глицерина, которые играли роль матрицы. Скорость ультразвуковых волн в жидких матрицах измерялась стандартным интерферометрическим методом: путем перемещения одного из датчиков относительно другого и фиксирования положения узлов при возникновении стоячей волны. Схема установки представлена на рисунке 1.[5,6] Измеренные скорости в жидких матрицах совпадали с табличными данными с точностью до 0,1%.

Рис.1. Блок-схема установки. 1-кювета;

2,3-пьезодатчики;

4-генератор;

5-приемник ультразвуковых волн;

6-осцилограф;

a, b, c- прямая и отраженные от кварцев 2 и 3 волны.

Затем расстояние между датчиками фиксировалось на некотором неизменном расстоянии друг от друга и в акустическую ячейку вносились частицы диспергированной фазы. В качестве диспергированной фазы были выбраны частицы крахмала и железа, плотности которых значительно отличались друг от друга: крахмала = 1,13 * 10 3 кг железа = 7,87 *10 3 кг м3, м3.

На рисунке 2 и 3 представлены соответственно дисперсный состав частиц крахмала и железа, их фотографии, снятые под микроскопом.

Рис.2.Дисперсный состав частиц крахмала. Рис.3. Дисперсный состав частиц железа.

n=(Ni/Ni)·100% n=(Ni/Ni)·100% Если гетерогенный слой способен резонировать, то при достижении толщины слоя равного в нем должна возникнуть стоячая ультразвуковая волна. Проведенные исследования показали, что при фиксированном положении датчиков по мере оседания частиц из матрицы на нижний датчик на экране осциллографа появлялись интерференционные максимумы и минимумы стоячих ультразвуковых волн XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология как функции времени.

На рисунке 4 представлены осциллограммы появления интерференционных минимумов ( t min ) и максимумов ( t max ) при оседании частиц крахмала из водной матрицы.

Рис. 4. Осциллограммы появления интерференционных минимумов ( t min ) и максимумов ( t max ) при оседании частиц крахмала из водной матрицы.

На рисунке 5 представлена динамика появления интерференционных минимумов при оседании частиц крахмала из водной матрицы.

Рис.5. Динамика появления интерференционных минимумов при оседании частиц крахмала из водной матрицы. N-номер интерференционного минимума.

При оседании частиц железа из водной матрицы динамика появления интерференционных минимумов происходила настолько быстро, что на экране осциллографа их зафиксировать не удалось. С целью увеличения времени оседания частиц железа в качестве жидкой матрицы был выбран раствор глицерина, вязкость которого превышала вязкость воды приблизительно в 4,5раза ( = 4,65 *10 3 кг мс ). На рисунке 6 представлена динамика появления интерференционных минимумов при оседании частиц железа из раствора глицерина.

Рис.6. Динамика появления интерференционных минимумов при оседании частиц железа из раствора глицерина. N-номер интерференционного минимума.

Как видно из графика рисунка 5 при оседании частиц крахмала время образования первых резонансных слоев соизмеримо друг с другом. Время образования каждого последующего слоя увеличивается. Аналогичная картина наблюдается и при оседании частиц железа (рис.6). Такая динамика XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология резонансов гетерогенных слоев может быть объяснена с помощью рассмотрения процессов седиментации полидисперсных частиц в жидкой матрице [6,7].

Известно, что равномерное оседание частиц в жидкости происходит при равенстве сил тяжести ( F = mg, где m – масса частиц, g – ускорение свободного падения) и сил трения, которые определяются по формуле Стокса:

Fтр = 6rVсед, (1) Н - вязкость, R - размер частицы, Vсед =, Vсед - скорость седиментации частицы, где t Н – высота, с которой падает частица, t – время падения частицы.

Скорость седиментации с учетом поправки на выталкивающую силу по закону Архимеда определяется следующим образом:

mg ч м, Vсед = (2) 6r ч где ч и м - плотности частицы и матрицы соответственно, m = r - масса частиц.

Из формул (1) и ( 2) получается выражение для времени образования осадка:

9 H t= (3) 2R g ( ч м ) Формула (3) позволяет объяснить экспериментально полученную динамику резонансов гетерогенных слоев:

а) уменьшение размера частиц приводит к увеличению времени образования резонансного слоя;

б) увеличение вязкости жидкой матрицы приводит к увеличению времени образования резонансного слоя.

в) увеличение плотности частиц диспергированной фазы приводит к уменьшению времени образования резонансного слоя.

Таким образом, проведенные исследования позволили обнаружить возбуждение ультразвуковыми волнами резонансов в гетерогенных слоях и показать, что при осаждении множества неконсолидированных частиц возможно образование гетерогенно-дисперсного слоя, способного к резонансу при прохождении ультразвуковых волн. Время формирования геометрической формы множества гетерогенно-дисперсного слоя имеет непосредственную связь с индивидуальными свойствами диспергированной фазы и матрицы.

ЛИТЕРАТУРА Шутилов В.А. Основы физики ультразвука //Л. Изд-во ЛГУ, 1980г, 280с.

1.

Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах // М.Наука, 1973г, 343с.

2.

Ластовенко О.Р., Лисютин В.А Ярошенко., А.А. Акустические характеристики неконсолидированных 3.

морских осадков при распространении компрессионных и сдвиговой волн //Прикладная физика и математика, Севастополь, 2010г.

4. Simpson H.J. At – sea measurements of sound penetration into sediments using a buried vertical synthetic array// Y.Acoust.Soc.Am. 2003, September – vol.114 - №3 – P1281-1290.

Кольцова И.С. Распространение ультразвуковых волн в гетерогенных средах//Изд-во СПбГУ, 2007г., 247с.

5.

Кольцова И.С., Дятлова Е.Н., Майсун М.. Экспериментальные исследования скорости ультразвуковых 6.

волн в дисперсных системах // Акуст.ж.2002г., т.48 №1, с.52-55.

Фролов Ю.Г Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы//Изд. « Химия», 7.

Москва 1989г. С.463.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология УДК 534.26:534. Ринкевич А.Б.1, Перов Д.В.1, Самойлович М.И.2, Клещева С.М. УПРУГИЕ ВОЛНЫ В ОПАЛОВЫХ МАТРИЦАХ И 3D-НАНОКОМПОЗИТНЫХ СРЕДАХ НА ИХ ОСНОВЕ Институт физики металлов УрО РАН, Россия, 620041 Екатеринбург, ул. С.Ковалевской, Тел.: (343) 378-36-97 Факс: (343) 374-52-44;

Эл. почта: peroff@imp.uran.ru;

rin@imp.uran.ru ЦНИТИ “Техномаш”, Россия, 121108 Москва, ул. Ивана Франко, 4;

Эл. почта: samoylovich@technomash.ru Опаловые матрицы имеют гранецентрированные кубические упаковки наносфер из рентгеноаморфного оксида кремния. Они комбинируют свойства кристаллических и аморфных твердых тел. В межсферические полости могут быть внесены наночастицы других веществ, тем самым образуя 3D-нанокомпозиты. Исследованы скорости продольных и поперечных ультразвуковых волн при комнатной температуре и коэффициенты затухания, а также теплоемкость опаловых матриц и 3D-нанокомпозитов на их основе. Определены значения модулей упругости и коэффициент Пуассона. Установлено, что заполнение нанопустот частицами сильно изменяет модуль сдвига и коэффициент Пуассона. По значениям скоростей ультразвука рассчитана температура Дебая. Установлено, что значения температур Дебая, определенные для массивных образцов плавленого кварца и для опаловых матриц, сильно отличаются.

Опаловые матрицы, комбинирующие, в определенном смысле, свойства кристаллических и аморфных твердых тел, представлены решетчатыми (центры сфер образуют гранецентрированную кубическую решетку) упаковками наносфер рентгеноаморфного оксида кремния. Межсферические полости различными методами могут быть заполнены наночастицами других веществ и, таким образом, получены 3D-нанокомпозиты. Например, если нанополости заполнены частицами магнитоупорядоченного вещества, получается нанокомпозит, который относится как к классу магнитных метаматериалов, так и к классу магнитофотонных кристаллов.

Наличие периодичности приводит к появлению запрещенной щели в фононном спектре опаловых матриц, которая соответствует частотам от единиц до нескольких десятков гигагерц [1]. Вблизи щели в спектре такие материалы характеризуются отрицательным акустическим коэффициентом преломления.

Был выполнен ряд экспериментальных работ по определению скорости упругих волн в опаловых матрицах и по установлению связи между их упругими и тепловыми свойствами [2,3]. Измерения температурной зависимости скорости продольных ультразвуковых волн в опаловых матрицах, показали, что при комнатных температурах значение скорости 2.1 5 cm/s значительно меньше, чем для плавленого кварца.

Можно полагать, что наличие наночастиц в нанополостях окажет влияние на упругие свойства 3D нанокомпозитов на основе опаловых матриц. Расчеты механических свойств межзеренной фазы в нанокристаллических и пористых материалах дают возможность установить связь между усредненными упругими модулями двухкомпонентной среды и модулями составляющих среду компонент [4]. Однако систематических экспериментальных работ с 3D-нанокомпозитами на основе опаловых матриц не было проведено. Более того, в материалах данного класса до настоящего времени не была измерена скорость поперечных ультразвуковых волн, что не позволяло сопоставить имеющиеся результаты с теорией Дебая и установить границы ее применимости в данном случае.

Для измерения упругих свойств использовались образцы опаловых матриц с диаметрами наносфер SiO2 от 250 до 310 нм. Контроль правильности упаковки наносфер проводился по форме и ширине полос брэгговского отражения. Электронно-микроскопическое изображение опаловой матрицы показано на рис.1а. В результате операций упрочнения были получены опаловые матрицы с высокой механической прочностью, что важно для дальнейших действий по получению наночастиц в нанополостях методом многократной пропитки.

Метод основан на пропитке опаловой матрицы веществом прекурсором с определенным химическим составом с последующей термообработкой, в процессе которой в межсферических пустотах опаловой матрицы формируется необходимый химический состав. В процессе пропитки водные растворы солей самопроизвольно, за счет капиллярного эффекта, заполняют поры опаловой матрицы. В последующем проводится термообработка, в процессе которой происходит преобразование химического состояния внесенных прекурсоров и удаляется несвязанная вода. Данная процедура повторялась многократно (до 20 пропиток) с постепенным заполнением межсферических нанопустот опаловой матрицы.

При внесении наночастиц манганита лантана, допированного свинцом La0.67Pb0.33MnO3, увеличение XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология веса образца составило ~0.4 % на одну пропитку. Отжиг образцов осуществлялся в атмосфере кислорода при 800 0С в течение 4 часов. Как видно из рис.1б, частицы введенных фаз имеют поликристаллическую структуру и характеризуются неправильной формой с размерами от 5 до 70 нм. Объемная концентрация внесенных фаз не превышает 3-5 %. Из рис.1б видно, что внесенные частицы могут образовывать конгломераты, а операции, используемые при заполнении, изменяют площадь и условия контакта субмикронных сфер.

а б Рис.1. Электронномикроскопическое изображение: a - опаловой матрицы;

б - 3D-нанокомпозита Ультразвуковые измерения скорости волн и коэффициентов затухания выполнены импульсным методом с использованием платы PCUS-10, инсталлированной в компьютер. Измерения выполнены на продольных волнах на частотах 2.5, 5 и 15 MHz и на поперечных волнах на частоте 2 MHz. Образец временной развертки, содержащей систему эхо-импульсов, по которым определялась скорость и затухание, показан на рис.2.

Рис. 2. Временная развертка принятого сигнала при ультразвуковых измерениях (продольные волны), содержащая картину эхо-импульсов. Частота f = 15 MHz.

Данная развертка получена при распространении продольных волн с частотой f = 15 MHz в образце матрицы без заполнения. Часть измерений выполнена на установке SNAP фирмы Ritec (США).

Ультразвуковые измерения выполнены при комнатной температуре. Погрешность измерения скорости волн составляет около 1 %. Погрешность коэффициента затухания определяется, помимо обычных причин, еще и возможной значительной непараллельностью граней образцов. Погрешность оценивается в ~ 30 % от измеренной величины.

Для матрицы без заполнения были получены следующие значения скоростей волн: скорость продольных волн cl = 2.6610 5 cm/s, скорость поперечных волн ct = 1.6610 5 cm/s. Скорость продольных волн в наших образцах опаловых матриц оказалась несколько больше, чем в работе [2], что указывает на лучшее качество использованных нами образцов, в частности, на лучшую адгезию наносфер друг к другу.

Измерения скоростей и коэффициентов затухания продольных волн были выполнены на нескольких частотах. Использовались два образца матрицы без заполнения и два образца с 10-ю и 15-ю пропитками, в результате которых нанополости были частично заполнены манганитом La0.67Pb0.33MnO3. Результаты измерений приведены в таблице 1.

Из таблицы видно, что существует значительный разброс данных образцов без заполнения, связанный со свойствами индивидуального образца. Последнее особенно сказывается на значении коэффициента затухания l. Все же тенденция увеличения скорости продольных ультразвуковых волн при заполнении межсферического пространства наночастицами выглядит достоверной. Вероятно, это увеличение связано с изменением условий контакта сфер.

Рассчитаем некоторые динамические упругие свойства опаловых матриц. Для приближенной оценки модулей упругости и коэффициента Пуассона использовались формулы, справедливые для поликристаллической среды. Для скоростей продольных и поперечных волн имеем E (1 ) ;

c = G=, (1) E c= l (1 + )(1 2 ) 2 (1 + ) t XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология Таблица 1. Скорости и коэффициенты затухания продольных волн Образец Размеры, мм 15 МГц 5 МГц 2.5 МГц cl, км/с cl, км/с cl, км/с l, дБ/см l, дБ/см l, дБ/см Опаловая матрица-1 15.2х9.5х3.5 2.66 16.4 2.48 2. Опаловая матрица-2 15.2х10.3х3.7 2.67 10.1 2.56 9.5 8. 10 пропиток 7.4х6.35х3.6 2.52 19.4 2.74 15. 15 пропиток 9.1х5.1х3.1 3.29 11.3 3.3 14. где - плотность, E – модуль Юнга, G – модуль сдвига, – коэффициент Пуассона. Из (1) можно получить соотношение, которое будет использовано для определения коэффициента Пуассона 2(1 ), cl (2) = 1 ct Плотность образцов была измерена пикнометрическим способом, и результаты представлены в таблице 3. Зная скорости упругих волн, плотность и коэффициент Пуассона, можно по формулам (1) рассчитать модули E и G. В таблице 3 приведены результаты расчетов модулей упругости и коэффициента Пуассона для двух образцов опаловой матрицы без заполнения и 3D-нанокомпозитов с заполнением наночастицами манганита La0.67Pb0.33MnO3, а также модуля всестороннего сжатия B, который можно рассчитать, зная модули E и G.

Знание скоростей распространения продольных и поперечных волн позволяет рассчитать температуру Дебая среды TD по формуле [5]:

1 / 1/ 3, (4) h 9N 1 + TD = 3 k cl ct где h – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана, N – число молекул в единице объема. Принимая для плавленого кварца N = 2.210 28 cm-3 [5] и учтя коэффициент заполнения 0.75, зная скорость продольных волн cl = 2.6610 5 cm/s, скорость поперечных волн ct = 1.6610 5 cm/s, из (4) получаем, что для опаловой матрицы TD = 153 К. Заметим, что для плавленого кварца TD = 495 К. Такая разница в значениях связана, в 1 / первую очередь, с отличием средних значений скорости звука c = + c 3 c l t в материалах, а именно, в плавленом кварце данная величина равна 4.11 cm/s [6], а для опаловой матрицы c = 1.82105 cm/s.

Таблица 2. Плотность, коэффициент Пуассона и модули упругости опаловых матриц и 3D-нанокомпозитов Образец Плотность Коэффициен Модуль Модуль Юнга E, Модуль объемной т Пуассона сдвига G, упругости B,, g/cm3 1010 dyn/cm 1010 dyn/cm2 dyn/cm Опаловая матрица - 2 1.28 0.12 3.5 7.8 3. Опаловая матрица - 3 1.28 0.09 4.1 8.9 3. Нанокомпозит, 10 пропиток 1.33 0.23 3.5 8.6 3. Нанокомпозит, 15 пропиток 1.31 0.24 4.8 11.9 5. В заключение перечислим основные результаты. Измерены скорости продольных и поперечных упругих волн и коэффициенты затухания в опаловых матрицах и 3D-нанокомпозитах с частицами манганита лантана. Расчеты модулей упругости нанокомпозитов позволили установить, что с увеличением степени заполнения пустот модули упругости возрастают. Особенно сильно заполнение пустот опаловой матрицы наночастицами увеличивает коэффициент Пуассона. Из полученных экспериментально скоростей ультразвука определена температура Дебая. Для опаловой матрицы она оказалась намного меньше, чем для массивных образцов SiO2.

Работа выполнена при частичной поддержке программы Президиума РАН и гранта НШ-6172.2012.2.

ЛИТЕРАТУРА 1. R. Sainidou, N. Stefanou, A. Modinos. Phys. Rev. B 66, 212301 (2002) В.Н. Богомолов, И.А. Смирнов, Н.В. Шаренкова, Г. Брулс. ФТТ 43, 186 (2001) 2.

В.Н. Богомолов, Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, Х. Мисиорек, А. Ежовский. ФТТ 44, 175 (2002) 3.

А.Г. Соловьев. Письма в ЖТФ 33, 85 (2007) 4.

Дж. Алерс. Использование измерений скорости звука для определения температуры Дебая в твердых телах. В кн.:

5.

Физическая акустика / Под ред. У. Мэзона, т. III б. Динамика решетки. Мир, М. (1968). С. 13- О. Андерсон. Определение и некоторые применения упругих постоянных поликристаллических систем, полученных из 6.

данных для монокристаллов. В кн.: Физическая акустика / Под ред. У. Мэзона, т. III б. Динамика решетки. Мир, М.

(1968), С. 62- XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология УДК 534.16:5348+620.176. Немытова О.В., Ринкевич А.Б., Перов Д.В.

ПРИМЕРЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ДЕФЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Институт физики металлов УрО РАН Россия, 620041 Екатеринбург, ул. С.Ковалевской, Тел.: (343) 378-36-97 Факс: (343) 374-52- Эл. почта: mif—83@mail.ru;

rin@imp.uran.ru;

peroff@imp.uran.ru.

В данной работе показаны результаты визуализации искусственных отражателей различной формы и естественного дефекта типа “непровар” в корне шва. Для этих же отражателей приведены результаты оценки мгновенной частоты, предлагаемой как дополнительный информативный признак для классификации типа дефекта. Исследования были выполнены с использованием продольных и поперечных акустических волн ультразвукового диапазона. Измерения проводились с использованием линейных фазированных антенных решеток с электронным сканированием луча, состоящих из наборов пьезоэлектрических преобразователей, а также одиночных пьезоэлектрических преобразователей, перемещаемых по поверхности исследуемого образца. Проведен сравнительный анализ данных, полученных этими двумя способами. Результаты измерений были представлены в виде B-сканов для фазированных решеток, которые позволяют получить наглядное представление о пространственном расположении и форме отражателей и в виде диаграмм зависимости нормированных девиаций частоты для совмещенных одиночных преобразователей.

Определение формы скрытого дефекта является в настоящий момент одной из основных проблем в неразрушающем контроле, в том числе ультразвуковом. Очень важно знать, к какому классу относится скрытый дефект, поскольку потенциальная опасность этого дефекта зависит во многом от его формы. Так, дефекты с острыми краями, являющиеся концентраторами напряжений, как правило, недопустимы;

дефекты с округлой поверхностью допускаются, но с учетом ограничений на их размеры. В принципе, в литературе описан ряд методов ультразвукового контроля, которые в той или иной степени позволяют судить о форме дефекта [1]. При неразрушающем контроле о типе дефекта судят по косвенным характеристикам – информативным признакам. Обобщенная суть методов состоит в том, что, выбрав тип волн, углы ввода, число преобразователей, частоты колебаний, измеряют абсолютные или относительные значения временных, амплитудных или спектральных характеристик принимаемых сигналов, формируют из них информативные признаки, наиболее полно характеризующие дефекты, и по конкретным значениям этих информативных признаков относят реальные дефекты к тому или иному классу.

В последние годы получили развитие методы восстановления формы дефекта с использованием компьютерной томографии [2]. В томографических методах требуется зондирование объекта в большом диапазоне углов ввода ультразвукового излучения. Эти методы позволяют получить визуальный образ дефекта, но требуют дорогостоящей аппаратуры, а также свободного доступа к большой площади контролируемого объекта, достаточной для размещения многоэлементного преобразователя, что не всегда удобно и возможно. Нами были проведены измерения на образцах с искусственными отражателями и с естественным дефектом типа непровар в корне шва с использованием дефектоскопа A1550 IntroVisor.

Излучение и прием ультразвуковых колебаний проводились с использованием наклонной и прямой фазированных решеток, настроенных на рабочую частоту 4 МГц. В качестве исследуемых образцов были выбраны: сварной шов с заранее известным типом дефекта типа “непровар” в корне шва, протяженный по всей длине шва;

образцы с искусственными отражателями в виде сквозных боковых цилиндрических отверстий и плоскодонных сверлений либо равного диаметра, находящиеся на разной глубине, либо разного диаметра, находящиеся на одной глубине;

образцы с искусственными отражателями в виде зарубок с разной площадью плоской передней грани;

стандартный образец СО3, где в качестве отражателя была выбрана его донная поверхность. В ходе проведенных экспериментов были получены В-сканы для каждого отражателя.

Наряду с уже существующими методами, в том числе и томографическим, мы предлагаем свой, в котором измеряемым параметром является мгновенная частота недетектированного радиочастотного сигнала, измеренная в разных частях импульса. Для получения информации о дефекте при известной его локализации, нам требуется минимально возможный доступ к объекту контроля. Кроме того, результаты, полученные предлагаемым методом, не зависят от качества акустического контакта, то есть от амплитуды эхо-сигнала. В качестве информативного признака определения формы дефекта предлагается использовать значения мгновенной частоты ультразвукового импульсного эхо-сигнала, соответствующие определенным моментам времени внутри импульса. Алгоритм оценки мгновенной частоты основан на использовании непрерывного вейвлетного преобразования, которое, в свою очередь, увеличивает XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология помехоустойчивость метода. Достоинством предлагаемого метода классификации отражателей является тот факт, что его можно реализовать при той же схеме акустического тракта, что обычно используется в ультразвуковой дефектоскопии, и с применением типового УЗ дефектоскопа со стандартным совмещенным преобразователем.

Мгновенная частота - это нестационарная характеристика сигнала [3]. Эхо-сигналы, отраженные от отражателей разной формы, имеют различные нестационарные характеристики: их доминирующая частота изменяется во времени, то есть значение мгновенной частоты может быть различным на фронте, на срезе и в середине импульса, а огибающая может иметь сложную форму. Различие мгновенных частот возникает за счет влияния дифракции и частотной зависимости коэффициента затухания. Для осуществления предлагаемого способа необходимо использовать такие методы анализа, которые позволяют оценивать частотные параметры сигналов в различные моменты времени в пределах импульса.

Используемый нами алгоритм оценки мгновенной частоты базируется на непрерывном вейвлетном преобразовании и обладает повышенной помехоустойчивостью [4, 5]. Конечно, определяемая нами частота только условно называется “мгновенной”. В действительности для определения этой мгновенной частоты нужен конечный промежуток времени порядка периода радиочастотного сигнала.

Процедура оценки мгновенной частоты следующая. При перемещении преобразователя по поверхности образца, находим положение, в котором эхо-сигнал имеет наибольшую амплитуду. Этот эхо сигнал представляет собой радиоимпульс, который в дальнейшем и используется для анализа. Каждый полученный эхо-сигнал анализировался следующим образом:

Из исходного сигнала, изображенного на рисунке 1б, получаем аналитический сигнал, 1.

используя преобразование Гильберта.

Вычисляя модуль аналитического сигнала, получаем огибающую исходного сигнала, 2.

которая на рисунке 1б показана вместе с исходным сигналом.

На огибающей находим моменты времени, соответствующие максимуму амплитуды 3.

огибающей (значок круга на рис. 1б) и половине ее максимального значения слева и справа от максимума (значок квадрата и треугольника на рис. 1б, соответственно).

Применяя непрерывное вейвлетное преобразование к аналитическому сигналу, находим 4.

данные по мгновенной частоте исходного сигнала в моменты времени t1, t2 и t0 (рис. 1а) Используем эти значения f1, f2 и f0 мгновенной частоты в трех точках, соответствующих 5.

моментам времени t1, t2 и t0 для дальнейшего анализа.

а 4. 3. 0. 2. 53.2 53.4 53.6 53.8 54 54. б 0. 0. 0. -0. -0. -0. 53.2 53.4 53.6 53.8 54 54. Рис. 1. Пример оценки мгновенной частоты эхо-сигнала отраженного от двугранного угла (ПЭП П121-5-400 8) с использованием его вейвлетного спектра, где частоте f1 соответствует значок квадрата на графиках, частоте f2 соответствует значок треугольника и частоте f0 соответствует значок круга.

В данной работе показано, что для практической реализации предложенного алгоритма целесообразно представлять полученные результаты в виде безразмерных параметров – нормированных девиаций частоты.

Для проведения экспериментальных исследований были использованы те же образцы, что и при томографических измерениях. Прием и излучение ультразвуковых колебаний проводились прямым совмещенным пьезоэлектрическим преобразователем с частотой 4 МГц и наклонными совмещенным пьезоэлектрическим преобразователем с частотой 5 МГц и углом ввода 650. Генерация зондирующего импульса осуществлялась цифровым дефектоскопом PCUS-10.В результате проведенных экспериментов XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология были получены диаграммы, построенные на плоскости, где по осям отложены значения параметров fr1 и fr2, где fr1, fr2- нормированная девиация частоты между точками в центре, на фронте и срезе импульса, выражение для которых записывается в виде:

f f f f f r1 = 0 1, f r 2 = 0 2 (1) fн fн где fн - номинальная частота ПЭП, f1, f2 и f0 – значения мгновенной частоты в трех точках, соответствующих моментам времени t1, t2 и t0. В дальнейшем именно зависимость этих двух параметров друг от друга будет приведена на графиках.

Чтобы продемонстрировать возможность классификации отражателей тем и другим способом, приведем сначала результаты томографии, полученные фазированными решетками (Рис.2.), а затем результаты, полученные одиночными совмещенными преобразователями для тех же отражателей, в виде диаграммы где по осям отложены нормированные девиации частоты (Рис.3.).

б в 6 7 a г д е 12 2 ж з и Рис. 2. В-сканы для отражателей: а) сквозное боковое цилиндрическое отверстие (прямая фазированная решетка 4МГц);

б) плоскодонное сверление (прямая фазированная решетка 4МГц);

в) ступеньки (прямая фазированная решетка 4МГц);

г) донная поверхность СО3 (прямая фазированная решетка 4МГц);

д) плоскодонное сверление (наклонная фазированная решетка 4МГц);

е) зарубка и двугранный угол (наклонная фазированная решетка 4МГц);

ж) острый угол 29,50 (наклонная фазированная решетка 4МГц);

з,и) сварной шов (наклонная фазированная решетка 4МГц).

В ходе выполнения экспериментальных исследований был получен большой набор В-сканов от искусственных и естественных отражателей различной формы, которые наиболее часто встречаются при практической реализации ультразвуковых методов неразрушающего контроля. А также построена сводная диаграмма зависимости нормированных девиаций частоты для тех же отражателей. Измерения XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология проводились с использованием как прямых, так и наклонных фазированных решеток и одиночных пьезоэлектрических преобразователей с различными номинальными частотами. Из диаграммы видно, что, используя в качестве информативного признака соотношение между девиациями частоты fr1 и fr2, можно отличить плоскостные отражатели, выходящие на поверхность, от плоскостных отражателей, не выходящих на поверхность и от отражателей типа “сквозное боковое цилиндрическое отверстие”. К плоскостным отражателям выходящим на поверхность в данном случае относятся: зарубки с различной площадью плоской передней грани;

двугранные острые и тупые углы углы;

«непровар» в корне сварного шва- естественный дефект.

0. Нормированная девиация частоты fr 0. -зарубки -острый угол 0. -Боковое отверстие -плоскодонное сверление 0. -СО -тупой угол 0. -сварной шов -0. -СО -0. -0. -0. -0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05 0.10 0. Нормированная девиация частоты fr Рис.3. Результаты измерения мгновенных частот для следующих отражателей: зарубки с разной площадью плоской передней грани, двугранные тупые и острые углы с различными углами раскрыва, сквозные боковые цилиндрические отверстия, плоскодонные сверления, донная поверхность СО2 и СО3 и естественный дефект непровар в корне шва После проведения проверки на большем количестве образцов полученные результаты могут быть использованы в УЗ контроле как дополнительный признак, позволяющий определить тип дефекта.

Необходимо также отметить, что данные, полученные в ходе выполнения экспериментов, необходимо учитывать и при практическом применении эхо-импульсного метода ультразвукового неразрушающего контроля, поскольку пренебрежение эффектом отклонения частоты от номинального значения может привести к нарушению требований стандартов (ГОСТ 14782-86 [6]) по допуску на рабочую частоту пьезоэлектрического преобразователя.

Работа выполнена по плану РАН (тема №. 01.2.006 13393), при частичной поддержке программы РАН «Диагностика».

ЛИТЕРАТУРА Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х. и др. Методы акустического контроля металлов. Под ред. Алешина 1.

Н.П. Москва.- Машиностроение, 1989, с.25-278.

Базулин Е.Г. Восстановление изображения дефектов методом С-SAFT по эхосигналам, измеренным 2.

антенной с матрицей в режиме тройного сканирования. – Дефектоскопия, 2012, № 1, с. 3-19.

Перов Д.В., Ринкевич А.Б., Немытова О.В. Взаимодействие импульсных ультразвуковых сигналов с 3.

отражателями различного типа, Дефектоскопия, 2007, № 6, с. 25-35.

4. A.B. Rinkevich, O.V. Nemytova, D.V. Perov. Comparison of frequency features of pulse echoes from different reflectors, ISRN Mechanical Engineering, 2011, 371514.

Перов Д.В., Ринкевич А.Б., Кусонский О.А. Вейвлетный анализ сверхдлиннопериодных сейсмических 5.

осцилляций. / Сборник трудов XVI Сессии Российского акустического общества, т. 1, с. 279-282. – М.:

ГЕОС, 2005.

ГОСТ 14782-86. Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые.

6.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология УДК 534. К.А. Драчев, А.И. Кондратьев, Е.Н. Мурая, В.И. Римлянд АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДЕЛИ ТРУБОПРОВОДА ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет»

Россия, 680035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, Тел.: (4212) 224-347;

Факс: (4212) 734- E-mail: riml@fizika.khstu.ru Теоретически и экспериментально исследовано распространение различных типов волн в трубопроводах.

Получены зависимости акустических характеристик от различных параметров трубопровода: диаметра;

толщины стенок;

заполнения жидкостью;

наружной изоляции. Дисперсионные характеристики определены для основных типов волн. Проведено сравнение теоретических зависимостей с экспериментальными измерениями для модели трубопровода.

Актуальной проблемой современного неразрушающего контроля является диагностика состояния надземных и подземных трубопроводов. При этом могут использоваться как традиционные методы ультразвукового контроля (метод 1), так и акустико-эмиссионный методы (метод 2) [1, 2]. При контроле методом 1 определяется состояние сварных соединений и толщина стенок, могут использоваться продольные, сдвиговые волны и волны Лэмба с применением как излучающего, так и приемного преобразователей (возможна схема измерений совмещенным преобразователем, который одновременно является и излучателем и приемником). Методом 2 выявляются развивающиеся дефекты и течи (наличие течи однозначно свидетельствует о дефектном состоянии трубопровода) с применением только приемных преобразователей. Для метода 1, расстояние между преобразователями или область контроля достаточно четко определены, и в зависимости от толщины трубопровода составляют от единиц до десятка сантиметров. Для метода 2 «положение» дефектов не определено и при этом важным фактором, определяющим результативность контроля является знание волноводных свойств объекта контроля.

В этом случае, возникает необходимость определения влияния волноводных свойств объектов контроля на временные и спектральной характеристики сигнала [3]. В работе [4] приводятся результаты экспериментальных исследований волноводных свойств стержней, пластин и полых пустых цилиндров (труб), в которых показано, что по мере удаления от излучателя УЗ колебаний временная форма сигнала существенно изменяется. Так, например, исходный импульс длительностью 310-8 с. в трубе трансформируется в ультразвуковой (УЗ) импульс сложной формы с общей длительностью более 210-3 с.

Наиболее часто встречающимся элементом реальных конструкций является полый тонкостенный цилиндр, заполненный или не заполненный жидкостью [5, 6].

В качестве исходной предпосылки рассмотрим решение уравнений движения Ламе для полого цилиндра [7]:

u r = U (r )e j ( z wt ) ;

u z = W (r )e j ( z wt ), (1) где ur, u z - радиальная и осевая компоненты смещений цилиндра (r = r’/R, z = z’/R, где r’, z’ – реальные координаты, R – радиус цилиндра);

U (r ) = ( A1 J1 ( r ) + A2Y1 ( r )) + 2 ( B1 J1 (r ) + B2Y1 (r )) ;

1 W (r ) = j ( A1 J 0 ( r ) + A2Y0 ( r )) + j 2 ( B1 J 0 (r ) + B2Y0 (r )) ;

1 1 = k 2 ;

k = [(1 2 ) / 2 / (1 )]2 ;

CL, CS – 2 = 1 2 ;

2 = 2 2 ;

1 = wR / C L ;

2 = wR / C S ;

скорости распространения продольных и сдвиговых волн соответственно;

постоянная – распространения;

– коэффициент Пуассона;

J i ( r ), Yi ( r ) – функции Бесселя;

A1, A2, B1, B2 – постоянные решения волнового уравнения для идеальной сжимаемой жидкости:

= DJ 0 ( r )e j ( z wt ), (2) где 2 = (wR / c ) 2 = 1 (C S / c ) 2 ;

с -скорость звука в жидкости;

2 D -постоянная.

Величины A1, A2, B1, B2, D определяются путем подстановки решений (1) и (2) в граничные условия:

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология rr (1, z, t ) = rz (1, z, t ) = 0 ;

(3) u r rr (r1, z, t ) jw 0 (r1, z, t ) = 0;

rz (1, z, t ) = 0 ;

=, (4) r t где rr, rz – нормальная и касательная составляющие напряжений для упругого цилиндра;

r1 = R1 / R, R1 – внутренний радиус цилиндра;

0 – плотность жидкости.

Граничные условия (3) и (4) порождает дисперсионные уравнения вида aij = 0, i, j = (1,2,3,4,5), (5) где ( 2 2 2 )Y0 () ( 2 2 2 ) J + Y1 () ;

a13 = J 0 () J1 () ;

;

a12 = a11 = + J 1 ( ) 2 2 J1 () a14 = 2Y0 () Y1 () ;

a21 = 2 J1 () ;

a22 = 2 Y1 () ;

a23 = ;

( ) ( ) 2 2 Y1 () 2 2 2 J1 (r1 ) ;

a31 = J1 ( r1 ) ;

a32 = Y1 ( r1 ) ;

a33 = a24 = 2 ;

2 ( ) ( 2 2 2 )Y1 (r1 ) ;

a = ( 22 2 2 )J 0 (r1 ) + J1 (r1 ) ;

a42 = 2 2 2 Y0 (r1 ) + Y1 (r1 ) ;

a34 = 2 2 r 2 2 r cJ ( r ) 2 J 0 (r1 ) J1 (r1 ) ;

2Y0 (r1 ) Y1 (r1 ) ;

a45 = 2 0 0 1 ;

a15 = a 25 = a35 = 0 ;

a43 = a44 = 21C S r1 r = J1 ( r1 ) ;

a52 = Y1 ( r1 ) ;

a 53 = J 1 ( r1 ) ;

a54 = Y1 (r1 ) ;

a45 = cJ1 ( r1 ).

a 2C S Уравнения (5) показывают, что при заданных, СS, c, 0, 1 ( 1 - плотность материала цилиндра) постоянная распространения есть функция безразмерной частоты 2. Множество параметров, ( 2 ), делает задачу определения дисперсионных свойств определяющих вид зависимости трубопроводов очень сложной. В работе [8] в длинноволновом приближении ( 2 / 1 r1 ) приведено решение уравнений (5) для стального цилиндра, заполненного керосином или водой. Обработка этих результатов позволила получить явный вид зависимости групповой скорости: Vгр = C S d 2 d от частоты (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость групповой скорости от частоты: 1,2 – первая и вторая ветви пустого цилиндра соответственно;

3 – нулевая мода для жесткого цилиндра с жидкостью;

- - - – моды жесткого цилиндра с жидкостью более высокого порядка.

На рис. 1 приведены также зависимости групповой скорости Vгр от 2 для нулевой (кривая 1) и XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология первой моды (кривая 2) колебаний пустого цилиндра ( 0 = 0), нулевой (кривая З) и последующих мод для «жесткого» цилиндра с жидкостью ( r = 0 ).

r =r Как видно на рисунке дисперсионные кривые для цилиндра, заполненного жидкостью, существенным образом отличаются от кривых для пустого. Причем, в зависимости от частоты, скорость УЗ колебаний может быть равна или скорости в жидкости, или в цилиндре, или отличаться от них. Кроме того, наличие областей с сильной дисперсией может привести к зависимости модуля прохождения УЗ колебаний через волновод от частоты.

В экспериментах использовалась установка, показанная на рис. 2. Производилось измерение следующих характеристик: временная форма сигнала;


спектр сигнала на различных расстояниях r от точки возбуждения УЗ колебаний;

дисперсия групповой скорости УЗ волн;

дисперсия ослабления УЗ колебаний.

запуск II 4 2 I r Рис. 2. Схема проведения измерений. 1 – труба;

2 – излучатель;

3 – приемник;

4 – генератор;

5 – усилитель;

6 – анализатор спектра;

7 – осциллограф.

Используемые компоненты: излучателя - демпфированная клинообразная пьезопластина (полоса рабочих частот 0,05 5 МГц);

приемник – точечный емкостный преобразователь (полоса рабочих частот 0,05 25 МГц) [9];

генератор – импульсный генератор типа Г5-63;

усилитель – У3-29;

анализатор спектра – СК4-59;

осциллограф – LeCrou Wavesurfer 422. Длительность возбуждающего импульса составляла нс, амплитуда 60 В. Погрешность измерения скорости, определяемая полосой пропускания СК4-59 и возможностями осциллографа, составляла не более ± 30 м/с, погрешность измерения ослабления – не более ± 0,05 дБ. При измерении по схеме I определяются амплитудно-временные параметры УЗ импульсов, а по схеме II - спектральные.

При выполнении работ использовались трубы из нержавеющей стали длиной до 2 м, диаметром (труба 1), 90 (труба 2), 100 (труба 3) мм и толщиной стенки 5 мм. Характерная форма УЗ импульсов, при различных r показана на рис. 3.

Рис. 3. Форма УЗ импульсов в трубах при различных расстояниях r от точки возбуждения: а, в - r = 30 мм;

б, г - r = 90 мм;

а, б - полая труба;

в, г - труба заполненная водой;

развертка - 10 мкс/дел.

Как и для плоских образцов, при малых r (r 30 мм) в трубах выделяются S и L фазы, однако соотношение их амплитуд уменьшается до 5. Кроме того, выделяется составляющая Lc, XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология распространяющаяся со скоростью около 5000 м/с (на рис. 3 фазы помечены стрелками). В дальнейшем при увеличении r в пустых трубах, выделяются три фазы: LС, L2, L3, распространяющиеся со скоростями м/с, 3000 м/с, 2000 м/с соответственно, с соотношением амплитуд 1:5:15. Составляющая LС имеет сложную форму, а L2, L3 – ярко выраженные максимумы с частотами, близкими к частоте запирания 3-й ветви полого пустого цилиндра (L2) и частоте максимума 1-й ветви пустого цилиндра (L3).

В трубах, заполненных водой, выделяются четыре фазы: LС, L2, L3 и LВ, распространяющиеся со скоростями 5000 м/с, 3000 м/с, 2000 м/с и 1500 м/с соответственно. Скорость распространения фазы LВ близка к скорости распространения УЗ колебаний в воде. Соотношение амплитуд фаз 1:1:10:12. Фазы L1, L2, L3 имеют те же временные параметры, что и в пустых трубах, а фаза LВ имеет более сложную временную форму.

На рис. 4 и рис. 5 приведены результаты измерений спектральных характеристик сигналов для пустых и заполненных труб (спектры сигналов на рис. 4, б и 5, б, полученные при r = 90 см, смещены относительно спектра при r = 50 см на 10 дБ;

при r =10 см - на 20 дБ, при r = 5 см - на 30 дБ).

Погрешность измерения удельного ослабления не превышала ± 0,5 дБ/м. При измерении спектральных характеристик полоса частот усилителя (F) выбиралась в зависимости от диапазона анализируемых частот в пределах 1…30 кГц.

На рис. 4 видно, что для труб диаметрами 80 и 90 мм дисперсионные характеристики параметров распространения близки. Для трубы 3 основные закономерности сохраняются, однако ход кривых изменяется. Неравномерность частотной характеристики акустического тракта при увеличении r уменьшается.

В диапазоне частот от 20 до 200 кГц удельное ослабление сигнала не превышает 4 дБ/м.

В трубах с водой акустическая картина еще более усложняется (рис. 5). Удельное ослабление сигнала (рис. 5, в) увеличивается на (2…6) дБ/м, оставаясь, в тоже время, на частотах ниже 200 кГц в пределах 4 дБ/м для всех фаз и труб. Следует отметить, что измерение удельного ослабления сигнала необходимо для оценки максимальной протяженности зоны контроля методом акустической эмиссии.

Проведенные эксперименты показали, что амплитудно-временные параметры УЗ импульсов при заполнении жидкостью изменяются не значительно, в то время как вариации спектральных характеристик более заметны. Так же следует отметить, что при нанесении наружной изоляции следует ожидать увеличения удельного ослабления на еще 2…6 дБ/м. В дальнейшем, с целью упрощения методики, схем измерений, планируется в качестве излучателя и приемника использовать традиционные наклонные преобразователи с углом ввода 300 500.

Рис. 4. Акустические характеристики полых труб: а – скорость распространения;

б - спектр УЗ импульсов при различных r (труба 3);

F = 3 кГц;

в – удельное ослабление для фазы L2;

1 – труба 1;

2 – труба 2;

3 – труба XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология Рис. 5. Акустические характеристики труб, заполненных водой: а – скорость распространения;

б – спектр УЗ импульсов при различных r (труба 3) F = 3 кГц;

в – удельное ослабление;

1 – труба 1;

2 – труба 2;

3 – труба 3 (фаза L2);

4 – труба 1;

5 – труба 2 (фаза L3);

6 – труба 1;

7 – труба 2 (фаза LВ) ЛИТЕРАТУРА 1. Неразрушающий контроль. Т. 3. Под ред. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение, 2004. – 864 с.

2. Дробот Ю.Б., Лупанос В.В. О некоторых особенностях спектра сигналов при акустико–эмиссионном течении. – В кн.: Метрологическое обеспечение средств неразрушающего контроля на основе акустической эмиссии и пути ускорения их внедрения на предприятия Хабаровского края (Хабаровск, октябрь 1983 г.):

Тез. докл. – Хабаровск: Краевое правление НТО Машпром, 1983. – 64 с.

3. Методика проведения акустико–эмиссионного контроля трубопроводов и сосудов, работающих под давлением: сб. документов. – Серия 27. – Вып.2. – М., 1992. – 154 с.

4. Бондаренко, А.Н. Прецизионные акустические измерения оптическими и емкостными методами / А.Н.

Бондаренко, Ю.Б. Дробот, А.И Кондратьев. – Владивосток: ТОИ ДВО АН СССР, 1990. – 240 с.

5. Ditchi, T. Broadband determination of ultrasonic attenuation and phase velocity in insulating materials / T. Ditchi, C.

Alquie J. Lewiner // J Acoust. Soc. Amer. – 1993. – V. 94. – N6. – P. 3061–3066.

6. Jmano Kazuhico. Measurement method of ultrasonic velocity in liquid and solid using continuons wave signal / Jmano Kazuhico, Jnoue Hiroshi // JaP. J. Appl. Phys.pt. 1. – 1995. 34. – N5 B. – P. 2774–2777.

7. Руковишников В.А. Численное и асимптотическое решение уравнения распространения гидроупругих колебаний в изогнутом трубопроводе / В.А. Руковишников, О.П. Ткаченко // Прикладная математика и техническая физика. – 2000. – Т. 41. – №6. – С. 161 – 169.

8. Ильгамов, М.А. Колебания упругих оболочек, содержащих жидкость и газ / М.А. Ильгамов. – М.: Наука, 1969. – 284 с.

9. Кондратьев А.И. Прецизионные методы измерения акустических величин твердых сред. В двух частях / А.И.

Кондратьев. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006. - 304 с.

УДК 534.222:539. Н.Е. Никитина1,2, А.В. Камышев2, В.А. Смирнов ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ “IN SITU”, В ТРУБОПРОВОДНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ Нижегородский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук Россия, 603024 Нижний Новгород, ул. Белинского, 85, НФ ИМАШ РАН Тел.: (831) 4322387;

Факс: (831) E-mail: wvs-dynamo@mail.ru ООО Инженерная фирма «ИНКОТЕС»

Россия, 603950 Нижний Новгород, ГСП-76, ул. Бринского, Тел.: (831) 2962450;

Факс: (831) 2962450;

E-mail: info@encotes.ru Экспериментально проверены возможности неразрушающего акустического метода измерения двухосных напряжений, возникающих в трубопроводах под действием внутреннего давления. Задача поставлена таким образом, что «начальные» значения акустических параметров, соответствующих отсутствию искомых напряжений, неизвестны. Известны результаты теоретического решения задачи, которые использованы в качестве арбитражных для проверки точности экспериментальных данных. «Начальные» значения акустических параметров определены в лабораторных условиях, с использованием темплетов, вырезанных из XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология трубы, аналогичной испытуемой. Средняя разница значений напряжений, найденных методом «безнулевой»

акустической тензометрии, при учете результатов аналитического решения задачи, и расчетным путем по известному значению давления в трубе, составила:

- для осевых напряжений 3,5 МПа (менее 1% от предела текучести материала, равного 500 МПа);

- для окружных напряжений 8,2 МПа (менее 2% от предела текучести материала).

Результаты проведенных испытаний показали хорошую чувствительность акустического метода, реализованного «in situ», с использованием ультразвукового измерителя напряжений ИН-5101А, к изменениям двухосного напряженного состояния прямошовных труб большого диаметра.

Для оценки возможности использования метода акустоупругости в качестве прямого метода контроля механических напряжений в тонкостенных металлоконструкциях, работающих под давлением, были проведены «in situ» измерения напряжений в трубной катушке из импортной стали шведской поставки (отечественный аналог – сталь 09Г1ФБ), вырезанной из трубы магистрального газопровода.


Работы проведены на полигоне Управления аварийно-восстановительных работ Севергазпрома при гидроиспытаниях заглушенной трубной плети.

При нагружении трубы внутренним давлением нормальные напряжения распределятся по ее толщине так, чтобы обеспечить отсутствие указанной составляющей тензора напряжений на внешней поверхности. Такое равновесие должно установиться и за счет возникновения окружных напряжений, которые могут быть неуравновешенны по толщине трубы. В закрытой трубе возникают также и осевые напряжения, являющиеся следствием давления наполняющей трубу среды на боковые заглушки. Для понимания полной картины НДС трубной катушки при действии внутреннего давления P воспользуемся решением задачи теории упругости о трубе конечной толщины h с внутренним радиусом a и внешним b, приведенным, в частности, в книгах [1,2].

Предполагается, что длина цилиндра достаточно велика, так что можно считать, что осевое напряжение z распределено по поперечному сечению равномерно и что удерживающее влияние днищ на радиальные перемещения цилиндра ничтожно мало. Оно довольно просто находится из тех соображений, что сила F = P a 2, действующая на днище, должна уравновешиваться такой же силой, однако действующей на площади S = ( b 2 a 2 ) :

P a2 a z = P. (1) b a 2 2h Окружное напряжение, впервые найденное Габриелем Ламе в XIX веке путем решения задачи о равновесии твердого тела, будет следующим:

a2 b a t = P 2 1+ = P.

(2) b a a h P Радиальное напряжение r ( r = a ) = P, r ( r =b ) = 0, среднее r z, t.

Таким образом, в тонкостенном цилиндре окружные напряжения распределены по толщине почти однородно, а радиальные – малы по сравнению с осевыми и окружными в той же мере, в какой толщина h мала по сравнению с радиусом a. То есть напряженное состояние стенки трубы в точке измерения можно считать плоским.

Основные принципы применения акустоупругого эффекта для определения плоского напряженного состояния конструкционных материалов с помощью объемных волн, распространяющихся по нормали к плоскости действия напряжений, освещены в монографии [3]. Наиболее просто и понятно существо вопроса изложено в научно-популярной статье [4]. С точки зрения эффективного применения явления акустоупругости для измерения напряжений в реальных конструкциях практические задачи, встающие перед исследователями, можно разделить на три основные группы. Наиболее доходчиво разницу трех этих постановок практических задач демонстрирует рис. 1, приведенный, в частности, в работе [4].

В докладе [6] приведены результаты применения метода акустической тензометрии для исследования напряженного состояния трубной катушки внешним диаметром 1020 мм, толщиной 9 мм, вырезанной из одношовной прямошовной трубы и вошедшей в состав трубной плети, нагруженной внутренним давлением 25 атм. (2,45 МПа) и 50 атм. (4,9 МПа). Измерения проведены в 4-х точках трубной XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология а) б) в) Рис. 1. Варианты практического осуществления метода акустоупругости:

а) мониторинг напряжений – аналогичен традиционной тензометрии;

б) акустическая тензометрия – отличается тем, что от измерения к измерению датчики можно удалять с поверхности материала (проводить периодические обследования объектов);

в) «безнулевая» акустическая тензометрия [5] – измерение напряжений «in situ», в уже напряженной конструкции. Этот режим фактически недоступен не только для традиционной тензометрии, но и для многих физических методов контроля напряжений (деформаций).

катушки, выбранных, в соответствии с предложениями сотрудников Севергазпрома, следующим образом (рис. 2):

- точка 1 – вблизи продольного сварного шва на расстоянии 40 мм;

- точки 3 и 4 – вблизи протяженного дефекта, расположенного на расстоянии 785 мм (3 часа) от сварного шва;

- точка 5 – на «основном металле», на расстоянии 590 мм ( 2 часа 15 мин.) от шва.

Рис. 2. Расположение точек измерения на поверхности трубы.

Начальные значения акустических параметров были измерены после опрессовки трубной плети давлением 70 атм., датчики все время испытаний находились на поверхности трубы, то есть фактически выполнялся режим мониторинга напряжений. В этой работе задача поставлена так, что «начальные»

значения акустических параметров, отвечающих отсутствию искомых напряжений, считаются неизвестными. Для изучения акустических свойств “ненапряженного” материала сотрудниками НТЦ Севергазпрома были предоставлены три темплета размерами 300х300 мм, вырезанные из трубы магистрального газопровода, эксплуатировавшейся в течение 35 лет при проектном давлении 55 атм. (5, МПа). Трассовое положение сварного шва трубы 9 часов, а расположение темплетов по периметру трубы показано в табл. 1.

Таблица 1.

Обозначение заготовки Часовая ориентация (трассовая) НН10 СГП 11: НН11 СГП 7: НН12 СГП 4: В выбранных 9-ти точках каждого темплета, находящихся в удалении от его краев, измерены времена распространения в направлении по нормали к стенке трубы сдвиговых волн взаимно перпендикулярной поляризации. Цель измерений - определение величины и распределения по периметру XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология t02 t трубы параметра “начальной” акустической анизотропии a0 = (1 - направление вдоль трубы t направление проката материала, 2 – направление по окружности трубы). Знание параметра начальной акустической анизотропии материала дает возможность вычислить разность главных напряжений z t по формуле [3]:

z t = D( a a0 ), (3) t t где D = -121000 МПа - величина коэффициента упруго-акустической связи (КУАС), a = 2 1.

t Из четырех контрольных точек, в которых с помощью прибора ИН-5101А были проведены акустические измерения при испытании трубной плети, только точка 5 по своему положению относительно шва 2 часа 15 мин.) соответствует расположению темплета № 10, середина кот орого ( находится на расстоянии 11:30-9:00=2:30 от продольного сварного шва. Точки 3 и 4 находятся неподалеку, однако на упруго-пластическое поведение материала в этой зоне могла повлиять близость протяженного дефекта. Точка 1 находится близко к зоне термического влияния сварного шва и в области возникновения остаточных сварочных напряжений, в то же время край темплета № 11 расположен на расстоянии 150 мм от шва, не затрагивая эту точку. В табл. 2 приведены результаты измерения параметров акустической анизотропии в 9 точках темплета № 10.

Таблица 2.

№ среднее станд. отклон.

1.2 1.3 1.4 2.2 2.3 2.4 3.2 3.3 3. 1,22 1,22 1,19 1,32 1,32 1,32 1,41 1,18 1,22 1,27 0, a0,% Величины a0 являются базовыми для определения напряжений при невозможности прямого измерения акустических параметров, соответствующих «ненапряженному» состоянию материала.

Естественный их разброс по материалу определяет тот порог точности метода «безнулевой» акустической тензометрии, который невозможно превзойти без применения специальных методов, выходящих за рамки определения «начальных» акустических параметров на образцах материала конструкции. В табл. представлены результаты определения разницы главных напряжений по результатам акустических измерений, с учетом того, что величина a0 = 1,27%.

Таблица 3.

Р, МПа 2,45 4,9 2,45 z t, расчет., МПа -68,8 -137,6 -68,8 a,% 1,326 1,378 1,326 1, z t, измер., МПа -67,8 -130,8 -67,8 -4, Ошибка определения «in situ» разницы главных напряжений, по отношению к результатам аналитического расчета по известному значению давления в трубе, не превысила 7 МПа. Зная результаты аналитического решения задачи (1), (2), можно найти, что z = a ( z t ), а t = 1 + a ( z t ). В b b табл. 3 приведены результаты вычисленных по результатам акустических измерений и рассчитанных по формулам (1), (2) напряжений в стенке трубы.

Таблица 3.

Р, МПа 2,45 4,9 2,45 z, расчет., МПа 67,6 135,2 67,6 z, измер., МПа 66,4 128,2 66,4 4, t, расчет., МПа 136,4 272,8 136,4 t, измер., МПа 132,9 256,4 132,9 9, Средняя разница значений напряжений, определенных методом «безнулевой» акустической тензометрии, при учете результатов аналитического решения задачи, и расчетным путем по известному значению давления в трубе, составила:

- для осевых напряжений 3,5 МПа (менее 1% от предела текучести материала, равного 500 МПа);

- для окружных напряжений 8,2 МПа (менее 2% от предела текучести материала).

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология При определении напряженного состояния действующих трубопроводов обычно известно рабочее давление в трубе, по которому можно найти окружное напряжение. Тогда, найдя разницу главных напряжений указанным выше путем, можно определить и осевое напряжение, в том числе непроектное, связанное с температурными изменениями или с изгибом трубопровода. Пример решения такой задачи также описан в работе [6], где «in situ» определены в технологических трубопроводах компрессорной станции осевые напряжения, связанные с подвижками подземных коллекторов.

Большое спасибо сотрудникам НТЦ ООО «Газпром Трансгаз Ухта» за предоставление темплетов и помощь в проведении испытаний.

Доклад подготовлен при финансовой поддержке РФФИ, грант № 10-08-01108.

ЛИТЕРАТУРА Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М: Наука, 1980. 712 с.

1.

Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М: Наука. 1967. С. 281-286.

2.

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

3.

Никитина Н.Е.. Определение напряжений с помощью ультразвука – успехи и перспективы // Сб. научно-популярных 4.

статей – победителей конкурса РФФИ 2010 года. Вып. 14 / Под ред. чл.-корр. РАН В.А. Шахнова. М.: «РаТехНик», 2011. С. 508-521.

Никитина Н.Е. Акустические методы исследования напряженного состояния структурно-неоднородных сред. Автореф.

5.

дисс-и … канд. физ.-мат. наук. Ленинград, ЛГТУ. 1991 г.

Н.Е. Никитина, В.А. Смирнов, А.В. Камышев, С.В. Казачек. Экспериментальное исследование напряженного состояния 6.

трубопроводов ультразвуковым методом // "Ультразвук и ультразвуковые технологии" / Сб. трудов XVIII сессии РАО.

Том 2. М.: ГЕОС. 2006. С. 76-79.

УДК 534.2.22: 620.179. Н.Е. Никитина1, С.А. Моничев2, Е.А. Мотова ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ СТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ НА ИХ АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 1 Нижегородский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук Россия, 603024 Нижний Новгород, ул. Белинского, Тел.: (831) 4322387;

Факс: (831) 4320300;

E-mail: wvs-dynamo@mail.ru 2 ООО «Карекс»

Россия, 603022 Нижний Новгород, ул. Ошарская, Тел.: (831) 4281911;

Факс: (831) 4281911;

E-mail: monst@list.ru Многие конструкционные материалы в процессе эксплуатации подвержены различным статическим или динамическим нагрузкам, испытывают разные напряжения, сжимающие или растягивающие, изгибные или крутильные. Цель нашей работы заключается в исследовании влияния пластических деформаций кручения на параметры распространения ультразвуковых волн в специально подготовленных стальных образцах. Акустические характеристики металлов и сплавов в мегагерцовом диапазоне частот, обычно используемом при импульсном ультразвуковом контроле, достаточно стабильны и слабо зависят от химического состава и индивидуальных особенностей образцов. Однако малейшие нарушения структуры материала, трещинки, эксплуатационные повреждения могут оказать существенное влияние на параметры распространения упругих волн миллиметрового диапазона, несмотря на то, что отношение пространственных масштабов микроповреждений материала к длине упругой волны - величина несущественная. Нами проведены прецизионные измерения скоростей продольных в стержневых образцах, предварительно подвергнутых крутильным деформациям (за пределом упругости). Экспериментально установлено, что увеличение деформаций V 2.

приводит к упрочнению материала стержня, характеризуемому возрастанием «прочностной» характеристики Также замечено возрастание волнового сопротивления V, в механике называемого «динамическая жесткость» или «характеристический импеданс». С другой стороны, так называемое упрочнение – предварительная ступень разрушения материала, которую возможно предсказать на основе акустических измерений.

Человек давно уже привык к тому, что самую тяжелую, «грязную», рутинную и энергоёмкую работу за него выполняют машины (к гастарбайтерам мы еще только-только привыкаем). Следует заметить, что такая уже незаметная привычка имеет длинную историю. Возьмем хотя бы средства передвижения. С деревянных велосипедов и повозок мы за несколько сотен лет пересели на стальные мотоциклы и автомобили. Причем требования и изощренность потребительских вкусов только увеличивается.

Поведение автомобиля на дороге, его ездовые качества в немалой степени определяет конструкция подвески колес. С ней тесно связаны такие важнейшие характеристики машины, как комфортабельность и плавность хода, устойчивость и управляемость на дорогах с разным покрытием, стабильность прямолинейного движения. Единого рецепта, как обеспечить наивыгоднейшие ездовые качества, нет, XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология поэтому конструкции систем подвески весьма разнообразны. В них, однако, нетрудно выделить три функциональные группы элементов. Упругие воспринимают вертикальную нагрузку, приложенную к колесам. Направляющие обеспечивают подвижную связь колес с кузовом и передают на него реактивные усилия, лежащие в горизонтальной плоскости. Демпфирующие (амортизаторы) поглощают энергию колебаний кузова относительно колес и повышают надежность их контакта с дорогой.

Специфика нашей работы распространяется на упругие элементы, которые бывают стальные, резиновые и пневматические. Однако, как самые надежные, наиболее распространены стальные: рессоры, пружины и торсионы [1].

Рессоры пришли на автомобиль с конных экипажей и не потеряли своей актуальности до сих пор.

Их достоинства — дешевизна, технологичность и совмещение функций упругих и направляющих элементов (поскольку передают силы во всех плоскостях), а также демпфирующих элементов (благодаря трению между листами).

За последние годы рессоры сдали позиции. Дело в том, что с ростом быстроходности автомобилей последнее из названных достоинств обернулось недостатком;

в многолистовой рессоре сила трения постоянна и довольно велика. Поэтому, если сила толчка от дороги не превысит ее, рессора не прогнется и жестко передаст перемещение колеса кузову. Чтобы уменьшить трение, сокращают количество листов, устанавливают между ними пластмассовые прокладки, и даже применяют однолистовые рессоры. Другой недостаток рессор — их неспособность точно обеспечить заданную траекторию перемещения колес, поскольку под действием боковых сил и тормозных моментов они работают как упругие тяги или рычаги.

Однако они все еще применяются и в задней подвеске автомобиля благодаря своей простоте и дешевизне.

Пружины компактней рессор, легче вписываются в конструкцию автомобиля в целом и наиболее распространены сегодня на легковых автомобилях. Поскольку они воспринимают лишь вертикальные нагрузки, в оснащенной ими подвеске колес обязательны направляющие элементы — рычаги, штанги, которые шарнирно соединяют колеса с кузовом и передают реакции, возникающие при движении автомобиля.

Третий вид стальных упругих элементов — торсионы. Они могут быть либо набраны из стальных полос, либо выполнены (наиболее частый случай) в виде шлифованного цилиндрического стержня. При одинаковой с рессорой массе торсион способен воспринимать втрое большую нагрузку [2]. Основное преимущество торсионных подвесок — это долговечность, легкость в регулировании высоты и компактность по ширине транспортного средства. Она занимает значительно меньше пространства, нежели пружинные подвески. Торсионная подвеска очень легка в эксплуатации и техническом обслуживании. Ее широкое использование сдерживают сложная технология и дороговизна в производстве, поэтому она больше используется в гусеничной технике или как элемент подвески дорогих или тяжелых автомобилей.

Простейшая торсионная подвеска представлена на рис.1. Рисунок показывает, что принцип работы торсиона основан на упругих свойствах металла сопротивляться деформациям кручения.

Рис.1. Торсионная подвеска Для повышения динамических свойств, воспринимаемой нагрузки и максимального угла закрутки торсион подвергают заневоливанию. Эта технологическая операция является последней среди операций механической и термической обработки. Операция заневоливания заключается в закрутке горячего торсиона за предел его упругости и выдерживании в таком положении некоторое время. При этом в его поверхностных слоях возникают пластические деформации, а в сердцевине упругие. После разгрузки торсиона сердцевина, стремясь освободиться от напряжений и вернуться в исходное состояние, встречает сопротивление пластически деформированного поверхностного слоя. Остаточные напряжения, полученные при заневоливании, позволяют повысить рабочую нагрузку и угол закрутки торсиона в эксплуатации.

Мы решили исследовать влияние пластических деформаций, действующих на стальной стержень, закрученный на разное количество оборотов, на основе измерения скорости акустических волн, XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология распространяющихся вдоль стержня. Скорость упругих волн – величина, довольно чувствительная к изменениям структурных и прочностных характеристик конструкционных материалов [3,4]. В то же время эта кинематическая характеристика не дает полной информации об упругих и прочностных свойствах материала. Обычно при испытаниях образцов в области упругости считается, что плотность образца существенно не меняется при приложении нагрузок, и кинематические акустические параметры (скорость, ускорение) отождествляются с динамическими, характеристиками (характеристический импеданс, динамическая жесткость, модули упругости). Однако при работе за пределами упругой области, как в наших экспериментах, этот эффект уже нельзя не учитывать, тем более что возможность разрыхления материала при пластическом течении доказана экспериментально [5].

Для подготовки образцов для акустических измерений мы воспользовались машиной для механических испытаний КМ-50-1 (наибольший крутящий момент 490 Нм, число оборотов нижнего захвата в минуту 1 и 0,3), обеспечивающей надежную центровку образца, плавность нагружения и отсутствие изгибающих усилий. Испытания проведены на базе кафедры «Металловедение, оборудование и технология термической обработки металлов» Нижегородского Государственного Технического Университета им. Р.Е. Алексеева. Для исследования мы взяли несколько одинаковых стальных образцов с цилиндрической рабочей частью. Было решено закрутить образцы на разное количество оборотов, при этом один из них использовать в качестве эталона неповрежденного стержня. Поскольку большинство образцов после пятого-шестого оборота подвижного захвата разрушались, для ультразвуковых исследований мы ограничились пятью оборотами. Внутренние повреждения рабочей части образцов увеличиваются по мере закручивания, могут даже возникать микротрещины, что должно повлиять на параметры распространения упругих волн вдоль оси образца.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.