Акустический метод обратного рассеяния в опытах под нагрузкой и перспективы его развития
Рассмотрен акустический метод обратного рассеяния (схема прозвучивания, алгоритмы обработки осциллограмм принятого сигнала), предложено его практическое использование. Кратко описаны три возможных направления применения данного метода контроля образцов и изделий в условиях эксплуатации под нагрузкой...
Saved in:
| Published in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Date: | 2003 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2003
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167972 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Акустический метод обратного рассеяния в опытах под нагрузкой и перспективы его развития / В.Л. Бусов // Физика и техника высоких давлений. — 2003. — Т. 13, № 1. — С. 145-149. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859506248775368704 |
|---|---|
| author | Бусов, В.Л. |
| author_facet | Бусов, В.Л. |
| citation_txt | Акустический метод обратного рассеяния в опытах под нагрузкой и перспективы его развития / В.Л. Бусов // Физика и техника высоких давлений. — 2003. — Т. 13, № 1. — С. 145-149. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Рассмотрен акустический метод обратного рассеяния (схема прозвучивания, алгоритмы обработки осциллограмм принятого сигнала), предложено его практическое использование. Кратко описаны три возможных направления применения данного метода контроля образцов и изделий в условиях эксплуатации под нагрузкой.
An ultrasonic backwаrd scattering method and its ultrasonic test configurations, mathematical models for backwаrd scattering signal processing, use in industrial fields are presented. Three possible ways for method using in situ for controlling the specimens and wares at maintenance conditions are considered.
|
| first_indexed | 2025-11-25T13:06:23Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 1
145
PACS: 62.20.Fe, 62.80.+f
В.Л. Бусов
АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ
В ОПЫТАХ ПОД НАГРУЗКОЙ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО РАЗВИТИЯ
Краматорский экономико-гуманитарный институт
84300, г. Краматорск, ул. Парковая, 43а
Рассмотрен акустический метод обратного рассеяния (схема прозвучивания, алго-
ритмы обработки осциллограмм принятого сигнала), предложено его практическое
использование. Кратко описаны три возможных направления применения данного
метода контроля образцов и изделий в условиях эксплуатации под нагрузкой.
Успехи физики пластичности и разрушения за последнюю четверть века в
немалой степени связаны с широким применением электронной микроскопии
(ЭМ) в различных экспериментах, особенно под нагрузкой. Необходимость
использования тонких фольг, напыленных пленок, деформирование образцов
в колонне микроскопа в условиях вакуума существенно ограничивают диапа-
зон применения метода ЭМ [1].
В последнее время все чаще используется его аналог – метод акустиче-
ской микроскопии, для которого существует принципиальная возможность
на частотах от 100 до 50000 MHz наблюдать объекты размером от 30 до
0.1 m, т.е. изучать формирование фрагментированной структуры и эволю-
цию одиночного фрагмента при пластической деформации. Однако пока он
уступает методу ЭМ: известны лишь отдельные разработки акустических
микроскопов на частотах 25200 MHz [2].
Давно существуют и другие акустические методы – ультразвуковой (УЗ),
акустической эмиссии, структуроскопии, измерения скорости распростране-
ния УЗ-волн [3], а также обратного рассеяния.
В последнем методе УЗ-пучок от пьезопреобразователя, работающего в
режиме излученияприема, вводится через иммерсионный слой в образец.
Амплитуда сигнала A, рассеянного от структуры, служит основной характе-
ристикой для определения величины коэффициента рассеяния УЗ-волн s
[m] и распределения его по глубине образца. Согласно [4]
)2exp()()( 2
0
2 xxAxA sxs , (1)
где 0A и )( xA амплитуды соответственно падающей волны на поверхно-
сти образца и обратного рассеяния на расстоянии x от этой поверхности из
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 1
146
рассеивающего импульсного объема; пространственная длительность им-
пульса УЗ-волн; sx средний коэффициент рассеяния на интервале x,
x
ssx zz
x
0
d)(
1
. (2)
Применимость выражения (1) ограничена рядом условий: пренебрегают мно-
гократным рассеянием; коэффициент поглощения a либо равен нулю, либо
как систематическая поправка входит в показатель экспоненты из (1):
asx .
Существуют две модификации метода обратного рассеяния [57]:
a) ввод УЗ-пучка по нормали к поверхности образца;
б) ввод УЗ-пучка под углом, превышающим первый критический угол,
или ввод поперечных УЗ-волн. Здесь сигнал, рассеянный от структуры, отде-
лен от сигнала, рассеянного от поверхности.
Первая модификация метода [6] была создана американскими учеными из
Carnegie Mellon University. Она позволила установить надежную корреляци-
онную связь между значениями коэффициента затухания d УЗ-волн, а так-
же пределов текучести 2.0 и прочности b .
Вторую модификацию применил и описал немецкий инженер Я. Коп-
пельман [5]. В дальнейшем его развили K. Goebbel и H. Willems [7] в инсти-
туте Фраунгофера (Германия), применившие метод для определения величи-
ны (балла) исходного зерна и разнозернистости в поликристаллическом об-
разце. Основной особенностью этого подхода является достаточно высокая
локальность контроля, позволяющая зафиксировать изменение s в преде-
лах интервалов длин 30300 m на частотах заполнения 10100 MHz.
В данной работе использована вторая модификация метода обратного рас-
сеяния. С помощью данного метода нами получена кривая зависимости ко-
эффициента рассеяния УЗ-волн s от числа циклов Nc при усталостных ис-
пытаниях стальных образцов – акустическая кривая усталости [8]. Для ее по-
строения используют выражение (1) и ряд алгоритмов обработки сигналов,
рассеянных от структуры волн, в основе которых лежит дискретизация оги-
бающей эхо-сигнала и последующая статистическая обработка точечного
массива на персональном компьютере [9]. Мы применили упрощенный алго-
ритм: экспоненциальный член из выражения (1) подвергли разложению по
степеням )( xsx ; обе части (1) усредняли согласно (2); A и 0A выражали в
децибелах с помощью ступенчатого аттенюатора дефектоскопа. В результате
пришли к выражению для sx (коэффициент a принимали равным нулю,
флуктуациями )(xs на длине x пренебрегали):
i
sxi
x
i
sxi
x
sx
A
A
)(1
)0(
)(1
2
0
, (3)
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 1
147
где xA средняя амплитуда обратного рассеяния; эффективная дли-
тельность импульса ( = 3 mm);
i
i сумма последующих i-х членов
разложения экспоненты (здесь ограничились i = 4); 02)0( AAxx при
0
i
i . Искомое значение sxy [mm] при x = 5 mm найдем из уравне-
ния
4
4
3
3
2
24
10
6
10
50101
)0(
yyyy
y
sx
. (4)
Зависимость )( css N , типичная для всех исследованных объемов об-
разцов и нагрузок, приведена в [8]. Акустические кривые усталости экспери-
ментально получены для сплавов AlMgSi, серых чугунов, для низко- и
среднелегированных марок сталей [10]. В [8,11] показано, что известная тео-
рия коэффициента рассеяния УЗ-волн [12] может быть использована только
при существенных ограничениях (импульсное прозвучивание, квазистатиче-
ское приближение и т.д.). Обоснование характера поведения акустической
кривой усталости возможно с помощью динамических уравнений эволюции
[1,1316] и последующей доработки теории рассеяния.
В настоящее время выделяются три направления применения метода об-
ратного рассеяния в опытах под нагрузкой:
1. Прогнозирование долговечности и остаточного ресурса образцов и ре-
альных изделий в условиях эксплуатации с помощью акустической кривой
усталости.
2. Определение начала роста микротрещин и построение акустического
аналога кривой роста трещин. В процессе роста микротрещины перед ее
вершиной возникает цепочка субмикротрещин (СМТ), которые раскрывают-
ся и захлопываются в соответствующих полуциклах силового воздействия.
Затем микротрещина необратимо раскрывается путем объединения СМТ
[17]. В работе [10] был предложен метод осцилляций (частота вынужденных
колебаний 50100 Hz) принятого сигнала, возникающего при прозвучивании
образцов поверхностными волнами двумя пьезопреобразователями по схеме
излучательприемник. Построена зависимость относительного изменения
амплитуды осцилляций сигнала от числа циклов при различных нагрузках
[10], которая, по-видимому, является акустическим аналогом известной кри-
вой роста усталостных трещин [18]. Обоснование данного соответствия и
теория этого метода отсутствуют.
3. Оценка уровня остаточных напряжений в изделиях осесимметричной
формы после поверхностной закалки и в условиях эксплуатации. Регресси-
онные кривые )(2.00.2 s , )( sbb , полученные в области Рэлея
( 2D , длина УЗ-волны, D средний диаметр зерна) для всего объе-
ма образцов из углеродистых (0.060.35% C) слаболегированных (содержа-
ние Mn, Si < 0.35%) сталей [6], позволяют указать интервал, в котором лежат
значения компонент деформирующего напряжения i
как интегральной ме-
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 1
148
ры сопротивления деформации: bi 0.2 . В закаленном слое валков
экспериментально (методом многократных отражений на плоскопараллель-
ных темплетах) получено распределение коэффициента затухания УЗ-волн
d по глубине образца (рис. 5.1; 5.2; 5.8; 5.14 [19]). Характер поведения
данного распределения определяется режимом поверхностной закалки: при
числе подогревов свыше трех оно является осциллирующим, так же меняется
и вилка с i . Подобную форму имеет и огибающая рассеянного сигнала (рис.
8.1, 8.13 [19]). Ясно, что такая оценка i как уровня остаточных напряжений
является грубой. Для повышения ее точности необходимо найти строгое вы-
ражение )( sii
.
1. Е.А. Попов, В.С. Иванова, В.Ф. Терентьев, в сб.: Синергетика и усталостное разру-
шение металлов, В.С. Иванова (ред.), Наука, Москва (1989), с. 153.
2. В.М. Левин, Лабораторный малогабаритный акустический микроскоп, Институт
биохимической физики РАН (1999).
3. Методы неразрушающих испытаний, Р. Шарп (ред.), Мир, Москва (1972).
4. J. Koppelmann, B. Fay, Acustica 29, 297 (1973).
5. J. Koppelmann, Materialprufung 9, ¹ 11, 401 (1967).
6. R. Klinman, G.R. Wabster, F.J. March, E.T. Stephenson, Material Evaluation 38,
№ 10, 26 (1980).
7. H. Willems, K. Goebbels, Сharacterization of microstructure by scattered ultrasonic
waves, 10th World Conference on Non-destructive Testing, 1A-30, 39 (1982).
8. В.Л. Бусов, Т.Д. Шермергор, ФТВД 12, № 1, 60 (2002).
9. Д. Даджион, Р. Мерсеро, Цифровая обработка многомерных сигналов, Мир, Моск-
ва (1988).
10. А.А. Рыбник, И.Н. Ермолов, Труды ЦНИИТмаш 165, 42 (1981).
11. В.Л. Бусов , А.Н. Хабаров, ФТВД 12, № 2, 95 (2002).
12. Т.Д. Шермергор, Теория упругости микронеоднородных сред, Наука, Москва
(1977).
13. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Статистическая физика, Ч. 1, Наука, Москва (1976).
14. А.И. Олемской, В.А. Петрунин, Изв. вузов. Физика 30, № 1, 82 (1987).
15. О.М. Градов, Е.А. Попов, в сб.: Синергетика и усталостное разрушение металлов,
В.С. Иванова (ред.), Наука, Москва (1989), с. 138.
16. В.Е. Панин, В.В. Федоров, Р.В. Ромашов и др., там же, с. 29.
17. И.В. Владимиров, Физическая природа разрушения металлов, Металлургия, Моск-
ва (1984).
18. С. Коцаньда, Усталостное растрескивание металлов, Металлургия, Москва (1990).
19. Л. Бусов, Дисс. ... канд. техн. наук, ЦНИИТмаш, Москва (1991).
Физика и техника высоких давлений 2003, том 13, № 1
149
V.L. Busov
AN ULTRASONIC BACKWАRD SCATTERING METHOD
IN EXPERIMENTS UNDER LOAD AND ITS PROSPECTS
An ultrasonic backwаrd scattering method and its ultrasonic test configurations, mathemati-
cal models for backwаrd scattering signal processing, use in industrial fields are presented.
Three possible ways for method using in situ for controlling the specimens and wares at
maintenance conditions are considered.
АКУСТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОБРАТНОГО РАССЕЯНИЯ �В ОПЫТАХ ПОД НАГРУЗКОЙ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО РАЗВИТИЯ
AN ULTRASONIC BACKWАRD SCATTERING METHOD �IN EXPERIMENTS UNDER LOAD AND ITS PROSPECTS
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-167972 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-25T13:06:23Z |
| publishDate | 2003 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бусов, В.Л. 2020-04-18T08:13:33Z 2020-04-18T08:13:33Z 2003 Акустический метод обратного рассеяния в опытах под нагрузкой и перспективы его развития / В.Л. Бусов // Физика и техника высоких давлений. — 2003. — Т. 13, № 1. — С. 145-149. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 62.20.Fe, 62.80.+f https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167972 Рассмотрен акустический метод обратного рассеяния (схема прозвучивания, алгоритмы обработки осциллограмм принятого сигнала), предложено его практическое использование. Кратко описаны три возможных направления применения данного метода контроля образцов и изделий в условиях эксплуатации под нагрузкой. An ultrasonic backwаrd scattering method and its ultrasonic test configurations, mathematical models for backwаrd scattering signal processing, use in industrial fields are presented. Three possible ways for method using in situ for controlling the specimens and wares at maintenance conditions are considered. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Акустический метод обратного рассеяния в опытах под нагрузкой и перспективы его развития Акустичний метод оберненого розсіяння у дослідах при навантаженнях і перспективи його розвитку An ultrasonic backward scattering method in experiments under load and its prospects Article published earlier |
| spellingShingle | Акустический метод обратного рассеяния в опытах под нагрузкой и перспективы его развития Бусов, В.Л. |
| title | Акустический метод обратного рассеяния в опытах под нагрузкой и перспективы его развития |
| title_alt | Акустичний метод оберненого розсіяння у дослідах при навантаженнях і перспективи його розвитку An ultrasonic backward scattering method in experiments under load and its prospects |
| title_full | Акустический метод обратного рассеяния в опытах под нагрузкой и перспективы его развития |
| title_fullStr | Акустический метод обратного рассеяния в опытах под нагрузкой и перспективы его развития |
| title_full_unstemmed | Акустический метод обратного рассеяния в опытах под нагрузкой и перспективы его развития |
| title_short | Акустический метод обратного рассеяния в опытах под нагрузкой и перспективы его развития |
| title_sort | акустический метод обратного рассеяния в опытах под нагрузкой и перспективы его развития |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167972 |
| work_keys_str_mv | AT busovvl akustičeskiimetodobratnogorasseâniâvopytahpodnagruzkoiiperspektivyegorazvitiâ AT busovvl akustičniimetodobernenogorozsíânnâudoslídahprinavantažennâhíperspektiviiogorozvitku AT busovvl anultrasonicbackwardscatteringmethodinexperimentsunderloadanditsprospects |