Математическое моделирование процессов распространения акустических волн в структурно-неоднородных средах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.06, кандидат физико-математических наук Иванов, Андрей Николаевич

• Иванов, Андрей Николаевич
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Иванов, Андрей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР АНАЛИТИЧЕСКИХ И ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ

РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ * ,,

КОЛЕБАНИЙ В СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ.

1Л. Слоистые среды.

1.2. Структурно-неоднородные среды.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ

РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ О РАСПРОСТРАНЕНИИ АКУСТИЧЕСКИХ

КОЛЕБАНИЙ В СТРУКТУРНО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ.40

2.1. Приближение слоистой среды.40*

2.2. Структурно-неоднородная среда.

Твердые включения в изотропной среде.

2.3. Поликристаллическая среда.

2.4. Анализ распространения волн в структурно-неоднородных средах ограниченных размеров.

2.5. Учет обратного рассеяния.

2.6. Анализ результирующего сигнала по интегральным оценкам скорости распространения акустических волн (усреднение скорости по толщине образца и усреднение сигнала по площади приемного преобразователя).

• 2.1. Спектральные характеристики сигналов.

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ПОСТРОЕННЫХ МОДЕЛЕЙ

3.1. Влияние структурной неоднородности на формирование акустических спектральных линий плоскопараллельного образца.

3.2. Стационарные колебания тел ограниченных размеров.

Анализ амплитудно-частотного спектра.

3.3. Влияние статистических характеристик распределения неоднородностей по размерам и ориентации на параметры акустических спектральных линий плоскопараллельных образцов.

3.4. Анализ акустических спектральных линий образцов при наличии структурной неоднородности. 85^

3.5. Влияние неоднородности на характер огибающих ACJI переотраженных УЗ импульсов.

ГЛАВА 4. СОПОСТАВЛЕНИЕ МОДЕЛЬНЫХ ОЦЕНОК

С ЭКСПЕРИМЕНТОМ.

4.1. Структурно-однородные среды.

4.2. Структурно-неоднородные среды.

4.3. Влияние термомеханической обработки структурно-неоднородных * материалов на параметры распространения акустических волн. Анализ изменений временных и спектральных характеристик сигнала.

4.4. Экспериментальные данные АСЛ для различных образцов из одного и того же материала (Д16Т).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование процессов распространения акустических волн в структурно-неоднородных средах»

Актуальность темы

В настоящее время возросли требования к качеству материалов, используемых в различных отраслях промышленности. В связи с этим возросла потребность и в их диагностике методами неразрушающего контроля, в частности акустическими методами.

Большинство конструкционных материалов носят преимущественно не„-однородных характер, так как они дешевы в производстве и обладают, как правило, нужными свойствами не только для научных исследований и производства, но и для товаров бытового пользования. В готовом изделии нас, как правило, интересует «целостность» его структуры, то есть отсутствие в нём трещин, инородных включений, каверн, приводящих к быстрому износу и разрушению; к таким видам товаров относятся, например, конструкционные материалы, применяемые как в технике, так и в строительстве.

Одним из эффективных способов обнаружения указанных дефектов (не-однородностей) является ультразвуковая дефектоскопия. Однако наличие сложных физических процессов при распространении ультразвука в неоднородных материалах ограничивает возможность создания математической модели в идеале.

Цель работы

Разработка моделей и алгоритмов решения задач распространения акустических колебаний в структурно-неоднородных средах.

Решаемые задачи

В процессе выполнения диссертационной работы были поставлены следующие задачи:

1. Сделать обзор аналитических и численных методов решения задачи распространения акустических колебаний в структурно-неоднородных средах.

2. Разработать модели и алгоритмы решения задач распространения акустических колебаний в структурно-неоднородных средах:

Заключение диссертации по теме «Акустика», Иванов, Андрей Николаевич

Основные результаты работы:

1. Проведены теоретические исследования особенностей распространения акустических волн в структурно-неоднородных средах.

2. Выявлены не только особенности структурно-неоднородных образцов - формирование тонкой структуры акустических спектральных линий, проявляющееся в виде «шумовых наложений» на основной сигнал, но и основные причины возникновения эффекта «тонкой структуры» акустических спектральных линий при реализации резонансного метода.

3. Проведены экспериментальные исследования параметров акустических спектральных линий на образцах сталей (СтЗ, Ст20, Ст45, Х18Н10Т, 40X13), сплава Д16Т и аморфных материалах (стекло марки К8, плавленый кварц, оргстекло).

4. Полученные результаты показывают, что параметры тонкой структуры гораздо более чувствительны к режимам термообработки, чем величина коэффициента затухания ультразвуковых колебаний.

5. Установлено, что вследствие термообработки на низких частотах структурные изменения материала приводят к увеличению «шумовой» составляющей и подавлению сателлитов АСЛ. Причем по мере «старения» или гомогенизации материала наблюдается уменьшение параметра АСЛ (амплитуда ближайшей АСЛ) и происходит формирование сателлитов. На высоких частотах происходят значительные изменения формы самой АСЛ.

6. Предложена математическая модель представления структуры АСЛ, с учетом обратного рассеяния как результата однократного и многократного переотражений.

7. Посредством системы компьютерной математики МаНаЬ получены численные решения задачи распространения акустических волн в структурно-неоднородных средах, хорошо согласующихся с экспериментальными данными.

-1148. Разработано программное обеспечение для моделирования структуры неоднородного образца и изучения особенностей распространения в них акустических волн на основе исследования АСЛ. Акт о внедрении компьютерной программы А8Ь прилагается (см. прил. 2).

9. Разработано алгоритмическое решение задачи о распространении ультразвуковой волны в структурно-неоднородной среде, ч 10. На основе обобщения полученных результатов представлены рекомендации по разработке и изготовлению СО структуры и механически^ свойств: для изготовления СО необходимо применять либо стеклянные образцы, либо металлические, подвергшиеся термообработке.

11. Произведена оценка влияния структурной неоднородности на точ-. ность измерения акустических характеристик сред.

12. Проведены исследования на предмет влияния статистических характеристик распространения неоднородностей в зависимости от размеров и ориентации на параметры акустических спектральных линий плоскопараГ-лельных образцов на основе численного решения задачи о распространении акустических волн.

113 — ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Иванов, Андрей Николаевич, 2008 год

1. Акимов, В. В. Применение ультразвукового резонансного метода для определения упругих и пластических характеристик сплавов ТЮ -Текст. / В. В. Акимов, Н. А. Иванов // Прикладная механика и техническая физика. 2002. - Т. 43. - №2. - С. 203-207.

2. Акустика дна океана Текст. / Е. М. Ховем [и др.]; под ред. У. Купермана и Ф. Енсена. М. : Изд-во «Мир», 1984. - 454 с. : ил.

3. Алешин, Н. П. Ультразвуковая дефектоскопия Текст. : справ, пособие / Н. П. Алешин, В. Г. Лупачев. Мн. : Высш. шк., 1987. - 271 с. : ил.

4. Архипов, В. И. Исследование прохождения ультразвукового импульса через слой жидкости Текст. / В. И. Архипов, А. И. Кондратьев // Дефектоскопия. 1994.-№ 1. - С. 21-25.

5. Архипов В. И. О качестве образцов для ультразвуковых измерений Текст. / В. И. Архипов, А. И. Кондратьев // Дефектоскопия. 1991. — № 10. — С. 41-49.

6. Батанова, Н. Л. Отражение и преломление поверхностных волн на периодической доменной структуре Текст. / Н. Л. Батанова [и др.] // Акустический журнал. 2004. - Т. 50. - №5. - С. 585-589.

7. Березин, Ю. А. Продольные волны в сыпучих средах Текст. / Ю. А. Березин, Л. А. Сподарева // Прикладная механика и техническая физика.-2001.-Т. 42.-№2.-С. 148-152.

8. Березин, Ю. А. Распространение акустических сигналов в грунтах Текст. / Ю. А. Березин, Л. А. Сподарева // Прикладная механика и техническая физика. 2001. - Т. 42. - №4. - С. 177-183.

9. Бреховских, Л. М. Волны в слоистых средах Текст. / Л. М. Бреховскш;-. -М. : Изд-во «Наука», 1973. 343 с.

10. Викторов, И. А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике Текст. / И. А. Викторов. — М. : Изд-во «Наука», 1966.- 163 с.-11611. Гензель, Г. С. Основы акустики Текст. / Г. С. Гензель,

11. A. М. Заездный. М. : Изд-во «Морской транспорт», 1952. — 386 с.

12. Гусенкова, А. А. Метод потенциальных функций в задачах теории упругости для тел с дефектом Текст. / А. А. Гусенкова // Прикладная математика и механика. 2002. - Т. 66. - Вып. 3. - С. 470-480.

13. Данилов, В. Н. К оценке уровня структурных помех с учетом повторного рэлеевского рассеяния упругих волн Текст. / В. Н. Данилов // Дефектоскопия. 1989. -№ 5. - С. 79-83.

14. Данилов, В. Н. К расчету коэффициента затухания упругих волн прирассеянии в поликристаллических средах Текст. / В. Н. Данилов // Дефектоскопия. 1989. -№8. - С. 18-23.

15. Данилов, В. Н. Рассеяние продольных волн на совокупности малых сферических неоднородностей Текст. / В. Н. Данилов, B.C. Ямщиков // Дефектоскопия. — 1984. — № 5.

16. Дымкин, Г. Я. Физические основы ультразвуковой дефектоскопии Текст. : учеб. пособие / Г. Я. Дымкин, С. Р. Цомук. СПб. : Изд-во ПГУПС, 1997.- 102 с. : ил.

17. Ермолов, И. Н. Неразрушающий контроль Текст. : практ. пособие /• И. Н. Ермолов, Н. П. Алешин, И. А. Потапов; под ред. В. В. Сухорукова. -М. : Высш. шк., 1991. 283 с. : ил.

18. Ермолов, И. Н. Теория и практика ультразвукового контроля Текст. / И. Н. Ермолов. М. : Машиностроение, 1981. - 240 е., ил.

19. Ерофеев, В. И. Волновые процессы в твердых телах с микроструктурой Текст. / В. И. Ерофеев. М. : Изд-во МГУ, 1999. - 328 с. : ил. • ■

20. Зайцев, В. Ю. Уравнение состояния микронеоднородных сред и час- ' тотная зависимость их упругой нелинейности Текст. / В. Ю. Зайцев,

21. B. Е. Назаров, И. Ю. Беляева // Акустический журнал. — 2001. Т. 47. - №2.1. С. 220-226.

22. Зверев, В. А. Измерение параметров трассы распространения импульса в среде с помехами, дисперсией и селективным поглощением Текст. /- 117В. А. Зверев, Н. Е. Никитина // Акустический журнал. 2006. - Т. 52. —№4. -. с. 480-484.

23. С.-Петерб. ун-та, 2007. С. 194-207.

24. Иванов, А. Н. Численное моделирование процесса формирования акустических спектральных линий в структурно-неоднородных образцах

25. Исакович, М. А. Общая акустика Текст. : учеб. пособие /

26. М. А. Исаакович. М. : Изд-во «Наука», 1973. — 496 с. : ил.

27. Исимару, А. Распространение и рассеяние волн в структурно-неоднородных средах Текст. : в 2 т. / А. Исимару. 2001.

28. Т. 1 : Теория однократного рассеяния и теория переноса излучения. — 280 с.

29. Т. 2 : Теория многократного рассеяния. 317 с.

30. Клюев, В. В. Неразрушающий контроль и диагностика Текст. : справочник / В. В. Клюев. — М. : Машиностроение, 1995. 331 с.

31. Кляцкин, В. И. Стохастические уравнения глазами физика (Основные положения, точные результаты и асимптотическое приближение) Текст. 1 В. И. Кляцкин. М. : ФИЗМАТЛИТ, 2001. - 528 с.

32. Кляцкин, В. И. Статистический анализ векторно-фазовых характери-4 стик акустических полей и алгоритмы их регистрации Текст. / В. И. Клячкин

33. Акустический журнал. 2004. - Т. 50. -№4. - С. 516-523.

34. Кобелев, Ю. А. К вопросу определения параметров микрочастиц в жидкости, ответственных за монопольное рассеяние звука Текст. / Ю. А. Кобелев // Акустический журнал. 2004. - Т. 50. -№6. - С. 808-812.

35. Кондратьев, А. И. Влияние термообработки на акустические характеристики материалов Текст. / А. И. Кондратьев, А. Н. Иванов, С. Н. Химухин // Дефектоскопия. 2006. - № 3. - С. 28-36.

36. Кондратьев, А. И. Измерение параметров распространения акустиче-с ских волн резонансным методом на межпиковых частотах Текст. /

37. А. И. Кондратьев, Ю. М. Криницын // Автометрия. 2000. - № 1. - С. 41-49.

38. Кондратьев, А. И. Исследование процессов распространения ультразвуковой волны в структурно-неоднородной среде Текст. / А. И. Кондратьев,

39. А. Н. Иванов // Приборостроение, 2007. Т. 50. - № 9. - С. 45-52.

40. Кондратьев, А. И. О тонкой структуре акустических спектральных линий Текст. / А. И. Кондратьев, М. А. Березюк // Бюллетень научных сообщений №5. Хабаровск : Изд-во ДВГУПС. - 2000. - С. 26-29.

41. Кондратьев, А. И. Прецизионные измерения скорости и затухания ультразвука в твердых телах Текст. / А. И. Кондратьев // Акустический журнал. 1990. - Т. 36. - № 3. - С. 470-476.

42. Кондратьев, А. И. Прецизионные методы и средства измерения акустических величин твердых сред Текст. : монография в 2 ч. / А. И. Кондратьев. Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2006.

43. Ч. 1 : Методы возбуждения и приема ультразвуковых колебаний. 152 с.

44. Кондратьев, А. И. Разработка и создание прецизионных методов и средств измерения акустических величин твердых сред Текст. / А. И. Кондратьев // Автореферат на соиск. ученой степени д-ра техн. наук. — Владивосток : ТОЙ ДВО РАН, 1998. - 41 с.

45. Копыл, Е. А. Об угловой зависимости коэффициента рассеяния звука на анизотропных объемных неоднородностях океана Текст. / Е. А. Копыл, Ю. П. Лысанов // Акустический журнал. 2004. - Т. 50. - №5. - С. 671-675.

46. Коряченко, В. Д. Статистическая обработка сигналов дефектоскопа с целью увеличения отношения сигнал/шум при реверберационных помехах структуры Текст. / В. Д. Коряченко // Дефектоскопия. 1975. - № 1. — С. 87-95.

47. Крауткремер, Й. Ультразвуковой контроль материалов Текст. : справ, изд. / Й. Крауткремер, Г. Крауткремер. М. : Металлургия, 1991. - 752 с.

48. Лобур, М. В. Об определении фазы плоской звуковой волны при ее прохождении через слой Текст. / М. В. Лобур, Я. П. Кособуцкий // Акуст1г• ческий журнал. -2004. -Т. 50.-№5.-С. 710-711.

49. Марков, М. Г. Распространение упругих продольных волн в насыщенной пористой среде со сферическими неоднородностями Текст. / М. Г. Марков // Акустический журнал. 2005. - Т. 51. - С. 132-139.

50. Меркулов, Л. Г. Исследование рассеяния ультразвука в металлах

51. Текст. / Л. Г. Меркулов // Журнал технической физики. 1956. - Т. 26. — Вып. 1.-С. 64-75.

52. Меркулов, Л. Г. Поглощение и диффузное рассеяние ультразвука в металлах Текст. / Л. Г. Меркулов // Журнал технической физики. 1957. — Т. 27. - Вып. 5. - С. 1045-1050.

53. Меркулов, Л. Г. Применение ультразвука для исследования структуры сталей Текст. / Л. Г. Меркулов // Журнал технической физики. — 1957. — Т. 27.-Вып. 6.-С. 1386-1391.л

54. Меркулов Л. Г. Физические основы спектрального метода измерения затухания ультразвуковых волн в материалах Текст. / Л. Г. Меркулов, В. А. Токарев // Дефектоскопия. 1970. - №4. - С. 3 - 11.

55. Меркулова, В. М. Акустические свойства некоторых твердых гетерогенных сред на ультразвуковых частотах Текст. / В. М. Меркулова // Акустический журнал. 1965 .—Т. 11, — № 1. — С. 68-73.

56. Методы акустического контроля металлов Текст. / Н. П. Алешин [ц др.]; под ред. Н. П. Алешина. М. : Машиностроение, 1989. - 456 е.; ил.

57. Михайлов, И. Г. Основы молекулярной акустики Текст. / ч И. Г. Михайлов, В. А. Соловьев, Ю. П. Сырников. М. : Изд-во «Наука»,1964. — 516 с. : ил.- 12261. Мэзон, У. Физическая акустика твердого тела Текст. : в 2 т. / У. Мэзон. М. : МИР, 1968.

58. Т. 2 : Физическая акустика твердого тела. — С. 256 — 287.

59. Наугольных, К. А. Распространение нелинейной звуковой волны в неконсолидированной гранулированной среде Текст. / К. А. Наугольных, И. Б. Есипов // Акустический журнал. 2005. - Т. 51. - №6. - С. 822-828.

60. Остросаблин, Н. И. Упругий анизотропный материал с чисто продольными и поперечными волнами Текст. / Н. И. Остросаблин // Прикладная механика и техническая физика. 2003. - Т. 44. — №2. — С. 143-151.

61. Поверхностные акустические волны Текст. : монография / А. А. Олинер [и др.]; под ред. А. А. Олинера. М. : Изд-во «Мир», 1981. -391 с. : ил.

62. Потапов, А. И. Экспериментальное исследование волн деформации в материалах с микроструктурой Текст. / А. И. Потапов, В. М. Родюшкин // Акустический журнал. 2001. - Т. 47. - №3. - С. 407-412.

63. Ржевкин, С. Н. Курс лекций по теории звука Текст. / С. Н. Ржевкин. — М. : Изд-во МГУ, 1960. 308 с. : ил.

64. Руденко, О. В. Теоретические основы нелинейной акустики Текст.4/ О. В. Руденко, С. И. Солуян. М. : Изд-во «Наука», 1975. - 288 с. : ил.

65. Скучик, Е. Основы акустики Текст. В 2 т. / Е. Скучик. М. : Изд-во «Наука», 1976.

66. Т. 1 : Волны в однородных средах. 520 с.

67. Усов, А. А. Дисперсия упругих волн в композиционных материалах Текст. / А. А. Усов, Ф. Г. Фокин, Т. Д. Шермергор // Сб. науч. трудов по проблемам микроэлектроники. М. : Ин-т. электронной техники, 1969. — С. 118-131.

68. Фокина, М. С. Отражение плоских волн от упругой слоистой среды: резонансный подход и численное моделирование Текст. / М. С. Фокина, В. Н. Фокин // Акустический журнал. 2000. - Т. 46. -№5. - С. 690-697.

69. Цветянский, В. JI. О прохождении ультразвуковых колебаний через контактный слой при акустических исследованиях твердых тел Текст. /

70. B. JL Цветянский // Акустический журнал. 1981. - Т. 27. - № 4.1. C. 610-615.

71. Чередник, В. И. Дифракционные искажения поверхностных акустических волн в кристаллах Текст. / В. И. Чередник, М. Ю. Двоешерстов // Акустический журнал. 2005. - Т. 51. - №4. - С. 550-557.

72. Шермергор, Т. Д. Теория упругости микронеоднородных сред Текст. / Т. Д. Шермергор. М. : Изд-во «Наука», 1977. - 400 с. : ил.

73. Щевьев, Ю. П. Акустические свойства неоднородных и комбинированных строительных материалов Текст. / Ю. П. Щевьев. — М. : Стройиздат, 1980.- 140 с. : ил.