Физические основы работы и характеристики бесконтактных электромагнитно-акустических преобразователей



В работе исследуются физические свойства работы ЭМА-преобразователей. На основе общего решения задачи излучения для различных типов волн, излучаемых ЭМА-преобразователем, проводится анализ направленных свойств преобразователя в зависимости от различных параметров преобразователя.

Ключевые слова: электромагнитно-акустический преобразователь, диаграмма направленности

ЭМА — электромагнитно-акустический.

Обеспечение безопасности промышленных объектов неразрывно связано с технической диагностикой и неразрушающим контролем. Эта задача решается на многих технических объектах при помощи ультразвуковых приборов как при технологическом, так и при эксплуатационном контроле.

Возбуждение ультразвуковых колебаний в металле при помощи электромагнитно-акустические преобразователей является распространенным методом возбуждения колебаний на производстве. Его главными преимуществом перед конкурентами является способность возбуждения колебаний в объекте контроля при отсутствии контакта между преобразователем и объектом контроля. Также ЭМА-преобразователи способны эффективно возбуждать волны Рэлея и Лэмба. При использовании таких преобразователей возможен контроль объектов, которые имеют высокую температуру. На ряду с перечисленными достоинствами у ЭМА-преобразователей есть ряд недостатков, главным из которых является относительно малое значение коэффициентов преобразования электромагнитных колебаний в энергию акустических волн. Для их устранения необходимо совершенствование конструкций, а также изучение направленных свойств преобразователя.

1. Общее решение задачи излучения для нормальной итангенциальной ориентации магнитной индукции поверхности металла.
   1. Вектор поляризующего поля направлен параллельно кповерхности.

Рассмотрим смещения в волнах для случая, когда вектор поляризующего поля направлен параллельно к поверхности металла. Тогда излучение волн будет происходить под действием вертикальной сосредоточенной силы.

Смещения в продольных волнах будут определяться выражением

(1)

где: i_l↓(θ) — функция направленности продольной волны, излучаемой вертикальной сосредоточенной силой при h = 0.

Формула для смещений в поперечной t_V-волне:

(2)

где: — функция направленности поперечной волны, излучаемой вертикальной сосредоточенной силой.

Для волн Рэлея смещения происходят на поверхности контролируемого изделия при максимуме излучения волны (α = 0).

Формула для смещений в волнах Рэлея будет иметь вид:

(3)

1.2. Вектор поляризующего поля направлен по нормали кповерхности.

Рассмотрим смещения в волнах для случая, когда вектор поляризующего поля направлен по нормали к поверхности металла.

− в продольной волне:

(4)

где — функция направленности продольной волны, излучаемой сосредоточенной силой, параллельной поверхности.

− в поперечной волне:

(5)

где: — функция направленности поперечной волны, излучаемой сосредоточенной силой, параллельной поверхности.

− в рэлеевской волне:

(6)

2. Анализ направленных свойств ЭМА-преобразователя при параллельно направленном векторе поляризующего поля кповерхности.

Рассмотрим изменение характеристики направленности для продольной волны.

Как видно из рисунков 1, 2, главный максимум наблюдается при угле . При малых размерах характеристика направленности имеет вид, практически совпадающий с входящей в формулу (1) функцией направленности продольной волны, излучаемой вертикально сосредоточенной силой при h = 0. С увеличением ширины проводника главный максимум постепенно сужается и начинают формироваться побочные максимумы. Нули характеристики направленности будут определяться множителем вида .

Из рисунка 3 и формулы (1) наблюдается линейная зависимость амплитуды главного максимума от волновых размеров проводника.

Рис. 1. Характеристика направленности продольной волны при

Рис. 2. Характеристика направленности продольной волны при

Рис. 3. Зависимость амплитуды главного максимума характеристики направленности от kl

Рассмотрим изменение характеристики направленности для поперечной волны.

При малых волновых размерах характеристика направленности поперечной волны (рис. 4) имеет вид, близкий к виду функции направленности поперечной волны.

С увеличением волновых размеров, появляются дополнительные максимумы (рис. 5), амплитуда которых практически совпадает с амплитудой главных максимумов. При этом амплитуда главных максимумов уменьшается, а амплитуда боковых лепестков увеличивается. Таким образом число дополнительных максимумов увеличивается как «снаружи», так и «внутри» характеристики направленности.

Также с увеличением волновых размеров преобразователя происходит уменьшение ширины главных максимумов.

Рис. 4. Характеристика направленности поперечной волны при

Рис. 5. Характеристика направленности поперечной волны при

3. Анализ направленных свойств ЭМА-преобразователей при горизонтальной ориентации вектора поляризующего поля кповерхности.

При малых значениях kl (рис. 6) характеристика направленности смещений в продольной волне имеет всего два лепестка. С увеличением значения kl ширина лепестков уменьшается, а амплитуда смещений увеличивается. При достижении определенного значения волнового размера начинают появляться боковые лепестки (рис. 7).

Также стоит отметить, что максимальная амплитуда смещений в продольной волне не превышает определенного значения, которое определяется плотностью тока j, индукцией поляризующего поля B₀ и площадью проводника.

Рис. 6. Характеристика направленности продольной волны при

Рис. 7. Характеристика направленности продольной волны при

Характеристика направленности смещений в поперечной волне при малых значениях kl имеет два боковых лепестка, уровень которых во много меньше максимума. Главный максимум имеет падение амплитуды по центру и два участка с большей амплитудой по бокам. При увеличении kl амплитуда на участке θ = 0 начинает линейно увеличиваться (рис. 8), и постепенно формируется центральный максимум с более низкими по амплитуде боковыми лепестками. Так как в формуле (5) имеется множитель вида , то нули характеристики направленности будут наблюдаться при , где

Также с увеличением kl происходит сужение главного максимума, и появляются новые боковые лепестки. При этом амплитуда боковых лепестков изменяется так, что с увеличением волнового размера появляются лепестки, имеющие равную амплитуду (рис. 9).

Рис. 8. Характеристика направленности поперечной волны при

Рис. 9. Характеристика направленности поперечной волны при

Рис. 10. Зависимость амплитуды главного максимума характеристики направленности от kl

Характеристика направленности смещений волн Рэлея будет такой же, как и при параллельно направленном векторе поляризующего поля. Она не будет зависеть от углов, а ее амплитуда будет изменяться в зависимости от площади ленты ЭМА-преобразователя и значения множителя (рис 11).

Рис. 11. Зависимость амплитуды волны Рэлея от kl

Единственное отличие будет в амплитуде смещений. У волны, возбуждаемой при вертикальной ориентации вектора поляризующего поля максимум амплитуды будет в два раза больше, чем у волны, возбуждаемой при параллельной ориентации вектора B₀ к поверхности металла (рис. 12).

Рис. 13. Смещения в волнах Рэлея при равных волновых размерах ЭМА-преобразователя при а) тангенциальной ориентации вектора B_0; б) нормальной ориентации вектора B₀

Из рисунка 14 видно, что продольная волна, излучаемая вертикально сосредоточенной силой, имеет большую направленность и амплитуду смещений. Характеристика направленности продольной волны, излучаемой сосредоточенной силой, параллельной к поверхности, имеет меньшую амплитуду.

Рис. 14. ДН смещений при: 1) тангенциальной ориентации вектора B0; 2) нормальной ориентации вектора B0; 3) сравнение амплитуд. а) продольная волна; б) поперечная волна

Таким образом при равных параметрах преобразователя продольная волна обладает большей направленностью, что способствует уменьшению помех. В связи с этим при выборе преобразователя для проведения контроля следует отдать большее предпочтение ЭМА-преобразователю, возбуждающему продольные волны.

Заключение.

В работе было приведено общее решение задачи излучения упругих волн электродинамическим методом и проведен анализ диаграмм направленности, по результатам которых можно утверждать, что при различной ориентации вектора поляризующего поля эффективно возбуждаются либо продольная, либо поперечная волны.

Установлены зависимости направленных свойств преобразователя от волновых размеров преобразователя. Показано, что увеличение волновых размеров преобразователя приводит к увеличению амплитуды главного максимума продольной и поперечной волны, а также к появлению дополнительных лепестков в диаграммах направленности возбуждаемых волн.

Литература:

1. Буденков Г. А., Недзведская О. В. Динамические задачи теории упругости в приложении к проблемам акустического контроля и диагностики. — М.: Издательство физико-математической литературы, 2004. — 136 с.
2. Сучков Г. М. Повышение чувствительности ЭМА приборов / Г. М. Сучков, А. В. Донченко, А. В. Десятниченко и др. // Дефектоскопия. 2008. № 2. С. 15–22.
3. Алешин Н. П., Лупачев В. Г. Ультразвуковая дефектоскопия Справ. пособие. // Мн.: Высш. шк., 1987. — 271 с.