Введение к работе
Актуальность темы. Волны в упругих волноводах исследуются уже более 125 лет, однако строгая теория распространения существует лишь для волноводов круглого сечения. Волноводные акустические колебания применяются в различных областях, таких как акустоэлектроника (фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), линии задержки, генераторы), фильтры для сотовых систем связи, радиоидентификация с использованием устройств на ПАВ, и, конечно, акустический неразрушающий контроль относительно тонкостенных изделий.
Исследовательские работы по волноводным колебаниям и поверхностным волнам проводились Рэлеем Дж. Стр., Лэмбом Г., Похгаммером Л., Кри К., Викторовым И.А, Мелешко В.В., Ермоловым И.Н., Роузом Дж. Л., Коули П., Никифоровым Л.А., Миндлином Р.Д и многими другими.
Развитие теории волноводного распространения акустических колебаний в твёрдых телах дало толчок к широкому распространению ультразвуковых методов контроля на основе поверхностных волн и волноводных колебаний. Экспресс контроль трубопроводов различного назначения, в том числе лежащих под землёй, контроль железнодорожных рельсов и деталей подвижного состава ж/д транспорта - одни из новых областей применения упругих волноводных колебаний, применение которых здесь может дать решающий выигрыш в скорости контроля за счёт отсутствия необходимости в сканировании объекта. Особенно это актуально на железнодорожном транспорте, где увеличение скорости движения подвижного состава, замена старых рельсов на основных ветках пути и введение в строй новых линий, предназначенных для движения высокоскоростных поездов, требует совершенствования входного неразрушающего контроля. А в процессе эксплуатации для обеспечения безопасности движения необходим периодический контроль железнодорожного полотна, самым подверженным нагрузкам и разрушениям элементом которого являются рельсы.
Контроль рельсов, в основном, проводят с помощью магнитных и ультразвуковых методов. Магнитные методы используют для поиска несплошностей вблизи поверхности, в основном в головке рельса. Ультразвуковые методы используют для контроля всех
областей рельса, в том числе сварных стыков. В то время, как рельсовые плети контролируют съёмными и мобильными средствами, скорость которых достигает 4 — 80 км/ч, сварные стыки подвергаются контролю лишь с помощью переносного дефектоскопа методом сканирования сечения рельса ультразвуковыми преобразователями. Это неизбежно приводит к длительному простою контролируемого участка пути, к тому же значительное влияние на результаты контроля оказывает субъективность оценки результатов человеком и квалификация оператора.
Длительное отсутствие качественных сдвигов в положительную сторону в области контроля сварных стыков рельсов говорит о необходимости исследований в данном направлении.
Таким образом, объектом исследования является волновод, имеющий непараллельные границы. Предметом исследования будут акустические волны, распространяющиеся в таких волноводах, их возбуждение и дифракция.
Цель работы и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка акустического метода контроля объектов с непараллельными границами, в частности сварных стыков рельсов в области перьев, с использованием упругих волноводных колебаний для повышения скорости контроля и его автоматизации.
Для достижения этой цели представляется необходимым решение следующих задач исследования:
Разработка модели и исследование возбуждения и распространения упругих волн в волноводах с непараллельными границами.
Разработка метода ультразвукового контроля объектов непрямоугольного сечения с использованием упругих волноводных колебаний.
Выявление характера влияния параметров несплошности в акустическом волноводе на амплитуду сигнала, отражённого от этой несплошности.
Экспериментальное исследование распространения упругих волноводных колебаний в объектах различного сечения.
Разработка критериев построения полуавтоматической системы ультразвукового неразрушающего контроля сварных стыков рельсов.
Новые научные результаты.
Разработана теоретическая модель возбуждения и распространения упругих волноводных колебаний в объектах трапецеидального сечения, причём направление распространения волны - вдоль образующей объекта.
Разработан метод контроля объектов трапецеидального сечения с помощью упругих волноводных колебаний.
Выявлен характер влияния параметров несплошности на амплитуду отражённого сигнала в акустических волноводах трапецеидального сечения.
Разработаны критерии построения системы акустического контроля с использованием упругих волноводных колебаний.
Основные положения, выносимые на защиту.
Теоретическая модель возбуждения и распространения упругих волноводных колебаний, учитывающая трапецеидальную форму акустического волновода.
Метод ультразвукового контроля объектов трапецеидального сечения с использованием в качестве параметра, несущего информацию, амплитуды акустического сигнала.
Критерии выбора параметров системы контроля с использованием волноводных акустических колебаний в объектах сложной формы.
Внедрение результатов работы.
Полученные в работе результаты позволили повысить качество проектирования и сократить затраты на проведение опытно-конструкторских работ и натурных испытаний при разработке новых образцов аппаратуры в ООО «Акустика», г. Таганрог (акт внедрения от 5.03.2011).
Результаты работы были внедрены в учебный процесс на каф. ЭГАиМТ ТТИ ЮФУ, что подтверждается соответствующим актом.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях:
V ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН, 2009.
Конференциях профессорско-преподавательского состава кафедр ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, 2010, 2011.
Международной научно-практической конференции
«Современные направления теоретических и прикладных исследований 2011».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах из перечня ВАК, 1 статья в сборнике трудов Международной научно-практической конференции, 1 статья в другом издании.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 101 наименование, приложения. Работа содержит 106 страниц машинописного текста, включающего 58 рисунков, 2 таблицы.
