Цель: совершенствование существующих и разработка новых средств неразрушающего акустического контроля на основе исследования полей упругих волн в металлах. Для достижения этой цели требуется решить такие задачи: 1) получить качественные и количественные данные о структуре полей излучения пьезоэлектрических (ПЭП) и электромагнитоакустических (ЭМАП) преобразователей с прямым и наклонным вводом в ближней и переходной зонах дифракции, а также полей эхо-сигналов для преобразователей с разной формой апертуры при использовании импульсных сигналов разной длительности; 2) получить данные о величине погрешностей измерения эквивалентных размеров дефектов и о важнейших факторах, влияющих на точность измерения; 3) применить полученные данные на стадии разработки и проектирования средств акустического контроля. Для решения этих задач следует: разработать способы расчёта пространственной структуры полей излучения и полей эхо-сигналов, провести расчёты и проанализировать их результаты; разработать метод теоретического оценивания величины погрешностей измерения эквивалентных размеров дефектов и провести экспериментальную проверку. Содержание. ВВЕДЕНИЕ 6 РАЗДЕЛ 1. АНАЛИЗ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 12 1.1. Анализ функциональных возможностей некоторых современных средств ультразвукового неразрушающего контроля 12 1.2. Известные методы расчёта пространственной структуры ультразвуковых сигналов 15 1.3. Постановка задач исследования 28 РАЗДЕЛ 2. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЁТА ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУД СИГНАЛОВ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 31 2.1. Анализ точных и приближённых подходов к решению задачи расчёта полей ультразвуковых сигналов 32 2. 2. Вывод и обоснование основных расчётных соотношений 46 2.2.1. Вывод общих формул для полей продольных и сдвиговых волн различной поляризации в задаче Лэмба 47 2.2.2. Способы расчёта упругих волн в ближней и промежуточной зоне…………………………………. 49 2.2.3. Расчётные соотношения для дальней зоны 56 2.3. Сопоставление двух альтернативных математических моделей, аппроксимирующих процесс излучения упругих волн пьезопреобразователями 58 РАЗДЕЛ 3. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ПОЛЕЙ ИЗЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 61 3.1. Анализ структуры поля излучения прямого пьезоэлектрического преобразователя продольных волн при тональном и импульсном возбуждении 61 3.2. Расчёт поля излучения наклонного преобразователя 64 3.3.1. Постановка задачи и обсуждение способов её решения 64 3.2.1. Вывод основных соотношений 67 3.2.2. Примеры расчёта и анализ пространственной структуры поля излучения наклонного преобразователя 73 3.3. Анализ полей излучения электромагнитоакустических преобразователей (ЭМАП) 75 3.3.1. Вывод расчётных соотношений 77 3.3.2. Структура объёмного источника, порождаемого вихретоковой компонентой 81 3.3.3. Анализ пространственной структуры поля упругих волн, излучаемых одиночным элементом с током 87 3.3.4. Анализ пространственной структуры полей ЭМАП с многовитковыми индукторами 90 РАЗДЕЛ 4. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ПОЛЕЙ ЭХО- СИГНАЛОВ 99 4.1. Исследование донных эхо-сигналов в зависимости от формы апертуры и длительности зондирующих импульсов 99 4.2. Исследование полей эхо-сигналов от стандартных отражателей для преобразователей различной формы и структуры (прямые ПЭП) 102 4.2.1. Вывод расчётных соотношений для поля эхо-сигнала 103 4.2.2. Анализ пространственной и временной структуры полей эхо-сигналов 107 РАЗДЕЛ 5. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СРЕДСТВ АКУСТИЧЕСКОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ 122 5.1. Теоретические и экспериментальные исследования точности определения эквивалентного диаметра дефекта прямыми ПЭП на основе АР Д-диаграмм 122 5.1.1. Оценка погрешностей определения эквивалентного диаметра дефекта на основе исследования дифференциальных свойств АРД-поверхности.. 122 5.1.2. Экспериментальное исследование погрешностей измерения эквивалентного диаметра дефекта 130 5.2. Применение предложенных способов измерения эквивалентного диаметра в цифровых дефектоскопах УД2-70 и УДЗ-71 135 5.2.1. Измерение эквивалентного диаметра дефекта прямыми ПЭП 135 5.2.2. Измерение эквивалентного диаметра дефекта наклонными ПЭП... 136 5.3. Разработка установки для автоматизированного контроля вагонных колёс в процессе производства 140 5.3.1. Назначение установки и научно-технические проблемы, сопутствовавшие её разработке 140 5.3.2 Разработка широкозахватного датчика для автоматизированного ультразвукового контроля изделий. Экспериментальные исследования пространственной структуры поля эхо-сигналов 142 5.3.3. Экспериментальная апробация установки для неразрушающего контроля вагонных колёс и опыт эксплуатации в процессе производства 144 ВЫВОДЫ 147 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 151 Приложение А. Сравнительные данные дефектоскопов индивидуального использования 163 Приложение Б. Вывод соотношений для расчёта полей излучения прямых ПЭП 165 Б.1. Вывод формул для расчёта смещений в поле распределённого источника 165 Б.2. Вывод точных и асимптотических формул для случая круглой апертуры с равномерным распределением 167 Б.З. Вывод асимптотических формул для поля в дальней зоне в случае апертуры произвольной формы 175 Приложение В. Примеры численных расчётов для сопоставления двух моделей, аппроксимирующих пьезоэлектрический излучатель 178 Приложение Г. Пространственная и временная структура сигналов, излучаемых прямыми ПЭП 180 Приложение Д. Расчёты поля наклонного призматического пьезопреобразователя 189 Д. 1. Прямой расчёт пространственных спектров в задаче о поле наклонного ПЭП 189 Д. 2. Результаты численного расчёта поля наклонного ПЭП 194 Приложение Е. Расчётные соотношения для исследования донных сигналов 203 Приложение Ж. Результаты численных расчётов пространственной структуры полей эхо-сигналов 207 Приложение 3. Экспериментальное исследование точности измерения эквивалентного диаметра дефекта 217 Приложение И. Установка для контроля вагонных колёс 222 И. 1. Функциональные узлы и конструкция 222 И.2. Экспериментальные исследования широкозахватного преобразователя 223 И.3. Экспериментальная проверка работы установки для контроля вагонных колёс 225 Приложение К. Акт внедрения системы автоматизированного ультразвукового контроля железнодорожных колес 226