Дистанционная диагностика материалов с микро- и наномасштабными дефектами методом сканирующей лазерной виброметрии (1102640), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Общий объем работы 178 страництекста, в том числе 88 рисунков, 2 таблицы и список цитируемой литературы из144 наименований.Личный вклад автораВсе изложенные в диссертационной работе оригинальные результатыполучены автором лично, либо при его непосредственном участии.7СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИЧасть А посвящена исследованию и диагностике тонких твердотельныхпластин.В первой главе проведен краткий обзор существующих методовакустической диагностики объектов с дефектами. Рассматриваются основныемеханизмы акустической нелинейности и модели сред со структурнойнелинейностью.Проведенобзорработ,демонстрирующихвозможностиакустических способов отслеживания микроструктурных изменений твердыхтел.
Рассматривается теория распространения волн Лэмба в твердотельныхпластинах.Также в этой главе приводятся оригинальные материалы по расчетулокальной нелинейности при вершине трещины в зависимости от размераобласти усреднения. Показано, что максимальное значение акустическогопараметра нелинейности Г принимает при вершине излучающей трещины:⎛l ⎞⎟Γ = Γ0 ⎜⎜1 + 2r0 ⎟⎠⎝2здесь 2l - длина трещины, r0 - радиус кривизны ее края. Если длина трещины 1мм, а радиус кривизны – 1 нм (порядка нескольких межатомных расстояний), токоэффициент усиления G ~ 10 3 . Это означает, что сравнительно слабыеакустические колебания в окрестности трещины могут усилиться настолько, чтонелинейные эффекты (это, прежде всего, генерация высших гармоник) станутвесьма заметными.Рассчитанаобъемнаянелинейностьтвердоготела,содержащегосферические полости в зависимости от их концентрации. Показано, что оназависит от доли объема среды, занимаемого полостями и коэффициентаПуассона σ:⎡807 − 730σ + 175σ 2 ⎤Γ = Γ 0 ⎢1 + nν 0⎥.235 ( 7 − 5σ )⎢⎣⎥⎦Здесь ν 0 = 4π r03 / 3 - объем одной сферической полости, n – концентрацияполостей, σ - коэффициент Пуассона среды.8Рассчитана объемная нелинейность среды, содержащей бесконечно тонкиетрещиныввидекруглыхдисков,принимающихприраскрытииэллипсоидальную форму.
Показано, что в отличие от случая с полостями, чтопри наличии ансамбля параллельных друг другу дискообразных трещинусиление нелинейности не зависит от коэффициента Пуассона и линейныхупругих модулей среды. Рассматриваются основные проявления структурнойнелинейности,делаетсяобзорэкспериментальныхработ,предлагающихколичественные оценки нелинейности.Во второй главе описываются методики и их экспериментальнаяреализация для исследования линейного и нелинейного взаимодействияизгибных волн Лэмба в твердотельных пластинах с дефектами с размерамизначительно меньшими, чем длинаволны, а также методы диагностикидефектнойкачествеструктурыобъектоввних.Висследованиярассматриваются тонкие пластины сестественнымислучайным(возникающиеобразомизготовленииискусственнообразца)прииприготовленнымидефектами (непроклей, трещина).Для исследования волн Лэмба вРис.
1 Схема экспериментальной установкидля исследования распространения изгибных тонкихволн Лэмба в цилиндрических пластинах.пластинахразработанаавтоматизированнаяэкспериментальная установка, основным измерительным устройством которойявляется лазерный сканирующий виброметр PSV-300 фирмы Polytec (Рис.1.).С помощью этой установки были исследованы линейные свойства круглыхтонких пластин. В частности, измерен спектр собственных колебаний пластины,который был неэквидистантным (Рис.2). Возможности виброметра позволиливизуализировать форму колебаний пластины на ее собственных частотах (Рис.3).9Приводится описание разработанной в работе методики для локализациидефектов в пластине по пространственному распределению, как амплитудгармоник,такинелинейныхакустических параметров в ней.Обнаруженыаномальновысокие значения амплитуд 2-5гармоник в одной локальной точкевпластинесестественнымидефектами (до 70 раз по сравнениюсоРис. 2 Спектр собственных колебанийкруглой тонкой пластины.среднимизначениямипопластине).В этой точке были проведены измерения зависимости амплитуд высшихгармоник от амплитуды основной частоты.
Было обнаружено аномальноеувеличение амплитуд гармоник со второй по пятую (в 10 раз – второй, в 19 раз третьей, в 120 раз – четвертой, в 20 раз –пятой) при превышении амплитудыосновной частоты величины 9.5 мкм.Рис. 3 Форма колебаний некоторых мод круглой тонкой пластинки.При амплитуде основной частоты 10.2 мкм они достигают максимума, ипри дальнейшем ее увеличении наблюдалось их резкое уменьшение до уровняпредшествующему резкому увеличению их амплитуд. Пороговый характерувеличения генерации гармоник объясняется с привлечением билинейноймодели среды.10Рис.
4 Пространственноераспределение квадратичного (а) икубического(б)параметровнелинейности, рассчитанные из формколебаний(справа)образцасестественным дефектомРис. 5 Пространственноераспределение квадратичного (а) икубического(б)параметровнелинейности, рассчитанные из формколебаний(справа)образцасиск усственнымдефектомтипаИсточником аномальной нелинейности, на наш взгляд, являлся локальныйдефект в виде поджатой микротрещины с величиной поджатия ∼ 0,62 мкм.Разработанные методика и программы для персонального компьютерапозволили по экспериментально измеренному распределению амплитуд волныЛэмба и ее второй и третьей гармоник в тонкой пластине определитьпространственное распределение квадратичного и кубичного нелинейныхакустических параметров (Рис.4.) Обнаружено локальное аномально большоеувеличение нелинейного параметра (на 3 порядка) в некоторых областяхпластины (рис. 4), в том числе в области искусственно приготовленного дефекта(на 3 порядка) с заранее известными координатами (рис.
5). Эти результатыпозволили утверждать, что пространственное распределение нелинейногопараметра коррелирует с распределением дефектов в тестируемом образце.Проведенные исследования особенностей распространения амплитудномодулированных изгибных волн конечной амплитуды в твердотельной пластинес дефектами, а также взаимодействия на дефекте волн низкой и высокой частоты(вибро-модуляционныйметод)показали11принципиальнуювозможностьиспользования данных методов для получения более полной информации одефектной структуре исследуемых образцов.В заключение сформулированы основные результаты, полученные в этойчасти диссертации.Часть Б посвящена исследованию упругих свойств резиноподобныхматериалов.В первой главе приведен обзор существующих методов определенияупругих модулей резиноподобных материалов, описываются методы ихдиагностикисиспользованиемметодовнелинейнойакустики.Такжерассматриваются методы возбуждения сдвиговых волн в резиноподобныхматериалах, и приводится обзор работ, использующих методы эластографии.Вовторойглавепроводитсяописаниереализованныхвработеквазистатической и динамической методик для определения сдвигового модуляв резиноподобных материалах, и приводятся результаты определения упругихмодулей резиноподобного материала-пластисола.Таблица 1 Упругие модули резиноподобных сред.МатериалЕ, ПаσПластисол27±30.495±0.02Вμ, кПа8.9±0.3частности,реализованметодвозбуждения и регистрации сдвиговыхволн двумя линейными источниками(Рис.6).Виброметррегистрироватькомпонентуповерхности,толькопозволяетнормальнуюколебательнойскоростипоэтомуегоиспользование для прямой регистрациираспространяющейся сдвиговой волнызатруднительно.
Источники на частотеРис. 6 Экспериментальная установка 300 Гц возбуждались синфазно сдлядинамическогоопределенияпомощью вибростола. Размеры образцасдвигового модуля.выбирались такими, чтобы максимумы диаграммы направленности источниковдля сдвиговой волны перекрывались на противоположной стороне образца. При12GGэтом результирующий вектор колебательных скоростей сдвиговых волн V1 и V2оказывался нормальным к поверхности образца и мог регистрироватьсявиброметром.
Измерение времени распространения акустических импульсов отисточников до поверхности, а также измерение времени распространенияобразовавшейся на поверхности образца ПАВ, позволяет рассчитать модульсдвига в образце, который оказался равен μ = 17.6 ± 0.8 кПа .Отличиеввеличинахсдвиговыхмодулей,измеренныхвработеквазистатическим и динамическим методами, связано с особенностямиприготовления образцов.В третьей главе описаны методики длядистанционной диагностикирезиноподобных материалов с включениями с использованием плоских волн ифокусированных пучков в воздухе.Использованиелазерногосканирующеговиброметрапозволиловизуализировать колебания фантома биологической ткани с модельнымидефектами в виде воздушных пузырьков, уплотнений и расслоения и определитьместоположения этих дефектов.Рис. 7 Колебания образцов с расслоением на частоте 4.225 кГц (а), 2 гармонике –8.45 кГц (б), 3 гармонике – 12.675 кГц (в).Приводятсярезультатычисленногомоделированияиисследованияразработанной и созданной в работе акустической фокусирующей антенны (рис.8).Разработана экспериментальная установка для обнаружения включений врезиноподобных материалах с помощью сигнала комбинационных частотфокусированных ультразвуковых частот.13(а)16.3мм135мм(б)Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
