Петрищев Олег Миколайович. Теоретичні основи розрахунку та проектування ультразвукових перетворювачів електромагнітного типу

brief description

Петрищев Олег Миколайович. Теоретичні основи розрахунку та проектування ультразвукових перетворювачів електромагнітного типу : Дис... д-ра наук: 05.19.08 2009

Петрищев О.М. Теоретичні основи розрахунку й проектування ультразвукових перетворювачів електромагнітного типу. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.09.08 прикладна акустика і звукотехніка. Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, 2008.
Дисертацію присвячено розробленню принципів і методів розрахунку ультразвукових перетворювачів електромагнітного типу для систем неруйнівного контролю й технічної діагностики металопрокату, для первинних перетворювачів у пристроях електричного вимірювання неелектричних величин, для апаратури експериментального дослідження фізико-механічних і структурних параметрів металів.
У дисертаційній роботі виконано математичний опис процесів електромагнітного збудження й приймання ультразвукових хвиль у металі - струмопровідному пружному середовищі з ускладненими (у випадку феромагнетика) властивостями. Сформульовано основні граничні задачі й теореми, послідовне застосування яких дозволяє побудувати математичні моделі (комплексні частотні характеристики) перетворювачів електромагнітного типу в режимі збудження й приймання ультразвукових хвиль у металевих об'єктах. Отримано загальні вирази для розрахунку частотних характеристик перетворювачів електромагнітного типу в режимі збудження всіх типів хвиль, які існують у стержнях, трубах і пластинах (19 типів пружних хвиль). Побудовано математичні моделі ряду типових конструкцій прохідних і накладних перетворювачів у режимах збудження та приймання ультразвукових хвиль у стержнях, трубах і пластинах. Сукупність цих результатів становить теоретичну основу проектування перетворювачів електромагнітного типу.
Сукупність результатів дисертаційного дослідження формує наукову базу для практичних розробок нових прогресивних конструкцій ультразвукових перетворювачів електромагнітного типу.

Основним результатом дисертаційного дослідження є теорія лінійних перетворювачів електромагнітного типу, що не має аналогів і вперше може бути застосована для любих конструкцій перетворювачів даного типу. Уперше побудовано математичні моделі для всіх типових конструкцій перетворювачів електромагнітного типу, які дозволяють виконати узгодження форми й розмірів елементів перетворювача зі спектральним складом впливу. Уперше створено раціональну основу для успішного рішення проблеми ефективної генерації та приймання пов'язаних з електромагнітним полем хвильових пакетів у твердотільних хвилеводних структурах із матеріалів з ускладненими властивостями. Позитивне рішення цієї проблеми є потужним стимулом для подальшого розвитку напрямків акустотехніки, що розробляють апаратуру для ультразвукового неруйнівного контролю металопрокату й датчики фізичних величин для автоматизованих систем збирання й перетворення інформації, керування об'єктами й технологічними процесами.
У ході виконання дисертаційного дослідження автором дисертації особисто отримано такі нові наукові результати:
уперше розроблено математичну модель електромагнітного способу збудження ультразвукових хвиль у металах;
уперше виконано якісне й кількісне дослідження зв’язаних хвильових полів у твердотільних хвилеводних структурах із матеріалів з ускладненими властивостями й обґрунтована можливість використання методу послідовних наближень для рішення зв'язаних задач магнітопружності;
уперше отримано загальні рішення граничних задач про порушення пружних коливань системою об'ємних і поверхневих навантажень для широкого класу нормальних хвиль, які збуджуються й поширюються в стержнях, трубах і пластинах;
уперше показано, що рішення рівнянь Максвела, які визначають змінні магнітні поля й щільності вихрових струмів у об'ємі металевих стержнів і пластин, тобто зовнішні силові фактори, необхідно шукати у формі інтегральних образів Фур'є (стержні й труби) або Ханкеля (пластини). Останнє повністю усуває проблеми, які вважалися раніше принципово не розв'язними і які виникають у разі визначення характеристик електромагнітного поля в кусочно-однорідних багатозв’язних областях;
уперше розроблено загальну схему розрахунку різниці електричних потенціалів на виході перетворювача електромагнітного типу в режимі реєстрації ультразвукових хвиль, що полягає в послідовному рішенні граничної задачі електродинаміки для внутрішнього магнітного поля, що виникає у разі деформування металу в присутності постійного магнітного поля, і застосуванні теореми про наведений магнітний потік;
уперше виявлено й досліджено ефект динамічного саморозмагнічування, що спостерігається у разі динамічного деформування попередньо намагніченого феромагнетика. Цей ефект, поряд зі скін-ефектом, формує втрати рівня сигналу при електромагнітному способі реєстрації ультразвукових хвиль у металах.
Цей набір принципово нових наукових результатів становить теоретичні основи розрахунку характеристик перетворювачів електромагнітного типу в режимах генерації та приймання ультразвукових хвиль із заданими характеристиками у твердотільних хвилеводних структурах із матеріалів з ускладненими властивостями.
Уперше побудовані й досліджені співвідношення для розрахунку частотних характеристик (математичних моделей), що дозволяють ураховувати вплив форми й розмірів елементів перетворювача на ефективність збудження (приймання) заданого типу ультразвукової хвилі в заданому діапазоні частот для всіх (11 найменувань) типових конструкцій ультразвукових перетворювачів електромагнітного типу. Зазначені співвідношення вперше дають можливість раціонального узгодження форми, розмірів і фізико-механічних параметрів елементів перетворювача зі спектральним складом вхідних сигналів електричного в режимі генерації ультразвукових хвиль і механічного в режимі реєстрації хвильових полів. Це є теоретичною основою проектування перетворювачів електромагнітного типу для створення нових пристроїв неруйнівного контролю металопрокату, розробки нових первинних перетворювачів для систем електричного вимірювання механічних величин і створення стендів для експериментального дослідження фізико-механічних констант і структурних параметрів металів.
Таким чином, у результаті виконання дисертаційного дослідження вирішено важливу наукову проблему у галузі прикладної акустиці тобто проблему ефективного збудження й приймання ультразвукових хвиль із заданими параметрами в заданому частотному діапазоні у хвилеводних структурах з феромагнетиків і металів неферомагнітної групи. Позитивне рішення цієї проблеми є потужним стимулом для подальшого якісного розвитку напрямків акустотехніки, що розробляють апаратуру для ультразвукового неруйнівного контролю металопрокату й датчики фізичних величин для автоматизованих систем збирання й перетворення інформації, керування об'єктами й технологічними процесами.