Методи формування ультразвукових хвиль у практиці безконтактних неруйнівних вимірювань

В. Моркун Н. Моркун А. Гапоненко Є. Бобров
Отримано 17.12.2023, Доопрацьовано 13.03.2023, Прийнято 25.04.2023
Анотація

Метa. Аналіз методів формування ультразвукових хвиль для вимірювання характеристик феромагнітних гірських порід. Методи дослідження. У роботі використані методи аналізу вітчизняного та зарубіжного досвіду, а також методи математичної статистики і теорії ймовірності для формування оцінки результатів дослідження. Наукова новизна полягає в обґрунтуванні використання електромагнітних ультразвукових перетворювачів та визначенні їх можливої конфігурації для вимірювання характеристик феромагнітних гірських порід. Практичне значення полягає в тому, що використання електромагнітних ультразвукових перетворювачів запропонованої конструкції дозволить створити вимірювальну систему для мінералогічного аналізу феромагнітних руд для функціонування якої не потрібен контакт з досліджуваним середовищем. Результати. У практиці ультразвукових вимірювань найбільшого поширення знайшли п'єзоелектричні та електромагнітні перетворювачі (EMAT). Ці перетворювачі можуть працювати, як у режимі генерації ультразвуку, так і як його детектор, відрізняються порівняно невеликим споживанням енергії та малими габаритами, перекривають широкий частотний діапазон і здатні формувати різні види ультразвукових хвиль. Вимірювальні системи з EMAT мають усі переваги ультразвукових вимірювань у порівнянні з іншими методами неруйнівного контролю. Як і з п'єзоелектричними датчиками, за допомогою EMAT можуть бути реалізовані різні методи вимірювань: ехо-імпульсні, з тангажем, наскрізною передачею та ін. Порівняльна характеристика та аналіз різних методів генерації та прийому ультразвуку дозволяють зробити висновок про те, що при реалізації акустичних вимірювань характеристик феромагнітної руди доцільно використовувати електромагнітні перетворювачі EMAT з високоенергетичною імпульсною системою збудження без статичного магнітного зміщення. Це дозволить проводити вимірювання без фізичного контакту між перетворювачем та випробуваним зразком та простіше генерувати різні типи ультразвукових хвиль. Для спрощення налаштування геометрії вимірювального каналу та збільшення його функціональних можливостей, EMAT можуть бути виконані з використанням технології фазованих решіток

Ключові слова:
ультразвук; вимірювання; електромагнітний перетворювач; руда; аналіз

Взято з Том 21, № 1, 2023

Сторінки 54–62

Використані джерела ЦИТУВАТИ

[1] Ramazan Demirli, Moeness G. Amin, XizhongShen, Yimin D. Zhang. Ultrasonic Flaw Detection and ImagingthroughReverberant Layers via Subspace Analysis and Projection. - Advances in Acoustics and Vibration Volume 2012, Article ID 957379, 10 pages. doi:10.1155/2012/957379.

[2] Lashkari B, Jan L, Mandelis A. Application of backscattered ultrasound and photoacoustic signals to evaluate bone collagen and minerals. Quant Imaging Med Surg 2015;5(1):46-56. doi: 10.3978/j.issn.2223-4292.2014.11.11.

[3] Zborovjanz M. Identification of minerals during drilling process via acoustic signal. Metallurgy and foundry 4/2001, Vol. 26. Krakow, Poland, 2001.

[4] Моркун Н.В., Тронь В.В., Сердюк О.Ю., Гапоненко А.А., Грищенко С.М., Бобров Є.Ю. Визначення параметрів пульпи у робочій камері магнітного сепаратора на основі оцінки процесу розповсюдження хвиль Лемба // Гірничий вісник. – Кривий Ріг, 2022. Вип. 110. С. 172-177.

[5] Моркун В.С., Моркун Н.В., Тронь В.В., Сердюк О.Ю., Гапоненко І.А., Гапоненко А.А. Вимірювання параметрів процесу магнітної сепарації на основі методів ультразвукового контролю. – Вісник Криворізького національного університету. – 2021, випуск 52, С. 10-15. DOI: 10.31721/2306-5451-2021-1-52-10-15.

[6] Гершгал Д.А., Фрідман В.М. Ультразвукова апаратура промислового призначення. - Енергія, 1967, 263 с.

[7] Feiming Qian, Guangzhen Xing, Ping Yang, Pengcheng Hu, Limin Zou1, Triantafillos Koukoulas. Laser-induced ultrasonic measurements for the detection and reconstruction of surface defects. -Acta Acustica 2021, 5, 38. https://doi.org/10.1051/aacus/2021031.

[8] Моркун В.С., Кравченко О.М. Моделювання параметрів ультразвукового поля в процесі очищення виробів складної конфігурації, – Кривий Ріг: Гірничий вісник. 2020. Вип. 107. С. 3-10.

[9] Моркун В.С., Пікільняк А.В. Дослідження динаміки газових бульбашок у процесі флотації рудної пульпи, Гірничий вісник. – Кривий Ріг: 2020. Вип. 107. С.48-53.

[10] Моркун В.С., Моркун Н.В., Сердюк О.Ю. Використання високоенергетичного ультразвуку для оцінки параметрів процесу осадження часток твердої фази пульпи // Вісник Криворізького національного університету: зб. наук праць. – 2019. – Вип. 48. – С. 3-7.

[11] G. Sessler R. Lerch and D. Wolf. Technische Akustik. 1st ed. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2009. ISBN: 978- 3-540-23430-2.

[12] https://www.unictron.com/ultrasonic-transducers/piezoelectric-technologies/bolt-clamped-langevin-transducer.

[13] https://www.ndt.net/article/dgzfp04/papers/v51/v51.htm.

[14] K. Nakahata, N. Kono. 3-D Modelings of an Ultrasonic Phased Array Transducer and Its Radiation Properties in Solid. - Materials Science, Physics, 2012. DOI:10.5772/29954.

[15] Fischer, J.; Herzog, T.; Walter, S. Smart Sensors, Actuators, and MEMS VI—Design and fabrication of a 5 MHz ultrasonic phased array probe with curved transducer. SPIE Proc. 2013, 8763, 87632M.

[16] Costa, D.J.; Buiochi, F.; Elvira, L. Graded piezocomposite for the construction of air-coupled ultrasound transducer. In Proceedings of the Ultrasonics Symposium, Chicago, IL, USA, 3–6 September 2014.

[17] Qiguo Huang , Hongwei Wang , Shaohua Hao, Chao Zhong, Likun Wang. Design and Fabrication of a HighFrequency Single-Directional Planar Underwater Ultrasound Transducer - Sensors 2019, 19(19), 4336; https://doi.org/10.3390/s19194336. 

[18] https://www.smart-material.com/13CompOverviewV2.html

[19] M. Platte (1987) PVDF ultrasonic transducers, Ferroelectrics, 75:1, 327-337, DOI: 10.1080/00150198708008983

[20] Yizhi Liu, Ziyu Huang, Chen Liu. Improved Design via Simulation of Micro-Modified PVDF and Its Copolymer Energy Harvester with High Electrical Outputs. - Sensors (Basel). 2020 Oct; 20(20): 5834.

[21] Reshmi Maity, Kalpana Gogoi, Niladri Pratap Maity. Micro-electro-mechanical-system based capacitive ultrasonic transducer as an efficient immersion sensor. - Microsystem Technologies 2019, 25(4):1-8. DOI: 10.1007/s00542-019- 04384-5.

[22] Ming-Wei Chang, M. et al. Polymer-based Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers (CMUT) for Micro Surgical Imaging Applications. - 2006 1st IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems (2006): 61-65.

[23] https://www.wikiwand.com/en/Electromagnetic_acoustic_transducer#Codes_and_standards

[24] https://www.rosen-group.com/global/company/explore/we-can/technologies/measurement/emat.html

[25] Suzhen Liu, Ke Chai, Chuang Zhang, Liang Jin, Qingxin Yang. Electromagnetic Acoustic Detection of Steel Plate Defects Based on High-Energy Pulse Excitation. - Appl. Sci. 2020, 10, 5534; doi:10.3390/app10165534.

[26] Luftgekoppelte Ultraschallwandler für die industrielle Anwendung. Zur Erlangung des akademischen Grades DoktorIngenieur (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Alexander Unger aus Cottbus: 19. Juni 2019, Darmstadt - D 17. URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-89745. URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8974.

[27] https://www.ndt.net/ndtaz/content.php?id=144

[28] Aliouane S., .Hassam M., Badidi Bouda A. & Benchaala A. Electromagnetic Acoustic Transducers (EMATs). Design Evaluation of their Performances. https://www.ndt.net/article/ wcndt00/papers/idn591/ idn591.htm

Morkun, V., Morkun, N., Gaponenko, A., & Bobrov, Ye. (2023). Methods of ultrasonic wave generation in the practice of non-destructive measurements. Journal of Kryvyi Rih National University, 21(1), 54-62. https://doi.org/10.31721/2306-5451-2023-1-56-54-62
uk