Предложено математическое описание процесса возбуждения ультразвуковых волн электромагнитным полем в металлах в присутствии постоянного магнитного поля. Практическая значимость этого подхода показана на примере расчета частотных характеристик преобразователей электромагнитного типа в режиме возбуждения поверхностных волн Рэлея.

Розроблено принципи та методи розрахунку ультразвукових перетворювачів електромагнітного типу для систем неруйнівного контролю та технічного діагностування металопрокату, для первинних перетворювачів у пристроях електричного вимірювання неелектричних величин, для апаратури експериментального дослідження фізико-механічних і структурних параметрів металів. Проведено математичний опис процесів електромагнітного збудження та приймання ультразвукових хвиль у металі - струмопровідному пружному середовищі з ускладненими (у випадку феромагнетика) властивостями. Сформульовано основні межові задачі та теореми, застосування яких дозволяє побудувати математичні моделі (комплексні частотні характеристики) перетворювачів електромагнітного типу у режимі збудження та приймання ультразвукових хвиль у металевих об'єктах. Одержано загальні вирази для розрахунку частотних характеристик перетворювачів даного типу в режимі збудження всіх типів хвиль, які існують у стрижнях, 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 стрижнях, трубах і пластинах. Результати дослідження дозволяють проектувати перетворювачі електромагнітного типу та розробляти їх нові конструкції.

Описано постановку модельного експерименту. Побудовано математичну модель фізичного стану вимірювального модуля. Запропоновано методику визначення основних фізико-технічних констант полікристалічного феромагнітного матеріалу.

Запропоновано систему рівнянь, що описує поширення акустичних хвиль у рідині за умов кавітації. Одержано вирази для енергії й потоку енергії звукової хвилі в середовищі з кавітаційними бульбашками, а також критерій, що характеризує розбіжність між ідеальною рідиною й рідиною з розвинутою кавітацією. Розглянуто задачу про поширення плоскої хвилі з урахуванням втрат за наявності бульбашок.

Сформулировано определение математической модели МЭМС-резонатора балочного типа. Изложены принципы моделирования физического состояния элементов МЭМС. Описана цепочка вычислительных процедур, опирающихся на фундаментальные положения механики и теории электрических явлений, последовательное выполнение которых позволяет построить математическую модель резонатора. Показано, что частотно зависимые свойства МЭМС-резонатора полностью определяются механическими смещениями материальных частиц поляризованного сегнетоэлектрика подвижной части стержня. Приведена методика расчета продольного компонента вектора смещения подвижной части МЭМС-резонатора, которая учитывает реакцию опор стержня.

Рассмотрено физическое содержание процесса регистрации ультразвуковых волн, которые распространяются в образцах из металлов неферромагнитной группы. Доказана теорема о наведенном магнитном потоке и записано общее выражение для расчета амплитуды разности электрических потенциалов на электрическом выходе преобразователя. Это соотношение имеет смысл математической модели преобразователя электромагнитного типа в режиме регистрации ультразвуковых волн в металлах неферромагнитной группы.

Рассмотрена типовая для устройств неразрушающего контроля задача о регистрации электромагнитным способом ультразвуковых волн (УЗВ), радиально распространяющихся в листовом прокате из металла неферромагнитной группы. Метод расчета опирается на математическую модель электромагнитного способа регистрации УЗВ, в основу которой положена теорема о наведенном магнитном потоке. Показано, что учет внутренних электромагнитных полей, которые возникают в динамически деформируемом металле в присутствии постоянного магнитного поля, вносит существенные коррективы (в сторону уменьшения) в амплитудные значения сигнала на электрическом выходе преобразователя. Впервые показано, что геометрические параметры электрического контура приемника переменного магнитного поля существенным образом определяют эффективность процесса регистрации УЗВ на различных частотах. Впервые сделан вывод о необходимости согласования геометрических параметров преобразователя с частотным диапазоном регистрируемых УЗВ.

Выполнена постановка и решение комплексной граничной задачи о возбуждении ультразвуковых волн Лэмба дисковым пьезоэлектрическим преобразователем в режиме одностороннего доступа к поверхности пластины. Получены выражения для расчета амплитуд смещений материальных частиц пластины, которые формируются радиально распространяющимися волнами Лэмба за пределами площадки механического контакта. Впервые в практике математического моделирования передаточных характеристик пьезоэлектрических преобразователей учтены конечные размеры активного элемента (диска) и особенности волноводного распространения упругих возмущений.

Разработан принцип и метод расчета ультразвуковых преобразователей электромагнитного типа для систем неразрушающего контроля и технической диагностики металлопроката, для первичных преобразователей в устройствах электрического измерения неэлектрических величин, для аппаратуры экспериментального исследования физико-механических и структурных параметров металлов. Показана возможность определения необходимых характеристик преобразователя через функцию "частотная характеристика преобразователя".

Представлена концепция построения ультразвуковых преобразователей электромагнитного типа для систем неразрушающего контроля и технической диагностики металлопроката. Получены выражения для расчета преобразователей электромагнитного типа на примере решения задачи для возбуждения продольных волн в стержне. Подтверждена возможность определения необходимых параметров преобразователя через функцию "частотная характеристика преобразователя".

Предложен новый поход к описанию формирования электрического поля в материале электроупругого преобразователя, который представлен в виде цилиндрической круговой тонкостенной радиальной поляризованной оболочки. Задача решена при помощи "сквозного" метода, который предполагает совместное решение уравнений для акустического, механического и электрического полей с учетом физических свойств излучающего преобразователя. Получено общее аналитическое решение "сквозной" задачи в виде системы результирующих уравнений для рассмотренной электроупругой колебательной системы в вакууме с распределенными параметрами, записанными относительно аксиальных и радиальных перемещений.

Построена математическая модель ультразвукового тракта системы мониторинга шумов акустической эмиссии, которая учитывает основные особенности и закономерности возбуждения, распространения и регистрации волн Лэмба контактным способом. Предложен универсальный инструмент для дальнейших исследований в области теории метода акустической эмиссии - функция Грина ультразвукового тракта. Показано, что для эффективной регистрации высокочастотных спектральных составляющих шумов акустической эмиссии необходимо использовать ультразвуковые преобразователи с минимальной площадью механического контакта. Установлено, что размеры и форма области когерентного излучения группы источников шумов акустической эмиссии определяют модальный состав поля ультразвуковых волн в пластине и в значительной мере определяют спектральные характеристики сигнала на электрическом выходе ультразвукового тракта.

Рассмотрен принцип и метод расчета ультразвуковых преобразователей электромагнитного типа (ЭМАП) в режиме приема упругих волн для неразрушающего контроля поверхности стального металлопроката. Найдены аналитические выражения для электромагнитного способа регистрации ультразвуковых волн в ферромагнитных металлах, используя теорему о наведенном магнитном потоке. Дана оценка влияния размеров электрического контура приемника переменного магнитного поля на эффективность приема упругих волн электромагнитным способом. Проанализирована зависимость частотной характеристики катушки приемника от толщины укладки витков. Все полученные решения позволят исключить влияние ЭМАП на формирование окончательного результата обнаружения дефекта на поверхности металлопроката, то есть исключить систематические погрешности, что вносятся измерителем.

На основе предложенного подхода [часть 1] к построению математических моделей электромагнитных ультразвуковых преобразователей в режиме приема упругих колебаний, получены выражения для расчета преобразователей электромагнитного типа на примере регистрации радиально распространяющихся ультразвуковых волн в ферромагнитных пластинах. Рассмотрена модельная ситуация случая регистрации радиально распространяющихся поверхностных волн Рэлея. Дана оценка скоростей распространения рэлеевской волны и волн сдвига для материалов с наиболее распространенными значениями коэффициентов Пуассона.

Выполнен сравнительный анализ механизмов образования деформаций в ферромагнитных металлах при электромагнитном возбуждении поверхностных волн Рэлея и показано, что силы Лоренца можно не учитывать при выполнении количественных оценок амплитудных значений возбуждаемых волн. Дана адекватная реальной ситуации количественная оценка амплитуд смещений материальных частиц во фронте радиально распространяющейся поверхностной волны Рэлея. Введено и физически обосновано новое в практике расчетов преобразователей электромагнитного типа понятие "волновая характеристика" индуктора (источника переменного магнитного поля). Дано объяснение экспериментально наблюдаемому факту влияния геометрических параметров индуктора на эффективность возбуждения ультразвуковых волн на заданной частоте.

Построена замкнутая математическая модель ультразвукового тракта с электромагнитным возбуждением и приемом радиально распространяющихся волн Рэлея. Выполнены расчеты волновых, частотных и импульсных передаточных характеристик ультразвукового тракта. Показано влияние радиальных размеров укладки кольцевой катушки, а также влияние величины неконтакта на эффективность возбуждения ультразвуковых волн на разных частотах. Даны рекомендации по разработке конструкции преобразователя электромагнитного типа. Показано, что с помощью радиоимпульса с изменяющейся частотой заполнения можно определить изменение амплитудно-частотной характеристики ультразвукового тракта в широком диапазоне частот. Дана оценка длительности процесса регистрации до момента прохода цилиндрического фронта волны Рэлея через центр индуктора.

Для кристалів кубічної симетрії досліджено вплив магнітопружної взаємодії на модулі пружності та швидкості поширення магнітопружних хвиль. Надано кількісну оцінку цього впливу для ітрієвого ферогранату та вказано на спосіб експериментального визначення п'єзомагнітної константи.

Построена математическая модель несимметричного биморфного пьезоэлектрического акселерометра. Выведено уточненное выражение для аксиальной координаты нейтральной поверхности чувствительного элемента. В явном виде получены формулы для его физико-механических характеристик. Выполнен расчет частотной зависимости чувствительности преобразователя и проанализирована ее зависимость от различных параметров акселерометра.

Предложен физически обоснованный подход к построению математических моделей процесса возбуждения ультразвуковых волн электромагнитным полем в металлах, поляризованных постоянным магнитным полем. Продуктивность и практическая значимость этого подхода показана на примере моделирования частотных характеристик преобразователей электромагнитного типа в режиме возбуждения поверхностных волн Рэлея. Показано, что математические модели ультразвуковых преобразователей, построенные на основе предлагаемой методики, учитывают основные геометрические параметры преобразователя, материальные константы металла и особенности распространения ультразвуковых волн в упругих телах.

Запропоновано новий підхід до побудови математичних моделей електромагнітних ультразвукових перетворювачів у режимі прийому пружних коливань у феромагнітних металах. Продуктивність і практичну значимість цього підходу показано на прикладі побудови математичної моделі накладного перетворювача, який використовується у пристроях неруйнівного контролю металевих пластин.