radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-6-94-102radioelectronics-820Research ArticleПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКИХ, ОПТИЧЕСКИХ И РАДИОВОЛНMEASURING SYSTEMS AND INSTRUMENTS BASED ON ACOUSTIC, OPTICAL AND RADIO WAVESМодель формирования акустических характеристик твердых сред с упорядоченной трещиноватостьюFormation Model for Acoustic Characteristics of Solid Media with Ordered Fracturinghttps://orcid.org/0000-0001-6055-2366АббакумовК. Е.AbbakumovK. E.

Аббакумов Константин Евгеньевич – доктор технических наук (2000), профессор (2001) кафедры электроакустики и ультразвуковой техники. Автор 172 научных работ. Сфера научных интересов – волновые процессы в сложноструктурированных средах; дифракция ультразвука на телах сложной формы; ультразвуковые измерения; акустические методы неразрушающего контроля.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Konstantin E. Abbakumov, Dr Sci. (2000), Professor (2001) of the Electroacoustics and Ultrasonic Engineering Department. The author of 172 scientific publications. Area of expertise: area of wave processes in complex-structured media; ultrasound diffraction on solids of complex shape; acoustic methods of nondestructive testing and measurements.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

keabbakumov@etu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1875-544XВагинА. В.VaginA. V.

Вагин Антон Владимирович – магистр по направлению "Приборостроение" (2020), аспирант, ассистент кафедры электроакустики и ультразвуковой техники. Автор 28 научных работ. Сфера научных интересов – распространение упругих волн в стратифицированных средах; ультразвуковые измерения; специальное приборостроение.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Anton V. Vagin, Master in Instrument Engineering (2020), Postgraduate Student, Assistant of the Department of Electroacoustics and Ultrasonic Engineering. The author of 28 scientific publications. Area of expertise: propagation of elastic waves in stratified media, ultrasonic measurements, special instrumentation.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

avvagin@etu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4677-7689ВьюгиноваА. А.VjuginovaA. A.

Вьюгинова Алена Александровна – кандидат технических наук (2013), доцент кафедры электроакустики и ультразвуковой техники. Автор 65 научных работ. Сфера научных интересов – ультразвуковые технологии и оборудование; ультразвуковые излучающие системы; ультразвуковые преобразователи; ультразвуковые измерения; акустические методы неразрушающего контроля.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Alena A. Vjuginova, Cand. Sci. (2013), Associate Professor of the Department of Electroacoustics and Ultrasonic Engineering. The author of 65 scientific publications. Area of expertise: ultrasonic technologies and equipment; ultrasonic emitting systems; ultrasonic transducers; acoustic methods of nondestructive testing and measurements.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

aavyuginova@etu.ruhttps://orcid.org/0009-0001-6027-7939СидоренкоИ. Г.SidorenkoI. G.

Сидоренко Ирина Геннадьевна – инженер по направлению "Приборостроение" (2010), ассистент кафедры электроакустики и ультразвуковой техники. Автор 15 научных работ. Сфера научных интересов – волновые процессы в сложноструктурированных средах; ультразвуковые измерения; акустические методы неразрушающего контроля.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Irina G. Sidorenko – Engineer in Instrument Engineering (2010), |Assistant of the Department of Electroacoustics and Ultrasonic Engineering. The author of 15 scientific publications. Area of expertise: area of wave processes in complex-structured media; acoustic methods of nondestructive testing and measurements.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

igsidorenko@etu.ruСергеевС. С.SergeevS. S.

Сергеев Сергей Сергеевич – кандидат технических наук (1984), доцент, заведующий кафедрой "Физические методы контроля". Автор 130 научных работ. Сфера научных интересов – основы акустооптического метода неразрушающего контроля; совершенствование волоконно-оптических и акустических методов и средств контроля и измерений.

пр. Мира, 43, Могилев, 212000

Sergey S. Sergeev – Cand. Sci. (1984), Associate Professor, the head of the Department of Physical Control Methods. The author of 130 scientific publications. Area of expertise: area of fundamentals of the acousto-optical method of nondestructive testing; improvement of fiber-optic and acoustic methods and means of control and measurement.

43 Mira Ave, Mogilev 212000

sss.bru@tut.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationМежгосударственное образовательное учреждение высшего образования "Белорусско-российский университет"БеларусьInter-State Educational Institution of Higher Education "Belarusian-Russian University"Belarus20232712202326694102Copyright © Аббакумов К.Е., Вагин А.В., Вьюгинова А.А., Сидоренко И.Г., Сергеев С.С., 20232023Аббакумов К.Е., Вагин А.В., Вьюгинова А.А., Сидоренко И.Г., Сергеев С.С.Abbakumov K.E., Vagin A.V., Vjuginova A.A., Sidorenko I.G., Sergeev S.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/820Введение

Введение. Появление новых конструкционных материалов и совершенствование имеющихся технологий изготовления из них новых видов изделий приводят к появлению новых видов нарушений сплошности. В связи с этим актуальной для целей неразрушающего контроля и структурометрии является задача разработки новых моделей нарушений сплошности, учитывающих ранее не принимавшиеся во внимание параметры.

Цель работы

Цель работы. Теоретическое описание процессов распространения упругих волн через среду, содержащую упорядоченную решетку микротрещин с граничными условиями в приближении "линейного скольжения", модернизированными с учетом параметров микровыступов шероховатых границ микротрещин. Формирование базы данных для экспериментальных исследований при определении физико-механических характеристик конструкционных материалов.

Материалы и методы

Материалы и методы. Акустические характеристики материалов определялись на основе вывода и решений дисперсионных уравнений, описывающих образование и распространение в упругих средах с упорядоченной трещиноватостью эффективных продольных и поперечных, а также поверхностных волн.

Результаты

Результаты. Результаты моделирования процессов формирования упругих волн показали, что увеличение концентрации микротрещин приводит к уменьшению значений фазовых скоростей эффективных продольных, поперечных и поверхностных волн и повышению коэффициентов затухания при заданных значениях частоты ультразвука и параметров материала.

Заключение

Заключение. Учтенные параметры модели: среднее значение радиуса микросферы, замещающей микровыступ поверхности, и параметр шероховатости Rz существенно влияют на формирование физико-механических характеристик материалов, определяемых по результатам ультразвуковых измерений. Разработанная модель может рекомендоваться в качестве научной базы для интерпретации результатов ультразвуковых измерений.

Introduction

Introduction. The development of new structural materials and improvement of existing technologies for the production of new products on their basis lead to the emergence of new types of medium discontinuities. Therefore, the development of new models of discontinuities that take the previously ignored parameters into account seems to be relevant for the purposes of nondestructive testing and structural measurements. This concerns, e.g., the roughness of adjacent surfaces of microcrack ordered sets.

Aim

Aim. Theoretical substantiation for the processes of elastic waves propagation through an elastic medium containing an ordered lattice of microcracks with boundary conditions in the linear slip approximation, modified by taking into account the parameters of micro-convexities of microcrack rough boundaries. Database formation for experimental studies aimed at determining the physical and mechanical characteristics of structural materials.

Materials and methods

Materials and methods. The acoustic characteristics of materials were determined based on the derivation and solutions of dispersion equations describing the formation and propagation of effective longitudinal, transverse, and Rayleigh surface elastic waves in elastic media with ordered cracking. Their values were also used to determine the effective speed of Rayleigh surface waves.

Results

Results. The conducted simulation of elastic wave formation processes showed that an increase in the concentration of microcracks leads to a decrease in the phase velocities of effective longitudinal, transverse, and surface waves, as well as to an increase in the attenuation coefficients at given ultrasound frequencies and material parameters.

Conclusion

Conclusion. The radius of the microsphere that replaces the surface micro-convexity and the roughness parameter Rz have a significant impact on the formation of physical and mechanical characteristics of materials, which are determined by the results of ultrasonic measurements. The developed model can be recommended as a basis for interpreting the results of ultrasonic measurements.

упругая твердая средаупорядоченная трещиноватостьшероховатость поверхностей микротрещинультразвуковые измеренияэффективные скорости объемных волнфизико-механические характеристики конструкционных материаловelastic solid mediumordered crackingroughness of microcrack surfaceultrasonic measurementseffective speed of longitudinal and transverse wavesphysical and mechanical characteristics of structural materialsReferencesПетрашень Г. И. Распространение волн в анизотропных упругих средах. Л.: Наука, 1980. 280 с.Petrashen' G. I. Rasprostranenie voln v anizotropnykh uprugikh sredakh [Wave Propagation in Anisotropic Elastic Media]. Leningrad, Science, 1980, 280 p. (In Russ.)Гузь А. Н. Упругие волны в телах с начальными напряжениями. Киев: Наук. думка, 1986. 536 с.Guz’ A. N. Uprugie volny v telakh s nachal'nymi napryazheniyami [Elastic Waves in Solids with Initial Stresses]. Kiev, Scientific thought, 1986, 536 p. (In Russ.)Горбацевич Ф. Ф. Отражение и преломление упругих волн на границе раздела сред. Апатиты: Кольский филиал РАН, 1985. 98 с.Gorbacevich F. F. Otrazhenie i prelomlenie uprugikh voln na granitse razdela sred [Reflection and Refraction of Elastic Waves at the Interface Media]. Apatites, Kola branch of the Russian Academy of Sciences, 1985, 98 p. (In Russ.)Achenbach J., Kitachara M. Reflection and transmission of an obliquely incident wave by an array of spherical cavities // J. Acoust. Soc. Amer. 1986. Vol. 80, № 4. P. 1209–1214. doi: 10.1121/1.393812Achenbach J., Kitachara M. Reflection and Transmission of an Obliquely Incident Wave by an Array of Spherical Cavities. J. Acoust. Soc. Amer. 1986, vol. 80, no. 4, pp. 1209–1214. doi: 10.1121/1.393812Reusseau M. Floquet wave properties in a periodically lagered medium // J. Acoust. Soc. Amer. 1989. Vol. 86, № 6. P. 2369–2378.Reusseau M. Floquet Wave Properties in a Periodically Lagered Medium. J. Acoust. Soc. Amer. 1989, vol. 86, no. 6, pp. 2369–2378.Jose M. Carcione anisotropic Q and velocity dispersion of finely layered media // Geophysical Prospecting. 1992. Vol. 40. P. 761–783.Jose M. Carcione Anisotropic Q and Velocity Dispersion of Finely Layered Media. Geophysical Prospecting. 1992, vol. 40, pp. 761–783.Муравьев В. В., Зуев Л. Б., Комаров К. Л. Скорость звука и структура сталей и сплавов. Новосибирск: Наука. Сиб. изд. фирма РАН, 1996. 184 с.Murav’ev V. V., Zuev L. B., Komarov K. L. Skorost' zvuka i struktura stalei i splavov [Speed of Sound and Structure of Steels and Alloys]. Novosibirsk, Science, Siberian Publishing Company RAS, 1996, 184 p. (In Russ.)Luk’yashko O. A., Saraikin V. A. Transient one-dimensional wave processes in a layered medium // J. of Mining Science. 2007. Vol. 43. P. 145–158. doi: 10.1007/s10913-007-0017-3Luk’yashko O. A., Saraikin V. A. Transient One-Dimensional Wave Processes in a Layered Medium. J. of Mining Science. 2007, vol. 43, pp. 145–158. doi: 10.1007/s10913-007-0017-3Dynamics of structural interfaces: Filtering and focussing effects for elastic waves / M. Brun, S. Guenneau, A. B. Movchan, D. Bigoni // J. Mech. Physics Solids. 2010. Vol. 58, iss. 9. P. 1212–1224. doi: 10.1016/j.jmps.2010.06.008Brun M., Guenneau S., Movchan A. B., Bigoni D. Dynamics of Structural Interfaces: Filtering and Focus-sing Effects for Elastic Waves. J. Mech. Physics Solids. 2010, vol. 58, iss. 9, pp. 1212–1224. doi: 10.1016/j.jmps.2010.06.008Panasyuk O. N. Propagation of Quasishear Waves in Prestressed Materials with Unbonded Layers // Int. Appl. Mech. 2011. Vol. 47. P. 276–282. doi: 10.1007/s10778-011-0458-xPanasyuk O. N. Propagation of Quasishear Waves in Prestressed Materials with Unbonded Layers. Int. Appl. Mech. 2011, vol. 47, pp. 276–282. doi: 10.1007/s10778-011-0458-xПанасюк О. Н. Анализ влияния граничных условий на распространение волн в слоистых композитных материалах // Прикладная механика. 2014. № 4. С. 52–58.Panasyuk O. N. Analiz vliyaniya granichnykh uslovii na rasprostranenie voln v sloistykh kompozitnykh materialakh [Analysis of the Boundary Conditions Influence on Wave Propagation in Layered Composite Materials]. Applied mechanics. 2014, no. 4, pp. 52–58. (In Russ.)Аббакумов К. Е., Цаплев В. М. Волновые задачи акустических методов неразрушающего контроля. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2015. 336 с.Abbakumov K. E., Caplev V. M. Volnovye zadachi akusticheskikh metodov nerazrushayushchego kontrolya [Wave Problems of Acoustic Methods of Nondestructive Testing]. SPb, Publ. house, SPbGETU "LETI", 2015, 336 p. (In Russ.)Experimental research into possibilities and peculiarities of ultrasonic testing of additive manufactured parts / N. P. Aleshin, V. V. Murashov, N. A. Shchipakov, I. S. Krasnov, D. S. Lozhkova // Russian J. of Nondestructive testing. 2016. Vol. 52. P. 685–690. doi: 10.1134/S1061830916120020Aleshin N. P., Murashov V. V., Shchipakov N. A., Krasnov I. S., Lozhkova D. S. Experimental Research into Possibilities and Peculiarities of Ultrasonic Testing of Additive Manufactured Parts. Russ. J. of Nondestructive testing. 2016, vol. 52, pp. 685–690. doi: 10.1134/S1061830916120020Potapov A. I., Mahov V. E. Physical basics of evaluating elastic characteristics of anisotropic composites by ultrasonic method // Russian J. of Nondestructive testing. 2017. Vol. 53. P. 785–799. doi: 10.1134/S1061830917110080Potapov A. I., Mahov V. E. Physical Basics of Evaluating Elastic Characteristics of Anisotropic Composites by Ultrasonic Method. Russian J. of Nondestructive testing. 2017, vol. 53, pp. 785–799. doi: 10.1134/S1061830917110080Викторов И. А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М.: Наука, 1981. 287 с.Viktorov I. A. Zvukovye poverkhnostnye volny v tverdykh telakh [Sound Surface Waves in Solids]. Mos-cow, Science, 1981, 287 p. (In Russ.)Abbakumov K. E. Scattering of plane elastic waves on a microrough interface between solid media // Russian J. of Nondestructive testing. 2017. Vol. 53. P. 475–484. doi: 10.1134/S1061830917070026Abbakumov K. E. Scattering of Plane Elastic Waves on a Microrough Interface between Solid Media. Russ. J. of Nondestructive testing. 2017, vol. 53, pp. 475–484. doi: 10.1134/S1061830917070026Khlybov A. A. Studying the Effect of Microscopic Medium Inhomogeneity on the Propagation of Surface Waves // Russian J. of Nondestructive testing. 2018. Vol. 54. P. 385–393. doi: 10.1134/S1061830918060049Khlybov A. A. Studying the Effect of Microscopic Medium Inhomogeneity on the Propagation of Surface Waves. Russ. J. of Nondestructive testing. 2018, vol. 54, pp. 385–393. doi: 10.1134/S1061830918060049Муравьев В. В., Муравьева О. В., Байтеряков А. В. Структурно-чувствительные акустические параметры конструкционных сталей. Ижевск: Изд-во ИжГТУ им. М. Т. Калашникова, 2022. 152 с.Murav’ev V. V., Murav’eva O. V., Bajretyakov A. V. Strukturno-chuvstvitel'nye akusticheskie parametry konstruktsionnykh stalei [Structure-Sensitive Acoustic Parameters of Structural Steels]. Ichevsk,: Publ. house of Izhevsk State Technical University n. a. M. T. Kalashnikov, 2022, 152 p. (In Russ.)Аббакумов К. Е., Вагин А. В., Сидоренко И. Г. Акустические характеристики графитовых включений в листах из медного сплава, полученного по технологии двойного вакуумного переплава // Сб. статей 8-й Междунар. науч.-техн. конф. "Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов", Могилев, 29–30 сент. 2022. Могилев: Изд-во Белорус.- Рос. ун-та, 2022. С. 11–16.Abbakumov K. E., Vagin A. V., Sidorenko I. G. Akusticheskie kharakteristiki grafitovykh vklyuchenii v listakh iz mednogo splava, poluchennogo po tekhnologii dvoinogo vakuumnogo pereplava [Acoustic Characteristics of Graphite Inclusions in Copper Alloy Sheets Obtained by Double Vacuum Remelting Technology]. Collection of Papers of 8th Intern. Scientific and Technical Conf. "Modern Methods and Instruments for "Modern Methods and Instruments for Quality Inspection and Diagnostics of the Condition of Objects", Mogilev, 29–30 Sept. 2022. Publ. house of Belarusian-Russian University, 2022, pp.11–16. (In Russ.)Abbakumov K. E., Vagin A. V., Sidorenko I. G. Acoustic Characteristics of Solid Elastic Media with Oriented Microcracking // Russian J. of Nondestructive testing, 2023, Vol. 59, iss. 4. P. 393–403. doi: 10.1134/S1061830923700316Abbakumov K. E., Vagin A. V., Sidorenko I. G. Acoustic Characteristics of Solid Elastic Media with Oriented Microcracking. Russ. J. of Nondestructive testing, 2023, vol. 59, iss. 4, pp. 393–403. doi: 10.1134/S1061830923700316

The authors declare that there are no conflicts of interest present.