Способ определения акустической анизотропии слабо анизотропного проката
METHOD FOR DETERMINING THE ACOUSTIC ANISOTROPY OF WEAKLY ANISOTROPIC ROLLED PRODUCTS

Изобретение относится к области неразрушающего контроля с помощью ультразвуковых волн и может быть использовано для определения величины акустической анизотропии деталей и конструктивных элементов, изготовленных из слабоанизотропного проката с целью определения их физико-механических характеристик и напряженно-деформированного состояния.
Использование: для определения величины акустической анизотропии слабоанизотропного проката.
Известен способ контроля акустической анизотропии материала по скорости ультразвука [Патент РФ № 245431 G01N029/00, опубл. 04.11.1969, бюл. № 19], заключающийся в том, что принятые ПЭП два электрических импульса, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам сдвиговой волны, электрически не складываются для определения сдвига фаз между ними, а рассматриваются отдельно на одном и том же видеоконтрольном устройстве.
Снятые с преобразователя два электрически разделенных сигнала, соответствующие двум сдвиговым волнам со взаимно перпендикулярной поляризацией, с помощью коммутирующего устройства подаются на устройство измерения временного интервала приема волн. По полученным данным судят об акустической анизотропии материала.
Данный способ, связанный с переустановкой ПЭП после его поворота на 90° широко используется в современных приемах измерения акустической анизотропии [Курашкин К. В. Исследование акустоупругого эффекта в анизотропном пластически деформированном материале / К. В. Курашкин // Акустический журнал.- 2019.- Т. 65.-№ 3.- с. 382–388.] Для уменьшения случайной погрешности обычно используется увеличения базы измерений между отраженными импульсами, а также различные приемы статистической обработки акустических сигналов.
К недостаткам этого способа следует отнести следующие обстоятельства.
Прием уменьшения погрешности определения акустической анизотропии эхо-импульсным методом за счет увеличения базы измерений приводит к увеличению неисключенной систематической погрешности метода вследствие нарастающего искажения отраженных импульсов, вызванного эффектами частотно зависимого затухания, дисперсии скорости, суммирования сигнала с некоррелированным структурным шумом и др.
Кроме того, обычно аппаратная погрешность измерения временных интервалов современных цифровых средств измерения составляет порядка 1 нс, и увеличение базы измерений, сопряженное с искажением формы анализируемых сигналов, представляется излишним.
Используемые стандартные методы статистической обработки многократно принятых временных реализаций уменьшают лишь белый шум электро-акустического тракта, который для современных средств измерений незначителен. Методы фильтрации также неэффективны, поскольку структурный шум находится в той же спектральной области, что и полезный сигнал.
Уменьшение негативного влияния некоррелированного структурного шума может быть достигнуто лишь приемами пространственно-временной обработки сигналов, которые при контроле анизотропии в конкретной точке материала неприменимы. В случае слабоанизотропных материалов в задачах контроля анизотропии, не связанных с ее мониторингом с помощью неподвижно установленных преобразователей, наиболее надежным способом уменьшения случайной погрешности является многократная переустановка преобразователя с поворотом на 90°, что существенно увеличивает трудоемкость измерений. Использование преобразователей, содержащих в качестве активных элементов две поперечно поляризованные пьезопластинки со взаимно ортогональными направлениями поляризации приводит к недопустимым погрешностям вследствие нестабильности толщины и структурной неоднородности типичных конструкционных материалов, изготовленных методом прокатки.
От перечисленных недостатков не свободен и метод контроля анизотропии с помощью ЭМАП [Прибор и методики измерения акустической анизотропии и остаточных напряжений металла магистральных газопроводов / Волкова Л.В. [и др.] // Приборы и методы измерений. – 2019. – Т. 10. – № 1. – С. 42–52.], который достаточно эффективно может быть использованы лишь для достаточно анизотропных материалов (со степенью акустической анизотропии в несколько процентов, обеспечивающей расщепление импульсов поперечных волн при их поляризации на входе в материл под углом 45° к НП. Кроме того, прецизионную обработку сигналов, полученных с помощью ЭМАП, затрудняет их пониженный на 3 – 4 порядка по сравнению с ПЭП коэффициент электромеханической связи.
Целью изобретения является повышение достоверности и уменьшение трудоемкости определения акустической анизотропии деталей и элементов конструкций, изготовленных из слабоанизотропного проката.
Технический результат - повышение точности и уменьшение трудоемкости определения величины акустической анизотропии за счет использования уточненной методики определения необходимых временных интервалов и применения специальных приемов статистической обработки результатов измерений.
Технический результат достигается тем, что в способе определения акустической анизотропии слабоанизотропного проката, заключающемся в том, что в исследуемый технический объект, изготовленный из проката, излучают ультразвуковые импульсы поперечно поляризованных горизонтальных волн, принимают серию эхо-сигналов, возникающих в результате отражений ультразвука от противоположной поверхности границы объекта, определяют величину временного сдвига между импульсами упругих волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно направлению проката и по ее значению вычисляют параметр акустической анизотропии, величина временного сдвига определяется на основании статистической обработки значений массива временных сдвигов суммарного импульса, полученных в процессе их измерения при повороте преобразователя вокруг вертикальной оси в диапазоне углов от 0° до 90°, величина акустической анизотропии и ее случайная средняя квадратическая погрешность вычисляются по формулам, определение необходимых временных сдвигов анализируемых импульсов осуществляется по точкам перехода сигнала через ноль, максимально близких к «центрам тяжести» импульсов, с целью уменьшения погрешности и времени измерений используется приспособление для поворота преобразователя.
На основании статистической обработки значений массива временных сдвигов суммарного импульса, полученных в процессе их измерения при повороте преобразователя вокруг вертикальной оси в диапазоне углов от 0° до 90° определяется величина акустической анизотропии в точке контроля на порядок быстрее и с меньшей погрешностью по сравнению с известными способами.
2
3
2
В предлагаемом способе используется обычная схема ультразвуковых измерений для листового проката (Фиг. 1, где 1- направление волнового вектора; 2 – направление поляризации). Импульсы поперечной горизонтально поляризованной упругой волны излучаются и принимаются пьезопреобразователем, установленным на плоскости проката (плоскость ХОХ  на Фиг. 1) и ориентированным направлением поляризации пьезопластинки под углом  пьезопластинки под углом  к НП (ось ОХ).
0
Сигнал на излучающем преобразователе имеет вид гармонических колебаний  с амплитудой U(t), и вектором поляризации
В анизотропном материале в силу эффектов двулучепреломления cформированный на границе ввода импульс расщепляется на два, описываемые выражениями:
где  - круговая частота,  - начальная фаза,  - волновые векторы этих импульсов, а временной сдвиг между ними
где  – длина акустического пути, равная для -го отраженного импульса значению ,  – скорости волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно НП соответственно.
Параметр акустической анизотропии  определяется по формуле:
где  - задержки -х отраженных  импульсов волн соответствующей поляризации.
Выражение для суммарного отраженного сигнала для произвольного угла  между направлением поляризации и НП  в соответствии с [Дьелесан Э. Упругие волны в твердых средах. Применение для обработки сигналов. / Э. Дьелесан, Д. М. Руайе.–– М.: Наука, 1982.–– 424 с.] имеет вид:
Численным методом анализировалось поведение временного сдвига  суммарного импульса  относительно исходного импульса  при повороте преобразователя, с дискретным интервалом угла поворота 5°.
Задержка суммарного импульса определялась методом перехода сигнала через ноль с использованием сплайн-аппроксимации сигнала вблизи нулевых значения. В качестве отсчетной точки профиля импульса в соответствии с подходом, изложенным в [Муравьева О.В. Методические особенности использования SH-волн и волн Лэмба при оценке анизотропии свойств листового проката / О.В. Муравьева, Муравьев В.В. // Дефектоскопия.–– 2016.–– № 7.–– С. 3–11.], использовалась точка вблизи «центра тяжести импульса», соответствующего половине площади под его огибающей.
ц
Координата «центра тяжести» импульса  находится численным методом как решение интегрального уравнения:
л
п
л
п
ц
Где ,  - левая и правая границы соответствующего импульса (Фиг. 2, где 3 - ; 4 -  ; 5 - ; 6 – ).
Поворот преобразователя на заданный угол осуществлялся с помощью приспособления, эскиз которого приведен на Фиг. 3.
На Фиг. 4 приведен график зависимости  при повороте преобразователя вокруг вертикальной оси в интервале углов  от 0° до 90° с дискретностью 5°.
Кривая на Фиг. 4 с высокой точностью аппроксимируется зависимостью:
Из зависимости (7) видно, что величина  при  принимает значение, равное  откуда следует, что среднее значение задержки
может быть вычислено по результатам измерений массива
задержек суммарного импульса , полученных  в процессе поворота преобразователя:
ср
Суммарное среднее квадратическое отклонение оценки величины  в соответствии с ГОСТ Р 8.736–2011 определяется по формуле:
ср
где  - случайная средняя квадратическая погрешность определения величины ,  – среднее квадратическое отклонение группы  измерений задержек  - среднее квадратическое отклонение неисключенной систематической погрешности, которая для современных цифровых средств измерений составляет порядка 1 нс.
С учетом формулы (7) необходимые для расчета анизотропии значения временных сдвигов можно представить в виде массива неравноточных измерений:
для которого можно рассчитать среднее весовое значение , являющееся достоверной оценкой величины :
где выражения для обратных величин дисперсий, имеющих смысл весовых коэффициентов, в соответствии (10) имеют вид
Выражение для величин  записывается следующим образом:
где  - значение задержки суммарного импульса, соответствующее первому измерению при установке преобразователя направлением поляризации вдоль НП).
Соответствующая случайная составляющая средней квадратической погрешности:
Таким образом, выражение для средневзвешенной величины акустической анизотропии может быть записано следующим образом:
случайная средняя квадратическая погрешность:
При использовании существующего способа измерения анизотропии ее случайная  средняя квадратическая погрешность  поэтому для величины, характеризующей уменьшение случайной погрешности измерений (и увеличение их точности)  можно записать:
На Фиг. 5 приведен график зависимости отношения  от числа измерений при различных значениях углов поворота   (число измерений на 1 больше секторов, на который разбит диапазон измерений от 0° до 90°).
Фиг. 5 показывает сильную зависимость случайной погрешности от числа измерений в процессе поворота преобразователя: при интервале измерений 30° (=4) случайная погрешность определения анизотропии уменьшается в 2 раза, при интервале 15° (=7) - в 3 раза при интервале 10° (=10) - в 5 раз даже при однократном повороте преобразователя в диапазоне от 0° до 90°.
Проверка описанного алгоритма проводилась на стандартном плоском отожженном образце из сплава АМг61 толщиной 6 мм, вырезанном из листа с малой акустической анизотропией (порядка 0,3 %). Образец вырезался поперек НП.
Измерения проводились с помощью ИВК «АСТРОН» (№ в Государственном реестре средств измерений 67552-17) на образце в трех состояниях: исходом, пластически деформированном на 7% и 17%.
Измерения анизотропии проводились в центральной части образца двумя способами – существующими, путем измерения задержек 3-го отраженного импульса относительно 1-го при многократной переустановке преобразователя вдоль и поперек НП и с помощью заявляемого способа при вращении преобразователя в диапазоне от 0° до 90° с интервалом 10°.
Результаты многократных измерений существующим способом иллюстрируются Фиг. 6.
На Фиг. 7 приведены экспериментальные кривые приращений задержки суммарного второго отраженного импульса относительно первого при вращении преобразователя в диапазоне от 0° до 90° с дискретностью 10°.
Сплошные кривые на Фиг. 7 – теоретические зависимости  рассчитанные по формуле (7), которые, как видно из рисунка, хорошо описывают поведение экспериментальных зависимостей.
Средние значения анизотропии и соответствующе средние квадратические отклонения для существующего способа измерений рассчитывались по ГОСТ Р 8.736–2011, для заявляемого способа – по формулам (14, 15). Результаты приведены в таблице:
Таблица показывает существенное уменьшение случайной погрешности при использовании заявляемого способа по сравнению с существующим. При этом время измерений уменьшилось в 5 - 10 раз.
Для наглядности на Фиг. 8 приведены результаты измерений анизотропии заявляемым способом при 10-кратном повороте преобразователя, как при существующем способе измерений.
Сравнение результатов измерений, приведенных на Фиг. 6 и Фиг. 8 наглядно демонстрируют существеннее увеличение точности измерений заявляемого способа по сравнению с существующим.
Преимущества данного подхода по сравнению с существующими способами состоят в следующем: достигается повышение точности определения величины акустической анизотропии за счет применения более корректного метода измерения задержек ультразвуковых импульсов и увеличения объема обрабатываемой информации, а также расширение возможностей метода за счет существенного уменьшения времени измерений.