УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХ КОНСТАНТ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Полезная модель относится к устройствам для исследования материалов с помощью ультразвуковых волн, а именно к области ультразвукового неразрушающего контроля объектов, и может быть использована для определения модулей упругости твердых тел в образцах с плоскопараллельными границами в процессе их производства и эксплуатации.
Из уровня техники известно устройство для определения коэффициента Пуассона ферромагнитных материалов на образцах с плоскопараллельными границами при одностороннем доступе и известной толщине образца. Оно состоит из намагничивающего устройства в виде П-образного электромагнита и двух ЭМА-преобразователей - возбуждающего, соединенного с генератором, и приемного, соединенного с усилителем. С помощью данного устройства в образце возбуждают и идентифицируют поверхностную и поперечную волны и по их скорости определяют коэффициент Пуассона [1].
Недостатком устройства является низкая достоверность, обусловленная низкой эффективностью ЭМА преобразования, необходимостью подстройки частоты, неизвестной базой прозвучивания в связи с тем, что точно не определена точка выхода луча в меандре; сложность оборудования; низкое отношение сигнал-шум; ограниченная область применения - только для ферромагнитных материалов.
z
z
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению признано устройство, выбранное в качестве прототипа, реализующее способ определения упругих констант твердых тел (RU 2006853 C1, МПК G01N 29/04, опубл. 30.01.1994]. Оно состоит из прямого преобразователя продольных волн, подключенного в совмещенном режиме к дефектоскопу, и устанавливается на поверхность твердого тела с периодическими неровностями при шероховатости R, выбранной из условия R=20÷500 мкм. При этом в изделии возбуждаются продольные ультразвуковые волны, которые распространяются нормально к поверхности изделия. При прохождении продольной ультразвуковой волны через периодические неровности при шероховатости возникает трансформированная поперечная волна той же частоты, что и продольная излучаемая, которая также распространяется нормально к
поверхности ввода. Донные эхо-сигналы продольной и поперечной волн принимают преобразователем, измеряют время их приема, определяют по временам приема и толщине изделия скорости распространения продольной и поперечной волн, по которым рассчитывают упругие константы материала изделия: модуль сжатия К; модуль сдвига G; модуль упругости Е; коэффициент Пуассона ν [2].
Недостатком устройства являются: низкая достоверность измерений, связанная с тем, что амплитуда поперечных волн, трансформирующаяся на неровностях, очень мала, а также необходимость подготовки поверхности ввода с периодическими неровностями.
Технической задачей заявленной полезной модели, совпадающей с положительным результатом от ее применения, является повышение точности и, соответственно, достоверности измерений за счет возбуждения волн на фиксированной базе прозвучивания на образцах с плоской поверхностью.
Указанная задача решена тем, что устройство для определения упругих констант твердых тел содержит возбуждающий пьезопреобразователь, электрически соединенный с генератором и блоком измерения. Отличает устройство от известных то, что оно снабжено приемным пъезопреобразователем, электрически соединенным с блоком измерения, выполненным в виде блока измерения временных интервалов, причем возбуждающий и приемный преобразователи снабжены каретками с градуированными шкалами и выполнены с возможностью изменения углового положения пьезоэлемента относительно призмы для изменения угла ввода волн, а также соединены линейкой с кареткой для изменения базы прозвучивания.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где на фигуре приведена структурная схема устройства.
Устройство для определения упругих констант твердых тел имеет следующую конструкцию.
Его основой является генератор 1 переменного напряжения, возбуждающий пьезопреобразователь 2 и приемный пъезопреобразователь 3. При этом возбуждающий пьезопреобразователь 2 электрически соединен с генератором 1 и блоком измерения 4, к последнему электрически присоединен также приемный пъезопреобразователь 3. Возбуждающий и приемный преобразователи 2 и 3 снабжены каретками 5 и 6 с градуированными шкалами и выполнены с возможностью изменения углового положения пьезоэлемента 7
относительно призмы 8 для изменения угла ввода волн, а также соединены линейкой 9 с кареткой 10 для изменения базы прозвучивания контролируемого изделия 11.
Блок измерения временных интервалов может быть выполнен на основе микроконтроллера, снабженного микропроцессорным ядром, FLASH-памятью программ и SRAM-памятью данных, содержащий шестнадцатиразрядный таймер-счетчик для отсчета временных интервалов, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к возбуждающему пьезопреобразователю и аналого-цифровой преобразователь, к входу которого подключен приемный пьезопреобразователь.
Устройство для определения упругих констант твердых тел используют следующим образом.
R
t
После установки пьезопреобразователей 2 и 3 на изделие 11 с выхода генератора 1 на возбуждающий пьезопреобразователь 2 подается высокочастотный электрический импульс, который возбуждает в материале изделия одновременно два типа волн - релеевскую C, распространяющуюся по траектории AD по поверхности объекта контроля, и поперечную C, распространяющуюся по траектории ABD по толщине объекта контроля. Оба типа волн принимаются приемным пьезопреобразователем 3, преобразуются в электрические импульсы и поступают на вход блока 4 измерения временных интервалов.
Расстояние между возбуждающим 2 и приемным 3 пьезопреобразователями регулируется кареткой 10 линейки 9, а угол расположения пьезоэлементов 7 преобразователей 2 и 3 выбраны таким образом, чтобы часть пучка трансформировалась в релеевскую волну, а другая - в поперечную волну.
По измеренным временам прихода импульсов и толщине образца рассчитываются упругие модули по формулам:
R
пр
t
где ν - коэффициент Пуассона; G - модуль сдвига; Е - модуль Юнга; L - база прозвучивания; t - время распространения релеевской волны; t - время распространения ультразвуковой волны в призме пьезопреобразователя; Н - толщина образца; t - время распространения поперечной волны; ρ - плотность материала образца.
3
t
R
Способ измерения, осуществляемый с помощью предложенного устройства, был опробован на образце твердого тела толщиной 5,6 мм из стали Ст3 и плотностью 7800 кг/м с шероховатостью поверхности ввода волн, равной 1,25 мкм. Измеренное время приема эхо-сигналов поперечной и релеевской волн равно соответственно: t=26,125 мкс; t=27,1 мкс.
Рассчитанные по формулам упругие константы равны: ν=0,29; G=83 ГПа; Е - 213 ГПа, что совпадает с табличными данными для данной стали.
Предлагаемое устройство позволяет определять константы упругости твердых тел с широким диапазоном параметров шероховатости, повысить точность и достоверность измерений за счет возбуждения в твердом теле поперечной и релеевской волн без их трансформации на периодических неровностях и, как следствие, увеличения амплитуды принятых сигналов. Повышение точности и достоверности измерений достигается также за счет создания одинаковых условий измерения времени прихода поперечной и релеевской волн. Использование данного устройства позволяет также повысить его функциональные возможности за счет использования пьезопреобразователя, который возбуждает ультразвуковые волны в материале независимо от электромагнитных свойств последнего.
Список использованных источников
1. Бабкин С.Э. Определение коэффициента Пуассона ферромагнитных материалов ЭМА-способом // Дефектоскопия, №5, 2016, с. 51-55.
2. RU 2006853 C1, МПК G01N 29/04. Ультразвуковой способ определения упругих констант твердых тел / Самедов Я.Ю., Щербинский В.Г., Абдуллаев А.И.; заявитель Научно-производственное объединение по технологии машиностроения. №4947350/28; заявл. 17.06.1991; опубл. 30.01.1994.