СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА
METHOD OF DETECTING NON-UNIFORMITY OF ACOUSTIC PROPERTIES OF MATERIAL

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано при ультразвуковом контроле, в частности, при исследовании особенностей микроструктуры и химического состава материалов.
Известен способ выявления неоднородности физико-химических свойств материала посредством вихревых токов (см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. / Под ред. Клюева В.В. - Т.2. - М.: Машиностроение, 1986. - С.52). Способ не позволяет выявлять зоны неоднородности в неметаллических материалах.
x
Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому способу является способ определения акустического сопротивления материала посредством измерения коэффициента отражения ультразвука на его границе с эталонным материалом (см. Физическая акустика / Под ред. У.Мэзона. - Т.1. - Часть А. - М.: Мир, 1966. - С.330). Способ заключается в том, что между исследуемым и эталонным материалами создают плоскую границу акустического контакта, излучают в направлении созданной границы ультразвуковые колебания и принимают отраженные от нее сигналы, измеряют амплитудный коэффициент R отражения ультразвука от указанной границы и определяют акустическое сопротивление Z исследуемого материала по формуле:
0
x
где Z - акустическое сопротивление эталонного материала. Поскольку по формуле (1) Z однозначно связано с R, то, проводя измерения последней величины на разных участках поверхности исследуемого материала, можно судить о степени акустической неоднородности последнего, либо, наоборот, о его однородности.
2
Недостатком указанного способа является невозможность выявлять неоднородности акустических свойств исследуемого материала в пределах одномоментной зоны контроля, площадь которой может доходить до 20 см и более, в зависимости от размеров ультразвукового излучателя. Отмеченный недостаток является принципиальным и обусловлен усреднением парциальных давлений, создаваемых действующими механическими колебаниями, по площади приемной поверхности ультразвукового преобразователя.
1
x1
2
x2
x1
Задачей, на решение которой направлено данное техническое предложение, является повышение информативности известного способа-прототипа путем обеспечения возможности выявления неоднородности акустических свойств исследуемого материала в пределах одномоментной зоны контроля. Поставленная цель достигается за счет того, что между исследуемым и эталонным материалами создают плоскую границу акустического контакта, возбуждают ультразвуковые колебания в направлении созданной границы и принимают отраженные от нее сигналы, измеряют амплитудный коэффициент R отражения ультразвука от этой границы, с учетом которого по формуле (1) рассчитывают значение Z акустического сопротивления исследуемого материала на контролируемом участке. Затем, не сменяя зоны контроля, изменяют характеристику распределения акустического поля в направлении, параллельном границе акустического контакта, измеряют аналогичным образом коэффициент R отражения ультразвука от упомянутой границы, определяют соответствующее значение Z акустического сопротивления исследуемого материала и сравнивают его со значением Z. По результатам сравнения судят о неоднородности свойств исследуемого материала: при несовпадении указанных значений устанавливают неоднородность свойств материала в данной зоне контроля, в противном случае - однородность свойств. При необходимости описанный цикл измерений повторяют на другом участке поверхности исследуемого материала.
Таким образом, в отличие от способа-прототипа, в предлагаемом способе получают дополнительную, важную для исследователя информацию о степени неоднородности акустических и, следовательно, механических, микроструктурных или химических свойств контролируемого материала. Возможны случаи, когда на разных участках исследуемого материала усредненные значения коэффициентов отражения и соответствующих акустических сопротивлений совпадают, а в пределах одномоментной зоны контроля они резко различны, что может свидетельствовать, например, о концентрации внутри материала механических напряжений или наличии в нем химических примесей.
Изменение характеристики распределения поля осуществляют одним из возможных способов: путем изменения частоты возбуждаемых колебаний либо путем изменения длительности импульсов этих колебаний, либо посредством изменения длины акустического пути в эталонном материале, либо путем замены эталонного материала.
Техническим результатом предлагаемого способа акустического исследования материалов является повышение чувствительности ультразвукового контроля к неоднородностям механических и физико-химических свойств в малых масштабах.
0
отр
пад
1
x1
Предлагаемый способ выявления неоднородности акустических свойств материала при исследовании твердых сред в иммерсионном варианте озвучивания реализуется следующим образом. У исследуемого твердого материала формируют плоскую границу путем, например, механической обработки поверхности. В качестве эталонного материала используют иммерсионную жидкость, например воду, заполняющую корпус традиционного локально-иммерсионного преобразователя, в котором предусмотрена возможность перемещения пьезопреобразователя вдоль главной оси. Значение Z акустического сопротивления эталонной жидкости измеряют заранее или берут из таблиц. Осуществляют акустический контакт между плоской поверхностью исследуемого материала и эталонной жидкостью, причем обеспечивают условие плоскопараллельности поверхностей пьезоэлектрического преобразователя и исследуемого образца материала. С помощью пьезоэлектрического преобразователя излучают в направлении созданной границы контакта ультразвуковые колебания и принимают отраженные от нее сигналы. Измеряют амплитуды принятых сигналов в случае присутствия исследуемого образца А и при его удалении А. Деля первое значение амплитуд на второе, определяют амплитудный коэффициент R отражения ультразвука от образца, с учетом которого по формуле (1) рассчитывают значение Z акустического сопротивления исследуемого материала.
0
Из теории ультразвуковых преобразователей известно, что характеристика распределения в поперечном к оси преобразователя направлении амплитуд излучаемых колебаний зависит от отношения расстояния до отражателя к длине волны ультразвука в передающей среде, а также - от крутизны спада амплитуды за один период колебаний (см. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля / Под общ. ред. И.Н.Ермолова. - М.: Машиностроение, 1986. - С.164). Изменить указанное отношение можно изменением длины акустического пути в эталонном материале, изменением частоты излучаемых колебаний, заменой эталонного материала, а изменения крутизны спада амплитуды колебаний можно достичь изменением длительности импульсов ультразвукового излучения. Из этих вариантов самым простым в техническом отношении является изменение длины акустического пути в эталонном материале, особенно - в иммерсионном методе озвучивания. При замене эталонного материала изменяется скорость распространения ультразвука в нем, что целесообразно, однако при этом изменяется и Z, что может вносить дополнительную погрешность в результаты.
x2
x1
x
x1
x2
После выполнения вышеописанных измерительных процедур изменяют толщину слоя иммерсионной жидкости, отсчитываемой по расстоянию между излучателем-приемником ультразвука и исследуемым образцом материала, например, путем перемещения пьезопреобразователя по направлению к образцу или от него. Затем повторяют описанную последовательность действий и находят значение Z акустического сопротивления исследуемого материала, которое сравнивают со значением Z. Если исследуемый материал является акустически однородным, то усредненное значение амплитудного коэффициента R отражения ультразвука и соответствующее значение Z акустического сопротивления материала не будет зависеть от характеристики распределения акустического поля в поперечном направлении, в противном случае такая зависимость будет иметь место. Поэтому по результатам сравнения Z и Z при осуществлении предлагаемого способа судят о неоднородности акустических свойств исследуемого материала в границах зоны одномоментного контроля.
Заявляемый способ ввиду своей простоты и технологичности не требует для своего осуществления создания нового оборудования. Все необходимые для этого процедуры могут быть выполнены в любой ультразвуковой измерительной лаборатории.