СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА
METHOD OF MEASURING SPEED OF ULTRASOUND

Изобретение относится к области неразрушающего контроля физических характеристик конструкционных материалов и может быть использовано для определения внутренних локальных механических напряжений в различных конструкциях.
p
p
p
Известен способ измерения скорости распространения поперечных волн в материалах, заключающийся в том, что в образце материала возбуждают упругие продольные колебания, принимают прошедшие образец поперечные упругие колебания преобразователем, расположенным на образце так, что ось его чувствительности перпендикулярна линии, соединяющей точки излучения и приема, измеряют время распространения поперечных колебаний, по которому рассчитывают скорость их распространения, причем измеряют в сигнале принятых колебаний разность импульсов поперечных волн, сдвинутых по фазе на 180°, а время распространения определяют по местоположению первой из трех последовательных точек, амплитуда разности в которой превышает среднеарифметическое значение амплитуд, регистрируемых в интервале, t - 1,4t, где t - время распространения продольной волны [А.с. СССР №1821733, МПК G01N 29/00, 1993 г.].
Известный способ характеризуется пониженной точностью измерения времени распространения продольной волны ввиду значительных погрешностей измерения амплитуд ультразвуковых волн и момента времени, соответствующего среднеарифметическому значению амплитуд ультразвуковых волн.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения скорости ультразвука, заключающийся в том, что в контролируемом канале устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов, а в эталонном канале импульсный режим прохождения электроакустических импульсов при одновременном возбуждении обоих каналов образуют последовательность опорных электрических импульсов с частотой автоциркуляции и последовательность электрических импульсов той же частоты повторения, сформированных после прохождения акустическим сигналом эталонного канала, используют обе указанные последовательности для формирования эталонного интервала времени, равного времени распространения акустического импульса в эталонном канале, подсчитывают высокочастотные импульсы, заполняющие эталонные интервалы в течение измерительного интервала времени и по количеству высокочастотных импульсов, измеренных с помощью счетчика в сформированном интервале, определяют скорость ультразвука, причем перед подсчетом высокочастотных импульсов счетчик снабжают дополнительными n разрядами, аналогичными имеющимся, включенными перед младшими разрядами счетчика [патент РФ №2060474, МПК G01H 5/00, 1996 г.].
В известном способе устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов и формируют последовательность опорных электрических импульсов по их фронтам, положения которых на временной оси имеют неопределенности вследствие помех, возникающих от многократных отражений ультразвуковых импульсов от внутренних поверхностей изделия, нестабильности генератора импульсов и шумов в усилителе. Ввиду указанных факторов увеличивают погрешность измерения интервала времени между электроакустическими импульсами.
Задачей предлагаемого способа измерения скорости ультразвука является повышение точности измерения скорости ультразвука во внутренних областях материала.
1
2
2
2
2
2
2
2
2
Достигается это тем, что в способе измерения скорости ультразвука, заключающимся в пропускании импульсов ультразвуковых колебаний в контролируемом материале, согласно изобретению пропускают ультразвуковые импульсы с частотой заполнения ν через образец исследуемого материала первоначально без нагрузки при заданной температуре, измеряют скорость ультразвука C при той же температуре, затем получают последовательность ультразвуковых сигналов эхо отраженными частицами, находящимися в любых двух внутренних областях материала, регистрируют двумя приемными пьезоэлектрическими датчиками, не соприкасающимися с внешней поверхностью материала и расположенными в иммерсионной среде, раскладывают эту последовательность во временной ряд Фурье по периоду повторения Т ультразвуковых импульсов, изменяют частоту повторения импульсов ν=1/Т, достигают такой величины ν, при которой амплитуды четных гармоник ряда Фурье не равны нулю и фазы этих гармоник претерпевают скачок на π радиан, сопоставляют скорость C ультразвука с этой частотой повторения импульсов ν, повышают или понижают температуру исследуемого материала и снова сопоставляют скорость C ультразвука с частотой повторения импульсов ν, определяют зависимость частоты повторения импульсов ν, при которой фазы четных гармоник претерпевают скачок на π радиан, от скорости ультразвука C, после чего определяют скорость C ультразвука во внутренних областях исследуемого материала, находящегося под нагрузкой, по зависимости этой частоты повторения импульсов ν.
2
2
2
Разложение последовательности сигналов эхо во временной ряд Фурье по периоду повторения Т ультразвуковых импульсов и измерение частоты повторения ν=1/Т, при которой фазы четных гармоник претерпевают скачок на π радиан, обеспечивает повышение точности измерения ультразвука C.
Сущность способа поясняется графически.
2
2
2
2
На фиг.1 представлена блок-схема электронного устройства для генерации ультразвуковых импульсов и определения частоты повторения импульсов; на фиг.2 показана зависимость фаз, второй гармоники ряда Фурье; на фиг.3 показана зависимость фаз, четвертой гармоники ряда Фурье; на фиг.4 - график зависимости скорости С продольных ультразвуковых волн от температуры t°C в сплаве Сталь 3; на фиг.5 - график зависимости частоты ν повторения ультразвуковых импульсов, при которой фаза второй гармоники скачком изменяются на π радиан, от скорости C продольных ультразвуковых волн в сплаве Сталь 3; на фиг.6 - график зависимости частоты ν повторения ультразвуковых импульсов, при которой фаза четвертой гармоники скачком изменяется на π радиан, от скорости C продольных ультразвуковых волн в сплаве Сталь 3; на фиг.7 - график зависимости амплитуды A, второй гармоники от частоты ν повторения ультразвуковых импульсов, при которой фаза этой гармоники скачком изменяется на π радиан в сплаве Сталь 3; на фиг.8 - график зависимости амплитуды A, четвертой гармоники от частоты ν повторения ультразвуковых импульсов, при которой фаза этой гармоники скачком изменяется на π радиан в сплаве Сталь 3.
Электронное устройство для генерации ультразвуковых импульсов, измерения частоты повторения импульсов, амплитуд и фаз гармоник ряда Фурье последовательности ультразвуковых сигналов эхо состоит из генератора импульсов 1 (фиг.1), ультразвукового преобразователя 2, приемных пьезоэлектрических датчиков 3 и 4, широкополосных усилителей 5 и 6, ключа 7, резистора 8 в анализатор спектра 9, индуктивности 10, варикапа 11, узкополосного усилителя 12, детекторной цепочки 13, 14, 15, амплитудно-цифрового преобразователя 16, персонального компьютера 17, ключа 18, измерителя фазы 19 и амплитудно-цифрового преобразователя 20.
Способ реализуется следующим образом.
1
2
2
2
2
2
2
2
2
Пропускают ультразвуковые импульсы с частотой заполнения ν через образец исследуемого материала первоначально без нагрузки при заданной температуре, измеряют скорость ультразвука C при той же температуре, затем получают последовательность ультразвуковых сигналов эхо отраженными частицами, находящимися в любых двух внутренних областях материала, регистрируют двумя приемными пьезоэлектрическими датчиками 3, 4, не соприкасающимися с внешней поверхностью материала и расположенными в иммерсионной среде, раскладывают эту последовательность во временной ряд Фурье с помощью высокодобротного контура, включающего индуктивность 10 и варикап 11, по периоду повторения Т ультразвуковых импульсов, изменяют частоту повторения импульсов ν=1/Т с помощью генератора импульсов 1, достигают такой величины ν, при которой амплитуды четных гармоник ряда Фурье не равны нулю и фазы этих гармоник претерпевают скачок на π радиан, сопоставляют скорость C ультразвука с этой частотой повторения импульсов ν, повышают или понижают температуру исследуемого материала и снова сопоставляют скорость C ультразвука с частотой повторения импульсов ν, определяют зависимость частоты повторения импульсов ν, при которой фазы четных гармоник претерпевают скачок на π радиан, от скорости ультразвука C, после чего определяют скорость С ультразвука во внутренних областях исследуемого материала, находящегося под нагрузкой, по зависимости этой частоты повторения импульсов ν.
Примеры конкретного выполнения.
1
Образцом исследуемого материала служит конструкционный сплав Сталь 3. Диаметры рабочих поверхностей приемных пьезоэлектрических датчиков составляют 10 мм, расстояние между этими датчиками - 6 мм. Частота ν заполнения генерируемых ультразвуковых импульсов продольных волн - 5000000 Гц.
2
Проводим измерение зависимости фазы второй гармоники от частоты ν, повторения ультразвуковых импульсов при температуре 20°C. Результаты измерений представлены на фиг.2.
2
Проводим измерение зависимости фазы четвертой гармоники от частоты ν, повторения ультразвуковых импульсов при температуре 20°C. Результаты измерений представлены на фиг.3.
2
Из этих зависимостей следует, что фазы второй и четвертой гармоник скачком изменяются на π радиан при частотах ν соответственно 308729 и 294126 Гц.
2
2
2
Измеряем одновременно скорость C продольных ультразвуковых волн, частоты ν и амплитуды A второй и четвертой гармоник, при которых фаза этих гармоник скачком изменяется на π радиан, в сплаве Сталь 3 в температурном интервале от 20°C до -14°C. Получаем графики зависимостей: скорости С продольных ультразвуковых волн от температуры T°C в сплаве Сталь 3 (фиг.4); частот ν повторения ультразвуковых импульсов, при которых фазы, соответственно, второй (фиг.5) и четвертой (фиг.6) гармоник скачком изменяются на π радиан, от скорости C продольных ультразвуковых волн в сплаве Сталь 3; амплитуд A соответственно второй (фиг.7) и четвертой (фиг.8) гармоник от частоты ν повторения ультразвуковых импульсов, при которой фазы этих гармоник скачком изменяются на π радиан в сплаве Сталь 3.
Предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения скорости прохождения ультразвукового импульса между двумя внутренними областями материала, находящегося как под нагрузкой так и без нее, посредством регистрации ультразвуковых сигналов эхо, что дает возможность определять внутренние, механические напряжения в исследуемом материале.