СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ГОЛОВНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF MEASURING PROPAGATION VELOCITY CHANGE OF HEAD ULTRASONIC WAVE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемые способ и устройство относятся к области измерения изменения скорости распространения головной ультразвуковой волны (УЗВ) и могут найти применение в машиностроительной, металлургической и других областях, где необходимо осуществлять измерение скорости распространения акустических волн в изделиях, при определении остаточных напряжений.
Известны способы и устройства измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны (авт. свид. СССР №№392.357, 1.010.541, 1.206.618, 1.247.659, 1.453.178, 1.490.501; патенты РФ №№2.014.567, 2.027.149, 2.101.681, 2.129.703, 2.169.350, 2.310.165, 2.358.243, 2.389.981, 2.490.606, 2.544.310; патенты США №№4.467.653, 4.603.589, 4.930.358, 6.516.665; патент Великобритании №2.282.447; патент Германии №4.114.233; патент Франции №2.551.204; патенты Японии №№62-280.827, 9.178.488, 10.332.380; патенты ЕР №№0.806.635, 0.913.670; патенты WO №№97/09591, 98/48.247; Владимиров А.П., Горкунов Э.С., Еремин П.С. и др. Спекл-интерферометрическая установка для бесконтактного измерения скорости распространения ультразвуковой волны Релея. Приборы и техника эксперимента. 2010, №1, с. 128-131 и другие).
Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны» и устройство для его реализации (патент РФ №2.490.606, G01H 5/00, 2012), которые и выбраны в качестве базовых объектов.
Сущность известных способа и устройства заключается в том, что возбуждают пьезопреобразователем поверхностную ультразвуковую волну, осуществляют прием прошедших по изделию ультразвуковых импульсов и определяют временные интервалы между этими импульсами, причем при прохождении волны по изделию регистрацию ультразвуковых импульсов осуществляют, по крайней мере, в трех точках, затем импульсы проходят на цифровой осциллограф и в оцифрованном виде ультразвуковые импульсы вводят в компьютер для определения зависимости амплитуд ультразвуковых импульсов от пройденного волной расстояния, далее нормируют амплитуды ультразвуковых импульсов, начиная со второго, до амплитуды первого, а после выравнивания определяют временные интервалы между этими импульсами.
Поверхностная ультразвуковая волна чувствительна к поверхностным дефектам изделия, что снижает разрешающую способность и точность измерения скорости распространения ультразвуковой волны, и не чувствительна к напряженно-деформированному состоянию материала, что делает ее неприменимой для контроля механических напряжений.
Технической задачей изобретения является повышение разрешающей способности и точности измерения изменения скорости распространения головной волны в среде образца путем применения двух пьезоприемников, разнесенных между собой и источником ультразвуковых волн на расстояние L, и использования лазерного излучения для возбуждения ультразвуковых волн.
Поставленная задача решается тем, что способ измерения изменения скорости распространения головной ультразвуковой волны, включающий, в соответствии с ближайшим аналогом, определение временного интервала между ультразвуковыми импульсами, при котором возбуждают оптоакустическим способом головную ультразвуковую волну, осуществляют прием прошедших по изделию ультразвуковых импульсов и определяют временные интервалы между этими импульсами, при этом при прохождении волны по изделию регистрацию ультразвуковых импульсов осуществляют, по крайней мере, в двух точках, затем импульсы проходят на блок аналого-цифрового преобразования (АЦП) и в оцифрованном виде ультразвуковые импульсы вводят в компьютер и определяют временные интервалы между этими импульсами, отличается от ближайшего аналога тем, что головную акустическую волну возбуждают лазерным излучением, которое направляют в излучающий тракт с помощью оптического волокна и через оптически прозрачный волновод на поверхность специального оптико-акустического генератора, представляющего собой плоскопараллельную пластину из поглощающего свет пластика, формируют лазерное пятно и соответствующий ему возбуждаемый акустический пучок радиусом α, сформированный акустический пучок из генератора направляют под углом β через звукопровод к поверхности изделия, а затем принимают под углом - β двумя звукопроводами, разнесенными на расстояния L, где L - измерительная база, при прохождении волны по изделию регистрацию ультразвуковых импульсов во втором приемнике осуществляют также, как и в первом приемнике, причем звукопроводы выполняют в виде призм, изготовленных из синтетического полимера метилметакрилата, прикрепляют и удерживают их на поверхности контролируемого изделия тонким иммерсионным слоем контактной жидкости, что обеспечивает независимость измеренных отношений скорости распространения ультразвуковых волн двумя приемниками от параметров шероховатости изделия, температуры, химического и фазового состава и др.
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг. 1. Вид ультразвуковых импульсов с поверхности изделия показана на фиг. 2.
Устройство измерения скорости распространения головной ультразвуковой волны содержит генератор лазерных импульсов 1, оптико-акустический преобразователь 2, изделие 3, точки съема 4 и 5 ультразвуковых импульсов первого 6 и второго 7 пьезоприемника, первый блок АЦП 8, компьютер 9, второй блок АЦП 10, тонкий иммерсионный слой контактной жидкости 11, звукопроводы 12, 13 и 14.
Устройство измерения скорости распространения головной ультразвуковой волны, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.
Генератор 1 излучает оптический импульс, который через излучающий тракт с помощью оптического волокна попадает на лицевую поверхность оптико-акустического преобразователя 2, представляющего собой плоскопараллельную пластину из поглощающего свет пластика. Из преобразователя 2 акустический пучок через звукопровод 12 попадает на поверхность изделия 3 и передается по нему в виде головной ультразвуковой волны. Звукопровод 12 представляет собой призму, выполненную из синтетического полимера метилметакрилата, размещается на поверхности изделия 3 таким образом, что акустическое излучение заводится в него под углом β, близким к первому критическому, обеспечивающему распространение в изделии 3 головной ультразвуковой волны.
Звукопроводы 13 и 14 установок 6 и 7 размещаются на поверхности изделия 3 таким образом, что акустическое излучение выводится из него под углом - β. Звукопроводы 12, 13 и 14 размещаются на поверхности изделия 3 на расстоянии L друг от друга, где L - измерительная база. Звукопроводы 12, 13 и 14 прикрепляются к поверхности изделия 3 через тонкий иммерсионный слой контактной жидкости 11, обеспечивающей постоянный акустический контакт. Оцифрованные импульсы с блоков аналого-цифрового преобразования 8 и 10 поступают в компьютер 9 для последующей обработки. Скорость распространения головной волны определяется из соотношения
,
где L - расстояние между точками генерации и съема ультразвуковых импульсов;
4
5
Δt - временной интервал между полуволнами с максимальной амплитудой (Δt и Δt на фиг 2).
Таким образом, временные интервалы
4
2
1
5
3
2
1
2
3
Δt=t-t и Δt=t-t, где t - время генерации УЗВ импульса на преобразователе 2, t - время прихода УЗВ импульса на первый пьезоприемник, t - время прихода УЗВ импульса на второй пьезоприемник.
Расчет скорости и ее изменения по зарегистрированному времени прихода волны осуществляется в компьютере 9 автоматически.
Так как на измерение скорости могут влиять множество факторов (параметры шероховатости поверхности изделия, температура изделия и преобразователей, химический и фазовый состав материала изделия), предложенная схема обеспечивает одинаковые условия для двух приемников расположенных на различных участках изделия, и отношение измеренных скоростей позволяет оценить изменение скорости распространения УЗВ на соседних участках изделия, например на различном удалении от сварного шва или узлов усиления.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение разрешающей способности и точности измерения изменения скорости распространения головной ультразвуковой волны. Это достигается за счет применения двух пьезоприемников, разнесенных между собой и источником ультразвуковых волн на расстояние L, и использования лазерного излучения для возбуждения ультразвуковых волн.
Ультразвуковые колебания, возбуждаемые лазером, имеют гораздо более короткий по длительности импульс, что повышает разрешающую способность измерений и их точность. А использование двух приемных пьезоэлементов, позволяет уйти от влияния толщины контактной жидкости и шероховатости поверхности изделия, температуры изделия преобразователей, химического и фазового состава материала изделия.