УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

Предлагаемое техническое решение может быть использовано в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности, в частности, при оценке напряженного состояния в конструкционных материалах. Наиболее широкое применение получили методы оценки напряженного состояния по измерению скорости акустических волн.
Известен ультразвуковой измеритель механических напряжений ИН-5101 А производства ООО «ИНКОТЕС», содержащий пьезопреобразователь, осуществляющий излучение, и прием ультразвука (Камышев А.В., Никитина Н.Е., Смирнов В.А. Измерение остаточных напряжений в ободьях железнодорожных колес методом акустоупругости. - Дефектоскопия. 2010, №3. С.50-54.). С помощью измерителя непосредственно измеряли время распространения (задержки) двух взаимно-перпендикулярных сдвиговых волн, а по значению задержек определяли остаточные напряжения. В качестве контактной жидкости использовалась эпоксидная смола без отвердителя. На точность измерения скорости влияет толщина контактной жидкости у пьезоэлектрического пьезопреобразователя как при излучении, так и при приеме ультразвука. Также при прохождении через слои контактной жидкости изменяется форма сигнала, свидетельствующая о дополнительном набеге фазы. Следовательно, контроль напряжений с использованием этого измерителя не обеспечивает достаточной точности измерения напряжений. Также из-за больших размеров пьезопреобразователей невозможен контроль на малых базах измерения.
Используемые электромагнитно-акустические преобразователи (ЭМАП) позволяют бесконтактно вводить и принимать ультразвуковые колебания и тем самым исключить влияние контактной жидкости. ЭМАП состоит из электромагнита или постоянного магнита, создающего постоянное магнитное поле, и индуктора, выполненного в виде катушки (SU 1357834, G01N 29/04, заявл. 06.01.1986, опубл. 07.12.1987). При пропускании по индуктору высокочастотного тока, на поверхности изделия наводятся вихревые токи, и при взаимодействии с постоянным магнитным полем возникают силы Лоренца, являющиеся источником ультразвуковых волн. При приеме сигнала смещения частиц среды создают вблизи поверхности переменное электромагнитное поле, которое индуцирует ЭДС в индукторе ЭМАП. Однако из-за низкого коэффициента преобразования ЭМАП не находят широкого применения. Большие размеры индуктора не позволяют измерять скорость ультразвука на малых расстояниях.
Известна спекл-интерферометрическая установка для бесконтактного измерения скорости ультразвуковой волны Релея на малых базах, обеспечивающая повышение воспроизводимости результатов измерений и возможность применения для изучения корреляции между скоростью волны РЕЛЕЯ и микроискажениями кристаллической решетки сталей, возникающие при термической обработке (А.П.Владимиров, Э.С.Горкунов, П.С.Еремин и др. Спекл-интерферометрическая установка для бесконтактного измерения скорости ультразвуковой волны Релея // Приборы и техника эксперимента. - 2010. №1.- С.128-131). Установка содержит генератор электрических импульсов, установленный на образце контактный преобразователь релеевских волн и освещенных лазером на два участка поверхности, регистрируемые фотоприемником спекл-интерферометрического устройства, осциллограф. Устройство регистрации смещений поверхности содержит лазер, фокусирующую линзу, светоделительную призму, два зеркала, фотодиод с предусилителем.
Электрические импульсы с генератора поступают на контактный преобразователь релеевских волн. При последовательном прохождении колебаний по освещенным участкам поверхности образца, регистрируются сигналы с помощью фотоприемника, помещенного в области перекрытия спеклов. Два сформированных пучка света, полученных при интерференции спекл-полей в области фотоприемника, усиливаются предусилителем и поступают для измерения временного интервала между ними на вход осциллографа. Спекл-интерферометрические установки очень чувствительны к внешним колебаниям, поэтому эти установки собираются на массивном основании. Уровни сигналов зависят от отражательной поверхности образца и от засветки общего освещения. Кроме этого, эти установки достаточно сложны, требуют высокой квалификации обслуживающего персонала и малопригодны для промышленного применения. База измерения ограничена диаметром светового пятна лазера на поверхности, уменьшение которого приводит к спаду интенсивности на поверхности и срыву работы спекл-интерферометрического устройства.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности измерения и упрощение установки.
Указанная задача решается тем, что в устройстве для измерения скорости поверхностных акустических волн, содержащее генератор импульсов, выход которого подключен к пьезоэлектрическому излучателю поверхностных акустических волн, приемный электромагнитно-акустический преобразователь с индуктором и осциллограф, согласно предложению, индуктор электромагнитно-акустического преобразователя выполнен в виде двух прямых проводников, соединенных с осциллографом и расположенных на плоском основании.
Сущность полезной модели приведена на фиг.1, где дана принципиальная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - расположение индуктора в виде двух прямых проводников на приемном ЭМАП; на фиг.3 и 4 - приведены осциллограммы сигналов, снимаемых с индуктора и регистрируемых на двухканальном осциллографе.
Устройство содержит генератор 1, выход которого соединен с пьезоэлектрическим излучателем 2 поверхностных акустических волн, приемный электромагнитно-акустический преобразователь 3, включающий постоянный магнит 4 и расположенный на основании 5 индуктор 6, выполненный в виде двух прямых проводников 7 и 8, расположенных на расстоянии d друг от друга и соединенных с осциллографом 9.
Устройство работает следующим образом.
Напряжение от генератора 1 (фиг.1) подается на пьезоэлектрический излучатель поверхностных акустических волн 2, преобразующий его в поверхностную ультразвуковую волну, распространяющуюся на поверхности образца 10. При распространении по поверхности образца волна достигает приемного ЭМАП, состоящего из магнита 4 и индуктора 6, выполненного в виде двух прямых проводников 7 и 8. Сигналы с ЭМАП поступают для измерения временного интервала между ними на вход осциллографа 9.
В предлагаемом устройстве используется комбинация контактного способа возбуждения волны с бесконтактным приемом. Это позволяет увеличить многократно мощность при излучении ультразвука, но при этом производить бесконтактный прием. Кроме того, в применяемом бесконтактном ЭМАП индуктор выполнен в виде двух прямых проводников, находящихся на близком расстоянии друг от друга, что позволяет уменьшить базу измерения и повысить точность измерения.
На фиг.2 пунктирными линиями изображен индуктор ЭМАП, выполненный на плоском основании, например, на одностороннем фольгированном гетинаксе, точками указаны места соединений проводников с фольгой.
Скорость звука определяется из соотношения:
C=d/t,
где d - расстояние между прямыми проводниками;
t - временной интервал.
На фиг.3 и 4 приведены осциллограммы сигналов, снимаемых с индуктора и регистрируемых на двухканальном осциллографе GDS-2202. Эти сигналы получены с поверхности образца 10, изготовленного из анизотропного материала. Расстояние между проводниками составляло 5 мм. При таком близком расположении сигналы, проходя от ближайшего проводника до следующего, практически не меняют форму, что позволяет погрешность, связанную с изменением фазы колебаний. Таким образом, измерение временного интервала между двумя одинаковыми цугами волн по их пикам позволило увеличить точность измерения скорости звука.