СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОВЕРХНОСТНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ
METHOD OF MEASURING SPEED OF ULTRASONIC SURFACE WAVE

Изобретение может найти применение в машиностроительной, металлургической и других отраслях, где необходимо осуществлять измерение скорости акустических волн в изделиях, например, при определении остаточных напряжений.
1
2
Основой для использования такого способа является связь между скоростью и внутренними напряжениями в изделии. Известен неразрушающий ультразвуковой способ с использованием прибора ИН-5101 А для измерения остаточных напряжений в ободьях железнодорожных колес диаметром 957 мм (А.В. Камышев, Н.Е. Никитина, В.А. Смирнов. Измерение остаточных напряжений в ободьях железнодорожных колес методом акустоупругости. - Дефектоскопия. 2010. №3. С.50-54). При осуществлении способа непосредственно измеряли время распространения (задержки) двух взаимно перпендикулярных поляризованных сдвиговых волн t и t. Волны распространяются по нормали к плоскости обода. Измерения проводили в двух противоположных сечениях на внутренней боковой поверхности ободьев каждого колеса. Значения задержек сдвиговых волн использовали для вычисления окружного напряжения σ с использованием коэффициента упруго- акустической связи для стали. Результаты измерений показали, что остаточные напряжения во всех точках контроля являются сжимающими и по модулю возрастают от центра к периферии. Однако точность измерения величин остаточных напряжений по этому способу недостаточна.
Известен способ измерения временного интервала прохождения цуга волн между двумя фиксированными точками на изделии и основанные на интерферометрическом преобразовании акустических колебаний в электрические сигналы (А.П. Владимиров, Э.С. Горкунов, Л.С. Горулева и др. Спекл-интерферометрическая установка для определения скорости ультразвуковой волны Релея на участках миллимитрового размера. // Дефектоскопия. 2011. №3. С.3-9). Временной интервал измеряется между полуволнами с максимальными амплитудами. Однако при прохождении по поверхности изделия вследствие затухания волны изменяется амплитуда сигнала, сопровождающаяся изменением его формы. Уменьшение амплитуды волны с пройденным расстоянием по поверхности изделия происходит нелинейно, в основном, по экспоненциальной зависимости:
0
U=U exp(-δx) cos(ωt-kx),
0
где U - начальное смещение, ω - круговая частота, δ - коэффициент затухания, t - время, k - волновое число, х - координата, вдоль которой распространяется волна.
Это приводит к смещению положения максимума каждой полуволны и временной интервал между полуволнами с максимальными амплитудами зависит не только от пройденного расстояния, но и от затухания волны, вносящего не учитываемый вклад в погрешность измерения.
Известен также способ определения временного интервала, заключающийся в измерении временного промежутка между «центрами тяжести» двух сигналов (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). Однако затухание волны также приводит к дополнительным изменениям фазы колебаний, ведущей к смещению «центра тяжести». Поэтому из-за нелинейной зависимости амплитуды сигнала от пройденного волной расстояния временной интервал будет тоже содержать дополнительную погрешность измерения.
Задача изобретения - повышение точности измерения скорости волны за счет исключения погрешности, обусловленной затуханием волны.
Указанная задача решается тем, что предлагаемый способ измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны, включающий определение временного интервала между ультразвуковыми импульсами, при котором возбуждают пьезопреобразователем поверхностную ультразвуковую волну, осуществляют прием прошедших по изделию ультразвуковых импульсов и определяют временные интервалы между этими импульсами, характеризуется тем, что 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.
Нормирование (выравнивание) амплитуд ультразвуковых импульсов в каждом цуге волн позволяет исключить влияние затухания волн при определении временного интервала между ультразвуковыми импульсами, что повышает точность измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны.
Сущность заявляемого способа поясняется чертежами, где на фиг.1 дана схема реализации способа измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны; на фиг.2 показаны ультразвуковые импульсы с поверхности изделия; на фиг.3 показаны скорректированные, согласно изобретению, ультразвуковые импульсы.
На фиг.1 изображены генератор импульсов 1, пьезопреобразователь 2, изделие 3, точки 4, 5, 6 - точки съема ультразвуковых импульсов спекл-интерферометрической установкой 7 и цифровой осциллограф 8. Способ измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны осуществляется следующим образом.
Генератор 1 подает электрический импульс на пьезопреобразователь 2. Пьезопреобразователь излучает поверхностную волну, которая движется по изделию 3 в направлении спекл-интерферометрической установки 7.
Регистрацию смещений поверхности при прохождении волны осуществляют по предлагаемому способу в трех точках (4, 5, 6), находящихся на равных расстояниях d друг от друга, спекл-интерферометрической установки 7. Эти ультразвуковые импульсы в виде цугов (фиг.2) принимаются цифровым осциллографом 8 и оцифрованные импульсы затем вводят в компьютер 9 для последующей обработки. Скорость поверхностной волны определяют из соотношения:
С=d/Δt,
4
3
2
5
2
1
4
5
где d - расстояние между точками съема ультразвукового импульса, Δt - временной интервал между полуволнами с максимальной амплитудой. Скорость волны в изделии постоянна, поэтому временные интервалы между полуволнами с максимальными амплитудами должны быть неизменными. Таким образом, временные интервалы: Δt t-t и Δt=t-t (фиг.2) должны быть одинаковыми. Однако вследствие затухания смещается положение максимума полуволны в каждом цуге, приводящее к различным временным интервалам Δt и Δt, свидетельствующие о погрешности измерения.
1
1
3
2
2
1
В компьютере по серии, по крайней мере, трех ультразвуковых цугов волн определяют зависимость амплитуды ультразвуковых импульсов от пройденного расстояния в виде: U=Uexp(-δx), где U- амплитуда максимума первой полуволны. Затем каждый ультразвуковой импульс, начиная со второго, делят на экспоненциальный множитель exp(-δd). При этом амплитуды волн в каждом цуге (фиг.3) выравниваются с амплитудами волн первого цуга (нормируются) и временные интервалы между полуволнами с максимальными амплитудами в каждом цуге будут иметь равные значения: t-t=t-t. Это свидетельствует о том, что положение максимума полуволны не будет сдвинуто из-за затухания волны, и тем самым исключается погрешность измерения, вносимая затуханием волны.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения за счет устранения погрешности, связанная с затуханием волны и может найти применение для высокоточных измерений скорости поверхностной ультразвуковой волны при определении остаточных напряжений в изделиях. Изменения скорости от величины напряжений на практике происходит на доли процентов, следовательно точность измерения самой скорости обеспечивается, по крайней мере, на порядок выше.