Способ определения акустических характеристик протяженных объектов непосредственно в процессе деформирования

 

Изобретение относится к измерению акустических характеристик объектов. Целью изобретения является повышение информативности контроля за счет обеспечения измерения текущих значений как скорости распространения, так и коэффициента затухания акустических колебаний. В ненагруженном протяженном объекте на заданной базе осуществляют возбуждение и прием импульсов акустических колебаний и измерение скорости распространения, коэффициента затухания и амплитуды принятых колебаний на той же базе. С помощью измеренных величин определяют текущие значения скорости распространения и коэффициента затухания акустических колебаний в деформируемом объекте. 2 ил. w 6

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (1() (51)5 G 01 N 29/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И,ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

I .б 4

О 4 (21) 4794527/28 (22) 21.02.90 (46) 07.03.92. Бюл. ¹ 9 (71) Специализированное конструкторское бюро с опытным производством Отдела теплофизики АН УЗССР (72) А. Л. Бурнаев и О, Ш, Хакимов (53) 620.179,16(088.8) (56) Заводская лаборатория. 1976, т. 42, ¹ 4, с. 447-458.

Заводская лаборатория, 1981, т. 47, № 9, с. 71, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОТЯЖЕННЫХ

ОБЪЕКТОВ НЕПОСРЕДСТВЕННО В ПРОЦЕССЕ ДЕФОРМ IPOBAHI

Изобретение относится к технике акустических измерений и может быть использовано для определения физико-механических свойств протяженных объектов типа полимерных волокон, нитей, пленок в виде узкой ленты и- т.п. путем измерения их акустических характеристик (скорости С распространения и коэффициента затухания акустических колебаний), Известен способ определения коэффициента затухания УЗ-импульсов, заключающийся в том, что в исследуемом образце, находящемся в равновесном состоянии, при котором акустические характеристики не изменяются с течением времени (постоянны во времени), возбуждают УЗ-импульсы и последовательно в двух точках, расположенных в одном направлении от точки воз(57) Изобретение относится к измерению акустических характеристик объектов.

Целью изобретения является повышение информативности контроля за счет обеспечения измерения текущих значений как скорости распространения, так и коэффициента затухания акустических колебаний, В ненагруженном протяженном объекте на заданной базе осуществляют возбуждение и прием импульсов акустических колебаний и измерение скорости распространения, коэффициента затухания и амплитуды принятых колебаний на той же базе. С помощью измеренных величин определяют текущие значения скорости распространения и коэффициента затухания акустических колебаний в деформируемом объекте. 2 ил. буждения УЗ-импульсов, но на различных расстояниях от нее, измеряют амплитуду

УЗ-импульсов и по отношению амплитуд и расстоянию между точками приема сигнала определяют коэффициент затухания УЗ.

Однако этот метод невозможно использовать для определения акустических характеристик непосредственно в процессе непрерывного деформирования образца, поскольку для последовательного измерения амплитуды УЗ-импульса в первой и затем во второй точках образца требуется определенное время (например, 10-20 с,).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является двухдатчиковый способ определения акустических характеристик протяженных объектов непосредственно в процессе деформирова1718107 ния, заключающийся в том, что в одной точке исследуемого образца возбуждают УЗимпульсы и в другой точке, расположенной на некотором расстоянии от точки излучения, принимают их, образец деформируют и в процессе деформирования синхронно регистрируют значение относительной деформации и время задержки сигнала, по значениям которых определяют скорость расп ростран ения УЗ-импул ьсов.

Известный способ позволяет определять, как скорость распространения С, так и коэффициент а затухания УЗ-импульсов в предварительно деформированном образце (образец после деформирования выдержан в этом состоянии некоторое время тдо начала измерений) путем измерения времени (t) распространения и амплитуды (U) УЗимпульсов последовательно в двух его точках, т.е. методом переменной базы. Это ограничение, т.е. необходимость выдержки образца в деформированном состоянии до начала измерений, объясняется тем, что при деформировании образец из равновесного состояния переходит в неравновесное состояние. В этом состоянии акустические характеристики образца, следовательно и параметры (U, t) УЗ-импульсов, являются переменными (во времени) величинами. С течением времени образец из неравновесного состояния возвращается в равновесное (отличающееся от начального равновесного состояния), т.е. протекает релаксационный процесс. Этот процесс в зависимости от исследуемого материала, температуры, величины относительной деформации о и ряда других факторов длится определенное время го, называемое временем релаксации. Если к измерениям акустических характеристик известным методом приступить до завершения релаксационных процессов, то результаты будут неточными, а в некоторых случаях абсолютно невозможными. Зто объясняется тем, что для измерения амплитуды и времени распространения

УЗ-импульса согласно известной методике последовательно в двух точках образца требуется определенное конечное время, за которое изменяется значение измеряемых параметров (U, t) сигнала. Поэтому для определения а и известным и описанным методом переменной базы к измерениям приступают после выдержки образца в деформированном состоянии некоторое время

7: то (где to — время релаксации). Следовательно метод переменной базы пригоден лишь для определения акустических характеристик исходного (недеформированного) или предварительно деформирован ного образца.

Таким образом, способ позволяет определять скорость распространения УЗ-им5 пульсов непосредственно в процессе деформирования образца (при постоянной базе) и методом переменной базы в предварительно деформированном образце. Однако этот способ не позволяет определять

10 значение коэффициента затухания УЗ-импульсов непосредственно в процессе непрерывного деформирования исследуемого образца. Таким образом, налицо ограниченные информативные возможности извест15 ного способа.

Цель изобретения — повышение информативности способа.

Указанная цель достигается тем, что возбуждают в одной точке объекта импуль20 сы акустических колебаний, принимают во второй точке, отстоящей от первой на расстоянии L, прошедшие через объект колебания, деформируют объект, синхронно измеряют в процессе деформирования от25 носительную деформацию я объекта и время t распространения акустических колебаний в объекте от точки излучения до точки приема и определяют с помощью измеренных величин текущее значение скоро30 сти С распространения акустических колебаний, до начала деформирования измеряют исходные значения скорости С распространения, коэффициента Q затухания и амплитуды U принятых акустических коле35 баний, в процессе деформирования синхронно с относительной деформацией я и временем t дополнительно измеряют текущее значение амплитуды U принятых акустических колебаний, а текущее значение

40 коэффициента а затухания акустических колебаний определяют из выражения а 1 (+а (г+е) где С вЂ” скорость распространения акустических колебаний в недеформированном образце

C=a (1+ е) /t, L — расстояние между точками излучения и приема на недеформированном объекте;

e — относительная деформация объекта;

U, U — амплитуда принятых акустических колебаний для недеформированного и деформированного объектов соответственно;

p — плотность материала объекта;

1718107

15

25

2- акустическое сопротивление излучателя и приемника колебаний.

На фиг. 1 представлена блок-схема установки для осуществления способа; на фиг. 2 — результаты измерения в примере реализации способа.

Установка для осуществления способа содержит исследуемый объект 1, блок 2 деформирования, приемный и излучающий акустические преобразователи 3 и 4, блок 5 регистрации, милливольтметр 6 импульсного тока, частотомер 7 и генератор 8 зондирующих импульсов.

Способ осуществляют следующим образом.

Пусть излучатель и приемник акустических колебаний установлены на расстоянии

L один от другого и к электродам излучателя подаются электрические импульсы напряжением, равным Ч. В излучателе электрические импульсы преобразовываются в упругие колебания амплитудой 01 определяемой соотношением

U)=KV, где К вЂ” коэффициент преобразования излучателя.

Поскольку объект контактирует с преобразователем (его пьезоэлементом или звукопроводом, если он оснащен им), то упругие колебания последнего частично передаются в исследуемый материал. Амплитуда упругих колебаний Оо в случае идеального акустического контакта определяется формулой

Оо = 01 01 = KVD1, (1) где 01 = 2Z/(Z+ 21) — коэффициент преломления (прохождения волны по давлению);

Z = р С вЂ” волновое (акустическое) сопротивление исследуемого материала;

Z> — волновое сопротивление преобразователя, Обеспечить идеальный акустический контакт между преобразователем и объектом почти невозможно. Поэтому вследствие потери энергии на их границе амплитуда волны в объекте всегда меньше амплитуды, определяемой формулой (1), т.е. она равна

Uî=0 D Ñ = КVD (2) где Р- затухание волны на границе раздела излучатель-объект.

Волна по мере удаления от точки возбуждения затухает. Поэтому ее амплитуда

Ог на другом торце объекта, граничающем с приемником, определяется формулой

Ог=Uî (3) где L- расстояние между преобразователями (длина исследуемого участка объекта); а — коэффициент затухания волны.

На границе раздела объект-приемник. также как и на границе излучатель-объект, волна из образца частично проходит в приемный преобразователь. Амплитуда Оз прошедшей волны определяется аналогично формуле (2):

Оз= Ог Ог l! где Ог = 221/(Z+ Zt) — коэффициент преломления волны;

j — затухание волны на границе объектприемник.

Амплитуда U электрического сигнала на выходе (электродах) приемника равна

U = MiU2 где М вЂ” коэффициент преобразования приемника.

Таким образом, параметры сигнала на выходе приемника, установленного на расстоянии L от точки возбуждения волны, определяются напряжением Ч электрического сигнала излучателе, коэффициентом а затухания и скоростью С распространения волны, длиной L объекта, затуханием волны при переходе от излучателя к объектуф и от объекта к приемнику J, коэффициентами преобразования излучателя К и приемника

М, волновыми сопротивлениями образца р

С и преобразователей 2 т.е. зависимостью, получаемой из формул (1) — (5):

0=4 КМ VZZ1/((21+2)г ехр(а L+ p+ j)); (6) i= L/Ñ где t — время задержки сигнала.

Аналогичные зависимости можно получить и для материалов, находящихся в неравновесном (деформированном) состоянии, Величины, измеренные в процессе деформирования (в неравновесном состоянии) отмечены штрихом, т.е.:

U =4KMVZ Zi/((Z1+Z) exp(a L + j3+j)), гдето =L/С";! =L(1+ e);Z р С а 1 11.,, ()

Из (6) и (7) получим: а 1

Т+е (Т+

„и с,р с +тг т"

Таким образом, предварительно определяя акустические характеристики (С, а) исходного исследуемого объекта и измеряя параметры акустического импульса в точке объекта, расположенной на расстоянии L от точки излучения, po (U, t) и в процессе деформирования (О, t),,а также осуществляя синхронную регистрацию относительной деформации е исследуемого объекта, по формуле (8) можно определять неравновес1718107 ные значения акустических характеристик материала, Пример. Проводят эксперимент, в котором в качестве исследуемого объекта выбрана капроновая мононить (плотность р= 1,14 х 10з, диаметр а= 0,2 мм), Установка для реализации предлагаемого способа работает следующим образом.

С генератора 8 зондирующие импульсы поступают на вход запуска частотомера 7 и на вход излучающего преобразователя 4, в котором электрический сигнал преобразуется в механические колебания, которые, распространяясь по исследуемому объекту

1, достигают приемного преобразователя 3.

Приемный преобразователь 3 преобразует механические колебания в электрический сигнал, который поступает на милливольтметр 6 импульсного тока, измеряющий амплитуду принимаемого сигнала, и на вход останова частотомера 7, измеряющего время прохождения зондирующих импульсов через исследуемый объект 1. Блок 2 деформирования (разработка авторов), позволяет деформировать исследуемый объект 1 в заданном режиме (например, растягивать с постоянной скоростью).

Информация об относительной деформации (я), амплитуда (U ) и времени распро1

1 странения зондирующих импульсов (t ) c выходов блоков 2, 6 и 7 поступает на соответствующие входы блока 5 регистрации, где происходит синхронная регистрация.

Акустические преобразователи 3 и 4, выполненные подвижными с целью сохранения акустического контакта во время деформирования, специально разработаны для такого рода испытаний. В качестве генератора 8 зондирующих импульсов используют генератор импульсов Г5-15, частотомер

7 — Ф 5035, милливольтметр импульсного тока 6 — В4-12.

Блок регистрации 5 состоит из самописца

Н-3021-4 и цифропечатающе го устройства.

Способ осуществляют следующим образом.

Жестко закрепив один конец исследуемого объекта 1, второй его конец заправляют в блок 2 дефо рмирования. Осуществляют акустический контакт между преобразователями 3 и 4 и исследуемым объектом 1, причем расстояние между преобразователями 3 и 4 L = 0,2 м. Частота заполнения зондирующих импульсов 50 кГц. Измеряют амплитуду и время распространения зондирующих импульсов: U = 350 мВ; t = 84 мкс, Перемещают преобразователь 3 в сторону преобразователя 4 на расстояние L =

0,1 м и измеряют амплитуду зондирующих импульсов U> = 530 мВ. По формулам а = -, - In (0 /О); С = —, 1 I где hL= (— (.1, рассчитывают исходные коэффициент затухания и скорость распространения акустических, например, УЗ-колебаний в недеформированном объекте, которые равны; a= 4,15 Нп/м;, С = 2380 м/с.

Преобразователь 3 возращают в исходное положение, в котором L = 0,2 м; U = 350 мВ; t = 84 мкс. Затем осуществляют непрерывное деформирование исследуемого объ15 екта 1 при помощи блока деформирования

2 (co скоростью е = 2,4 10 с ) и синхронно регистрировали е, U u t в процессе де1 1 1 формирования объекта. По измеренным значениям E, U и т рассчитали коэффици1 1

20 ент а затухания и скорость С распростра1 нения акустических колебаний, например

УЗ по предлагаемой формуле (8), Результаты измерения в виде зависимости (кривая 1) и — ;- (кривая 2) от е (где

Ла ЛС

Ла =а" — а;ЛС = С вЂ” С) представлены на фиг. 2.

Кривые 1 и 2 представляют собой последовательность непрерывных экспериментальных точек, соответствующих различным значен ия м (запись осуществля ют с и омощью многоканального самописца). Кроме того, эти кривые представляют собой зависимость мгновенных (г= О) значений

35 Ла ЛС

Из фиг. 2 следует, что изменение коэффициента затухания УЗ-колебаний (кривая

40 1) в процессе деформирования объекта происходит более сложным образом по сравнению с изменением скорости распространения волны (кривая 2). Последняя непрерывно растет при я = 12% относительно

45 изменения скорости достигает 57, Коэффициент затухания УЗ-колебаний в начале стадии деформирования объекта (до е 1%) незначительно уменьшается и при E = 1%

Ла величина, достигает значения, равного

-1,7% (знак минус означает, что коэффициент затухания УЗ-колебаний в нагруженном объекте становится меньше, чем в ненагруженном, т,е.а <а). Затем при 1 <

55 относительное изменение коэффициента затухания растет и при E= 2,4 относительное изменение коэффициента затухания.УЗколебаний () достигает 18,9%. Далее

Ла

1718107

Ьа происходит опять уменьшение, и при

e= 12 значение достигает — 67%.

Ла

Поскольку коэффициент а затухания и 5 скорость С распространения УЗ-колебаний в целом в исследуемом объекте зависят как от значения деформации е, так и от промежутка времени г; в течение которого объект находится в деформированном состоянии, в 10 качестве иллюстрации этого эффекта на фиг. 2 приведены также зависимости и

Ла от е. при t = 10 мин (соответственно

ЬС кривые 3 и 4). Для этого, объект деформируется на05;1,0;1,5;2,0;2,5;3,0;40;50;60

7,0 „8.0; 9,0; 10,0; 11,0; 12,0%, а значения U и с при каждом е регистрируют спустя 10 мин. 20

Из фиг. 2 видно, что мгновенные (при г=

О) и квазистатические(при 10 мин) значеЬа ЬС ния зависимости и — С; от е сильно отличаются одно от другого. Это еще раз 25 указывает на необходимость определения а и С в процессе деформирования объекта, т.е, при t= О.

На фиг. 2 для сопоставления приведены результаты (экспериментальыне точки 5) из- 30 мерения коэффициента затухания УЗ-колебаний в предварительно деформированном на

2; 4; 6; 8; 10; 12% объекте (после выдержки 10 мин) известным методом переменной базы. Из фиг, 2 видно, что эти результаты в 35 пределах точности 3-5% совпадают с результатами, полученными предлагаемым способом (кривая 3).

Оценка погрешности определения акустических характеристик непосредственно 40 в процессе деформирования показала, что скорость распространения УЗ-колебаний определяется с точностью 1, а коэффициент затухания .10%, 45

Таким образом, доказана возможность по предлагаемой методике измерения при помощи двух датчиков определять коэффициент затухания УЗ-колебаний непосредст50 венно в процессе деформирования объектов.

Формула изобретения

Способ определения акустических характеристик протяженных объектов непосредственно в процессе деформирования, заключающийся в том, что возбуждают в одной точке объекта импульсы акустических колебаний, принимают во второй точке, отстоящей от первой на расстоянии L, прошедшие через объект колебания, деформируют объект, синхронно измеряют в процессе деформирования относительную деформацию я объекта и время t распространения акустических колебаний в объекте от точки излучения до точки приема и определяют с помощью измеренных величин текущее значение скорости С распространения акустических колебаний, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения информативности контроля, до начала деформирования измеряют исходные значения скорости

С распространения, коэффициента а затухания и амплитуды U принятых акустических колебаний, в процессе деформирования синхронно с относительной деформацией е и временем t дополнительно измеряют текущее значение амплитуды U принятых аку1 стических колебаний, а текущее значение коэффициента а затухания акустических колебаний определяют из выражения а 1 c, Р с 1 где С вЂ” скорость распространения акустических колебаний в недеформированном объекте;

С = L(1+е )/t;

L — расстояние между точками излучения и приема на недеформированном объекте;

U, U — амплитуда принятых акустиче1 ских колебаний для недеформированного и деформированного объектов соответственно; р- плотность материала объекта;

2 — акустическое сопротивление излучателя и приемника колебаний.

1718107

g8

4Г

С

Р,б

Редактор Н.Яцола . Техред М.Моргентал Корректор Н,Ревская

Заказ 877 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101