Ультразвуковой способ определения упругих констант твердых тел

 

Изобретение относится к ультразвуковым изобретениям и может быть использовано для измерения упругих констант ультразвуковым способом. Цель изобретения - уменьшение времени и повышение точности определения. Это достигается за счет того, что колебания продольных и поперечных волн возбуждают одновременно, используя поверхность твердого тела с периодическими неровностями и шероховатостью R_Z=(20-500) мкм.

Изобретение относится к ультразвуковым измерениям и может быть использовано для измерения упругих констант ультразвуковым способом.

Известен способ динамического определения упругих констант, в основе которого лежит возбуждение упругих колебаний в образце и измерение его собственных колебаний [1] . Искомые параметры определяют по аналитическим зависимостям.

Недостатком измерений известного способа является сложность измерений, требующая специализированного оборудования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является ультразвуковой способ определения упругих констант твердых тел, заключающийся в том, что через одну зону поверхности изделия в последнем последовательно возбуждают продольные и поперечные волны, принимают донные эхо-сигналы, измеряют время их прихода и определяют скорости распространения продольных и поперечных волн, по которым определяют упругие константы твердых тел [2] .

Недостатком известного способа является невысокая точность определения упругих констант, что обусловлено невозможностью подбора пьезоэлектрических преобразователей продольных и поперечных волн на одну определенную частоту возбуждения, и большое время определения искомых параметров.

Целью изобретения является уменьшение времени и повышение точности определения упругих констант твердых тел.

Для этого в способе определения упругих констант твердых тел, заключающемся в том, что через одну зону поверхности ввода тела в нем возбуждают продольные и поперечные волны, принимают донные эхо-сигналы продольных и поперечных волн, измеряют времена их прихода, по которым определяют скорости распространения продольных и поперечных волн и упругие константы твердых тел, возбуждение продольных и поперечных волн осуществляют одновременно, а поверхность ввода ультразвуковых колебаний выбирают с периодическими неровностями при шероховатости R_z, выбранной из условия: R_z = (20-500) мкм (1) При нормальном вводе в изделие продольной волны через поверхность ввода с периодическими неровностями в изделии возбуждается и транформированная на неровностях поперечная волна той же, что и продольная, частоты, которая также распространяется в изделии нормально к поверхности ввода.

Ультразвуковoй способ определения упругих констант твердых тел реализуется следующим образом.

На поверхность твердого тела с периодическими неровностями при шероховатости R_z, выбранной из условия R_z = (20-500 мкм) устанавливают прямой преобразователь продольных волн, подключают его в совмещенном режиме к дефектоскопу и возбуждают в изделии продольные ультразвуковые волны, которые распространяются нормально к поверхности изделия. При прохождении продольной ультразвуковой волны через периодические неровности при шероховатости, выбранной из условия 1, возникает трансформированная поперечная волна той же частоты, что и продольная излучаемая, которая также распространяется нормально к поверхности ввода.

Донные эхо-сигналы продольной и поперечной волн принимают преобразователем, измеряют время их приема и определяют по временам приема и толщине изделия скорости С_е и С_t распространения продольной и поперечной волн, а упругие константы материала изделия рассчитывают по следующим формулам: K = ρ (C_e² - 4C_t²/3); G = ρ C_t² E= ; ν= , где К - модуль сжатия; G - модуль сдвига; Е - модуль упругости; ν - коэффициент Пуассона; ρ - плотность.

Необходимость выбора поверхности ввода продольной волны в изделие из условия (1) обусловлена следующим.

При шероховатости поверхности R_z < 20 мкм трансформированная на неровностях поперечная волна имеет малую амплитуду, что приводит к трудностям или даже невозможности регистрации ее донного эхо-сигнала.

При шероховатости R_z > 500 мкм возрастает величина контактного слоя, образованного неровностями поверхности ввода, заполненными контактной жидкостью, которая влияет на измеряемые времена приема, что приводит к появлению погрешностей определения скоростей продольной и поперечной волн.

Способ был опробован на образце твердого тела толщиной 60 мм и плотностью 7,8 ˙10³ кг/м³ с шероховатостью поверхности ввода волн, равной 200 мкм. Измеренное время приема донных эхо-сигналов продольной и поперечной волн было соответственно равным 20,4 мкс и 37 мкс. Рассчитанные скорости С_е и С_t распространения соответственно продольной и поперечной волн имели значения: C_e = 5882 м/с; С_t = 3243 м/с, а рассчитанные по формулам (2) упругие константы равны:
K = 160487 ˙10⁶ н/м²;
G = 82032 ˙10⁶ н/м²;
Е = 34916 ˙10⁶ н/м²;
ν = 0,282.

Использование предлагаемого способа определения упругих констант твердых тел позволяет уменьшить время определения искомых параметров за счет замены измерений, проводимых с помощью двух различных преобразователей (продольных и поперечных волн) при соответствующей настройке каждого, измерениями, проводимыми с помощью одного преобразователя продольных волн.

Использование данного способа позволяет также повысить точность измерений за счет создания одинаковых условий измерения времен прихода продольной и поперечной волн. (56) 1. Практические вопросы испытания металлов. Перевод с нем. Елютина О. П. М. : Металлургия, 1979, с. 153.

2. То же, с. 188.

Формула изобретения

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХ КОНСТАНТ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, заключающийся в том, что возбуждают продольные и поперечные волны в одной заданной зоне возбуждения, принимают донные эхо-сигналы этих волн, измеряют времена их прихода, рассчитывают по ним скорости распространения волн и упругие константы, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени и повышения точности определения, возбуждение волн осуществляют одновременно, а ввод осуществляют через поверхность с периодическими неровностями, шероховатость которой выбрана в пределах 20 - 500 мкм.