Способ выявления неоднородности акустических свойств материала

Использование: для выявления неоднородности акустических свойств материала. Сущность заключается в том, что между исследуемым и эталонным материалами создают плоскую границу акустического контакта, излучают ультразвуковые колебания в направлении созданной границы и принимают отраженные от нее сигналы, измеряют коэффициент R₁ отражения ультразвука от указанной границы, с учетом которого рассчитывают значение Z_x1 акустического сопротивления исследуемого материала, затем изменяют характеристику распределения акустического поля в направлении, параллельном границе акустического контакта, измеряют аналогичным образом коэффициент R₂ отражения ультразвука от границы контакта, определяют соответствующее значение Z_x2 акустического сопротивления исследуемого материала и сравнивают его со значением Z_x1, а по результатам сравнения судят о неоднородности свойств исследуемого материала. Технический результат: повышение чувствительности ультразвукового контроля к неоднородностям механических и физико-химических свойств в малых масштабах. 4 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и может быть использовано при ультразвуковом контроле, в частности, при исследовании особенностей микроструктуры и химического состава материалов.

Известен способ выявления неоднородности физико-химических свойств материала посредством вихревых токов (см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. / Под ред. Клюева В.В. - Т.2. - М.: Машиностроение, 1986. - С.52). Способ не позволяет выявлять зоны неоднородности в неметаллических материалах.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к предлагаемому способу является способ определения акустического сопротивления материала посредством измерения коэффициента отражения ультразвука на его границе с эталонным материалом (см. Физическая акустика / Под ред. У.Мэзона. - Т.1. - Часть А. - М.: Мир, 1966. - С.330). Способ заключается в том, что между исследуемым и эталонным материалами создают плоскую границу акустического контакта, излучают в направлении созданной границы ультразвуковые колебания и принимают отраженные от нее сигналы, измеряют амплитудный коэффициент R отражения ультразвука от указанной границы и определяют акустическое сопротивление Z_x исследуемого материала по формуле:

где Z₀ - акустическое сопротивление эталонного материала. Поскольку по формуле (1) Z_x однозначно связано с R, то, проводя измерения последней величины на разных участках поверхности исследуемого материала, можно судить о степени акустической неоднородности последнего, либо, наоборот, о его однородности.

Недостатком указанного способа является невозможность выявлять неоднородности акустических свойств исследуемого материала в пределах одномоментной зоны контроля, площадь которой может доходить до 20 см² и более, в зависимости от размеров ультразвукового излучателя. Отмеченный недостаток является принципиальным и обусловлен усреднением парциальных давлений, создаваемых действующими механическими колебаниями, по площади приемной поверхности ультразвукового преобразователя.

Задачей, на решение которой направлено данное техническое предложение, является повышение информативности известного способа-прототипа путем обеспечения возможности выявления неоднородности акустических свойств исследуемого материала в пределах одномоментной зоны контроля. Поставленная цель достигается за счет того, что между исследуемым и эталонным материалами создают плоскую границу акустического контакта, возбуждают ультразвуковые колебания в направлении созданной границы и принимают отраженные от нее сигналы, измеряют амплитудный коэффициент R₁ отражения ультразвука от этой границы, с учетом которого по формуле (1) рассчитывают значение Z_x1 акустического сопротивления исследуемого материала на контролируемом участке. Затем, не сменяя зоны контроля, изменяют характеристику распределения акустического поля в направлении, параллельном границе акустического контакта, измеряют аналогичным образом коэффициент R₂ отражения ультразвука от упомянутой границы, определяют соответствующее значение Z_x2 акустического сопротивления исследуемого материала и сравнивают его со значением Z_x1. По результатам сравнения судят о неоднородности свойств исследуемого материала: при несовпадении указанных значений устанавливают неоднородность свойств материала в данной зоне контроля, в противном случае - однородность свойств. При необходимости описанный цикл измерений повторяют на другом участке поверхности исследуемого материала.

Таким образом, в отличие от способа-прототипа, в предлагаемом способе получают дополнительную, важную для исследователя информацию о степени неоднородности акустических и, следовательно, механических, микроструктурных или химических свойств контролируемого материала. Возможны случаи, когда на разных участках исследуемого материала усредненные значения коэффициентов отражения и соответствующих акустических сопротивлений совпадают, а в пределах одномоментной зоны контроля они резко различны, что может свидетельствовать, например, о концентрации внутри материала механических напряжений или наличии в нем химических примесей.

Изменение характеристики распределения поля осуществляют одним из возможных способов: путем изменения частоты возбуждаемых колебаний либо путем изменения длительности импульсов этих колебаний, либо посредством изменения длины акустического пути в эталонном материале, либо путем замены эталонного материала.

Техническим результатом предлагаемого способа акустического исследования материалов является повышение чувствительности ультразвукового контроля к неоднородностям механических и физико-химических свойств в малых масштабах.

Предлагаемый способ выявления неоднородности акустических свойств материала при исследовании твердых сред в иммерсионном варианте озвучивания реализуется следующим образом. У исследуемого твердого материала формируют плоскую границу путем, например, механической обработки поверхности. В качестве эталонного материала используют иммерсионную жидкость, например воду, заполняющую корпус традиционного локально-иммерсионного преобразователя, в котором предусмотрена возможность перемещения пьезопреобразователя вдоль главной оси. Значение Z₀ акустического сопротивления эталонной жидкости измеряют заранее или берут из таблиц. Осуществляют акустический контакт между плоской поверхностью исследуемого материала и эталонной жидкостью, причем обеспечивают условие плоскопараллельности поверхностей пьезоэлектрического преобразователя и исследуемого образца материала. С помощью пьезоэлектрического преобразователя излучают в направлении созданной границы контакта ультразвуковые колебания и принимают отраженные от нее сигналы. Измеряют амплитуды принятых сигналов в случае присутствия исследуемого образца А_отр и при его удалении А_пад. Деля первое значение амплитуд на второе, определяют амплитудный коэффициент R₁ отражения ультразвука от образца, с учетом которого по формуле (1) рассчитывают значение Z_x1 акустического сопротивления исследуемого материала.

Из теории ультразвуковых преобразователей известно, что характеристика распределения в поперечном к оси преобразователя направлении амплитуд излучаемых колебаний зависит от отношения расстояния до отражателя к длине волны ультразвука в передающей среде, а также - от крутизны спада амплитуды за один период колебаний (см. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля / Под общ. ред. И.Н.Ермолова. - М.: Машиностроение, 1986. - С.164). Изменить указанное отношение можно изменением длины акустического пути в эталонном материале, изменением частоты излучаемых колебаний, заменой эталонного материала, а изменения крутизны спада амплитуды колебаний можно достичь изменением длительности импульсов ультразвукового излучения. Из этих вариантов самым простым в техническом отношении является изменение длины акустического пути в эталонном материале, особенно - в иммерсионном методе озвучивания. При замене эталонного материала изменяется скорость распространения ультразвука в нем, что целесообразно, однако при этом изменяется и Z₀, что может вносить дополнительную погрешность в результаты.

После выполнения вышеописанных измерительных процедур изменяют толщину слоя иммерсионной жидкости, отсчитываемой по расстоянию между излучателем-приемником ультразвука и исследуемым образцом материала, например, путем перемещения пьезопреобразователя по направлению к образцу или от него. Затем повторяют описанную последовательность действий и находят значение Z_x2 акустического сопротивления исследуемого материала, которое сравнивают со значением Z_x1. Если исследуемый материал является акустически однородным, то усредненное значение амплитудного коэффициента R отражения ультразвука и соответствующее значение Z_x акустического сопротивления материала не будет зависеть от характеристики распределения акустического поля в поперечном направлении, в противном случае такая зависимость будет иметь место. Поэтому по результатам сравнения Z_x1 и Z_x2 при осуществлении предлагаемого способа судят о неоднородности акустических свойств исследуемого материала в границах зоны одномоментного контроля.

Заявляемый способ ввиду своей простоты и технологичности не требует для своего осуществления создания нового оборудования. Все необходимые для этого процедуры могут быть выполнены в любой ультразвуковой измерительной лаборатории.

1. Способ выявления неоднородности акустических свойств материала, заключающийся в том, что между исследуемым и эталонным материалами создают плоскую границу акустического контакта, излучают ультразвуковые колебания в направлении созданной границы и принимают отраженные от нее сигналы, измеряют коэффициент R₁ отражения ультразвука от указанной границы, с учетом которого рассчитывают значение Z_x1 акустического сопротивления исследуемого материала, отличающийся тем, что после указанных измерений изменяют характеристику распределения акустического поля в направлении, параллельном границе акустического контакта, измеряют аналогичным образом коэффициент R₂ отражения ультразвука от границы контакта, определяют соответствующее значение Z_x2 акустического сопротивления исследуемого материала и сравнивают его со значением Z_x1, а по результатам сравнения судят о неоднородности свойств исследуемого материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменяют характеристику распределения акустического поля путем изменения частоты излучаемых колебаний.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменяют характеристику распределения акустического поля путем изменения длительности импульса излучаемых колебаний.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменяют характеристику распределения акустического поля путем изменения длины акустического пути в эталонном материале.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменяют характеристику распределения акустического поля путем замены эталонного материала.