СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗАТУХАНИЯ УПРУГИХ ВОЛН Российский патент 1998 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано при контроле качества, изменения структурно-фазовых состояний и физико-механических параметров материалов и элементов конструкций, а также в целях акустической спектроскопии массива горных пород, по измерению коэффициента затухания упругих волн и его частотной зависимости.

Известен способ измерения скорости и затухания продольных упругих волн [1] , заключающийся в том, что возбужденную в материале продольную упругую гармоническую волну принимают в четырех точках, измеряют смещение волны в этих точках и определяют скорость и затухание по измеренным смещениям. Наряду с очевидными достоинствами данный способ имеет ряд недостатков. Так, несмотря на то, что цель применения схемы измерения, выдвинутая в [1], - повышение точности результатов, последняя не исключает погрешности, вносимые в измеряемое значение коэффициента затухания физическими различиями четырех имеющихся в ней каналов измерения. Кроме того, такая усложненная схема контроля не способствует обеспечению его высокой производительности.

Известен способ определения коэффициента затухания плоской упругой волны по измерению интенсивности (11 и 12) или амплитуды колебаний (A1 и A2) при двух положениях приемника (x1 и x2) [2]. По результатам измерения такого отношения амплитуд при возбуждении гармонических волн различной частоты можно оценить затухание в широком диапазоне частот, что и используется в обычной экспериментальной практике [2, 3]. Достоинство данного способа определяется также и тем обстоятельством, что применение его в варианте возбуждения упругих волн импульсного характера позволяет в принципе обеспечить повышение производительности контроля. Амплитуды спектральных составляющих любого импульсного сигнала будут зависеть от коэффициента затухания упругих волн в среде α на частоте каждой составляющей [2]. Однако и в этом варианте данный способ не избавлен от существенного недостатка - наличия погрешностей в результирующем значении коэффициента затухания, обусловленных физическими различиями каналов регистрации в первом и втором положениях приемника.

Отметим, что если рассматривать измеряемое в [2] отношение амплитуд как функцию частоты ω, то в соответствии с представлениями, изложенными в [2], с ним следует сопоставить отношение спектральных поглощающих способностей материала, определенных соответственно на базах x2 и x1, которое, в более широком смысле, может быть названо амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) материала K(ω), измеренной на разности баз установки приемников . В этом случае частотная зависимость α(ω) должна рассчитываться по формуле
.

Однако на самом деле, поскольку K(ω) в (1) измеряется не через отношение спектров сигналов S_β/S_α, поступивших на второй и первый приемники непосредственно, а через отношение спектров S_b/S_a соответствующих сигналов, уже прошедших через каналы регистрации и измерения, при таком подходе найденная АЧХ K(ω) содержит погрешности, внесенные физическими различиями каналов (например, качеством приклейки первого и второго приемников и др.).

Задачей изобретения является создание такого способа измерения параметров затухания упругих волн, который позволил бы повысить достоверность контроля качества и физико-механических параметров материалов и элементов конструкций при сохранении приемлемой производительности контроля.

Сущность изобретения состоит в том, что в исследуемую среду излучают упругие волны, измеряют амплитуду колебаний в двух точках на одной прямой с направлением распространения волны для различных частот колебаний, возбуждаемых источником, и производят такие измерения для двух взаимно противоположных направлений распространения волны, используя для этой цели соответствующие расположения источников, на основании чего определяют амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) участка среды длиной l, ограниченного точками регистрации сигналов, и рассчитывают частотную зависимость коэффициента затухания α(ω) упругих волн в материале по формуле

где
K_пр и K_обр - АЧХ, найденные для прямого и реверсированного направлений распространения упругой волны в материале соответственно.

Для повышения производительности контроля в исследуемую среду излучают одиночные импульсы упругих волн с широким спектром и регистрируют распространяющиеся сигналы в двух точках, находящихся на одной прямой с направлениями распространения волн, используя при этом два взаимно противоположных направления распространения упругих импульсов, на основании чего определяют спектральные характеристики указанных сигналов и оценивают частотную зависимость коэффициента затухания упругих волн.

На чертеже представлена структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа измерения параметров затухания упругих волн.

Устройство включает образец 1, излучатели 2, коммутатор 3 электрического сигнала, подаваемого на излучатель, генератор (или формирователь импульсов) 4 электрического сигнала, приемники 5, блок измерения 6 (с имеющимися в его составе широкополосным усилителем и спектроанализатором), блок обработки результатов 7 (компьютерный блок).

Способ измерения параметров затухания упругих волн осуществляют следующим образом.

В исследуемый образец или элемент конструкции 1 излучают упругую волну фиксированной частоты либо импульсы упругих волн с помощью одного из излучателей 2, который возбуждают электрическим сигналом, вырабатываемым генератором или формирователем импульсов 4. Излучатель может представлять собой либо ультразвуковой преобразователь, либо ударное устройство магнитомеханического типа с целью охвата соответствующего диапазона частот. Для возбуждения упругой волны требуемой частоты используется излучатель, резонансная частота которого не лежит в исследуемом интервале частот. Приемники 5 представляют собой пьезопреобразователи с известной неравномерностью АЧХ в данном диапазоне частот, либо, в случае низких частот звукового диапазона, тензодатчики с заранее известными характеристиками.

С приемника 5 электрический сигнал поступает в блок измерения 6, в котором вначале усиливается, а затем передается на спектроанализатор, либо непосредственно в блок обработки 7 для анализа полученных характеристик, расчета частотной зависимости α(ω), хранения и выдачи информации.

Расчет функции α(ω) в блоке 7 производится по накоплении всех измеренных характеристик, полученных при возбуждении как первого, так и второго излучателя. Переброс поступления электрического сигнала от генератора к тому или другому из излучателей осуществляется коммутатором 3, чему соответствует реверс направления распространения упругих волн в образце, то есть изменение направления на противоположное. Комплекс измерений, проводимых для реверсированных волн, осуществляется подобно вышеописанному для прямых. Таким образом, в блоке 7 АЧХ, полученные для прямого и обратного направлений излучения упругих волн, объединяются, что обеспечивает возможность расчета частотной зависимости коэффициента затухания в соответствии с формулой (1).

Если обозначить спектр сигнала, полученного через канал регистрации первого приемника, S_a(ω), а спектр сигнала, полученного через второй канал, - S_b(ω), то связь этих характеристик с соответствующими спектрами S_α и S_β сигналов, поступивших на входы первого и второго приемников, запишется в виде

где K1 и K2 - АЧХ 1-го и 2-го каналов регистрации, K_и - АЧХ канала измерения.

При этом сигналы, поступившие к приемникам, связаны между собой через соответствующую характеристику K (ω) материала образца
S_β(ω) = S_α(ω)•K(ω) (4)
Из (2) и (3) получаем

откуда следует, что определение частотной характеристики участка среды длины l (равной разности баз установки приемников) через отношение величин S_b и S_a не является достоверным, так как содержит погрешность, обусловленную физическими различиями каналов регистрации. Эти различия могут к тому же изменяться в процессе контроля из-за влияния как неконтролируемых факторов, так и преднамеренно вводимых с целью изучения их воздействия на параметры материала. Последнее обстоятельство сводит на нет любые варианты однократной тарировки схемы контроля с целью исключения указанных погрешностей, то есть такую тарировку следовало бы производить в процессе всего времени контроля, что явно невыгодно с точки зрения производительности.

Называя одно произвольно выбранное направление распространения упругих волн из двух возможных (на оси установки излучателей в образце) прямым, введем обозначение

Направление, получаемое в результате реверса, назовем обратным и соответствующую характеристику запишем как

где спектры зарегистрированных сигналов, поступивших в блок измерения через второй и первый каналы регистрации соответственно.

Из (5) и (6) имеем, что искомая АЧХ участка образца длиной l, не содержащая погрешностей, обусловленных физическими различиями каналов регистрации, может быть найдена как среднее геометрическое

Таким образом, лишь при определении K (ω) согласно (8) формула (1) дает верную зависимость α(ω), что оправдывает применение (2) в качестве основной расчетной формулы для нахождения коэффициента затухания как функции частоты.

Разность баз установки приемников l в данном способе контроля в каждом конкретном случае выбирается в зависимости от поглощающей способности материала, исследуемого диапазона частот, конфигурации элемента конструкции. Так, например, естественно требование согласования параметров, определяющих геометрию образца и длительность зондирующих импульсов упругих волн, с целью исключения ситуации наложения эхо-импульсов на регистрируемый сигнал.

Измеренная с помощью данного способа частотная зависимости коэффициента затухания может быть использована для контроля изменения физико-механических параметров элементов конструкций (например, их остаточной долговечности на принципах, предложенных в [4], включающих измерения затухания поверхностных волн Рэлея на двух частотах до начала эксплуатации и в момент контроля изделия), идентификации материалов (горных пород).

Данный способ может быть применен для целей акустической спектроскопии горного массива (измеряемая АЧХ при этом выполняет роль коэффициента передачи [5]), а также для оценки напряженного состояния горных пород.

Коэффициент затухания упругих волн для сильно поглощающих тел может служить в качестве меры внутреннего трения [6], и его измерение, таким образом, согласно предлагаемому способу дает инструмент для изучения структурно-фазовых изменений в материалах, дефектности твердых тел. Объединение данного способа с одним из способов измерения скорости упругих волн позволит проводить корректную оценку модуля упругости материалов и ряда других механических характеристик (уровень остаточных напряжений, твердость и пр.).

Литература
1. Авторское свидетельство N 1357827, кл. G 01 N 29/00, G 01 H 5/00, 1985.

2. Ямщиков В.С. Волновые процессы в массиве горных пород. - М.: Недра, 1984, с. 23 - 29.

3. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела /Пер. с англ. - М.: Мир, 1972, с. 96.

4. Авторское свидетельство N 1582119, кл. G 01 N 29/04, 1988.

5. Ямщиков В. С. , Шкуратник В.Л. Акустическая спектроскопия массива горных пород. - Физ.-тех проблемы разработки полезных ископаемых, 1978, вып. 2, с. 116 - 123.

6. Постников В.С. Внутреннее трение в металлах. - М.: Металлургия, 1969, с. 14.

Способ измерения параметров затухания упругих волн относится к к неразрушающему контролю и может быть использовано при контроле качества, изменения структурно-фазовых состояний и физико-механических параметров материалов и элементов конструкций, в частности, для акустической спектроскопии массива горных пород по измерению коэффициента затухания упругих волн и его частотной зависимости. Изобретение позволяет повысить достоверность контроля качества и физико-механических параметров материалов и элементов конструкций. Для этого в исследуемую среду излучают упругие волны, измеряют амплитуду колебаний в двух точках на одной прямой с направлением распространения волны для различных частот колебаний, возбуждаемых источником, и производят такие измерения для двух взаимно противоположных направлений распространения волны, на основании чего определяют амплитудночастотные характеристики участка средней длиной l, ограниченного точками регистрации сигналов, и рассчитывают частотную зависимость коэффициента затухания α(ω) упругих волн в материале по формуле где К_пр и К_обр - АЧХ, найденные для прямого и реверсированного направлений распространения упругой волны в материале, соответственно. 1 ил.

Способ измерения параметров затухания упругих волн, заключающийся в том, что в исследуемом материале возбуждают упругие волны, регистрируют распространяющиеся сигналы в двух точках на прямой их распространения и по отношению амплитуд колебаний, воспринятых разными приемниками, для каждой частотной составляющей из исследованного набора оценивают частотную зависимость коэффициента затухания α(ω), отличающийся тем, что регистрацию сигналов производят для прямого и обратного распространения упругих волн в материале, а частотную зависимость коэффициента затухания рассчитывают по формуле

где l - разность без установки приемников;
K_пр(ω) и K_обр(ω) - амплитудно-частотные характеристики материала, найденные через отношения амплитуд колебаний на длине l для прямого и обратного прохождения упругих волн соответственно.