СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛАХ ПРИ ОДНОСТОРОННЕМ ДОСТУПЕ С ПОМОЩЬЮ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРИЕМА ПОПЕРЕЧНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ Российский патент 2003 года по МПК G01H5/00 

Изобретение относится к технике измерения скорости распространения акустических волн в материалах при дефектоскопии для определения координат выявленных дефектов, при толщинометрии, а также для оценки физико-механических свойств материалов.

Для возбуждения акустических волн разных типов в электропроводящих материалах, в частности в металлах, с помощью электромагнитно-акустических преобразователей используется эффект взаимодействия магнитного поля и движущихся зарядов, в результате которого на движущиеся заряды действует сила, называемая силой Лоренца.

Известно техническое решение "Портативный ЭМА-толщиномер УВТ-03" [1], содержащий электронный блок и выносной электромагнитно-акустический (ЭМА) модуль. ЭМА-модуль содержит ЭМА-преобразователь поперечных волн, включающий возбуждающую и приемную высокочастотные катушки, закрепленные на двух магнитах, предварительный усилитель, компаратор, генератор зондирующих импульсов.

Способ измерений с помощью указанного толщиномера основан на измерении времени задержки акустической поперечной волны, прошедшей через исследуемый материал по его толщине. Однако задачей предлагаемого изобретения является измерение скорости распространения поперечной акустической волны в материале при одностороннем доступе, то есть со стороны одной поверхности материала. Поскольку скорость распространения этой волны в объеме материала равна скорости поперечной волны с горизонтальной поляризацией, распространяющейся вдоль поверхности материала, то средством достижения цели изобретения и является формирование поперечной акустической волны с горизонтальной поляризацией (SH-волны), распространяющейся вдоль поверхности материала. Такой тип волны с требуемой эффективностью возбудить в материале с помощью описанного устройства не удается. Для этого требуется система распределенных на поверхности материала катушек и магнитов, которая позволяет в принципе сформировать такую волну, но достаточно протяженную в пространстве. Для заявленной цели изобретения - определения скорости распространения поперечной акустической волны в материале - оптимальным является акустический импульс с минимально возможной пространственной протяженностью, так как путь распространения такого импульса можно измерить с большей точностью, чем в случае протяженного сигнала. Задачей изобретения и является создание такого акустического импульса минимальной протяженности в пространстве, который будет являться средством для измерения скорости распространения его в материале и оценки по результату измерения физико-механических свойств материала.

Таким образом, целью изобретения является создание способа измерения скорости распространения поперечных акустических волн в материалах при одностороннем доступе, создание излучателя и приемника поперечных акустических волн с горизонтальной поляризацией, распространяющихся вдоль поверхности материала со скоростью, равной скорости объемных поперечных волн.

Способ измерения скорости распространения поперечных акустических волн в электропроводящих материалах при одностороннем доступе с помощью бесконтактного излучения и приема поперечных акустических волн с горизонтальной поляризацией осуществляют следующим образом. Выполняют излучение и прием акустической волны в исследуемом материале, вычисляют скорость распространения этой волны, при этом излучатель и приемник акустических волн располагают на поверхности материала на некотором расстоянии друг от друга. После чего измеряют время распространения акустической волны между излучателем и приемником, вычисляют скорость распространения волны по формуле с=L/T, где с - скорость распространения волны, L - база измерений, то есть расстояние между излучателем волн и приемником, Т - время прохождения волны от излучателя к приемнику.

Отличием заявленного способа является то, что для излучения акустической волны создают в поверхностном слое материала область с током. Указанную область создают путем расположения двух электродов, максимально приближенных к поверхности материала, при этом расстояние между электродами должно быть меньше половины длины поперечной акустической волны, распространяющейся в данном материале. На указанные электроды подают возбуждающий электрический импульс и прикладывают постоянное магнитное поле по нормали к поверхности материала. Для приема сформированной таким образом поперечной акустической волны с горизонтальной поляризацией приемное устройство формируют аналогичным образом. Располагают на некотором расстоянии от излучателя два электрода, приближенных на минимально возможное расстояние к поверхности материала. Ориентация электродов должна быть такой, чтобы все четыре электрода лежали на одной прямой. То, что электроды максимально приближены к поверхности исследуемого материала, но не касаются его, является важным условием осуществления данного способа. В случае касания хотя бы одного электрода поверхности материала произойдет электрическое соединение электрода с исследуемым материалом, что приведет к искажению формы сформированной области с током. При формировании этой области с током также необходимо для достижения заявленного эффекта, чтобы расстояние между электродами было меньше половины длины поперечной акустической волны, распространяющейся в данном материале. Затем прикладывают постоянное магнитное поле по нормали к поверхности материала. Измерение скорости распространения поперечной акустической волны осуществляют путем измерения интервала времени между подачей импульса на излучатель и моментом приема сигнала, снятого с электродов приемника, который и является величиной Т в приведенной выше формуле, причем момент начала измерения временного интервала синхронизируют с моментом посылки импульса на излучатель.

На фиг. 1 представлена схема, поясняющая принцип действия заявляемого способа, которая содержит исследуемый материал 1, два электрода излучателя 2, два электрода приемника 3, источник возбуждающих электрических импульсов 4, магнит излучателя 5, магнит приемника 6. На фиг.1 обозначено: F - сила Лоренца; I - ток в поверхностном слое материала и во внешней цепи; В - индукция магнитного поля; λ_T - скорость распространения поперечных акустических волн в материале.

На фиг. 2 представлена функциональная схема устройства, реализующего заявленный способ, которая содержит излучатель 7, приемник 8, генератор возбуждающих импульсов 9, усилитель 10, блок управления 11 и блок измерения скорости 12.

Устройство работает следующим образом. На электроды, расположенные максимально близко к поверхности материала, подается возбуждающий электрический импульс. При этом между указанными электродами в поверхностном слое материала возникает область с током, замыкающимся во внешней цепи через источник возбуждающего импульса. Нормально к поверхности материала прикладывается постоянное магнитное поле. При этом все элементарные токи в области начнут колебаться в направлении, перпендикулярном направлению тока. В результате вдоль поверхности материала в направлении, совпадающем с направлением тока, побегут поперечные акустические волны, частицы материала в которых будут совершать колебания перпендикулярно направлению распространения волны и параллельно поверхности материала. Это и есть SH-волны. Для эффективного возбуждения этих волн ширина сформированной области с током не должна быть больше половины длины поперечной волны в данном материале.

Для измерения скорости распространения SH-волн в материале необходимо создать как излучатель, так и приемник этих волн. Приемник имеет такую же конструкцию, как излучатель и работает следующим образом. В результате взаимодействия пришедших к приемнику SH-волн с магнитным полем приемника, сформированным, в частности, постоянным магнитом или электромагнитом, при колебаниях частиц материала в поверхностном слое, вызванных приходящими SH-волнами, вместе с ними будут колебаться свободные носители заряда (электроны). Направление этих колебаний перпендикулярно направлению распространения SH-волн. Причем на пути распространения волн в пределах половины длины волны движение свободных носителей заряда относительно их положения равновесия будет направлено в одну сторону. В некоторый момент времени эта область однонаправленного движения свободных носителей заряда окажется между приемными электродами. Под действием магнитного поля, нормального к поверхности материала, на эти двигающиеся заряды будет действовать сила Лоренца, направленная перпендикулярно вектору магнитной индукции и перпендикулярно направлению движения зарядов. В результате эти заряды, двигающиеся в пространстве между электродами, то есть в области действия магнитного поля, приобретут составляющую смещения, направленную вдоль силы Лоренца, то есть от одного электрода к другому. Поэтому около одного из электродов возникнет избыток электронов, а около другого - недостаток. Избыток наведет в электроде положительный заряд, а недостаток - отрицательный заряд, то есть на электродах в некоторый фиксированный момент времени возникнет разность потенциалов и во внешней цепи потечет ток. При наблюдении процесса приема волн в течение некоторого времени ток во внешней цепи повторит форму импульса возбуждения излучателя. Импульс тока в цепи приемника усиливается усилителем и поступает на блок измерения скорости. Блок управления служит для синхронизации генератора импульсов возбуждения и блока измерения скорости и вырабатывает управляющие импульсы, поступающие на входы этих блоков. В блоке измерения скорости происходит измерение временного интервала между посылкой в материал акустического импульса поперечной волны с горизонтальной поляризацией и моментом приема импульса этой волны и вычисление неизвестной скорости акустической волны с учетом базы измерений, которая является расстоянием между излучателем и приемником волн.

Способ может найти широкое применение при дефектоскопии и толщинометрии различных изделий, поскольку позволит бесконтактно и при одностороннем доступе измерять скорость распространения поперечных акустических волн в материалах и в результате получать правильные значения координат дефектов и толщин материалов.

Источник информации
1. Дефектоскопия, 6, 1990, с. 80-82.

Изобретение относится к технике измерения скорости распространения акустических волн в материалах при дефектоскопии. Предложенный способ заключается в излучении и приеме поперечной акустической волны в исследуемом материале и измерении времени ее распространения вдоль поверхности материала. Излучатель акустических волн создает в поверхностном слое материала область с током, направленным вдоль поверхности материала, причем излучатель состоит из двух электродов, максимально приближенных к поверхности материала, расстояние между которыми должно быть меньше половины длины поперечной акустической волны. Приемник акустических волн конструктивно выполняют так же, как и излучатель, на некотором расстоянии от него. Ориентируют электроды на поверхности материала так, чтобы все четыре электрода лежали на одной прямой. Прикладывают постоянное магнитное поле по нормали к поверхности материала с помощью входящих в состав излучателя и приемника соответствующих постоянных магнитов. Момент начала измеряемого интервала синхронизируют с моментом подачи возбуждающего импульса на излучатель. Данное изобретение направлено на техническое совершенствование устройства для реализации способа измерения скорости распространения поперечных акустических волн. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения скорости распространения поперечных акустических волн в электропроводящих материалах при одностороннем доступе с помощью бесконтактного излучения и приема поперечных акустических волн с горизонтальной поляризацией, состоящий в том, что осуществляют излучение и прием поперечной акустической волны в исследуемом материале соответственно излучателем и приемником акустических волн, расположенными максимально близко к поверхности материала на некотором расстоянии друг от друга, измеряют время распространения акустической волны вдоль поверхности материала между излучателем и приемником, вычисляют скорость распространения этой волны по формуле
с=L/T,
где с - скорость распространения волны;
L - база измерений;
Т - время прохождения волны от излучателя к приемнику,
отличающийся тем, что используемый для излучения поперечной акустической волны с горизонтальной поляризацией излучатель создает в поверхностном слое материала область с током, направленным вдоль поверхности материала, причем излучатель состоит из двух электродов, максимально приближенных к поверхности материала, при этом расстояние между электродами должно быть меньше половины длины поперечной акустической волны, распространяющейся в данном материале, на указанные электроды подают возбуждающий электрический импульс и прикладывают постоянное магнитное поле по нормали к поверхности материала, для приема сформированной таким образом поперечной акустической волны с горизонтальной поляризацией приемник акустических волн конструктивно выполняют так же, как излучатель, путем расположения на некотором расстоянии от излучателя двух электродов, максимально приближенных к поверхности материала, расстояние между которыми должно быть меньше половины длины поперечной волны, распространяющейся в данном материале, а ориентация их на поверхности материала такой, чтобы все четыре электрода лежали на одной прямой, прикладывают постоянное магнитное поле по нормали к поверхности материала, а измерение скорости распространения осуществляют путем измерения интервала времени между подачей возбуждающего импульса на излучатель и моментом приема сигнала, снятого с электродов приемника и усиленного, который и является величиной Т в приведенной выше формуле, причем момент начала измеряемого интервала Т синхронизируют с моментом подачи возбуждающего импульса на излучатель. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электроды имеют прямоугольную форму, причем большие стороны прямоугольных электродов расположены перпендикулярно прямой линии, на которой лежат все четыре электрода.