СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА АКУСТОУПРУГОЙ СВЯЗИ Российский патент 2015 года по МПК G01N29/07 

Изобретение относится к области анализа материалов с помощью ультразвуковых волн и может быть использовано для определения коэффициентов акустоупругой связи различных материалов.

Известен способ определения свойств материала по скорости распространения сдвиговой акустической волны в образце (патент РФ №2281491, 2006).

Недостатком известного способа является зависимость времени распространения акустической волны при определении скорости ее распространения от толщины образца и ее изменений.

Известен также способ определения коэффициента k акустоупругой связи (КАУС) материалов (ГОСТ Р 53568-2009 «Национальный стандарт Российской Федерации. Контроль неразрушающий. Определение констант упругости третьего порядка акустическим методом», стр.9), при котором измеряют времена прохождения (задержки) волны на двойной толщине образца при различных N уровнях нагружения и вычисляют относительное изменение задержек δtⁱ=(tⁱ-t^N)/t^N, где tⁱ - задержка при напряжении σ_i, t^N - задержка при напряжении σ_N. Затем нелинейную связь между задержкой δtⁱ и величиной напряжения σ_i линеаризуют с помощью линейного уравнения регрессии. Далее вычисляют коэффициент корреляции, который определяет силу и линейность связи, а затем вычисляют КАУС по линейному уравнению регрессии методом наименьших квадратов.

Недостатком указанного способа является то, что не учитывается вклад изменения толщины образца при нагружении в измеренное время (задержку) распространения акустической волны и требуется линеаризация параметра δtⁱ для получения линейного уравнения, связывающего величину КАУС и напряжения σ, что приводит к низкой точности определения КАУС.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения КАУС, при котором образец нагружают до заданного значения напряжения в материале и измеряют время распространения акустической волны в направлении, перпендикулярном направлению нагружения (Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. - Н. Новгород: ТАЛАМ, 2005, стр.116 - прототип).

Недостатком способа-прототипа является низкая точность определения КАУС, обусловленная необходимостью использования неточных табличных значений модуля Юнга E и коэффициента Пуассона ν для учета вклада изменения толщины образца при погружении в измеренную величину КАУС.

Предлагаемый способ определения коэффициента акустоупругой связи направлен на повышение точности определения КАУС материала.

Данный технический результат достигается тем, что в способе определения коэффициента акустоупругой связи, при котором образец нагружают до заданного значения напряжения в материале и измеряют время распространения акустической волны в направлении, перпендикулярном направлению нагружения, согласно предложению, образец сначала растягивают или сжимают до напряжения σ, меньшего предела пропорциональности материала, и измеряют время t₁ распространения акустической волны между двумя параллельными поверхностями образца. Затем образец разгружают, далее соответственно сжимают или растягивают до напряжения σ и измеряют время t₂ распространения акустической волны между указанными поверхностями образца. Коэффициент акустоупругой связи определяют по формуле

k=(2t₀-t₁-t₂)/[(t₁-t₂)σ],

где t₀ - время распространения акустической волны между указанными поверхностями образца в ненагруженном состоянии.

Повышение точности определения КАУС достигается за счет устранения влияния изменений «базы прозвучивания» (расстояния между двумя параллельными поверхностями образца), т.е. длины пути распространения акустической волны при нагружении (растяжении или сжатии) образца.

Нами не обнаружены технические решения с признаками, сходными с существенными отличительными признаками предлагаемого решения, поэтому считаем, что оно соответствует критерию изобретения «изобретательский уровень».

Способ определения коэффициента акустоупругой связи заключается в следующем.

Образец материала с двумя параллельными друг другу поверхностями нагружают (например, растягивают) в направлении, перпендикулярном указанным поверхностям, до напряжения σ, меньшего предела пропорциональности материала. Затем измеряют время t₁ распространения акустической волны между указанными поверхностями образца, например, с помощью совмещенного ультразвукового преобразователя, излучающего и принимающего ультразвуковые волны по нормали к поверхности.

Далее образец разгружают, сжимают до напряжения σ и измеряют время t₂ распространения акустической волны между указанными поверхностями образца.

Коэффициент акустоупругой связи определяют по формуле

k=(2t₀-t₁-t₂)/[(t₁-t₂)σ].

Так, при измерении времени распространения акустической волны от одной из параллельных поверхностей к другой и обратно значение t₁, например, при растяжении, определяется выражением

где L - расстояние между поверхностями ненагруженного образца, ν - коэффициент Пуассона, E - модуль Юнга, C₀ - скорость волны в ненагруженном образце.

Соответственно, при сжатии время распространения акустической волны равно

Представим формулы (1) и (2) в виде:

Складывая (3) и (4), получаем:

Подставляя в (5) выражение для расстояния между параллельными поверхностями ненагруженного образца L=t₀C₀/2, где t₀ - время распространения акустической волны в ненагруженном образце, получаем:

k=(2t₀-t₁-t₂)/[(t₁-t₂)σ],

т.е. КАУС не зависит от параметра L.

Вклад непостоянства длины L пути распространения акустической волны в ошибку определения КАУС является существенным и может быть оценен следующим образом.

Разложим, например, формулу (2) в ряд Тейлора по σ и ограничимся слагаемыми первого порядка:

t₂=2L(1+νσ/E)/[C₀(1+kσ)]≈t₀(1+νσ/E-kσ).

При E≈2×10¹¹ Па, ν≈0,3 и k≈6×10^-12 (Па)^-1 для стали имеем

t₂/t₀-1=1,5×10^-12 σ-6,0×10^-12 σ,

т.е. вклад в изменение времени прохождения волны, обусловленный непостоянством расстояния L, составляет около 25% от величины вклада, обусловленного только акустоупругой связью, что и приводит к методической ошибке определения КАУС.

Таким образом, предлагаемый способ определения коэффициента акустоупругой связи позволяет упростить процедуру измерений за счет исключения операции измерения пути L распространения акустической волны, а также повысить точность определения КАУС за счет исключения влияния на результаты измерений непостоянства L в процессе нагружения образца материала.

Использование: для определения коэффициента акустоупругой связи. Сущность изобретения заключается в том, что образец нагружают до заданного значения напряжения в материале и измеряют время распространения акустической волны в направлении, перпендикулярном направлению нагружения, при этом растягивают или сжимают образец до напряжения σ, меньшего предела пропорциональности материала, измеряют время t₁ распространения акустической волны между двумя параллельными поверхностями образца, разгружают образец, соответственно сжимают или растягивают образец до напряжения σ, измеряют время t₂ распространения акустической волны между указанными поверхностями образца и определяют коэффициент акустоупругой связи по заданному математическому выражению. Технический результат: повышение точности определения коэффициента акустоупругой связи материала.

Способ определения коэффициента акустоупругой связи, при котором образец нагружают до заданного значения напряжения в материале и измеряют время распространения акустической волны в направлении, перпендикулярном направлению нагружения, отличающийся тем, что растягивают или сжимают образец до напряжения σ, меньшего предела пропорциональности материала, измеряют время t₁ распространения акустической волны между двумя параллельными поверхностями образца, разгружают образец, соответственно сжимают или растягивают образец до напряжения σ, измеряют время t₂ распространения акустической волны между указанными поверхностями образца и определяют коэффициент акустоупругой связи по формуле
k=(2t₀-t₁-t₂)/[(t₁-t₂)σ],
где t₀ - время распространения акустической волны между указанными поверхностями образца в ненагруженном состоянии.