Способ определения акустической анизотропии слабо анизотропного проката Российский патент 2021 года по МПК G01N29/07 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля с помощью ультразвуковых волн и может быть использовано для определения величины акустической анизотропии деталей и конструктивных элементов, изготовленных из слабоанизотропного проката с целью определения их физико-механических характеристик и напряженно-деформированного состояния.

Использование: для определения величины акустической анизотропии слабоанизотропного проката.

Известен способ контроля акустической анизотропии материала по скорости ультразвука [Патент РФ № 245431 G01N029/00, опубл. 04.11.1969, бюл. № 19], заключающийся в том, что принятые ПЭП два электрических импульса, соответствующие двум взаимно перпендикулярным компонентам сдвиговой волны, электрически не складываются для определения сдвига фаз между ними, а рассматриваются отдельно на одном и том же видеоконтрольном устройстве.

Снятые с преобразователя два электрически разделенных сигнала, соответствующие двум сдвиговым волнам со взаимно перпендикулярной поляризацией, с помощью коммутирующего устройства подаются на устройство измерения временного интервала приема волн. По полученным данным судят об акустической анизотропии материала.

Данный способ, связанный с переустановкой ПЭП после его поворота на 90° широко используется в современных приемах измерения акустической анизотропии [Курашкин К. В. Исследование акустоупругого эффекта в анизотропном пластически деформированном материале / К. В. Курашкин // Акустический журнал.- 2019.- Т. 65.-№ 3.- с. 382–388.] Для уменьшения случайной погрешности обычно используется увеличения базы измерений между отраженными импульсами, а также различные приемы статистической обработки акустических сигналов.

К недостаткам этого способа следует отнести следующие обстоятельства.

Прием уменьшения погрешности определения акустической анизотропии эхо-импульсным методом за счет увеличения базы измерений приводит к увеличению неисключенной систематической погрешности метода вследствие нарастающего искажения отраженных импульсов, вызванного эффектами частотно зависимого затухания, дисперсии скорости, суммирования сигнала с некоррелированным структурным шумом и др.

Кроме того, обычно аппаратная погрешность измерения временных интервалов современных цифровых средств измерения составляет порядка 1 нс, и увеличение базы измерений, сопряженное с искажением формы анализируемых сигналов, представляется излишним.

Используемые стандартные методы статистической обработки многократно принятых временных реализаций уменьшают лишь белый шум электро-акустического тракта, который для современных средств измерений незначителен. Методы фильтрации также неэффективны, поскольку структурный шум находится в той же спектральной области, что и полезный сигнал.

Уменьшение негативного влияния некоррелированного структурного шума может быть достигнуто лишь приемами пространственно-временной обработки сигналов, которые при контроле анизотропии в конкретной точке материала неприменимы. В случае слабоанизотропных материалов в задачах контроля анизотропии, не связанных с ее мониторингом с помощью неподвижно установленных преобразователей, наиболее надежным способом уменьшения случайной погрешности является многократная переустановка преобразователя с поворотом на 90°, что существенно увеличивает трудоемкость измерений. Использование преобразователей, содержащих в качестве активных элементов две поперечно поляризованные пьезопластинки со взаимно ортогональными направлениями поляризации приводит к недопустимым погрешностям вследствие нестабильности толщины и структурной неоднородности типичных конструкционных материалов, изготовленных методом прокатки.

От перечисленных недостатков не свободен и метод контроля анизотропии с помощью ЭМАП [Прибор и методики измерения акустической анизотропии и остаточных напряжений металла магистральных газопроводов / Волкова Л.В. [и др.] // Приборы и методы измерений. – 2019. – Т. 10. – № 1. – С. 42–52.], который достаточно эффективно может быть использованы лишь для достаточно анизотропных материалов (со степенью акустической анизотропии в несколько процентов, обеспечивающей расщепление импульсов поперечных волн при их поляризации на входе в материл под углом 45° к НП. Кроме того, прецизионную обработку сигналов, полученных с помощью ЭМАП, затрудняет их пониженный на 3 – 4 порядка по сравнению с ПЭП коэффициент электромеханической связи.

Целью изобретения является повышение достоверности и уменьшение трудоемкости определения акустической анизотропии деталей и элементов конструкций, изготовленных из слабоанизотропного проката.

Технический результат - повышение точности и уменьшение трудоемкости определения величины акустической анизотропии за счет использования уточненной методики определения необходимых временных интервалов и применения специальных приемов статистической обработки результатов измерений.

Технический результат достигается тем, что в способе определения акустической анизотропии слабоанизотропного проката, заключающемся в том, что в исследуемый технический объект, изготовленный из проката, излучают ультразвуковые импульсы поперечно поляризованных горизонтальных волн, принимают серию эхо-сигналов, возникающих в результате отражений ультразвука от противоположной поверхности границы объекта, определяют величину временного сдвига между импульсами упругих волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно направлению проката и по ее значению вычисляют параметр акустической анизотропии, величина временного сдвига определяется на основании статистической обработки значений массива временных сдвигов суммарного импульса, полученных в процессе их измерения при повороте преобразователя вокруг вертикальной оси в диапазоне углов от 0° до 90°, величина акустической анизотропии и ее случайная средняя квадратическая погрешность вычисляются по формулам, определение необходимых временных сдвигов анализируемых импульсов осуществляется по точкам перехода сигнала через ноль, максимально близких к «центрам тяжести» импульсов, с целью уменьшения погрешности и времени измерений используется приспособление для поворота преобразователя.

На основании статистической обработки значений массива временных сдвигов суммарного импульса, полученных в процессе их измерения при повороте преобразователя вокруг вертикальной оси в диапазоне углов от 0° до 90° определяется величина акустической анизотропии в точке контроля на порядок быстрее и с меньшей погрешностью по сравнению с известными способами.

В предлагаемом способе используется обычная схема ультразвуковых измерений для листового проката (Фиг. 1, где 1- направление волнового вектора; 2 – направление поляризации). Импульсы поперечной горизонтально поляризованной упругой волны излучаются и принимаются пьезопреобразователем, установленным на плоскости проката (плоскость Х₂ОХ₃ на Фиг. 1) и ориентированным направлением поляризации пьезопластинки под углом пьезопластинки под углом к НП (ось ОХ₂).

Сигнал на излучающем преобразователе имеет вид гармонических колебаний с амплитудой U₀(t), и вектором поляризации

В анизотропном материале в силу эффектов двулучепреломления cформированный на границе ввода импульс расщепляется на два, описываемые выражениями:

где - круговая частота, - начальная фаза, - волновые векторы этих импульсов, а временной сдвиг между ними

где – длина акустического пути, равная для -го отраженного импульса значению , – скорости волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно НП соответственно.

Параметр акустической анизотропии определяется по формуле:

где - задержки -х отраженных импульсов волн соответствующей поляризации.

Выражение для суммарного отраженного сигнала для произвольного угла между направлением поляризации и НП в соответствии с [Дьелесан Э. Упругие волны в твердых средах. Применение для обработки сигналов. / Э. Дьелесан, Д. М. Руайе.–– М.: Наука, 1982.–– 424 с.] имеет вид:

Численным методом анализировалось поведение временного сдвига суммарного импульса относительно исходного импульса при повороте преобразователя, с дискретным интервалом угла поворота 5°.

Задержка суммарного импульса определялась методом перехода сигнала через ноль с использованием сплайн-аппроксимации сигнала вблизи нулевых значения. В качестве отсчетной точки профиля импульса в соответствии с подходом, изложенным в [Муравьева О.В. Методические особенности использования SH-волн и волн Лэмба при оценке анизотропии свойств листового проката / О.В. Муравьева, Муравьев В.В. // Дефектоскопия.–– 2016.–– № 7.–– С. 3–11.], использовалась точка вблизи «центра тяжести импульса», соответствующего половине площади под его огибающей.

Координата «центра тяжести» импульса _ц находится численным методом как решение интегрального уравнения:

Где _л, _п - левая и правая границы соответствующего импульса (Фиг. 2, где 3 - _л; 4 - _п ; 5 - _ц; 6 – ).

Поворот преобразователя на заданный угол осуществлялся с помощью приспособления, эскиз которого приведен на Фиг. 3.

На Фиг. 4 приведен график зависимости при повороте преобразователя вокруг вертикальной оси в интервале углов от 0° до 90° с дискретностью 5°.

Кривая на Фиг. 4 с высокой точностью аппроксимируется зависимостью:

Из зависимости (7) видно, что величина при принимает значение, равное откуда следует, что среднее значение задержки

может быть вычислено по результатам измерений массива

задержек суммарного импульса , полученных в процессе поворота преобразователя:

Суммарное среднее квадратическое отклонение оценки величины _ср в соответствии с ГОСТ Р 8.736–2011 определяется по формуле:

где - случайная средняя квадратическая погрешность определения величины _ср, – среднее квадратическое отклонение группы измерений задержек - среднее квадратическое отклонение неисключенной систематической погрешности, которая для современных цифровых средств измерений составляет порядка 1 нс.

С учетом формулы (7) необходимые для расчета анизотропии значения временных сдвигов можно представить в виде массива неравноточных измерений:

для которого можно рассчитать среднее весовое значение , являющееся достоверной оценкой величины :

где выражения для обратных величин дисперсий, имеющих смысл весовых коэффициентов, в соответствии (10) имеют вид

Выражение для величин записывается следующим образом:

где - значение задержки суммарного импульса, соответствующее первому измерению при установке преобразователя направлением поляризации вдоль НП).

Соответствующая случайная составляющая средней квадратической погрешности:

Таким образом, выражение для средневзвешенной величины акустической анизотропии может быть записано следующим образом:

случайная средняя квадратическая погрешность:

При использовании существующего способа измерения анизотропии ее случайная средняя квадратическая погрешность поэтому для величины, характеризующей уменьшение случайной погрешности измерений (и увеличение их точности) можно записать:

На Фиг. 5 приведен график зависимости отношения от числа измерений при различных значениях углов поворота (число измерений на 1 больше секторов, на который разбит диапазон измерений от 0° до 90°).

Фиг. 5 показывает сильную зависимость случайной погрешности от числа измерений в процессе поворота преобразователя: при интервале измерений 30° (=4) случайная погрешность определения анизотропии уменьшается в 2 раза, при интервале 15° (=7) - в 3 раза при интервале 10° (=10) - в 5 раз даже при однократном повороте преобразователя в диапазоне от 0° до 90°.

Проверка описанного алгоритма проводилась на стандартном плоском отожженном образце из сплава АМг61 толщиной 6 мм, вырезанном из листа с малой акустической анизотропией (порядка 0,3 %). Образец вырезался поперек НП.

Измерения проводились с помощью ИВК «АСТРОН» (№ в Государственном реестре средств измерений 67552-17) на образце в трех состояниях: исходом, пластически деформированном на 7% и 17%.

Измерения анизотропии проводились в центральной части образца двумя способами – существующими, путем измерения задержек 3-го отраженного импульса относительно 1-го при многократной переустановке преобразователя вдоль и поперек НП и с помощью заявляемого способа при вращении преобразователя в диапазоне от 0° до 90° с интервалом 10°.

Результаты многократных измерений существующим способом иллюстрируются Фиг. 6.

На Фиг. 7 приведены экспериментальные кривые приращений задержки суммарного второго отраженного импульса относительно первого при вращении преобразователя в диапазоне от 0° до 90° с дискретностью 10°.

Сплошные кривые на Фиг. 7 – теоретические зависимости рассчитанные по формуле (7), которые, как видно из рисунка, хорошо описывают поведение экспериментальных зависимостей.

Средние значения анизотропии и соответствующе средние квадратические отклонения для существующего способа измерений рассчитывались по ГОСТ Р 8.736–2011, для заявляемого способа – по формулам (14, 15). Результаты приведены в таблице:

Таблица показывает существенное уменьшение случайной погрешности при использовании заявляемого способа по сравнению с существующим. При этом время измерений уменьшилось в 5 - 10 раз.

Для наглядности на Фиг. 8 приведены результаты измерений анизотропии заявляемым способом при 10-кратном повороте преобразователя, как при существующем способе измерений.

Сравнение результатов измерений, приведенных на Фиг. 6 и Фиг. 8 наглядно демонстрируют существеннее увеличение точности измерений заявляемого способа по сравнению с существующим.

Преимущества данного подхода по сравнению с существующими способами состоят в следующем: достигается повышение точности определения величины акустической анизотропии за счет применения более корректного метода измерения задержек ультразвуковых импульсов и увеличения объема обрабатываемой информации, а также расширение возможностей метода за счет существенного уменьшения времени измерений.

Использование: для определения акустической анизотропии слабоанизотропного проката. Сущность изобретения заключается в том, что в исследуемый технический объект, изготовленный из проката, излучают ультразвуковые импульсы поперечно-поляризованных горизонтальных волн, принимают серию эхо-сигналов, возникающих в результате отражений ультразвука от противоположной поверхности границы объекта, определяют величину временного сдвига между импульсами упругих волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно направлению проката, и по ее значению вычисляют параметр акустической анизотропии, величина временного сдвига определяется на основании статистической обработки значений массива временных сдвигов суммарного импульса, полученных в процессе их измерения при повороте преобразователя вокруг вертикальной оси в диапазоне углов от 0 до 90°, величина акустической анизотропии и ее случайная средняя квадратическая погрешность вычисляются по формулам, определение необходимых временных сдвигов анализируемых импульсов осуществляется по точкам перехода сигнала через ноль, максимально близким к «центрам тяжести» импульсов. Технический результат: повышение достоверности определения акустической анизотропии деталей и элементов конструкций, изготовленных из слабоанизотропного проката. 8 ил.

Способ определения акустической анизотропии слабоанизотропного проката, заключающийся в том, что в исследуемый технический объект, изготовленный из проката, излучают ультразвуковые импульсы поперечно-поляризованных горизонтальных волн, принимают серию эхо-сигналов, возникающих в результате отражений ультразвука от противоположной поверхности границы объекта, определяют величину временного сдвига между импульсами упругих волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно направлению проката, и по ее значению вычисляют параметр акустической анизотропии, отличающийся тем, что величина временного сдвига определяется на основании статистической обработки значений массива временных сдвигов суммарного импульса, полученных в процессе их измерения при повороте преобразователя вокруг вертикальной оси в диапазоне углов от 0 до 90°, величина акустической анизотропии и ее случайная средняя квадратическая погрешность вычисляются по формулам, определение необходимых временных сдвигов анализируемых импульсов осуществляется по точкам перехода сигнала через ноль, максимально близким к «центрам тяжести» импульсов, с целью уменьшения погрешности и времени измерений используется приспособление для поворота преобразователя.