Ультразвуковое устройство для измерения физико-механических параметров вещества Советский патент 1990 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к технике акустических измерений и может быть использовано для измерения и контроля физико-механических параметров твердых тел: модуля сдвига, коэффициента Пуассона, модуля Юнга, а также плотности материала.

Цель изобретения - повышение производительности контроля за счет обеспечения постоянного угла ввода зондирующих акустических волн.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройстваj на фиг. 2 - разрез второй пластины с отражателями акустических волн.

Ультразвуковое устройство для измерения физико-механических параметров вещества содержит пьедопреобразо- ватель 1 продольных акустических

волн, акустически связанную с последним призму 2, предназначенную для преобразования продольных акустических волн в поперечную зондирующую акустическую волну, последовательно соединенные генератор 3 импульсов, коммутатор А, усилитель S и индикатор 6 и подключенный к второму выходу коммутатора второй пьезопреобразова- тель 7 продольных волн, предназначенный для приема поперечных акустических волн, последовательно соединенные селектор В импульсов, второй усилитель 9 и измеритель 10 отношения напряжений, две плоскопараллельные пластины 11 и 12, выполненные из одинакового материала, первая из ко- . торых (пластина 11) акустически связана одной из поверхностей с второй

сл

СХ) СО

ф

00

гранью призмы 2, а вторая пластина 112 акустически связана одной из по- рерхностей с вторым пьезопрербразо- Ьателём 7 продольных волн, на ее второй поверхности выполнены два разновысоких равных по площади плоскопараллельных отражателя 13 и 1 акустических волн, третий и четвертый выходы коммутатора подключены соответственно к входу первого пьезо преобразователя продольных акусти- |ческкх волн к входу селектора импуль icoB, второй выход которого подключен к второму входу измерителя отношения напряжений. Кроме того,на фиг.1 ;и 2 изображены контролируемое изделие 15, траектория распространения :зондирую1дей акустической волны 1б- 19 изучаемой первым пьезопреобразо- вателем 1, траектория распространения продольной акустической волны 20-22, излучаемой вторым пьезопре- образователем 7.

Ультразвуковое устройство работа- ет следующим образом.

Пьезопреобразователь 1, подключенный к генератору 3 импульсов чере коммутатор , излучает продольные ультразвуковые волны tO в призму 2, падающие на плаЬтину 11 под углом t/. Материал призмы 2 и угол W подбирают таким образом, что ультразвуковые волны, прошедшие через границу раздела между призмой 2 и пластиной 11 под углом полностью трансфер мируются в поперечные волны. В пластине 11 распространяются только поперечные .волны 17, Которые, если пренебречь потерями в материалах призмы 2 и пластины 11, получают всю энергию продольных волн, излучаемых пьезопреобразователем 1. Это осущест ляется при условии

;ь-

с( arc sin

Т|

(1)

(f) - ) - О -S- ,

(2),

-Т1

р, р, с

плотности соответственно призмы и пластин 11 и 12 55 скорость распространения ультразвука в жидкостной призме 2;

Т1

- скорость распространения . поперечных волн в пластинах 11 и 12.

В контролируемом образце 15 возбуждаются поперечные волны 18, которые преломляются под углом , доходят до задней границы контролируемого вещества 15, преломляются в пластине 12 под углом kS°, распространяются te виде поперечных волн 19 и падают на плоскость пьезопреобра- зователя 7 под углом 5. Сигналы с выхода последнего усиливаются первым усилителем 5 и наблюдаются на экране индикатора (осциллографа) 6. По калиброванной шкале индикатора 6 измеряют время t, через которое ультразвуковые импульсы проходят путь от преобразователя 1 до пьезо- преобразователя 7. Определяют разность времени t - t , где tj, - время, определенное заранее при отсутствии контролируемого образца 15, т.е. время прохождения ультразвуковыми импульсами расстояния в призме 2 и в пластинах 11 и 12. Таким образом, время прохождения пути в исследуемом образце 15 поперечными волнами t t - t. Тогда скорость распространения поперечных волн в веществе исследуемого образца определяется по формуле

Г г

(3)

где X - расстояние между нормалями, выведенными через точки входа и выхода луча поперечных волн из образца 15. При определении скорости распространения продольных волн в образце 1 5 измеряют время t ( прохождения продольными волнами расстояния 2d, т.е. толщины образца в прямом и обратном направлении. Для этого пьезо- преобразователь 7 подключают через коммутатор к генератору 3 импульсов. Тогда Пьезопреобразователь 7 излучает в образец 15 импульсы продольных волн, которые проходят расстояние d, отражаются от противоположной плоскости образца, возвращаются обратно к пьезопреобразователю 7, усиливаются усилителем 5 и наблюдаются на экране индикатора (осциллографа) 6. По калиброванной шкале индикатора 6 измеряют время tj, че5 1

рез которое импульсы продольных волн прохолят двойное расстояние d. (Скорость продольных волн определяют по формуле

5891986

Из выражения коэффициента отра- жения v на границе: пластина 5 - образец 15 по формуле

Изобретение относится к технике акустических измерений и может быть использовано для измерения физико-механических параметров твердых тел: модуля сдвига, коэффициента Пуассона, модуля Юнга, а также плотности материалов. Цель изобретения - повышение производительности контроля за счет обеспечения постоянного угла ввода зондирующих акустических волн. У устройстве осуществляется зондирование образца поперечной ультразвуковой волной с измерением ее скорости распространения, продольной ультразвуковой волной с измерением скорости распространения последней и коэффициента отражения продольной акустической волны. По результатам измерений определяют контролируемые параметры. 2 ил.

2d

(М

Затем определяют коэффициент отражения v продольных волн от границы: пластина 12 - образец 15. Пьезо преобразователь 7, подключенный через коммутатор Ц к генератору 3 импульсов, излучают в пластину 12 импульсы продольных волн 20 и 21. Половина поверхности пластины 12 граничит с воздухом, а другая половина - с исследуемым образцом 15. Отраженные от ближней отражающей по- верхности пластины 12, граничащей с воздухом, и от дальней отражающей поверхности, граничащей с исследуемым образцом 15, ультразвуковы.е. импульсы 20 и 21 принимаются этим же .пьезопреобразователем 7 и подаются через коммутатор k на вход селектора В импульсов, на первом выходе которого выделяется импульс, создаваемый продольными волнами 20, а на втором - продольными волнами 21, и далее эти сигналы: первый непосредственно, второй после усиления вторым усилителем 9 подаются соответственно на второй и первый входы измерителя 1 О отношения напряжений. При этом коэффициент усиления усилителя 9 выбирают таким образом, чтобы при отсутствии контролируемого образца 15 амплитуды импульсов, пдаваемых на входы измерителя 10 отношения напряжений былИ равны. Toi- да показание последнего при акустическом контакте пластины 12 с исследуемым образцом 15 равно коэффициенту отражения v продольных волн от границы между пластиной 12 и образцом 15, падающих перпендикулярно на указанную границу.

Для определения физико-механических параметров твердого вещества необходимо знать два из этих параметров, например, модуль сдвига ц и коэффициент Пуассона ОМодуль сдвига | выражается формулой

И р

г

(5)

V,

faCti - f, CL, P.

(6)

может быть найдено значение плот- ности о вещества образца 15

Р, Я, CL.CI + УС)(J)

-1г - ) 7

.-Тогда из (5) и (6) следует, что

f,c..(1 + vj 1 Ч.О -V,) - )

Подставляя значение скорости с из (3) в (8) получаем, что

25

p-/:jr-vt.o)

Для исключения расстояния х из последней формулы (9), находим другое выражение скорости поперечных волн . Из закона Снеллиуса на границе: пластина 5 - образец 15 следует, что

с тг с т sin /J sinAS

35

илиcri

2с

Т1

sin|5 (10) получаем, что

(10)

Si с sin/3.

(11)

Подставляя значение sin л из формулы

/3 у. dt02)

в формулу (11) получаем, что

с,,хТ т1 у xi+ di

Из (3) и (13) следует уравнение

(13)

с - 2с с + - О тг тг 1 - .

(Т)

После решения уравнения () полу- чаем, что

;; 11

Т1

о 1 .1 2ст| d

t

(15)

Тогда из С), (8) и (15) следует, чтЬ

10

,K-4kit4i 5 4 J,t

if;,

Коэффициент Пуассона iJ выражает- с4 общеизвестной формулой

( CTI ;

2(Щ

Сп

(17)

20

формул С),и (15) находим, что

.i

25

(-)

Т1

4d

1-(18)

.:« Г,1 .,ГГ 2cT, Ч|Ч,:ЬТ|С -- у- . 30

Таким образом, из выражений (1б), (17) и (18) могут быть рассчитаны параметры и ) , а при известности последних могут быть найдены и другие физико-механические параметры, например.модуль Юнга и коэффициент всестороннего сжатия,

Формула изобретения Ультразвуковое устройство для измерения физико-механических параметров вещества, содержащее пьезопре- образователь продольных акустических волн, акустически связанную с ним призму, предназначенную для преобразования продольных акустических волн в пог еречную зондирующую акустическую волну, последовательно соединенные генератор импульсов, коммутатор, усилитель и индикатор и подключенный к второму выходу коммутатора второй пьезопреобразователь продольных волн, предназначенный для приема поперечных акустических волн, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности контроля, оно снабжено последовательно соединенными селектором импульсов, вторым усилителем и измерителем отношения напряжений и двумя плоскопараллельными пластинами, выполненными из одинакового материала, первая.из которь1х акустически связана одной из поверхностей с второй гранью призмы, а вторая пластина акустически связана одной из поверхностей с вторым пьезопреобразовате- лем продольных волн и на ее второй поверхности выполнены два разновысоких равных по площади плоскопараллельных отражателя акустических волн третий и четвертый выходы коммутатора подключены соответственно к входу первого пьезопреобразователя продольных, акустических волн и к входу селектора импульсов, второй выход которого подключен к второму входу измерителя отношения напряжений.