Способ определения акустических параметров материалов Советский патент 1991 года по МПК G01N29/18 G01N29/20 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения акустических параметров материалов, например скорости и поглощения ультразвуковых колебаний и т.д., в химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Цель изобретения - повышение производительности при прецизионных измерениях.

На фиг.1 приведена схема, иллюстрирующая распространение импульсов ультразвуковых колебаний через волноводы и пакет образцов контролируемых материалов; на фиг.2 - устройство Иомеренич скорости распространения ультразвуковых волн, реализующее предлагаемый способ.

Между двумя волноводами 1 размещен пакет образцов контролируемых этериа лов, содержащий четыре образца 2-5. Кроме того, обозначены излучающий ультразвуковой преобразоватепь 6 и поисм- мый ультразвуковой преобразователь 7 Преобразователи, волновод11 и образцы со единены между собой с обеспечением эку- стического контакта, например, с помесью тонких слооп трлнсформг-тормогэ МЭСЛР

о

00

го

SQ

ел

-

Способ определения акустических параметров материалов осуществляется следующим образом.

С помощью излучающего ультразвукового преобразователя 6 в волноводе 1 воз- буждают импульс ультразвуковых колебаний, который распространяется через пакет образцов 2-5. При этом часть энергии ультразвуковых импульсов, прошедших через образцы 2-5, частично отражается от плоскопараллельных границ образцов в каждом из них серию эхо-импульсов. Для определения акустических параметров материалов достаточно использовать только первые отраженные силы этих серий эхо-импульсов. Приемным ультразвуковым преобразователем 7 принимают прошедший волноводы 1 и пакет образцов импульс 8 ультразвуковых колебаний и эхо-импульсы 9, 10, 11 и 12 из образцов 5, 3, 2 и 4. При этом первым после прошедшего напрямую импульса ультразвуковых колебаний на приемный преобразователь 7 приходит эхо-импульс из образца с наименьшим временем распространения в нем ультразвукового сигнала. При определении акустических параметров материалов с близкими величинами скорости распространения ультразвука (фиг.1) - из образца с минимальной толщиной.

Образец с минимальным временем распространения в нем ультразвукового импульса или минимальной толщиной ( в том случае, когда материалы образцов имеют близкую величину скорости ультразвука) принимают за эталонный образец.

В качестве такого образца показан образец 5, (фиг.1), а также соответствующий первый эхо-импульс из него - ультразвуковой импульс 9. Последующие, пришедшие на приемный преобразователь 7 ультразвуковые эхо-импульсы 10-12 являются эхо-импульсами из образцов с последовательно увеличивающимися временами задержки ультразвукового сигнала из образцов 3, 2 и 4 соответственно.

Для того, чтобы не произошло наложение первых эхо-импульсов (фиг.1, из образцов 2-4) на первый и второй эхо-импульсы из образца с наименьшим временем распространения ультразвукового сигнала (образец 5), длины всех образцов должны удовлетворять соотношение

у

Ci

2L,

m

где Lm и Cm - длина и скорость ультразвука в эталонном образце;

Li и Ci - длина и скорость ультразвука в 1-м образце;

I 1,2п - номер контролируемого образца.

5Для того, чтобы были разрешены по времени эхо-импульсы из образцов с близкими временами задержки, длины образцов должны удовлетворять соотношению

10 ULk ги

Ci Ck 2

где ги- длительность ультразвукового импульса.

Предварительно определение скорости

ультразвука в контролируемых материалах втом случае, когда измерения производятся в материалах с различной скоростью ультразвука, необходимое для изготовления из

них образцов требуемой длины, достаточно произвести с небольшой 10% точностью. Скорость ультразвука может быть оценена непосредственно на экране осциллографа или на табличных данных по аналогичным

материалам.

Очевидно, максимальное количество образцов, которое можно одновременно контролировать предлагаемым способом, зависит от того, какой образец выбран в

качестве опорного - эталонного образца, и равно

п

2 Lm Cm и

Способ реализуется с помощью устройства (фиг.2),содержащего генератор 13 высокочастотных колебаний, выход которого соединен с входом модулятора 14. Другой

0 вход модулятора соединен с генератором 15 видеоимпульсов. Выход модулятора 14 соединен с входом акустической ячейки 16, выход которой соединен с приемным усилителем 17. Последний подсоединен к

5 осциллографу 18, развертка синхронизирована с генератором 15 видеоимпульсов. Для точного измерения частоты устройство снабжено частотомером 19, соединенным с выходом генератора 13 высокочастотных

0 колебаний.

Способ реализуется следующим образом.

С генератора 13 высокочастотных колебаний непрерывный синусоидальный сиг5 нал поступает на модулятор 14, который модулируется видеоимпульсами с генератора 15 импульсов. Радиоимпульсы с модулятора 14 поступают в акустическую ячейку 16, принимаются усилителем 17 и регистрируются на экране осциллографа 18.

Для относительных и абсолютных измерений скорости ультразвука можно использовать методику с двумя задержанными когерентными радиоимпульсами, расстояние между которыми устанавливают таким, чтобы интерферировали те ультразвуковые импульсы, временной интервал между которыми необходимо измерить. Для ускорения процесса измерения интервалов времени в предлагаемом способе ультразвукового контроля длительность и задержку второго радиоимпульса устанавливают с помощью генератора 15 так, чтобы прошедший через акустическую ячейку ультразвуковой импульс от этого зондирующего сигнала интерферировал с эхо-импульсами из всех образцов от первого зондирующего импульса.

Изменением частоты высокочастотного генератора 13 регистрируются по экрану осциллографа 18 частоты компенсации прошедшего напрямую через волноводы и пакет образцов импульса с первыми эхо-импульсами из каждого образца;

2Li

Ci

fit Ki 1

где К| - число длин волн, укладывающихся на i-м образце на частоте компенсации fk1.

(Уравнения написаны без учета фазовых сдвигов на границах образцов).

Расчет абсолютных или относительных, например, температурных значений скорости ультразвука из этих измерений далее можно производить известными методами.

Переставляя образцы, помещенные в пакете (при этом последовательность прихода первых эхо-импульсов из образцов не изменяется), можно менять контактирующие с каждым из образцов поверхности других образцов, волноводов или преобразователей и благодаря этому оценивать влияние качества обработки поверхностей образцов, влияние преобразователя и др. на измеряемую величину скорости распространения ультразвуковых волн.

Если среди образцов имеется образец с известной или предварительно определенной температурной зависимостью скорости ультразвука, то в этом случае по величине скорости, измеренной в этом образце, можно определить температуру, при которой находятся контролируемые образцы. Так как точность измерений скорости ультразвука может быть высока (выше 10 для абсолютных и лучше для относительных измерений) - точность определения температуры акустическим методом может быть выше.

чем обычными способами измерения температуры.

Способ определения акустических параметров материалов позволяет производить и измерение погл ощения ультразвуковых волн сразу в пакете образцов Для этого, необходимо измерить амплитуду А0 ультразвукового импульса, прошедшего через волноводы и образцы и величины амплитуд А и первых эхо-импульсов из каждого из образцов пакета. Расчет величины затухания ультразвука может быть произведен по формуле

15

I х

0

5

0

5

0

5

0

5

Zi + i +Z,

где LI и Zi - толщина и волновое сопротивление 1-го образца (нумерация образцов здесь по порядку их расположения в пакете).

Изменяя последовательность расположения образцов в пакете и определяя величину поглощения в тех же образцах при отличных от предыдущих измерениях в соседних, контактирующих образцах, можно оценить, когда влияние контактных слоев между образцами на точность измерения поглощения минимально. Такая оценка качества акустических контактов непосредственно при контроле может повысить точность измерения и скорости ультразвука.

Таким образом, способ ультразвукового контроля позволяет уменьшить время контроля при измерениях в серии образцов, повысить точность контроля за счет возможности экспериментальной оценки фазовых сдвигов на границе образцов. Кроме этого, при использовании предлагаемого способа возможно определение температуры контролируемого пакета образцов акустическим методом и определение поглощения ультразвуковых волн.

Формула изобретения

Способ определения акустических параметров материалов, заключающийся в том. что основной образец контролируемого материала помещают между двумя волноводами, возбуждают импульсы ультразвуковых колебаний с торца одного волновода, принимают на торце другого волновода прошедший волноводы и образец импульс ультразвуковых колебаний и эхо-импульсы из образца и по измеренным характеристикам этих импульсов определяют акустические параметры материала, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности при прецизионных измерениях, формируют пакет из основного и дополнительного контролируемых образцов заданной толщины с двумя плоскопараллельными поверхностями, собранный по этим поверхностям с обеспечением акустического контакта, а порядок установки образцов между точками излучения и приема определяют из условий

0

Lm/Cm U/C| 2Lm/Cm:

Li/Ci-Lk/Ck2rM/2 ; I k,

где Lm и Cm - длина и скорость ультразвука в образце с минимальным временем распространения ультразвуковых колебаний в нем;

U. Lk и Ci, Ck - длина и скорость ультразвука в 1-х, k-x образцах;

Ги - длительность ультразвукового импульса.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения акустических параметров материалов, например скорости и поглощения ультразвуковых колебаний и т.д. Цель изобретения - повышение производительности при прецизионных измерениях, Между двумя волноводами размещают пакет образцов, состоящий из образцов заданной толщины с плоскопараллельными поверхностями с обеспечением акустического контакта между ними. Возбуждают импульсы ультразвуковых колебаний на свободном торце одного волновода и принимают на сао бодном торце другого волнопода прошедший волноводы и пакет образцов импульс и эхо-импульсы, отраженные от кзхдой поверхности образцов, по которым определяют акустические параметры материалов образцов, а порядок установки образцов Q пакете выбирают с учетом длины образцои, скорости распространения в них ультразвука и длительности ультразвукового импуль са.2 ил.

фиг. 1

15

ft18

17