Способ определения акустических характеристик протяженных объектов непосредственно в процессе деформирования Советский патент 1992 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к технике акустических измерений и может быть использовано для определения физико-механических свойств протяженных объектов типа полимерных волокон, нитей, пленок в виде узкой ленты и-т.п. путем измерения их акустических характеристик (скорости С распространения и коэффициента затухания акустических колебаний).

Известен способ определения коэффициента затухания УЗ-импульсов, заключающийся в том, что в исследуемом образце, находящемся в равновесном состоянии, при котором акустические характеристики не изменяются с течением времени (постоянны во времени), возбуждают УЗ-импульсы и последовательно в двух точках, расположенных в одном направлении отточки возбуждения УЗ-импульсов, но на различных расстояниях от нее, измеряют амплитуду УЗ-импульсов и по отношению амплитуд и расстоянию между точками приема сигнала определяют коэффициент затухания УЗ.

Однако этот метод невозможно использовать для определения акустических характеристик непосредственно в процессе непрерывного деформирования образца, поскольку для последовательного измерения амплитуды УЗ-импульса в первой и затем во второй точках образца требуется определенное время (например, 10-20 с.).

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является двухдатчи- ковый способ определения акустических ха- рактеристик протяженных объектов непосредственно в процессе деформироваVI

СО

о

vj

ния, заключающийся в том, что в одной точке исследуемого образца возбуждают УЗ- импульсы и в другой точке, расположенной на некотором расстоянии от точки излучения, принимают их, образец деформируют и в процессе деформирования синхронно регистрируют значение относительной деформации и время задержки сигнала, по значениям которых определяют скорость распространения УЗ-импульсов.

Известный способ позволяет определять, как скорость распространения С, так и коэффициент а затухания УЗ-импульсов в предварительно деформированном образ- це (образец после деформирования выдержан в этом состоянии некоторое время т до начала измерений) путем измерения времени (t) распространения и амплитуды (U) УЗ- импульсов последовательно в двух его точках, т.е. методом переменной базы. Это ограничение, т.е. необходимость выдержки образца в деформированном состоянии до начала измерений, объясняется тем, что при деформировании образец из равновесного состояния переходит в неравновесное состояние. В этом состоянии акустические характеристики образца, следовательно и параметры (U, t) УЗ-импульсов, являются переменными (во времени) величинами. С течением времени образец из неравновесного состояния возвращается в равновесное (отличающееся от начального равновесного состояния), т.е. протекает релаксационный процесс. Этот процесс в за- висимости от исследуемого материала, температуры, величины относительной деформации е и ряда других факторов длится определенное время Т0, называемое временем релаксации. Если к измерениям акусти- ческих характеристик известным методом приступить до завершения релаксационных процессов, то результаты будут неточными, а в некоторых случаях абсолютно невозможными. Это объясняется тем, что для измере- ния амплитуды и времени распространения УЗ-импульса согласно известной методике последовательно в двух точках образца требуется определенное конечное время,за которое изменяется значение измеряемых параметров (U, t) сигнала. Поэтому для определения а и известным и описанным методом переменной базы к измерениям приступают после выдержки образца в деформированном состоянии некоторое время т TO (где TO-время релаксации). Следовательно метод переменной базы пригоден лишь для определения акустических характеристик исходного (недеформированного) или

предварительно деформированного образца.

Таким образом, способ позволяет определять скорость распространения УЗ-импульсов непосредственно в процессе деформирования образца (при постоянной базе) и методом переменной базы в предварительно деформированном образце. Однако этот способ не позволяет определять значение коэффициента затухания УЗ-импульсов непосредственно в процессе непрерывного деформирования исследуемого образца. Таким образом, налицо ограниченные информативные возможности известного способа.

Цель изобретения повышение информативности способа.

Указанная цель достигается тем, что возбуждают в одной точке объекта импульсы акустических колебаний, принимают во второй точке, отстоящей от первой на расстоянии L, прошедшие через объект колебания, деформируют объект, синхронно измеряют в процессе деформирования относительную деформацию Ј объекта и время t распространения акустических колебаний в объекте от точки излучения до точки приема и определяют с помощью измеренных величин текущее значение скорости С распространения акустических колебаний, до начала деформирования измеряют исходные значения скорости С распространения, коэффициента а затухания и амплитуды U принятых акустических колебаний, в процессе деформирования синхронно с относительной деформацией Ј и временем t дополнительно измеряют текущее значение амплитуды U принятых акустических колебаний, а текущее значение коэффициента а затухания акустических колебаний определяют из выражения

/ а1

+ е (1 +Е)

а

где С -скорость распространения акустических колебаний в недеформированном образце

С а (1 + Ј) /t,

L - расстояние между точками излучения и приема на недеформированном объекте;

е-относительная деформация объекта;

U, U - амплитуда принятых акустических колебаний для недеформированного и деформированного объектов соответственно;

р - плотность материала объекта;

Z- акустическое сопротивление излучателя и приемника колебаний.

На фиг. 1 представлена блок-схема установки для осуществления способа; на фиг. 2 - результаты измерения в примере реализации способа.

Установка для осуществления способа содержит исследуемый объект 1, блок 2 деформирования, приемный и излучающий акустические преобразователи 3 и 4, блок 5 регистрации, милливольтметр.6 импульсного тока, частотомер 7 и генератор 8 зондирующих импульсов.

Способ осуществляют следующим образом.

Пусть излучатель и приемник акустических колебаний установлены на расстоянии L один от другого и к электродам излучателя подаются электрические импульсы напряжением, равным V. В излучателе электриче- ские импульсы преобразовываются в упругие колебания амплитудой Ui определяемой соотношением

Ui KV,

где К - коэффициент преобразования излу- чателя.

Поскольку объект контактирует с преобразователем (его пьезоэлементом или зву- копроводом, если он оснащен им), то упругие колебания последнего частично пе- редаются в исследуемый материал. Амплитуда упругих колебаний U0 в случае идеального акустического контакта определяется формулой

U0 UiDi KVDi, .(1)

где DI 2Z/(Z + Zi) - коэффициент преломления (прохождения волны по давлению);

Z р С - волновое (акустическое) сопротивление исследуемого материала;

Zi - волновое сопротивление преобра- зователя.

Обеспечить идеальный акустический контакт между преобразователем и объектом почти невозможно. Поэтому вследствие потери энергии на их границе амплитуда волны в объекте всегда меньше амплитуды, определяемой формулой (1), т.е. она равна

ио 1)101СГ КУ01 Гй(2)

где /3- затухание волны на границе раздела излучатель-объект.

Волна по мере удаления от точки возбуждения затухает. Поэтому ее амплитуда 1)2 на другом торце объекта, граничающем с приемником, определяется формулой

U2 (3)

где L- расстояние между преобразователями (длина исследуемого участка объекта);

а - коэффициент затухания волны.

На границе раздела объект-приемник, также как и на границе излучатель-объект, волна из образца частично проходит в приемный преобразователь. Амплитуда из прошедшей волны определяется аналогично формуле (2):

Уз Ua D2

где D2 2Zi/(Z + Zi) - коэффициент преломления волны;

j - затухание волны на границе объект- приемник.

Амплитуда U электрического сигнала на выходе (электродах) приемника равна

U

где М - коэффициент преобразования приемника.

Таким образом, параметры сигнала на выходе приемника, установленного на расстоянии L от точки возбуждения волны, определяются напряжением V электрического сигнала излучателе, коэффициентом а затухания и скоростью С распространения волны, длиной L объекта, затуханием волны при переходе от излучателя к объекту/3 и от объекта к приемнику j, коэффициентами преобразования излучателя К и приемника М, волновыми сопротивлениями образца р С и преобразователей Z т.е. зависимостью, получаемой из формул (1) - (5):

U 4KMVZZi/(Zi + Z)2exp(a L+/0 + J);

(6)

t L/C где t - время задержки сигнала.

Аналогичные зависимости можно получить и для материалов, находящихся в неравновесном (деформированном) состоянии. Величины, измеренные в процессе деформирования (в неравновесном состоянии) отмечены штрихом, т.е.:

U1 4 КМ VZ1Zi/(Zi + Zf exp (a L1 + Ј+- j),

(7) rflet lJ/C L LO + e);Z1 /9-C

Из (6) и (7) получим:

ln

1 ГПГ

&

и1 с . (р с + zN2 и -с V с + z

)2

(1 +Ј)

V

Таким образом, предварительно определяя акустические характеристики (С, а) исходного исследуемого объекта и измеряя параметры акустического импульса в точке объекта, расположенной на расстоянии LOT точки излучения, до (U, t) и в процессе деформирования (U , t1), а также осуществляя синхронную регистрацию относительной деформации е исследуемого объекта, по формуле (8) можно определять неравновесные значения акустических характеристик материала.

Пример. Проводят эксперимент, в котором в качестве исследуемого объекта выбрана капроновая мононить (плотность /си 1,14 х 103, диаметр а 0,2 мм).

Установка для реализации предлагаемого способа работает следующим образом.

С генератора 8 зондирующие импульсы поступают на вход запуска частотомера 7 и на вход излучающего преобразователя 4, в котором электрический сигнал преобразуется в механические колебания, которые, распространяясь по исследуемому объекту 1, достигают приемного преобразователя 3. Приемный преобразователь 3 преобразует механические колебания в электрический сигнал, который поступает на милливольтметр 6 импульсного тока, измеряющий амп- литуду принимаемого сигнала, и на вход останова частотомера 7, измеряющего время прохождения зондирующих импульсов через исследуемый объект 1. Блок 2 деформирования (разработка авторов), позволяет деформировать исследуемый объект 1 в заданном режиме (например, растягивать с постоянной скоростью).

Информация об относительной деформации (е), амплитуда (U1) и времени распро- странения зондирующих импульсов (t1) с выходов блоков 2, 6 и 7 поступает на соответствующие входы блока 5 регистрации, где происходит синхронная регистрация.

Акустические преобразователи 3 и 4, выполненные подвижными с целью сохранения акустического контакта во время деформирования, специально разработаны для такого рода испытаний. В качестве генератора 8 зондирующих импульсов использу- ют генератор импульсов Г5-15, частотомер 7 - Ф 5035, милливольтметр импульсного тока6-В4-12.

Блок регистрации 5 состоит из самописца Н-3021-4 и цифропечатающего устройства.

Способ осуществляют следующим образом.

Жестко закрепив один конец исследуемого объекта 1, второй его конец заправляют в блок 2 деформирования. Осуществляют акустический контакт между преобразователями 3 и 4 и исследуемым объектом 1, причем расстояние между преобразователями 3 и 4 L 0,2 м. Частота заполнения зондирующих импульсов 50 кГц. Измеряют амплитуду и время распространения зондирующих импульсов: U 350 мВ; t 84 мкс.

Перемещают преобразователь 3 в сторону преобразователя 4 на расстояние L

0,1 м и измеряют амплитуду зондирующих импульсов Ui 530 мВ. По формулам

a 3T--ln(Ui/u); С Ц ,

где ,

рассчитывают исходные коэффициент затухания и скорость распространения акустических, например, УЗ-колебаний в недеформированном объекте, которые равны: ,15 Нп/м;. С 2380 м/с.

Преобразователь 3 возращают в исходное положение, в котором L 0,2 м; U 350 мВ; t 84 мкс. Затем осуществляют непрерывное деформирование исследуемого объекта 1 при помощи блока деформирования 2 (со скоростью Ј 2,4 10 с ) и синхронно регистрировали е1, U1 и t1 в процессе деформирования объекта. По измеренным значениям е, U и t рассчитали коэффициент а1 затухания и скорость С распространения акустических колебаний, например УЗ по предлагаемой формуле (8). Результаты измерения в виде зависимости

Да,.,

(кривая 1) и

АС

а

(кривая 2) от Ј (где

Да а1 - а ;АС С1 - С) представлены на фиг. 2.

Кривые 1 и 2 представляют собой последовательности непрерывных экспериментальных точек, соответствующих различным значениям (запись осуществляют с помощью многоканального самописца). Кроме того, эти кривые представляют собой зависимость мгновенных (г 0) значений

.

Из фиг. 2 следует, что изменение коэффициента затухания УЗ-колебаний (кривая 1) в процессе деформирования объекта происходит более сложным образом по сравнению с изменением скорости распространения волны (кривая 2), Последняя непрерывно растет при е 12% относительно изменения скорости достигает 57%. Коэффициент затухания УЗ-колебаний в начале стадии деформирования объекта (до е 1 %) незначительно уменьшается и при е 1%

Да величина достигает значения, равного

-1,7% (знак минус означает, что коэффициент затухания УЗ-колебаний в нагруженном объекте становится меньше, чем в ненагруженном, т.е. а1 а). Затем при 1% ,4% относительное изменение коэффициента затухания растет и при е 2,4% относительное изменение коэффициента затухания УЗ- колебаний ( -д- ) достигает 18,9%. Далее

происходит опять уменьшение

Да а

, и при

значение- достигает- 67%.

Поскольку коэффициент а1 затухания и скорость С распространения УЗ-колебаний в целом в исследуемом объекте зависят как от значения деформации е, так и от промежутка времени г, в течение которого объект находится в деформированном состоянии, в качестве иллюстрации этого эффекта на

фиг. 2 приведены также зависимости и АС

а

-гг- от е при т 10 мин (соответственно

кривые 3 и 4). Для этого, объект деформируется на 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0- 8.0; 9,0; 10,0; 11,0; 12,0%, а значения U1 и t при каждом Ј регистрируют спустя 10 мин.

Из фиг. 2 видно, что мгновенные (при т 0) и квазистатические (при г 10 мин) значе- Да АС

ния зависимости

а

С

от Е сильно отличаются одно от другого. Это еще раз указывает на необходимость определения а и С1 в процессе деформирования объекта, т.е. при г 0.

На фиг. 2 для сопоставления приведены результаты (экспериментальыне точки 5) из- мерения коэффициента затухания УЗ-колебаний в предварительно деформированном на 2; 4; 6; 8; 10; 12% объекте (после выдержки г 10 мин) известным методом переменной базы. Из фиг. 2 видно, что эти результаты в пределах точности 3-5% совпадают с результатами, полученными предлагаемым способом (кривая 3).

Оценка погрешности определения акустических характеристик непосредственно в процессе деформирования показала, что скорость распространения УЗ-колебаний определяется с точностью 1 %, а коэффициент затуханияНО%.

Таким образом, доказана возможность по предлагаемой методике измерения при помощи двух датчиков определять коэффициент затухания УЗ-колебаний непосредст

5 10

20

25

30 35

4045

50

венно в процессе деформирования объектов.

Формула изобретения Способ определения акустических характеристик протяженных объектов непосредственно в процессе деформирования, заключающийся в том, что возбуждают в одной точке объекта импульсы акустических колебаний, принимают во второй точке, отстоящей от первой на расстоянии L, прошедшие через объект колебания, деформируют объект, синхронно измеряют в процессе деформирования относительную деформацию Ј объекта и время t распространения акустических колебаний в объекте отточки излучения до точки приема и определяют с помощью измеренных величин текущее значение скорости С распространения акустических колебаний, отличающий- с я тем, что, с целью повышения информативности контроля, до начала деформирования измеряют исходные значения скорости С распространения, коэффициента а затухания и амплитуды U принятых акустических колебаний, в процессе деформирования синхронно с относительной деформацией Ј и временем t дополнительно измеряют текущее значение амплитуды U принятых акустических колебаний, а текущее значение коэффициента а затухания акустических колебаний определяют из выражения

а - а - 1 (1 +Ј)

. ГЦ1 С fp С1 + 2

|п Vc+z) )

где С-скорость распространения акустических колебаний в недеформированном объекте;

С1 Ц1 + е )/t;

L - расстояние между точками излучения и приема на недеформированном объекте;

U, U - амплитуда принятых акустических колебаний для недеформированного и деформированного объектов соответственно;

р- плотность материала объекта;

Z - акустическое сопротивление излучателя и приемника колебаний.

2 4 6 8 10 12 Ј,%

-0,2Техред М.Моргентал

Корректор Н.Ревская

Изобретение относится к измерению акустических характеристик объектов. Целью изобретения является повышение информативности контроля за счет обеспечения измерения текущих значений как скорости распространения, так и коэффициента затухания акустических колебаний. В ненагруженном протяженном объекте на заданной базе осуществляют возбуждение и прием импульсов акустических колебаний и измерение скорости распространения, коэффициента затухания и амплитуды принятых колебаний на той же базе. С помощью измеренных величин определяют текущие значения скорости распространения и коэффициента затухания акустических колебаний в деформируемом объекте. 2 ил. w 6