Способ оценки модуля объемного сжатия материала Советский патент 1992 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к акустическим методам измерения физических параметров вязкоупругих материалов и служит для определения модуля объемного сжатия при малых давлениях.

Известен способ определения коэффициента Пуассона, основанный на замере времени распространения продольных плоских и поверхностных акустических волн.

Однако для использования этого способа необходимы излучатель и приемник как для продольных, так и для

поверхностных волн. Кроме того, возможны погрешности замеров, связанные с тем, что возбуждаемый и принимаемый сигналы могут не соответствовать точно одному виду волн.

Наиболее близким является способ определения упругих характеристик материалов по результатам замера скоростей распространения продольных плоских и сдвиговых волн в образцах.

Недостатком этого способа является необходимость использования соответствующей аппаратуры для каждого типа

СО

волн, кроме того, возможны погрешности замеров, обусловленные трудностью возбуждения в вязкоупругих средах волн точно одного типа на фиксированной частоте.

Цель изобретения - упрощение и повышение достоверности результатов оценки модуля объемного сжатия вязко- упругих материалов за счет исключения необходимости нахождения скорости распространения сдвиговых волн.

Это достигается тем, что при разных частотах гармонического возбуждения замеряется время распространения только продольных плоских волн, имеющих наибольшую скорость распространения, при этом модуль К выбирают из условия

г2 Г -.2

WUHBЈ(P;

С0МЛ„л СО,

K«mf (°««0 K6p Cto«««U К; где С(0макс)

макс

скорость распространения ультразвука при большей частоте (О ллчк.е гармонического возмущения;

С(СОМИЧ) - аналогичная скорость при меньшей частоте

л Члии

р- плотность материала. Выбор значений частот СО мчкс иЦмж осуществляется следующим образом. Известно, что скорость С распространения продольных плоских волн в вязкоупругих материалах зависит от частоты (на фиг. 2 качественно показана зависимость скорости С от частоты 0, а именно при увеличении частоты СО скорость С возрастает и стремИй л1ИК7 Mqw w маке. ,

В предложенном способе используются только продольные плоские вол5 ны, т.е. волны, имеющие наибольшую скорость распространения, и для которых можно считать, что частицы материала, образуя плоский фронт, движутся параллельно направлению

Ю распространения волны, а именно, если выбрать ось X в направлении распространения волны, то и U будет функцией только одной координаты X (здесь U - перемещение вдоль

15 оси X; V, W - соответственно перемещения вдоль осей Y и Z). Предполагается, что объемное деформирование ис следуемого вязкоупругого материала при малых давлениях описывается соот

20 ношением вида

,

а связь между девиаторными компонентами тензоров напряжений Sjj и де- 25 Формаций Э,} представляется соотношениями линейной теории вязкоупруго- сти (СГ - среднее напряжение, б - объ емная деформация, К - модуль объемного сжатия)о

На фиг. 1 изображен образец иссле дуемого материала с расположенными рядом с ним излучателем и приемником ультразвуковых волн; на фиг. 2 - график зависимости скорости продольных плоских волн от частоты.

Образец 1 исследуемого материала представляет собой пластину, например, прямоугольной или круглой формы толщиной h и шириной Ъ (диаметром ф Излучатель 2 и приемник 3 ультразву30

35

мится к некоторому предельному значе- ® ковых волн располагают соосно по обе

WUHBЈ(P;

С0МЛ„л СО,

кс

мИй л1ИК7 Mqw w маке. ,

В предложенном способе используются только продольные плоские вол5 ны, т.е. волны, имеющие наибольшую скорость распространения, и для которых можно считать, что частицы материала, образуя плоский фронт, движутся параллельно направлению

Ю распространения волны, а именно, если выбрать ось X в направлении распространения волны, то и U будет функцией только одной координаты X (здесь U - перемещение вдоль

15 оси X; V, W - соответственно перемещения вдоль осей Y и Z). Предполагается, что объемное деформирование исследуемого вязкоупругого материала при малых давлениях описывается соот20 ношением вида

,

а связь между девиаторными компонентами тензоров напряжений Sjj и де- 25 Формаций Э,} представляется соотношениями линейной теории вязкоупруго- сти (СГ - среднее напряжение, б - объемная деформация, К - модуль объемного сжатия)о

На фиг. 1 изображен образец исследуемого материала с расположенными рядом с ним излучателем и приемником ультразвуковых волн; на фиг. 2 - график зависимости скорости продольных плоских волн от частоты.

Образец 1 исследуемого материала представляет собой пластину, например, прямоугольной или круглой формы, толщиной h и шириной Ъ (диаметром ф ) Излучатель 2 и приемник 3 ультразву30

35

® ковых волн располагают соосно по обе

Изобретение относится к акустическим методам определения физических параметров вязкоупругих материалов, служит для определения модуля объемного сжатия при малых давлениях. Целью изобретения является упрощение способа и повышение достоверности результатов оценки модуля объемного сжатия вязкоупругих материалов за счет исключения необходимости нахождения скорости распространения сдвиговых волн. Цель достигается тем, что модуль определяют по результатам замера при разных частотах возбуждения времени распространения только продольных плоских волн, имеющих наибольшую скорость распространения. При этом модуль К выбирают из уеловия: ipCc J K pfcto)2, где С(ООдщ) - скорость распространения ультразвука при большей частоте СО/иякс С((ЭМин) - аналогичная величина при меньшей частоте (х)мин, ,|Э - плотность материала. Граничные частоты фиксируют на участке изменения скорости при1изменении частоты. 2 ил. (Л

нию, а при уменьшении частоты СО скорость С убывает и стремится к некоторому другому параллельному значению.

Таким обоазом, при значениях ча Отс°-Рма Каи ) (фиг. 2) скорость С почти не зависит

от частоты. Наибольшая точность оценки модуля К объемного сжатия по предложенному способу достигается тогда, когда для исследуемого материала предварительно определяют зависимость скорости распространения продольных плоских волн от частоты, фиксируют граничные частоты участка изменения скорости при изменении частоты, и значения частот Ымим и С0макс выбирают из условий

стороны образца в его центральной части. Размеры образца h, b, ф выбирают из условий , Ь 2d, ,

где d - характерный поперечный размер (например, диаметр) излучающего и приемного устройств.

Оценка величины модуля объемного сжатия материала осуществляется следующим образом. Определяют плотность материала Д. Готовят образец, наносят необходимую смазку на его поверхность. С помощью излучателя 2 и приемника 3, которые соосно располагают

по обе стороны образца в центральной части, измеряют время распроч странения продольных плоских волн и вычисляют скорость С продольных плосч

ких волн при различных частотах возбуждения. Строят зависимость скорости С от частоты (фиг. 2). Выделяют участок изменения скорости С при из- менении частоты, фиксируют его гра ничные частоты Й,ик и ( Значения скоростей С приб) Ф/иш 0«аксиспользуются для оценки ве личиньГмодуля объемного сжатия К по соотношению

W 5 «f-W

На практике имеющаяся в наличии аппаратура может не позволять охватить широкий диапазон частот. В этом случаев)ддич ИМ максвыбирают исходя из технической возможности их осуществления. При этом следует иметь в виду, что (до определенного предела) чем шире диапазон частот(Дмии ий) тем точнее результат оценки модуля К

Наибольшая точность предложенного способа достигается тогда, когда

мпи НииИИмаке- акс Фиг. 2)

Способ применим даже если замеры проведены только при одной частоте, т.е. когда СО MflKfr мийи соответственно С(СОмакс)С(Ол,, в этом случае оценки Кммми КМексотличаются на 50% от среднего значения определяемого выражением

,, KM)f(fl-K ДЛДКО

Vf 2

Если из какого-либо опыта для частот ыЦ)Ј СО МУ1Низвестно значение действительной составляющей С (О0) комплексного динамического модуля C(Q) c (GJ)+iCn (cfli), то можно дополнительно уточнить диапазон возможных значений модуля К по соотношению

(Шд,„,)4- с (цк

Если из-за технических возможностей аппаратуры удается проводить за.

1739279«

меры только npMCOMMM WwHMM(°MOK« W«,tt |то следует иметь ввиду, что снижение ЈJ)MHHM увеличение 6D мако позволяют повысить точность оценки модуля К с помощью предлагаемого способа.

Формула изобретения

Способ оценки модуля объемного сжатия материала, заключающийся в том, что определяют плотность материала, возбуждают продольную плоскую ультразвуковую волну в образце из исследуемого материала на заданной частоте, принимают волну, прошедшую образец, измеряют время ее распространения и рассчитывают по нему скорость С/( продольных плоских волн, а модуль К объемного сжатия определяют с уче- том этой скорости, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения достоверности результатов оценки модуля объемного сжатия вязкоупругих материалов, для исследуемого материала предварительно определяют зависимость скорости pqcnpo- странения продольных плоских волн от частоты, фиксируют граничные частоты участка изменения скорости при изменении частоты, используют одну из них в качестве заданной частоты, дополнительно возбуждают продольную плоскую волну в образце в том же направлении на частоте, равной другой за- Фиксированной частоте, принимают прошедшую образец волну, измеряют время ее распространения и рассчитывают ее скорость С распространения, а модуль К объемного сжатия определяют из соотношения

С

5 P CMaKAK P W где 0 - плотность материала;

маке мим соответственно большая и меньшая из двух рассчитанных значений С j и С 2 скоростей распространения продольных плоских волн.

50

ф«. I

МИН.

6J макс.

lf