Способ измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний Советский патент 1992 года по МПК G01N29/18 

Изобретение относится к области механических испытаний, может быть использовано для ультразвуковых исследований материалов, преимущественно при получении температурных зависимостей их упругих постоянных вблизи температур фазовых переходов, инварных эффектов и других нелинейных явлений

Известен способ, заключающийся в том, что в исследуемый образец излучают ультразвуковые (УЗ) импульсы, принимают отраженные импульсы, измеряют промежуток времени между первыми полупериодами последовательных отражений и по

измеренному промежутку времени определяют скорость распространения УЗ 1.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний, заключающийся в том, что в исследуемый образец излучают ультразвуковые импульсы, принимают отраженные импульсы, измеряют промежуток времени между отраженными импульсами по совпадающим с их вершинами калибра- ционным меткам времени и по измеренному промежутку времени определяют скорость

VI

СЛ СО

&

со

распространения ультразвуковых колебаний 2.

Недостатком указанных выше способов является низкая достоверность измерения скорости распространения УЗ при проведении прецизионных исследований монокристаллических материалов с коэффициентом изменения упругих постоянных менее 5-10 условных единиц/град, в области фазовых переходов, инварных эффектов и других нелинейных явлений, Это обусловлено тем. что скорость распространения УЗ-волны в исследуемом образце зависит от амплитуды давления упругих волн в каждой его точке, то есть скорости распространения первого и последующих отраженных сигналов, имеющих разные амплитуды колебаний вследствие процессов затухания, различны. Кроме того возникают фазовые погрешности при усилении отраженных сигналов различных амплитуд в активных элементах измерительной аппаратуры.

Целью изобретения является повышение достоверности измерений за счет выравнивания амплитуд отраженных сигналов, по которым определяют время распространения УЗ-колебаний.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний, заключающемся в том, что в исследуемый образец излучают ультразвуковые импульсы, принимают отраженные импульсы, измеряют промежуток времени между отраженными импульсами по совпадающим с их вершинами калибрационным меткам времени и по измеренному промежутку времени определяют скорость распространения ультразвуковых колебаний, согласно изобретения, изменяют амплитуду каждого второго излучаемого ультразвукового импульса так, чтобы амплитуда минимума третьего (четвертого) периода высокочастотных колебаний (п-1)-го отраженного импульса была равна номинально установленной амплитуде минимума третьего (четвертого) периода высокочастотных колебаний n-го отраженного импульса каждого первого излучаемого ультразвукового импульса, а промежуток времени измеряют между минимумами третьего (четвертого) периодов высокочастотных колебаний указанных отраженных импульсов.

На фиг. 1 изображена структурная схема установки, реализующей предлагаемый способ измерения; на фиг.2 - временная диаграмма сигналов отражений в момент измерений.

Установка содержит последовательно электроакустически соединенные генератор 1 калибрационных меток премени, делитель 2 частоты, генератор 3 зондирующего сигнала, включающий последовательно соединенные формирователь 4 регулируемой

задержки и генератор 5 ударного возбуждения и электронный коммутатор 6, вход которого соединен с выходом формирователя 4 регулируемой задержки, а выход - с вторым входом генератора 5 ударного возбужде0 ния, акустический тракт, включающий приемопередающий преобразователь 7, звукопровод 8 и испытуемый образец 9, усилитель 10 и двулучевой осциллограф 11, второй вход которого подключен к второму

5 выходу генератора 1 калибрационных меток времени, а синхровход - к выходу делителя 2 частоты.

Позициями 12 и 13 (фиг.2) обозначены калибрационные метки времени, 14 и 15 0 (п-1)- и п-эхосигналы.

Посредством формирователя калибрационных меток времени (фиг, 1) вырабатывают серию остроконечных сигналов (поз. 12 и 13 фиг.2), частота следования которых

5 определяется регулируемым прецизионным генератором -синтезатором (типа ГЗ- 110). Это позволяет задавать частоту следования измерительных меток 12 и 13 времени с точностью не хуже . Острота

0 меток 12 и 13 времени (фиг.2) должна быть сопоставима с остротой вершин сигнала заполнения (поз. 14 и 15 фиг.2). Возможность устойчивого сопоставления сигнала меток

12и 13 времени с отражениями (фиг.2) зон- 5 дирующих ультразвуковых сигналов достигается за счет общего запуска сигнала синхронизации двухлучевого осциллографа 11 и запуска генератора 5 ударного возбуждения. Выработка этого сигнала запуска до0 стигается делением частоты сигнала калибрационных меток времени на фиксированный коэффициент деления в делителе 2 частоты (фиг.2). Выбор величины коэффициента деления обусловлен процессами за5 тухания в акустическом тракте. Для выработки высокочастотного сигнала зондирования используют генератор 5 ударного возбуждения. Очередной пуск генератора ударного возбуждения осущест0 вляют после полного затухания сигналов отражений от предыдущего запуска. Этим обеспечивают повторяемость исходной фазы высокочастотных сигналов при последующих запусках. При запуске генератора 5

5 ударного возбуждения предусмотрен формирователь 4 регулируемой задержки для выравнивания калибрационных меток 12 и

13времени (фиг. 2) и исследуемых отраженных сигналов (14 и 15) на экране осциллографа 11.

Генератор 5 ударного возбуждения (фиг.1) в предлагаемом устройстве содержит электронный коммутатор 6 (фиг.1), позволяющий при каждом четном (условно) запуске уменьшать амплитуду вырабатыва- емого сигнала до величины, обусловленной соответствующей плавной регулировкой. С выхода генератора 3 зондирующего сигнала (фиг.1) высокочастотный сигнал поступает на пьезоэлектрический преобразователь 7, установленный на свободном торце акустического буферного звукопроводз 8.

Акустический сигнал, отразившись от второго торца звукопровода 8, возвращается к приемопередающему преобразователю 7(фиг. 1), представляя собой первое отражение (поз. 14 фиг. 2). Часть акустической энергии, пройдя раздел торец - звукопро- вод - исследуемый образец 9, отразится от второго торца образца и через буферный звукопровод 8 достигнет преобразователя 7, представляя собой второй эхосигнал 15 (фиг.2). Звуковая энергия, отразившись от торца образца 9, каждый раз частично проникает в звукопровод 8, образуя, таким об- разом, третий, четвертый и т.д. п-й эхосигнал до полного затухания. Звуковые эхосигналы 14 и 15 (фиг 2), достигая преобразователя 7, преобразуются в электрические сигналы, которые усиливаются узкополосным усилителем 10. Регулируя частоту генератора 1 калибрационных меток времени, амплитуды первого и второго зондирующих сигналов и задержку меток 12 и 13 времени (фиг.2) относительно эхосигна- лов 14 и 15, достигают положения, при котором амплитуда третьего (четвертого) минимума (п-1)-го эхосигнала равна амплитуде третьего (четвертого) минимума п-го эхосигнала, а метки времени совпадают с минимумами описанных периодов, Поскольку период между метками 12 и 13 времени (фиг.2) обусловлен задающим генератором-синтезатором, то по наборному полю последнего определяется искомая частота - величина, обратная искомому ин тервалу времени.

Таким образом повышение достоверности достигается за счет исключения погрешностей, связанных с зависимостью скорости распространения УЗ-колебаний от значений амплитуд давлений упругих волн в каждой точке испытуемого образца, и использования в измерениях восходящей ветви эхосигналов. то есть третьего (четвертого) минимума отраженных сигналов. Кроме того устраняются погрешности, связанные с различными задержками в активных элементах измерительной аппаратуры при усилении эхб с игналов разных амплитуд.

Формула изобретения Способ измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний, заключающийся в том, что в исследуемый образец излучают ультразвуковые импульсы, принимают отраженные импульсы, измеряют промежуток времени между отраженными импульсами по совпадающим с их вершинами калибрационным меткам времени и по измеренному промежутку времени определяют скорость распространения ультразвуковых колебаний, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности измерений, изменяют амплитуду ультразвукового импульса так, чтобы амплитуда минимума третьего или четвертого периода высокочастотных колебаний (п-1)-го отраженного импульса была равна номинально установленной амплитуде минимума третьего или четвертого периода высокочастотных колебаний n-го отраженного импульса каждого первого излучаемого ультразвукового импульса, а промежуток времени измеряют между минимумами третьего или четвертого периодов высокочастотных колебаний указанных отраженных импульсов.

rv ль

,. N. N

Изобретение относится к области механических испытаний, может быть использовано для ультразвуковых исследований материалов, преимущественно при получении температурных зависимостей их упругих постоянных вблизи температурных фазовых переходов, инварных эффектов и других нелинейных явлений. Целью изобретения является повышение достоверности измерений за счет выравнивания амплитуд отраженных сигналов, по которым определяют время распространения ультразвуковых колебаний. Благодаря изменению амплитуды каждого второго излучаемого ультразвукового импульса так, чтобы амплитуда минимума третьего (четвертого) периода высокочастотных колебаний (п-1)-го отраженного импульса была равна номинальной амплитуде минимума третьего (чет- вертого) периода высокочастотных колебаний n-го отраженного импульса каждого первого излучаемого ультразвукового импульса,исключаются погрешности, связанные с зависимостью скорости распространения ультразвуковых колебаний от значений амплитуд давлений упругих волн в каждой точке испытуемого образца. 2 ил сл С

Vu&f

Шиг,2