Средство измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний в средах Советский патент 1993 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для ультразвукового контроля изделий.

Известен способ измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний в материалах, заключающийся в том, что излучающий преобразователь посылает в акустически контролируемую среду ультразвуковой сигнал, который достигает приемного преобразователя через время, зависящее от физико-химических параметров материала, регистрируется приемным преобразователем. По этим данным судят о величине скорости звука 1.

Однако этот способ не позволяет достоверно определить величину скорости звука в условиях воздействия повышенных температур, так как метрологические характеристики преобразователей при этом значительно снижаются, что увеличивает погрешность измеряемого параметра.

Цель изобретения - повышение точности и достоверности определения скорости распространения ультразвуковых колебаний в пьезоматериалах при изменении их температуры и обеспечение возможности дистанционного контроля.

Цель достигается тем, что способ изме- рения скорости распространения ультразвуковых колебаний в материалах заключающийся в том, что излучающий преобразователь посылает в акустически контролируемую среду ультразвуковой сигнал который достигает приемного преобразователя через время, зависящее от физико-химических параметров материала, регистрируется приемным преобразователем, дополнен выбором образца с плоскими параллельными гранями длиной L(2,5- 3)ch, (с - скорость распространения ультразвуковых колебаний; h - глубина проникновения электромагнитного поля), возбуждением образца со стороны одной и граней, а в качестве параметров ультразвуел

с

00

о

4 Ю О

кового сигнала у торцовой грани образца используют отклик магнитного поля на ультразвуковую волну.

Новым в данном способе является выбор образца из пьезоматериала длиной L (2,5-3)ch (с - скорость распространения ультразвуковых колебаний; h - глубина проникновения электромагнитного поля), возбуждение образца со стороны одной из граней, а в качестве параметра ультразвукового сигнала у торцовой грани образца используют отклик магнитного поля на ультразвуковую волну. Положительный эффект заключается в том, что повышаются точность и достоверность измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний в пьезоматериалах при повышенных температурах и обеспечивается возможность дистанционного контроля.

На фиг.1 показана структурная схема устройства; на фиг.2 - осциллограммы напряжений, пропорциональные импульсам магнитного поля образца.

Пример осуще ствления способа.

Исследования проводили с образцом в виде бруска размером 10x15x30 мм, а также цилиндра 0 15 мм, длиной I 30 мм, Динамическое нагружение образца 3 может производиться любым способом, В эксперименте нагружение производили с помощью пьезопреобразователя 2, подключаемого к дифектоскопу 1. Частота ультразвуковых колебаний составляла 2, 5 мГц. Мощность колебаний для дефектоскопа УД2-12 устанавливали в пределах 2-8 дБ в комплекте с прямым совмещенным преобразователем 2. Акустический контакт обеспечивали с помощью глицерина и контролировали по донному эхосигналу на дефектоскопе 1.

В экспериментах с воздействием импульса ультразвуковых колебаний на образец 3 установлено, что этот вид механического нагружения сопровождается появлением напряжения U(t) (фиг.2) на датчике 4, которое пропорционально магнитной составляющей электромагнитного поля.

Датчик 4 выполняли в виде тороидального сердечника из пермалгоевой ленты марки 79 НМ, толщиной 50 мкм, витков медного провода диаметром 0,35 мм, числом и располагали коаксиально образцу в любой его точке, поскольку сигналы U(t), пропорциональные магнитному полю H(t), не изменялись значительно при перемещении датчика вдоль оси образца 3, Сигналы U(t) регистрировали осциллографом С1-64 без предварительного усиления.

Анализ результатов измерений показывает, что длительность импульса напряжения U(t) составляет т- 1мкс. В течение этого времени электромагнитное поле проникает на глубину пьезоматериала, равную мм.

Длительность первого импульса характеризует время г распространения поля в образце 3 от передней грани а на глубину h 3 мм, а второго - время проникновения отраженного сигнала от грани б на ту же

глубину. Частота следования электрических импульсов возбуждения пьезоэлемента пьезопреобразователя 2, поступающая с дефектоскопа, составляла 2 кГц.

Датчик 4 может функционировать при

повышенных температурах разогрева в области Т 20-500°С. Точка Кюри пермаллоя типа 79 НМ составляет 540°С, где наблюдается полное размагничивание материала. С другой стороны, преобразователи, выполненные из материалов типа ЦТС-19, значительно снижает свою чувствительность к давлению при повышенных температурах Т 200°С.

Таким образом, временной интервал

между отмеченными импульсами U(t) определяется длительностью пробега ультразвукового колебания с временем ,5 мкс, а скорость с распространения ультразвукового колебания - отношением длины L образца к длительности пробега ультразвукового колебания t. Определение скорости ультразвукового колебания производится неконтактным способом, из этого следует, что предлагаемый способ может быть использован при повышенных температурах разогрева образца, что обеспечивает возможность его дистанционного контроля.

Рассмотрим теоретическое явление, на котором основано использование предложенного способа, т.е. механизм затухания электромагнитного поля пьезоматериала 3 типа ЦТС-19, занимающего пространство Z 0 (фиг.2) при его непрерывном гармоническом возбуждении. Полагаем, что при Р

ИХ (Р - вектор поляризации образца 3) динамическое нагружение ультразвуком материала образца сопровождается направленным движением заряженных частиц в поле сил инерции. В этом случае возникающее сторонее поле имеет вид

WoeJ(wt-Kx)i(1)

где q - свободные и слабо связанные с

молекулами диэлектрика заряды; М - масса

подвижных зарядов; а) - частота поля; W0

- амплитуда массового ускорения; К 2тг/Я

(А-длина волны, фазовая скорость кото

а) /К« С); (С - скорость света); j

оторои

лГИ .

Уравнение Максвелла для электромагнитного поля внутри пьезоэлемента7 0 имеет вид

о

CotfotEcT- Ј1 Ест l(t), (2) Сх

(5

+JK- ч -П

М По

где Јt - диэлектрическая проницаемость среды (Јi - действительная величина); i(t) - индуцированный волной ток. Поведение свободных и слабо связанных носителей за- рядов q в пьезодиэлектрике будем описывать квазигидродинамической системой уравнений при условии (V- эффективная частота столкновений носителей).

(VV)V qj7ECT-V()-M -jyvV, (3) + div(7V):0,

здесь Г (х, z, t) - плотность зарядов; V - скорость носителей; Т - температура; к- постоянная Больцмана.

Считая, что все величины зависят от х и t, по закону плоской волны (1) вместо уравнений (3) получим

D( ECT.X

-KVd)+ ECT.Z°

ATT

(4) 5n

М no 9Z

dvz

j O-KVd)n -jKno+n0- 0 ,(6)

где Vd - скорость носителей зарядов; п0 - равновесное значение концентрации носи- телей зарядов; п ( (О , K,Z) - отклонение концентрации от равновесной, вызванное сторонним полем Ест, ЕСт° - амплитуда стороннего электрического поля.

Из (4) - (6) следует уравнение для нерав- новесного значения концентрации носителей

#n 5Z2

- Л2п V,

А L . где Л --д-- +

()V+j(to-KVd)

VT Y-JTJ- тепловая скорость заря

женных частиц.

го У Радиус Дебая.

4ЛХ По

На основании (4)-(6) можно получить выражение для тока i(t), и, подставляя его в (2), найдем

„2С 4jrjq К

- .х

Ј1

п,

30

35 2025

с° tcr.i

i

ст.х

(9)

z К 31 Подставляя в (9) решение уравнения (7) в виде

-Т7ПТс Л2 °

где С1 - константа, определяемая из граничных условий, получим решения системы уравнений (9)

Е/ -у ....-KZ | С К i CT.x(Z)-aeл2 - К2

где а - константа.

Для определения величины а воспользуемся моделью идеальной жидкости, т.е. считаем, что нормальная составляющая тока на границе равна нулю.

В этом случае находим

(гЬ -

1

).(12)

К

40 45

Рассматривая большие значения концентрации носителей, когда , го - О, из выражений (11), (12) следует

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для исследования свойств материалов и сред. Цель изобретения - повышение точности измерений при нестабильных условиях контроля и обеспечение возможности дистанционного контроля. Цель достигается тем, что выбирают длину h образца из соотношения h (2,5-3)ch, где с - скорость распространения ультразвуковых колебаний; h - глубина проникновения электромагнитного поля, а в качестве параметра принятого сигнала используют отклик магнитного поля на ультразвуковую волну вне образца. 2 ил.

PC f7-)-Mw r jQ-KVd)v + J

Ec,x(Z)--W0 j-i ---

KV

где W0 - амплитуда ускорения на границе Z 0.

Как видно, при больших концентрациях носителей электрических зарядов q глубина проникновения h поля определяется деба- евским радиусом го.

Легко показать, что и при импульсном воображении образца характер проникновения волны значительно не изменится, таким образом будет определяться величиной дебаевского радиуса го.

e

-2/41

(13)

Экспериментальные исследования показали, что величина ,0 мм для материалов типа ЦТС.

Формула изобретения 5 Способ измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний в средах, заключающийся в том, что в образце с плоскопараллельными гранями со стороны одной из граней возбуждают ультразвуковые колебания, принимают колебания отраженные от противоположной грани, и по параметрам принятых колебаний рассчитывают скорость распространения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений для поляризованных пьезоматериалов и обеспечения возможности дистанционного контроля, выбирают

2 3

длину образца L (2,5+3)ch, где с - скорость распространения ультразвуковых колебаний, h - глубина проникновения электромагнитного поля, а в качестве параметра принятого сигнала используют отклик магнитного поля на ультразвуковую волну вне образца.

№./

фи г. г