Способ определения акустических характеристик нитевидных объектов Советский патент 1993 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к технике акустических измерений и может быть использовано дли определения физико-механических свойств нитевидных объектов типа полимерных волокон, нитей и т. п. путем измерения их акустических характеристик (скорости С распространения и коэффициента а затухания ультразвуковых (УЗ) колебаний).

Цель изобретения - повышение точности и информативности контроля.

На фиг. 1 - изображена схема осуществления способа; на фиг. 2 - распределение температуры вдоль образца после нагрева двух участков последнего.

Способ осущестёляется следующим образом.

Для исключения влияния различий условий излучения и приема на каждой паре излучатель-приемник производят предва рительную настройку. С этой целью приемный преобразователь размещают точно по середине образца, т. е. на одинаковых расстояниях от точек излучения Xi и Х2. Из точек Xi, Х2 поочередно излучают ультразвуковые колебания, приемным преобразователем принимают их, и изменением направления возбуждающих сигналов добиваются равенства амплитуд принимаемых сигналов от обоих излучающих преобразователей. Затем, приемный преобразователь размещают неподвижно в точке Х0, которая расположена на расстояниях Li, от точек излучения Xi, X2. Излучающими преобразователями излучают УЗ колебания, приемным преобразователем принимают их. Измеряют время распространения ti, t2 и амплитуды Ui, U2 принятых сигналов. Затем, производят изменение температуры до одинакового значения двух участков образч ю

со

а VI

00

ца, начальной длиной L i и L a, которые расположены внутри интервалов Х0 - Xi, X0 - Х2, соответственно. При этом, соблюдают неравенство . Измеряют изменения длины ALi, ALz образца относительно точки Х0 за счет изменения температуры указанных участков, Синхронно с изменением длины образца изменяют длину первого и второго нагреваемых участков образца, соответственно, на AU и . Следовательно, при температуре Т длина нагреваемых участков (термокамер) равна L i + A Li и L 2 + Д L2.

Измеряют время t i, t a и амплитуды U i, U 2 принятых сигналов после изменения температуры. На основе произведенных измерений определяют коэффициент затухания и скорость распространения УЗ колебаний. С целью сохранения постоянства акустического контакта излучателей с образцом при деформировании последнего, используются преобразователи, конструкция которых позволяет им перемещаться вместе с образцом. Стало быть, расстояние между точками излучения и приема УЗ колебаний равно Li + Л LI, + Д La.

Распределение температуры вдоль образца имеет сложный характер. Участки AiBi и GiH, расположенные вне термокамеры, имеют комнатную Т0 температуру. Участок AiEi, расположенный внутри термокамеры, имеет температуру Т. А участки BiDi и EiGi, расположенные частично внутри камеры и частично вне камеры, имеют переменную температуру Т, спадающую от температуры нагрева Т до комнатной температуры Т0.

Таким образом, УЗ импульсы от точки излучения Xi до точки их приема Х0 проходят через участки AiBi, BiDi.DiEi, EiGi.GiH, имеющие, соответственно, температуры То. Тэ, Т. Т э, TV коэффициенты затухания а, аэ, « , аэ, а и скорости распространения УЗ С, Сэ, С , Сэ, С (величины, измеренные при температуре Тв тексте отмечены штрихом). Следовательно, амплитуда Ui и время t i распространения УЗ колебаний в точке приема определяется формулами

U i - U9I - (AiBi + GiH)+ {BiDi + + EiGi) + a DiEi+j(1)

BiDi + EiGi ,

. Сэ +

t i

AilBHMGiH +

DiEi

+ to,

(2)

где Do - амплитуда УЗ импульса в точках его излучения, т. е. в точках Хч и Ха;

0

j - затухание волны на границе раздела образец-приемный УЗ преобразователь;

to - время задержки сигнала в звукопро- водах и пьезоэлементах излучающего и приемного УЗ преобразователей,

Аналогичными формулами определяется амплитуда U2 и время распространения волны при излучении из второй точки Х2,т. е.

U2 - Uol - (А2В2 + G2H) + 02 (B2D2 +

+ Ј262) + ои D2E2 + j(3)

t 2

А2&2 + G2H . B2D2 + Ј262 +

15

D2E2

+ to

(4)

Из фиг. 1 и 2 следует, что:

AiBi + GiH (Li + Д ti) - BiCi -CiFi-FiGi:

A2B2 + C2H - (L.2 + Д L2) - B2C2 - C2F2 - F2G2

DiEi CiFi-CiDi-EiFi DaEz - C2D2 - E2F2

(5a)

(56) (Se) (5r)

Решая систему уравнений (1) - (5) относительно cf и С , получаем:

30

сг(C1F1.-C2F2)-(C1D1 +E1F1 - C2D2 E2F2)

х {In УЈ - {Д L Д U - Д L.2 - d.Fi - C2F2) 351 1Ь

-Bi.Ci-FiGi + B2C2 + F2G2 -jj-ln - %)BiDi EiGi-BiD2-E2C2)} (6)

C(CiFi-C2F2)-(CiDi-EiFi- C2Da - E2F2): {At1 - Д L +Д Li - AL2 -(CiFi-C2F2-BiCi-FiGi +

+ B2C2 + F2G2 (BiDi +

+ EiGi-8202-Ј262)}(7)

0

1 , U2 гдеж)п

(UT

й,Д1 Li -La, At t i -t 2,

At ti-t2;

At AT

C.

В формулах (5) и (6) присутствуют неизвестные параметры, Сэ, и длина граничных участков. Избавление от этих параметров в известном способе - прототипе достигнуто 5 благодаря тому, что для всех четырех граничных участков (BiDi, EiCi, 8202, E2F2 - см. фиг. 2)созданы одинаковые условия. Поэтому характер изменения температуры вдоль этих участков одинаковы. Одинаковы и их длины, т. е.

ВiD 1 8202 Е iGГ . Ј262(8а)

BiCi B2C2 FiGi F2G2(86)

CiDi C2D2 EiFi E2F2(8в)

С учетом этих равенств формулы (6) и (7) принимают вид;

а (9)

1,, U2 CiFi-C2F2- i ПТ - A L + ALi - A L2 - (CiFi - C2F2) x

хж|пит

С (ClFi - C2F2): {Д t -{AL + ALi- AU-(CiFi-C2F2)(10)

Отметим, что создание одинаковых условий для всех граничных участков возможно только в стационарном режиме, т. е., если после нагрева участков образца до определенной и постоянной температуры Т выдержать его в этом состоянии некоторое время и только после этого проводить измерения параметров сигнала. После такой выдержки во времени нагретые участки образца остаются неподвижными относительно термокамер (точнее, точки Ci, С2(см, фиг. 1) относительно соответствующих торцов термокамер) и поэтому все граничные участки окажутся в равных условиях. Благодаря этому достигается компенсация отрицательного влияния этих участков на результат измерения (исключаются из расчетных формул (6) и (7) неизвестные параметры) Другими словами, для эффективной компенсации необходимо создать условие неподвижности точек Сч и С2 относительно торцов термокамер (точки Ft и F2 - не рассматриваем, поскольку их положение относительно термокамер почти не меняется, т. е, они и так неподвижны.

Однако, при непрерывном нагреве происходит непрерывное удлинение образца. И поскольку длины нагреваемых участков L i и L 2 не равны, например, L i L 2, a следовательно, не равны и удлинения Д LI и A L2 этих участков, т. е. A Li Д L2.

Другими словами, не равны скорости перемещения (удаления) точек Ci и С2 от соответствующих торцов термокамер, что и приводит к нарушению равных температурных условий на граничных участках BiDi и В2О2,следоватепьно, к нарушению компенсации.

Если же, синхронно с изменением длины образца изменять длину первой и второй термокамер, соответственно, на ALi и AL2, то будет обеспечено условие неподвижности точек Ci и С2 относительно торцов термокамер с последующими вытекающими из этого последствиями, т. е. выполнения условий (8). Поэтому, уравнения (8) - (10) справедливы и для рассматриваемого нами

случая непрерывного нагрева образца.

Таким образом, формулы (9) и (10) позволяют определять акустические характеристики нитевидных обьектов как в случае постоянной длины термокамер, рассмотренном в прототипе, так и в предлагаемом нами случае - переменной длины термокамер. В первом случае CiFi L t и C2F2 L 2. А во втором случае, как это следует из фиг. 1 и фиг. 2, CiFi AL i + A Li, C2F2 L 2 + A L 2.

С учетом последних равенств, формулы (9) и (10) принимают вид:

а

1

AL + ALi - AL2 -(AL-AL-)-ln,

ПЛ&(11).

(12)

С1 (A U + ALi - AL2)/ Af - -(AL-AL-)},

где A L1 L i - L 2

В заключении, рассмотрим два частных случая, которые приводят к существенному упрощению формул (11) и (12):

1). Допустим, Li La, т. е. A L 0. При у, этом, естественно Ui U2. ti t2, т. е. In г

0 и At ti-t2 0.

2). Если Li-L2 L i-L 2. т. е. A L AL то A L - A L 0.

Для каждого из этих случаев формулы (11) и (12) запишутся в виде:

1

In

U2

AL +ALi-AL2 Ur40

C(AL + ALi-AL2)/A f.

Таким образом, за счет полной компенсации влияния краевых эффектов на границах участков изменения температуры и остальной части образца, путем изменения длины нагреваемых участков синхронно с деформацией образца, полученные значения скорости распространения и коэффици- ента затухания в большей степени соответствуют их истинным значениям, т. е. способ характеризуется повышенной точностью измерения.

Ф о рмула изобретен и я Способ определения акустических характеристик нитевидных объектов, заключающийся в том, что в двух точках образца возбуждают поочередно навстречу друг другу ультразвуковые колебания, принимают колебания, прошедшие участки образца в точке между точками возбуждения на расстоянии Li и La от них, соответственно изменяют температуру первого и второго участков образца, измеряют изменение длин A LI и Л 1г соответствующих участков и амплитуды Ui, Ua и U 1, U 2 принятых сигналов соответственно до и после нагревания, по которым рассчитывают коэффициент затухания ультразвуковых колебаний, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности и информативности контроля, дополнительно измеряют времена ti, tz и t i, t%2 распространения колебаний от точек излучения до точки приема соответственно, до и после изменения температуры, синхронно с изменением длины образца изменяют длину нагрева соответствующих

участков на величину, равную ALi и , а коэффициент затухания а и скорость С колебаний в образце рассчитывают по формулам

L

-AL2 nUi

10

.-(AL-AL )-tn,

C (AL + ALi-ДЦ)/| At - -(AL- AL )|Ј,

где A L Li - U; A L L i - L 2 - длины участков после изменения температуры; At ti-t2; At t i-t 2.

Изобретение относится к технике акустических измерений и может быть использовано для определения физико-механических свойств нитевидных объектов типа полимерных волокон, нитей и т. п. Цель изобретения - повышение точности и информативности контроля - достигается за счет того, что дополнительно измеряют времена ti, t2 и t i, t 2 распространения колебаний от точек излучения до точки приема соответственно до и после изменения температуры, синхронно с изменением длины образца изменяют длину нагрева соответствующих участков на величину, равную A LI и Л , a коэффициент затухания а и скорость С колебаний в образце рассчитывают по формулам. 2 ил. (Л

А1 BfCtfy

Ft/yfrMtbE - Фиг. /