Ультразвуковой способ измеренияМОдуля юНгА Советский патент 1981 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к способам определения характеристик упругости тве дых тел по цвум скоростям ультразвуковых волн различных типов и может быть использован в лабораториях, в которых измеряют модули упругости первого и вт рого рода в образцах металлов, строител ных материалов или горных пород, а также при исследовании изменений модуля Юнга под действием внешних факторов, например, температуры, давления. Известен способ измерения модуля уп ругости первого рода (модуль Юнга) по скорости распространения продольных ультразвуковых колебаний Ij. Недостаток способа заключается в том что измеренный модуль Юнга имеет значения больше истинного, поскольку не учитывается поперечная деформация образца, возникающая при распространении продольных колебаний. Известен способ определения модуля Юнга по скорости продольных ультразвуковых колебаний в цилиндрическом образ- це, который позволяет получить точную величину модуля Юнга, если для данного материала известно точное значение коэф фициента Пуассона 2. Однако коэффициент Пуассона берут из справочных данных для исследуемого материала, что может привести к большим ошибкам, поскольку незначительные иаме нения коэффициента Пуассона приводят к значительным изменениям поправ.онногч) коэффициента в расчетной формуле. Известен способ определения коэффициента Пуассона, согласно которому измеряют скорости распространения двух типов волн: сдвиговой и поверхностной. Для определения точного значения какойлибо из характеристик упругости необходимо произвести измерение двух неэавнсимых скоростей распространения колебаний СЗ. Недостаток способа - малая точность определения скорости поверхностных волн. Наиболее близким по технической сущости к предлагаемому является ультра- 38 звуковой способ измерения м&яулж Юнга, заключающийся- в том, что в цш15 н«рачес кий образец излучают первичный ммяульс продольных колебаний, измеряют его время прохождения вдоль образца, наь«еряют скорость распространения продольных н савиговых волн в образце, и рассчитывают по измеряемым скоростям модуль Юнга 4. Недостатком известного способа явля- ется малая точность измерения, что обус ловлено невозможность использования эхо-импульсного измерения времени эа держки ультразвуковых импульсов из-за отсутствия отражения от ареобразовате лей, а также тем, что расстояние между излучателем н приемником является неопрецеленной величиной и поэтому не может быть измерено достаточно точно. Кроме того, использование специфических датчиков, «озволяюа1Их проводить измерения оциовременно на процольнцх и сдвиго вык колебаниях, требует большик уровней энергии возбуждения, что вецет к нелиней ным эффектам и сказывается на времени распространения УЗ импульса. Целью изобретения является повышение точности измерения модуля Юнга путем использования трансформации процоль нык колебаний в сцвиговые при угле паце ния, практически равном прямому. Поставленная цель достигается тем, что в способе измерении модуля Онга, по которому в цилиндрический образец излучают первичный импульс процольнь5к; колебаний, Ичзмеряют время его прокожде ния вдолгз образца, и рассчитывают модул Юнга, первичный импульс продольных кол баний возбуждают с длиной волны в IDIS раз меньше диаметра образца, измер ют время задержки импульса прошедшего через образец и трансформированного на его боковой поверхности в сдвиговый и оёрагно в продольный относигельно первичного импульса, а модуль Юнга рассчи тывают по формуле: H.. tU Uial J Е модуль Юнга; р - плотность образца; 6 - длина образца; Р « диаметр образца; - время прохождения первич ного импульса продольных колебаний вдоль образца; 4 t 2 время задержки трансформированного импульса относительно первичного им- пуп ьса продольных кол ебаний. На фиг. 1 приведена схема установки для измерения предлагаемым способом, а также картина распространения импульсов УЗ колебаний в образце в лучевом представлекии, на фиг. 2 - осциллограммы импульсов, прошедших: через образец. Устройство содержит генератор 1 зондирующих импульсов, излучающий преобразователь 2 продольных колебаний, исследуемый образец 3 в виде цилиндра, диаметр которого в 1О-15 раз больше дЛины вопны, приемный преобразователь 4 продольных колебаний, осциллограф 5 для наблюдения импульсов и измерения времени распространения, синхронизатор 6, А - импульс продольных ультразвуковых колебаний, излученный преобразователем 2; импульс продольных ультразвуковых колебаний после отражения от боковой стенки в точке М (первичный); . 4. - импульс сдвиговых ультразвуковых копебаний, образовавшийся при трансформации части энергии импульса продольных Колебаний А в момент отражения в точке М; В импульс продольных коле- баний (вторичный), образовавшийся в результате трансформации импульса сдвиговых колебаний t в момент отражения в точке N . На фиг. 2 условно обозначены: ЗИ - момент генера 1ии зондируюшего импульса; А - первичный ультразвуковой импульс продольных ко; ебаний прямого прохождения; t - время его распространения от излучения к приемнику; В ;5 - вторичный ультразвуковой импульс, образовавшийся из импульса А : вслед за В следуют импульсы, образовавшиеся в результате многократного отражения и трансформации Набоковых стенках; i.время задержки вторичного ультразвукового импульса относительно первичного; А2- эхо импульс продольных ультразвуковых колебаний, претерпевший отражения от преобразователей 4 и 2; вторич ный ультразвуковой импульс, образовавшийся из импульса А , Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. С помощью преобразователя 2 продольных колебаний в образец 3 через торец излучают импульс продольных ультразву- ковык колебаний (фиг. 1, импульс А). Его распространение сопровождается некоторым расхождением ультразвуковых колебанпй и их наклонньпл падением на

боковую поверхность цилинцрического образца (с углом падения практически равным прямому). При этом ультразвуковой импульс продольных колебаний частично отражается (импульс А), и часично трансформируется в ультразвуковой импульс сдвиговых колебаний (импульс). При наклонном падении сдвигового импульса на боковую поверхность цилиндрического образца (точка N ) происходит его частичное отражение в виде импульса сдвиговых колебаний и частичная трансформация в импульс продольных колебаний В: (вторичный). За счет увеличения пути распространения и распространения ультразвуковых колебаний на части образца с меньшей скоростью происходит задержка вторичного импульса относительно импульса А, называемого первичным.

Первый пришедший к приемному преобразователю 4 ультразвуковой импульс - первичный преобразуется преобразователем в электрический сигнал. Этот импульс наблюдают на экране осциллографа 5, измеряют время от момента-излучения зондирующего импульса ЗИ (фиг. 2) цо момента прихода первичного УЗ импульса, равное времени прохождения импульса продольных колебаний вдоль образца.

Вслед за первичным вторичный ультразвуковой импульс достигает приемного преобразователя 4 и преобразуется им в электрический сигнал. На экране осциллографа наблюдают вторичный импульс, измеряют задержку вторичного УЗ импульса относительно первичного.

Вычисляют модель Юнга по- формуле:

{

где- Е - модуль Юнга;

р - плотность материала образца; 6 - длина образца; - О - диаметр образца;

t - время распространения первичного УЗ импульса; время задержки вторичного УЗ импульса относительно первичного УЗ импульса. Использование предлагаемого способа позволяет во-первых, повысить точность измерения времени распространения ультразвукового импульса продольных колебаний по сравнению с известными способами, основанными на трансформации продоль- , ных колебаний в сцвиговые, за счет наличия

плоско-параллельных торцов, а также возбуждения и приема колебаний через плоскость, перпендикулярную направленто распространения колебаний. Это позволяет использовать эхо-импульсный, способ, а также с большой точностью изр-серять расстояние, проходимое УЗ импульсом. Во-Фто- рых, способ обладает эксплуатационными удобствами: образец простой формы,

г. е. без косых срезов под определенным углом, не требуется жидкостной ванны или преобразователей сдвиговых колебаний, (работать с преобразователями продольных колебаний намного проще, чем с преобразователями сдвиговых колебаний). В третьих, способ позволяет проводить испытания в широком интервале темпе- х ратур давлений и внешних полей, сохраняя большую точность измерения модуля Юнга.

Формула изобретения

Ультразвуковой способ измерения мо-дуля Юнга, заключающийся в т.ом, что в цилиндрический образец излучают первич ный импульс продольных колебаний, измеряют время его прохождення вдоль об

разца и рассчитывают модуль Юнга, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, первичный импульс продольных колебаний возбуждают с длиной волны в 10-15 раз

меньше диаметра образца, измеряют время задержки импульса прошедшего через образец и трансформированного на его боковой поверхности в сдвиговый и обрато в продольный относительно первично-

го импульса продольных колебаний, а мо-г уль Юнга рассчитывают по формуле;

-.{ YlMetJ J ( VotJ

де р - плотность образца; S - длина образца; D - диаметр образца; Ь - время прохождения через

образец первичного импульса продольных колебаний; tg - время задержки трансформированного импульса относительно первичного импульса продольных колебаний;Е - модуль Юнга.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1,Авторское свидетельство СССР 80278, кл. Q 01 К 29/00, 194.9.

2.Авторское свидетельство СССР М 12233О, кл. q 01 N 29/ОО, 1959.

3.Авторское свидетельство СССР

N 282721, кл. q 01 N 29/ОО, 1970.

4.Авторское свидетельство СССР № 390433, кл. q 01 N29/00, 1972

(прототип).

А б,

ЗИ

3Фиг.2

Фиг.1

1