CC BY
0ВЕСТНИК ТОГУ. 2013. № 4(31)
УДК 620.179.16
© А. И. Кондратьев, А. А. Кондратьев, В. И. Римлянд, К. А. Драчёв, 2013
ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ ВОЛН В ТОНКИХ ОБРАЗЦАХ
Кондратьев А. И. - д-р техн. наук, проф., e-mail: kondr@diVniiftri.ru (Дальневосточный филиал «ВНИИФТРИ»); Кондратьев А. А. - асп., мл. науч. сотр. (ДВГУПС); Римлянд В. И. - д-р техн, наук, проф., зав. кафедрой «Физика», тел. (4212) 73-40-09, email: riml@fizika.khstu.ru; Драчёв К. А. - инженер кафедры «Физика» (ТОГУ)
Приведены результаты измерения резонансным методом скорости распространения и коэффициента затухания продольных ультразвуковых волн в образцах толщиной менее 1 мм из различных материалов. Акустические параметры рассчитывались на основе измерения частоты серий акустических спектральных линий. Рассмотрено влияние структурных неоднород-ностей на результаты измерений.
Ключевые слова: скорость распространения, коэффициент затухания, резонансный метод.
При решении ряда прикладных и научных задач возникает необходимость определения акустических параметров в объектах имеющих малую толщину [1, 2]. В этом случае применение эхо-импульсных методов [2, 3] нецелесообразно, т.к. для тонких образцов они не обеспечивают требуемую точность измерения, а иногда их просто невозможно реализовать.
Для проведения измерений нами был выбран резонансный метод с применением в качестве излучателя и приемника ультразвуковых (УЗ) колебаний емкостных преобразователей (ЕП) [1, 4]. Параметры выбранных образцов приведены в табл. 1.
Схема проведения измерений приведена на рис. 1. Измерения производятся следующим образом. Сигнал с выхода анализатора спектра 4 подается на вход излучающего емкостного преобразователя 1. Сигнал с выхода приемного емкостного преобразователя 2 подается на вход анализатора спектра. Полоса обзора анализатора устанавливается такой, что бы на экране наблюдалась серия акустических спектральных линий (АСЛ). С помощью меток анализатора определяется примерное положение выбранной АСЛ и соседней с ней АСЛ.
ВЕСТНИК ТОГУ. 2013 № 4 (31)
Таблица 1
№ образца Материал образца Толщина образца й, мм
О* Сплав Д16Т 1,9982
О1 Сплав Д16Т 0,9413
О2 Сплав Д16Т 0,2661
О3 Сплав меди М4 0,4529
О4 Латунь Л63 0,1972
О5 Сталь Ст20 0,9918
О6 Сталь Ст20 0,4763
О7 Керамика ЦТС 0,6627
О8 Стекло марки БФ1 0,9991
*Образец О выбран из-за его более однородных свойств, вследствие усреднения по толщине.
Производится сужение полосы обзора до такого уровня, что бы выбранная АСЛ «четко» наблюдалась на экране Производится точное измерение частоты максимума выбранной АСЛ/п и соседнее с ней АСЛ(п - номер АСЛ). Производится измерение ширины выбранной АСЛ ДГ по уровню 0,7071. Измерения для каждой из выбранных частот проводятся не менее 7 раз. Для записи спектральных линий, использовались возможности цифрового осциллограф ЬеСгои WaveSurfer 422, позволяющего сохранять регистрируемый сигнал в виде файла с последующей передаче его на компьютер.
Рис. 1. Схема проведения измерений. 1 - излучающий емкостный преобразователь; 2 - приемный емкостный преобразователь; 3 - образец; 4 - анализатор спектра СК4-59
По средним значениям /п, /п+\ и ДГ производится вычисление скорости распространения С и коэффициента затухания а УЗ волн с использованием выражений [1]:
( ~Т \
С = ^, п = 7
/п
/п+\ /Т
п
7(х) - функция поиска ближайшего целого числа в числу х. При дг < 0,1 д/ (Д/=-/п) _
20 пДГ
1п10 С
, (дБ/м )
(1)
(2)
п
а =
И КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ ШСШИК ТСге ЖЗ. № 4(31)
ВОЛН В ТОНКИХ ОБРАЗЦАХ
При измерении в случае № > 0,1 А/, а определяется по формуле [1]:
, дБ/м
20. "71ё
Р 8т Ау р 8т Ау
+1
(3)
где Ау = пАГй/С; р - уровень, по которому проводится измерений ширины АСЛ; с! - толщина образца._
0.4
июо
11150 11200
/.кГц
11250 11300
... а; " 5 0,2 ■ 40.1 V- -
Г
* / \
114(10
11500 11600 / кГц
11700 11800
б
0.5 п 1! 0.4
1 0,3 - 0.2
Ъ0,1
ь О
2'Э
-4- 4 ■ч
—1— "Г
900 24000 24100 24200 24300
_/.кГц_
в
60
50 --
< 20
0
1 -
11 11 1
/ 1 / 1 у д
/ 1 Г 1 1 Г \ -
1 I Ку V
1 1 1
22200
22400
22600 / кГц
22800
а
г
д
Рис. 2. Форма акустических спектральных линий. а - образец О; б - О8; в - О2; г - О4; д - расчетная АСЛ, с учетом выражения (5) -
На рис. 2 показаны характерные формы АСЛ для образцов О, О2, О4, О8, Я1 (и(/) - сигнал на экране анализатора спектра) в «узком» диапазоне частот. Вся осциллограмма и(/) в диапазоне частот 0 100 МГц представляет собой набор подобных серий АСЛ.
Из рисунка видно, что для металлических образцов толщиной менее 1 мм (О2, О4), характерно существенное влияние структуры материала на форму АСЛ. Для образца из стекла (О8) (толщина около 1 мм) и образца О (толщина около 2 мм) форма АСЛ близка к «классической».
ВЕСТНИК ТОГУ. 2013 № 4 (31)
Для «идеального» образца «классическая» форма АСЛ описывается выражением [1]:
U (f) U0 y , (4)
•^/1 + y4 - 2y2 cos 2у
где u0 - постоянная, определяемая приемным трактом установки; y=e"ad; у = 2nfd/ C.
Для «толстых» образцов можно проводить измерения резонансным методом и на межпиковых частотах [5]. При наличии структурных особенностей материала образца (включая не непостоянство толщины), полагая, что каждая составляющая неоднородности формирует индивидуальную АСЛ, форму сигнала на выходе приемного преобразователя в первом приближении можно представить в виде:
A,y exp(- jy i)
U (f ) = ABS
(5)
_ - У 2 ехр(- 2г )_ где т - количество структурных составляющих; А7 - постоянные определяемые процентным содержанием 7-ой структурной составляющей; у7 = 2п/ё7 / С7; ё7 и С7 - толщина и скорость распространения упругих волн в 7-ой составляющей.
На рис. 2д (Я1) приведены результаты теоретического расчета формы сигнала в соответствии с выражения (5) для 3-х структурных неоднородно-стей для образца «типа» О4 (латунь). Параметры неоднородностей: Ах = 0.526; С: = 4419 м/с, ё = 0.1972 мм; А2 = 0.316; С2 = 4437 м/с, й2 = 0.1972 мм; А3=0.158; С3 = 4449 м/с, ё3 = 0.1972 мм. На рисунке видно, что каждая структурная составляющая формирует свою спектральную линию. Формы сигнала, представленные на рис. 2г и д, достаточно близки, соответственно можно сделать вывод о том, что у образца О4 присутствуют три основные структурные неоднородности. Таким образом, для образцов со структурной неоднородностью АСЛ представляет собой суперпозицию спектральных линий формируемых каждой структурной составляющей.
В силу специфики образцов, измерения параметров С и а проводились по первым «четко» наблюдаемым АСЛ в серии, принадлежащей узкому участку спектру вблизи выбранной частоты. На рис. 2 они выделены пунктиром. На рис. 3, 4, 5 приведены частотные зависимости акустических параметров выбранных образцов (погрешность измерения определялась по среднеквадратичному отклонению результата измерения).
Основываясь на степени монотонности частотных зависимостей и погрешности измерения параметров С и а, среди выбранных образцов наибольшей структурной неоднородностью обладают сплавы алюминия, особенно тонкие образцы О1 и О2 (ё « 0.266 мм и ё « 0.941 мм). Так же структурная неоднородность значительна для сплава меди М4 - О3 и латуни Л63 -О4 (рис. 3 в, г и д). Для образцов из Ст20 и керамики ЦТС неоднородность наблюдается в меньшей степени.
И КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ ШУТНИК ТОГУ. 2013. № 4(31)
ВОЛН В ТОНКИХ ОБРАЗЦАХ
На рис. 3а и б заметно, что структурные неоднородности для образцов из сплава Д16Т О и О1 (с1 ~ 2 и 1 мм) проявляются в меньшей степени чем для образца О2.. Наибольший разброс по скорости проявляется для образца О1
а
/кГц
б
в
/. КГ,,
г
д
Рис. 3. Акустические характеристики образцов; а, б - Д16Т (О,О1,О2); в, г, д - М4, Л63 (О3,О4)
ВЕСТНИК ТОГУ. 2013 № 4 (31)
Для образцов из стали Ст20 (О5, О6) по коэффициенту затухания значительных отклонения по форме частотной зависимости нет. Максимальное отклонение по скорости составляет 20 м/с, причем виды дисперсионных зависимостей для обоих образцов схожи. Значительных отклонений по параметрам С и а, в частотной области ниже 30 МГц, также нет. Максимальное значение а ~2000 дБ/м реализуется на частоте 62 МГц для образца О5.
Значения скоростей для образцов О3, О4 отличаются примерно на 320 м/с, хотя виды дисперсионных зависимостей близки (рис. 3г и д). Максимальное отклонение по скорости, для образца О3 - 20 м/с, О4 - 27 м/с. Дисперсионные характеристики по параметру а отличаются незначительно (хотя для образца О3 рост более быстрый). Максимальное значение а ~ 6350 дБ/м, на частоте 68 МГц (О3).
а
б
в
г
Рис. 4. Акустические характеристики образцов; а, б - Ст20 (О5,О6); в, г - керамика ЦТС (О7)
И КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ ШСШИК ТСГУ. 2013. № 4(31)
ВОЛН В ТОНКИХ ОБРАЗЦАХ
а
/■ кГ'1
б
Рис. 5. Акустические характеристики образца из стекла (О8)
На рис. 4в, г и рис. 5 приведены частотные зависимости параметров С и а для образцов из керамики ЦТС (О7) и стекла БФ1 (О8). ЦТС керамика используется в традиционных преьзопреобразователях для неразрушающего контроля. Недостатком является то, что на высоких частотах керамика обладает большим коэффициентом затухания, стекло наоборот имеет малое значение а. Причем различные марки стекол обладают различными скоростями в диапазоне от 3000 м/с до 6500 м/с. Для проведения эксперимента на стеклом было напылено алюминиевое покрытие толщиной ~ 0.05 мкм, качество поверхности - шероховатость не более 0.01 мкм.
Экспериментальные данные, представленные на рис. 4г показывают, что для образца О7 характерна значительная дисперсия скорости достигающая ~ 40 м/с. Вероятно это связано с качеством обработки поверхности образца. Измерения показали, что неровности поверхности составляют величину порядка (6^8) мкм. При этом возможен разброс по измеренному значению скорости на величину АС=САа/У=3300-7/662.37«37 м/с.
Частотная зависимость коэффициента затухания для керамики (рис.4в) носит монотонный характер. При необходимости определения коэффициента затухания на частотах не совпадающими с положением АСЛ удобно использовать аппроксимирующую функцию. Для образца О7 она имеет следующий вид (при доверительной вероятности 0.988, частота / в кГц):
а( /) = 0.0139/ + 6.88 х 10 -6 / 2 (6)
Максимальное значение коэффициента затухания для керамики составляет примерно 10000 дБ/м, на частоте 37 МГц.
Для образца О8 (стекло) результаты классические: диспепсия скорости менее 1 м/с; коэффициент затухания растет по линейно-квадратичному закону. Частотная зависимость имеет вид (при доверительной вероятности 0.9941, частота в кГц):
ВЕСТНИК ТОГУ. 2013 № 4 (31)
а(/) = 1.333 х 10-3/ + 7.532 х 10-9/2 (7)
Максимальное значение параметра а - 230 дБ/м на частоте 102 МГц.
Полученные результаты показывают, что акустические методы позволяют определять качество тонкостенных изделия, в случае, когда применение оптических или радиационных методов - традиционных для подобных объектов, невозможно. Предложенная методика позволяет расширить полосу частот, что повышает возможности применения акустических методов. При этом расширяется верхний диапазон измеряемых значений а до 10000 дБ/м и более.
Библиографические ссылки
1. Кондратьев А.И. Прецизионные методы и средства измерения акустических величин твердых сред. В двух частях. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2006.
2. Ультразвуковой контроль. Справочник. Т. 3. Под редакцией. Клюева В.В. - М.: Машиностроение. 2004.
3. Римлянд В.И., Иванов В.А., Казарбин А.В Контроль механических параметров материалов на основе эпоксидных смол акустическими методами. // Дефектоскопия. -1994.- № 9.
4. Кондратьев А.И. Прецизионные измерения скорости и затухания ультразвука в твердых телах // Акустический журнал. - 1990.- Т. 36. - № 3.
Title: Measurement of Propagation Velocity and Attenuation Coefficient of Longitudinal Waves in a Thin Sample
Authors' affiliation:
Kondratiev A. I. - Federal Agency on Technical Regulating and Metrology, Khabarovsk, Russian Federation
Kondratiev A. A. - Far Eastern State Transport University, Khabarovsk, Russian Federation
Rimlyand V. I. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation Drachev K. A. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation
Abstract: The measurement results with the resonance method of propagation velocity and attenuation coefficient of ultrasonic longitudinal waves in samples from different materials with a thickness of less than 1 mm are given. Acoustic parameters were calculated by measuring the frequency of the acoustic series of spectral lines. The influence of structural inhomogeneities on the measurement results is considered.
Keywords: propagation velocity, attenuation coefficient, resonance method.
