К методике измерения продольной и поперечной скоростей ультразвука в листовых материалах Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534.6.08:534.222.1 © А.А. Коваленко, А.С. Грязнов

К МЕТОДИКЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОДОЛЬНОЙ И ПОПЕРЕЧНОЙ СКОРОСТЕЙ УЛЬТРАЗВУКА В ЛИСТОВЫХ МАТЕРИАЛАХ

Применение современных цифровых методов обработки сигналов позволяет с помощью иммерсионного метода прямого измерения времени распространения зондирующего импульса измерять скорости продольных и сдвиговых волн на одном образце в условиях одного эксперимента. При наличии анизотропии упругих свойств в плоскости листа она может быть выявлена путём измерения скорости сдвиговых волн с разной поляризацией.

Ключевые слова: скорость продольных волн, скорость сдвиговых волн, иммерсионный метод, анизотропия.

A.A. Kovalenko, A.S. Gryaznov

METHODOLOGY TO MEASURE THE SPEED OF ULTRASOUND LONGITUDINAL AND SHEAR WAVES IN PLATE MATERIALS

The modern digital methods of signals processing allow measuring the speed of sound of the longitudinal and shearing waves under the same experiment conditions. The immersion method of direct measure of time spreading of ultrasound outgoing pulse is used in this experiment. The method allows to measure speed of shear waves of different polarization. That is the construction materials with the anisotropic properties may be investigated.

Keywords: ultrasound speed, shear wave, longitudinal wave, immerses method, anisotropic properties, construction materials.

Ультразвуковые методы давно и по праву занимают ведущие позиции в арсенале экспериментаторов, занимающихся исследованиями упругих свойств вещества [1]. Наиболее информативным параметром, позволяющим оценить механические свойства материала, является скорость распространения акустических колебаний разного вида (продольных и поперечных). Как правило, для целей акустического контроля применяются раздельные датчики продольных и поперечных волн. Для получения надёжных результатов желательно, чтобы измерения продольной и поперечной скорости звука производились в одинаковых условиях на одном образце и при одинаковой частоте (для исключения эффектов, связанных с дисперсией). Заметим, что на поперечных волнах весьма серьёзной проблемой является обеспечение надёжного акустического контакта между датчиком и образцом.

Отмеченные проблемы легко разрешаются применением иммерсионного метода, который позволяет обеспечить идеальный и не меняющийся со временем акустический контакт с образцом, а также избавляет от необходимости учитывать задержку распространения сигнала в протекторах акустических датчиков и в элементах электронной схемы. Идея определения скорости продольных волн основана на сравнении результатов прямых измерений времени распространения зондирующего сигнала через иммерсионную жидкость при наличии и отсутствии образца [2].

Если волновое сопротивление иммерсионной жидкости существенно меньше, чем у образца, то в нём (в случае достаточно малого затухания) могут наблюдаться серии отражений зондирующего импульса. В этом случае скорость продольной волны в материале образца вычисляется [1] по величине временного интервала между отражениями, что повышает точность.

Измерение скорости поперечных волн основано на том, что при наклонном падении продольной волны на границу раздела жидкость-образец в последнем в общем случае возникают две преломленные волны: продольная и сдвиговая. Поворотом образца можно найти положение, при котором продольная волна испытывает полное отражение. При углах падения, превышающих это значение, в твердом теле распространяется только волна сдвига, которая при переходе через границу раздела образец-жидкость вновь трансформируется в продольную волну. Аналогичное явлении может (при определенных условиях) наблюдаться и для сдвиговых волн, а метод измерения скорости ультразвука по значениям критических углов отражения неоднократно описан [1, 2]. Однако авторам неизвестны иные попытки использования для расчета скорости сдвиговых волн непосредственного измерения времени распространения зондирующего импульса через образец, расположенный под углом к звуковому пучку, кроме собственных [3].

А.А. Коваленко, А.С. Грязное. К методике измерения продольной и поперечной скоростей ультразвука в листовых материалах

Таблица

Результаты измерения скорости звука в различных материалах

Материал Толщина Угол Скорость звука, м/с

образца, мм падения, град. продольная поперечная

Вода (при 17 °С) 70,70 0 1473,5±1,5 -

Сталь 8,91 0 *5933±10 -

Сталь 8,91 0 / 17,5 5931±80 3204±23

Стекло 6,08 0 **5816±17 -

Стекло 6,08 0 / 23,5 5813±113 3432±17

Дюралюминий 12,03 0 / 16,25 6193±70 3120±20

Дюралюминий 1,86 0 / 15 6146±440 3052±45

Стальной 7,51 0 / 19 *5918±12 ***3300±21

прокат 7,51 0 / 19 5928±98 ***3263±20

Оргстекло 10,28 0 / 31 2724±18 1365±3

Однонаправленный 0,95 0 / 10 2588±146 2061±45

органоволокнит 0,95 0 / 53,5 1066±10

*измерение скорости по моментам регистрации 1-го и 5-го отражения, **измерение скорости по моментам регистрации 1-го и 3-го отражения, ***измерения поперечной скорости выполнялись для двух взаимно перпендикулярных по отношению к направлению проката ориентаций образца.

Если d - толщина образца, с0 - скорость звука в жидкости, а - угол падения звуковой волны, а ^ и t соответственно время распространения сигнала через жидкость и систему жидкость-образец, можно показать, что скорость с звука в образце можно найти по формуле:

с 0 • d

■yjd 2 sin 2 а + (d cos а - с 0 • (10 - t ))2

Очевидно, что поперечная волна в образце, возникшая в результате трансформации продольной, имеет в этом случае определённую поляризацию. Этот факт может быть использован для выявления возможной анизотропии упругих свойств материала в плоскости листа, что наглядно демонстрирует результат измерения скорости поперечных волн в однонаправленном органоволокните (табл. 1), где в силу технологии изготовления анизотропия механических свойств априори должна быть резко выражена.

Измерения, выполненные для стального проката, не позволяют однозначно говорить о значимых различиях упругих модулей, соответствующих разным направлениям поляризации поперечных волн. Однако наличие анизотропии и в этом случае следует считать весьма вероятным, т.к. доверительные интервалы значений скорости сдвиговых волн с разной поляризацией в этом материале перекрываются незначительно.

Результаты эксперимента сведены в таблице и не противоречат известным из литературы значениям [2]. Полученные данные подтверждают возможность применения импульсного иммерсионного метода измерения скоростей продольных и сдвиговых волн на одном образце в условиях одного эксперимента. При наличии достаточно выраженной (свыше 2...3%) анизотропии в плоскости листа она может быть выявлена путём измерения скорости сдвиговых волн с разной поляризацией.

Литература

1. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твёрдого тела. - М.: Мир, 1972. - 308 с.

2. Бражников Н.И. Ультразвуковые методы. - М.: Энергия, 1965. - 248 с.

3. Коваленко А.А., Насонов А.Д., Жолнеров А.В. Расширение возможностей импульсного иммерсионного метода измерения скорости звука // Перспективные методы исследования физико-химических свойств веществ: межвуз. сб. науч. тр. - Курск: Изд-во Курского госуниверситета, 2001. - С. 33-37.

Коваленко Андрей Андреевич, кандидат технических наук, доцент, кафедра технологических дисциплин, Алтайская государственная педагогическая академия, 656906, Барнаул, ул. Чайковского 39, кв. 41, т. +79132729698, kovalen_56@mail.ru

Грязнов Александр Сергеевич, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра технологических дисциплин, Алтайская государственная педагогическая академия, 656922, Барнаул, ул. Весенняя 4, кв. 123, т. +79831037075, gryaznov-as@ya.ru

Kovalenko Andrei Andreevich, candidate of technical sciences, Associate Professor, Chair of Technological Disciplines, Altay State Academy of Pegagogy, 656906, Barnaul, Chaikovskogo St., 39, Apt. 41

Gryaznov Alexandr Sergeevich, candidate of physical-mathematical sciences, Associate Professor, Chair of Technological Disciplines, Altay State Academy of Pegagogy, 656922, Barnaul, Vesenniya St., 4, Apt. 123

УДК 528.85 © Б.Ч. Доржиев, О.Н. Очиров

ИССЛЕДОВАНИЕ ОТРАЖАЮЩИХ СВОЙСТВ ЛИСТВЕННОГО ЛЕСА

НА ЧАСТОТЕ 10 ГГц

Представлены результаты измерений, отражающих характеристики лесного полога, выполненных с использованием автономного измерительного комплекса на базе наносекундного радара. Расчет коэффициентов обратного рассеяния выполнен по оригинальной методике, учитывающей геометрию задачи и характеристики радара.

Ключевые слова: короткоимпульсная радиолокация, лесные среды, коэффициент обратного рассеяния, на-носекундный радар.

B.Ch. Dorzhiev, O.N. Ochirov

INVESTIGATION OF DECIDUOUS WOOD REFLECTING PROPERTIES AT

FREQUENCY OF 10 GHz

Results of measurements of the wood reflecting characteristics executed with the use of autonomous measuring complex on the basis of nanosecond radar are presented. Calculation of backscattering coefficients is executed by the original method considering geometry of area and the characteristics of radar.

Keywords: ultrashortpulse radiolocation, wood areas, backscattering coefficient, nanosecond radar.

В 2005-08 гг. в интересах Федерального агентства лесного хозяйства создана и введена в эксплуатацию система космического мониторинга лесов России с ежегодной съемкой высокого разрешения по всей территории интенсивного лесопользования. Для приема данных со спутников сформирована сеть наземных станций «УниСканТМ» работающих в Х-диапазоне (8-12,5 ГГц). В настоящее время ведется разработка и совершенствование программного обеспечения для приема, первичной обработки и архивации спутниковых данных, а также для дальнейшей углубленной тематической обработки изображений. Большую роль при решении последней задачи играют наземные подспутниковые измерения отражающих и рассеивающих характеристик исследуемой среды, обеспечивающие достоверность интерпретации полученных изображений. В работе представлены экспериментальные результаты отражающих свойств лесной среды на частоте 10 ГГц, полученные на основе оригинальной методики.

Определение коэффициента обратного рассеяния от лесного покрова

Эксперименты проведены на базе твердотельного наносекундного радара, представляющего собой радиолокационную систему в виде передвижного лабораторного макета для полевых исследований. Радар предназначен для генерации, излучения, приёма наносекундных СВЧ - импульсов трёхсантиметрового диапазона, а также их регистрации и анализа в целях исследований в области ближней приповерхностной радиолокации.

Одним из основных параметров уравнения дальности в радиолокации является коэффициент обратного рассеяния с0 цели. Существует достаточно много методов расчета с0 элементарных объектов для узкополосных гармонических зондирующих сигналов. В связи с развитием короткоимпульсной радиолокации актуальным становится вопрос об оценке с0 объекта такими сигналами. Новые возможности для определения с0 природных объектов (березовый лес, травяной покров) с помощью на-носекундного радара исследованы при проведении экспериментальных работ в условиях сильнопересеченной местности.

Измерения проведены в различные сезоны года летом (июнь), и осенью (ноябрь), когда состояния травяного и лиственного покрова резко отличаются. При проведении измерений радар был установлен на гребне горы на отметке по высоте 630 м над уровнем моря, исследуемые объекты (лес, открытая поляна с травяным покровом) расположены ниже в долине ручья на высоте 580 м над уровнем