CC BY
26
УДК 620.179.16
. . , . .
О СЕРИИ МНОГОКРАТНЫХ ОТРАЖЕНИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИМПУЛЬСА В ПЛОСКОПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ОБРАЗЦАХ С ГАРМОНИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЮЩИМИСЯ МЕХАНИЧЕСКИМИ НАПРЯЖЕНИЯМИ
Серии многократных отражений ультразвукового импульса в тоскопараллельных образцах с гармонически изменяющимися механическими напряжениями представляют интерес при идентификации и акустической диагностике напряженного состояния монокристаллов с особыми физическими свойствами, в частности, галлий-гадолиниевого граната. Серии отражений при наличии гармонически изменяющихся механических напряжений и их отсутствии существенно различаются. При наличии гармонически изменяющихся механических напряжений серии отражений могут состоять из нескольких групп эхо-импульсов, отстоящих друг от друга.
Многократные отражения; эхо-импульсы; идентификация напряженного состоя; ; .
M.I. Slasten, V.I. Timoshenko
ABOUT A STRING OF MULTIPLE REVERBERATIONS OF ULTRASONIC
PULSE IN PLANE-PARALLEL SAMPLES WITH HARMONICALLY VARYING MECHANICAL STRESSES
Strings of multiple reverberations of ultrasonic pulse in plane-parallel samples with harmonically varying mechanical stresses are matter of interest when identifying and acoustically diagnosing stressed conditions of monocrystals with peculiar physical features, especially of gallium gadolinium garnet. There is a considerable distinction between strings of reverberation with and without harmonically varying mechanical stresses. String of reverberations with harmonically varying mechanical stresses may contain several groups of echo-pulses, separated from each other.
Multiple reverberations; echo-pulses; identification of stressed condition; acoustic diagnosis; residual mechanical stresses.
Исследуем влияние на форму огибающей серии ультразвуковых (УЗ) эхо-импульсов одноосных сжимающих гармонически изменяющихся механических напряжений (МН) в плоскопараллельном образце монокристалла (МК) галлий-( ), .
На рис. 1 изображены образец МК ГГГ 1 с остаточными гармонически изме-а - 2.
, OY OZ AB, -
ты AD образца МК ГГГ 1. Остаточные МН а действуют в плоскости ABCDA параллельно оси ОХ, являются сжимающими и равномерно распределены по толщине L образца МК ГГГ 1. Величина остаточных МН а изменяется в направлении OY . - 2 2 -
AB D 1. - , -
2,
Z. 1 , -
D D D, 2 m. -
жду соседними наибольшими значениями МН обозначим через Аа.
Рис. 1. Плоскопараллельный образец МК ГГГ1 с гармонически изменяющимися остаточными МН а и УЗ-преобразователь поперечных волн 2
На рис. 2 показаны серии многократных отражений импульса УЗ-колеба-ний при его распространении в плоскопараллельном МК ГГГ с гармонически изменяющимися остаточными МН для различных координат входа УЗ-пучка ут .
На участках с наибольшими и наименьшими остаточными МН и градиентом изменения скорости распространения поперечной УЗ-волны, равным нулю, ам-- -циальному закону (рис. 2,а).
На участках с линейно изменяющимися остаточными МН и градиентом изменения скорости распространения поперечной УЗ-волны, не равным нулю, серии многократных отражений могут состоять из двух и более дополнительных групп - ( . 2, - ). - -гократных отражений появляются в результате искажения прямолинейной траектории распространения УЗ-пучка в образце с гармонически изменяющимися оста. -прямолинейного распространения поперечное сечение УЗ-пучка смещается в сторону уменьшения скорости УЗ-волны и может не попадать на УЗ-преобразователь [1]. В этом случае эхо-импульсы в серии многократных отражений могут отсутствовать. Отличие серии многократных отражений от серии с экспоненциально убывающими эхо-импульсами зависит от амплитуды Да а и периода Ла гарм ониче-ски изменяющихся МН, ширины УЗ-преобразователя 2а и расстояния от центра УЗ-преобразователя до прямой, параллель ной оси 02 и проходяще й через минимум остаточных МН Дут [2]. Увеличение Да^ и уменьшение Ла приводят к уменьшению радиуса кривизны траектории Я, появлению дополнительных групп эхо-импульсов, уменьшению расстояния Ллт, которое проходит УЗ-пучок от
- , т,
полного совмещения его поперечного сечения с УЗ-преобр^ователем, уменьшению числа эхо-импульсов N в группах и увеличению отклонения огибающей каждой группы эхо-импульсов от экспоненты - огибающая может оказаться даже прямой линией [3].
1
0,75
ч ■V
ШШг ТПГ ТГГГ
0 10 20 30 40
луч 1 (т = 1, у\ = а, Ду1 = 10а); луч 6 (т = 6, уб = 11а, Ау$ = 0)
а
д / д _
0,75
ч >
ч ■ч
1 ."и т.-
10
20
30
1
0,75
0,25
луч 2 (т = 2 , У2 = 3а, Ду2 = 8а )
б
А /Ао
ч \
ч ч
■—. '—
1 Тп: —
10
20
30
луч 3 (т = 3, Уз = 5а, Дуз = 6а ) в
1
0,75
А /Ап
ч ч
ч ч
•***. '—
1 .|| |||. — — — _~:г 1 ПТ.‘ _
10
20
30
1
0,75
0,25
луч 4 (т = 4, у4 = 7а, Ду4 = 4а)
г
А/Ао
ч N
ч
’—.
1 ||. .■1 ТПГ -~г Пт.-
О
10
40
20 30
луч 5 (т =5 , у5 = 9а, Ду5 = 2а)
Д
Рис. 2. Серии многократных отражений импульса УЗ-колебаний
Для различных координат входа УЗ-пучка ут (т = 1 6) и уо
■11а.
Модуль разности координат входа УЗ-пучка ут и минимума остаточных МН усттіп определяет амплитуду смещения поперечного сечения УЗ-пучка Дут относительно минимума остаточных МН при его распространении
Ду = |Уо тіп у т| '
Расстояние от плоскости УЗ-преобразователя до точки пересечения УЗ-пучком прямой, параллель ной оси 02 и проходящей через минимум остаточных МН 1т , определяется по формуле
lm
Ay„
2vs0 .
-Ay,
m
У
(l)
grad и
где - скорость распространения поперечной УЗ-волны в ненапряженном монокристалле; "и^ - скорость распространения поперечной УЗ-волны в монокристалле с остаточными МН.
Из формулы (1) следует, что lm тем больше, чем больше амплитуда смещения Аут.
Расстояние между эхо-импульсами с максимальными амплитудами в соседних группах серии многократных отражений определяется как Алт = 4lm .
Расстояние Алт может быть определено экспериментально по времени, измеренному от начала зондирующего импульса до эхо-импульса с максимальной амплитудой во второй группе эхо-импульсов серии многократных отражений на экране осциллографа, и скорости распространения поперечной УЗ-волны и в монокристалле с остаточными МН.
Сравнивая между собой серии многократных отражений, изображенные на рис. 2,6 и 2,д, видно, что расстояние между группами эхо-импульсов в сериях тем больше, чем больше амплитуда смещения Дут , т.е. чем дальше от omin находит- . -ски изменяющихся МН.
На рис. 3 представлены фотограммы серий многократных отражений
-
для различных значений Да А.
Фотограммы получены при использовании специально подобранных плоскопараллельных образцов МК ГГГ с гармонически изменяющимися остаточными МН. Амплитуда гармонически изменяющихся остаточных МН в образце № 1
ДаА1 = 0,2 -10б Па (рис. 3,а), в образце № 2 ДаА2 = 0,5 -10б Па (рис. 3,6) и в образце № 3 ДаА3 = 0,9 -10б Па (рис. 3,в). Период гармонически изменяющихся остаточных МН в образцах № 1-№ 3 приблизительно одинаков Ла1 = Ла2 = Ла3. УЗ-преобразователь располагался на соседнем участке с участком, в центре которого величина МН минимальна, при этом Ду = 2а .
Из фотограмм следует, что с увеличением амплитуды гармонически изменяющихся остаточных МН отклонения амплитуд эхо-импульсов в сериях многократных отражений от экспоненциального закона возрастают.
Чтобы отличить участок с минимальными остаточными МН от участка с максимальными остаточными МН, необходимо сравнить между собой расстояния между эхо-импульсами с максимальными амплитудами Лл в ближайших группах серий многократных отражений на соседних с ними участках - Лл минимально вблизи участка с минимальными остаточными МН.
образец № 1 Д <гА1 = 0,2 • 106 Па а
образец № 2 ДаА2 = 0,5 -106 Па б
образец № 3 ДаА3 = 0,9-106 Па
в
Рис. 3. Фотограммы серий многократных отражений УЗ-ичпульса в тоскопараллельных образцах с гармонически изменяющимися МН для различных
значений Да а
Наличие групп эхо-импульсов в серии многократных отражений импульса УЗ-колебаний и характерное отклонение огибающей серии эхо-импульсов от экспоненциального закона являются закономерными и могут использоваться в аку-
стической тензометрии при идентификации и диагностике напряженного состояния, в частности, при определении местоположения границ участков с допустимыми остаточными МН в МК [4].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сластен М.К Об огибающей серии эхо-импульсов в монокристаллах с неоднородными механическими напряжениями при акустической диагностике напряженного состояния // Акустические измерения и стандартизация. Электроакустика. Ультразвук и ультразвуковые технологии. Атмосферная акустика. Акустика океана // Сборник трудов XIX сессии Российского акустического общества. - В 3-х т. - М.: ГЕОС, 2007. - Т. 2. - С. 95-100.
2. . .
// -
зация. Ультразвук и ультразвуковые технологии. Атмосферная акустика. Акустика / XXII
Научного совета РАН по акустике. - В 3-х т. - Т. 2. - М.: ГЕОС, 2010. - С. 98-102.
3. . . -
кристаллах галлий-гадолиниевого граната. - Таганрог: ТРТУ, 2004. - 127 с.
4. . . -
// .
Технические науки. - 2011. - № 1 (114). - С. 3б-43.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. В.А. Воронин.
Сластен Михаил Иванович
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: slasten@mvs.tsure.ru.
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
.: 88б34371бб3.
; . . .; .
Тимошенко Владимир Иванович
E-mail: ega@tti.sfedu.ru.
, 347928, . , . , 2.
.: 88б34371795.
; . . .; .
Slasten Michail Ivanovitch
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomous Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: slasten@mvs.tsure.ru.
44, Nekrasovsky, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78б34371бб3.
The Department of Physics; Cand. of Eng. Sc.; Associate Professor.
Timoshenko Vladimir Ivanovitch
E-mail: ega@tti.sfedu.ru.
Russia, 347928, Taganrog, Shevchenko Street, 2.
Phone: +78б34371795.
The Department of Electrohydroakoustics and Medical Engineering; Dr. of Eng. Sc.; Professor.
