CC BY
0ш А 5ЕЕЕЕ* 22-24 0КтабРЯ 2024 г-
Особенности измерения групповой скорости
продольных ультразвуковых волн в тонких стальных конструкциях
Макалкин Д.И.1'2
1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва
2- МИРЭА - Российский технологический университет, Москва
Е-mail: dmitrvmakalkin@yandex.ru
DOI: 10.24412/cl-35673-2024-1-221-223
Ультразвуковая тензометрия является одним из основных и удобных методов определения действующих и остаточных механических напряжений неразрушающим образом с помощью акустоупругого эффекта, для которого требуется высокая точность измерения скорости звука [1]. Современным государственным первичным эталоном измерения скорости ультразвука (УЗ) в твёрдых средах является ГЭТ 189-2014 [2], в котором УЗ возбуждается лазером термооптически [3] при освещении поверхности образца, а приём УЗ осуществляется с помощью лазерного интерферометра с противоположной стороны образца. Недостатками эталона являются теневой режим приёма УЗ, риск абляции поверхности, температурные искажения скорости звука, а также ограниченность методики для образцов тоньше 2 мм. В данной работе сообщается об альтернативном методе измерения групповой скорости продольных УЗ волн с высокой точностью, лишённом перечисленных недостатков эталона.
Предлагаемый метод так же использует термооптическое возбуждение УЗ коротким лазерным импульсом (10 нс), однако возбуждение УЗ-импульса происходит в особом оптико-акустическом преобразователе, излучающем УЗ в образец, а прием происходит с помощью широкополосного пьезопреобразователя в эхо-режиме.
Был проведен эксперимент по измерению групповой скорости продольных УЗ-волн в тонких стальных плоскопараллельных образцах толщиной 1,0 и 1,9 мм. Чтобы исключить наложение НЧ-гармоник соседних отражений, а также ВЧ-шумы, обусловленные ограниченностью полосы приёма пьезопреобразователя и электрическими наводками, к сигналу был применён полосовой цифровой фильтр 5-24 МГц. На рис. 1 показан вид отфильтрованного
¡¡ЖКГЖК РАДИОФИЗИКА И АКУСТИКА
1Е НЕДЕЛИ*
сигнала для образца толщиной 1 мм. Групповая скорость продольных УЗ-волн измерялась времяпролетным методом по разным комбинациям отражений, в результате чего было получено распределение частоты выпадания определенного значения скорости (гистограмма на рис. 2), по которому вычисляется среднее значение скорости. Примечательным является «нормальный» вид распределения, что свидетельствует о частично случайном характере измеренной величины и обосновывает данный принцип расчета среднего значения. Дисперсия групповой скорости для образца толщиной 1 мм равна ±0,14 %, а для образца толщиной 1,9 мм — ±0,3 %.
Время, мкс 5910 5920 5930 5940 5950
Групповые скорости, м/с
Рис. 1. Отражения в сигнале (полоса Рис. 2. Гистограмма групповой 5-24 МГц, образец толщиной 1 мм). скорости для образца толщиной
1 мм.
Поскольку УЗ-импульс распространяется в виде УЗ-пучка ограниченного поперечного сечения, то он дифрагирует на всём пути распространения. В прошлой работе [4] рассматривалось влияние дифракции внутри толстых образцов, но в случае тонких образцов необходимо в первую очередь учитывать дифракцию внутри акустического тракта, принимающего УЗ. Для компенсации дифракции внутри образцов была произведена деконволюция сигнала с измеренной импульсной переходной характеристикой приёмного преобразователя, что существенно уменьшило дисперсию: у образца с толщиной 1 мм она снизилась до ±0,12 %, а для 1,9 мм — до ±0,10 %. Такая малая дисперсия измеренной групповой скорости должна позволить использовать акустоупругий эффект для расчёта
¡ЙЖКЖЯ 22-24 октября 2024 г.
НЕ НЕДЕЛИ-
механических напряжений с высокой точностью даже для плоскопараллельных деталей с толщиной до 1 мм.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.ф.-м.н. Карабутову А.А. и к.ф.-м.н. Саватеевой Е.В. за постановку научной задачи и помощь в данном исследовании.
1. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. М.: Мир, 1972.
2. Базылев П.В., Доронин И.С., Кондратьев А.И. и др. Измерительная техника. 2016, 5, 5-10.
3. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. М.: Наука, 1991.
4. Макалкин Д.И., Карабутов А.А., Саватеева Е.В. Акустический журнал. 2023, 69(6), 1-10.
