УДК 620.179.16
ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ВОЛНЫ РЭЛЕЯ И АМПЛИТУДЫ СМЕЩЕНИЙ ПОВЕРХНОСТИ
Х.Б. Толипов
Описана лабораторная установка, на которой экспериментально регистрировали акустические импульсы с малого участка поверхности. Установка включает бесконтактный электро-магнитоакустический приемник, в котором индуктор был выполнен в виде двух прямых тонких параллельных проводников, находящихся на близком расстоянии друг от друга. Скорость волны Рэлея определяли в частотном диапазоне 2—10 МГц. При этих частотах длина поверхностной акустической волны варьировалась от 600 до 240 мкм, а минимальная база измерения скорости волны Рэлея на частоте 10 МГц составила 500 мкм. Предложена новая методика измерения временного интервала между двумя акустическими импульсами.
Ключевые слова: волновое поле, теория упругости, механические напряжения, скорость волны, акустоупругость.
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследователей давно привлекает проблема измерения скорости волны Рэлея и амплитуды смещений на малых участках поверхности теми уникальными возможностями, которые открывает его решение в неразрушаю-щем контроле, в физических исследованиях, технологии и т. п. Так, например, известно [1], что скорость упругих волн вследствие эффекта акусто-упругости зависит от механических напряжений, но, как правило, она является интегральной характеристикой, по которой определяется только среднее по длине значение напряжений. Однако часто при сжатии стали [1, 2] происходит локализация деформаций практически до размеров миллиметрового диапазона. Поэтому остаточные напряжения, складываясь с внешними, могут достигнуть и превысить предельно допустимые значения. Таким образом, уменьшение базы измерений при определении скорости волны является одной из важных задач при диагностике остаточных напряжений.
Первые шаги в этом направлении были предприняты в [2, 3], где для измерения скорости волны применили спекл-интерферометрическую установку. Авторам удалось уменьшить базу измерений до 5—10 мм, однако дальнейшее уменьшение сдерживалось диаметром светового пятна (40 мкм).
В данной статье описана лабораторная установка, позволяющая определять амплитуду смещений и скорость волн практически на неограниченно малой области поверхности. Работа этой установки была апробирована при определении амплитуд стоячей волны вблизи ребра [4, 5].
2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Установка также позволяет проводить измерения скорости рэлеевской волны на участках миллиметрового размера. Основным элементом этой установки является электромагнитоакустический (ЭМА) приемник, расположенный на поверхности изделия для приема волн и состоящего из постоянного магнита и индуктора, выполненного в виде двух прямых проводников.
Рассмотрим подробнее работу ЭМА-приемника. При движении акустической волны по поверхности исследуемого изделия колебания частиц среды доходят до расположения ЭМА-приемника. Во внешнем магнитном поле ЭМА-приемника колебания частиц среды сопровождаются появлением сил
Хорис Борисович Толипов, доцент кафедры "Общей и экспериментальной физики" Южно-Уральского государственного университета (НИУ), г. Челябинск. Тел. (351) 267-93-07. 89222368403. E-mail: thb@susu.ac.ru
Лоренца, действующих на электроны проводимости. На поверхности электропроводящего изделия возникают магнитоакустические токи, которые излучают электромагнитную волну в окружающее пространство и принимаются индуктором ЭМА-приемника. Напряженность электрической составляющей электромагнитного поля вблизи поверхности определяется формулой [6]
£ = 2М
РСг
где Н — напряженность переменного магнитного поля, вызванного колебаниями частиц среды; Вп — индукция магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом; р — плотность среды; сг — скорость волны Рэлея.
Индуктор обычно выполняется в виде плоской катушки, имеющей свою резонансную частоту [6]. Эта частота, как правило, составляет порядка единиц МГц, и создание ее с более высокой частотой наталкивается на трудности. Также отметим, что размеры таких индукторов сравнимы с размерами пьезодатчиков, находящихся в сантиметровом диапазоне. В предложенном ЭМА-приемнике индуктор представляет прямой тонкий проводник, занимающий узкую область поверхности и имеющий широкий частотный диапазон принимаемых волн. Напряжение на концах проводника такого индуктора будет линейно зависеть от его длины: и = Е1.
На рис. 2 приведена блок-схема лабораторной установки, использованной для измерения амплитуды смещений поверхности и величины скорости волны Рэлея на клиновидной пластине. Как было выяснено [4, 5], в этой пластине вблизи ребра возникает стоячая волновая картина (рис. 1), образованная падающей и отраженной от ребра волнами, и занимающая ограниченную область миллиметрового размера. Решение этой задачи было получено приближенными методами, что потребовало экспериментального подтверждения полученных результатов.
А/А
1,0
0,5
0
Г1 1
гз
^4 '
1 2 3 4 5
Рис. 1. Зависимость амплитуды стоячей волны от расстояния до ребра для угла клина 26°.
Акустическая волна возбуждалась наклонным пьезодатчиком 3 с углом ввода 70°, импульсами длительностью 5 мкс и частотой заполнения 2,5 МГц в направлении перпендикуляра к ребру клина. Электрические сигналы поступали на пьезодатчик с генератора импульсов 1, предварительно усиленные в блоке 2.
Клиновидная пластина 4 была выполнена из дюралюминия марки Б16 с размерами 200^300 мм с углом раствора 26°. ЭМА-приемник состоит из
электромагнита 7 и индуктора 8, представляющего собой два прямых тонких проводника диаметром 0,015 мм, жестко закрепленных на подложке. Электрические сигналы с индуктора 8 через предварительный токовый усилитель 5 поступали на цифровой осциллограф 6 для определения их амплитуды. Образец перемещали относительно неподвижного ЭМА-приемника с помощью микровинта (на рисунке не показан) с шагом 0,5 мм. Опытные данные амплитуд смещений поверхности с этой установки представлены на рис. 1.
Измерение скорости волны Рэлея проводили импульсным методом [7] на этой же установке. Базу измерения определяли два проводника 9 на индукторе (рис. 3), расположенные на небольшом расстоянии миллиметровых размеров [8].
К предусилителю
¡N=4
Рис. 2. Блок-схема лабораторной установки: 1 — генератор импульсов АНР 1001; 2 — высоковольтный усилитель; 3 — пьезодатчик; 4 — изделие; 5 — предусилитель; 6 — осциллограф 0Б8-2202; 7 — электромагнит; 8 — индуктор с проводниками 9, 10.
/
Рис. 3. ЭМА-приемник. На передней грани гетинакса
располагается фольга, на задней — два проводника 9.
Для разрешения электрических импульсов, поступающих с индуктора, применили используемый обычно в оптике критерий Рэлея [9]. Два импульса будут разрешены, если максимум амплитуды второго импульса приходится на минимум предыдущего импульса. Минимальная база измерения скорости волны Рэлея на частоте 10 МГц составила 500 мкм. В отличие от спекл-интерферометрической установки проводники, неподвижно установленные на подложке индуктора и определяющие базу измерения, можно измерить с высокой точностью. Скорость волны была определена на цифровом осциллографе и имела значение 2740 м/с со средним квадратичным отклонением 6 м/с от среднего значения по 10 измерениям. Переход на более высокие частоты позволяет еще уменьшить базу измерений, но при этом растет затухание волны, вносящее дополнительную погрешность в измерение скорости.
Эту погрешность можно значительно уменьшить, если учесть зависимость затухания от расстояния [10]. Обычно временной интервал измеряется между полуволнами в точках с максимальными амплитудами. Однако при прохождении по поверхности изделия вследствие затухания волны изменяется амплитуда сигнала, сопровождающаяся также изменением его формы.
9
Уменьшение амплитуды волны с пройденным расстоянием по поверхности изделия происходит нелинейно, в основном по экспоненциальной зависимости
и = иоехр(-5х)со8(юг - кх),
где ио — начальное смещение; ю — круговая частота; 5 — коэффициент затухания; г — время; к — волновое число; х — координата, вдоль которой распространяется волна.
Это приводит к смещению положения максимума каждой полуволны, и временной интервал между полуволнами с максимальными амплитудами будет зависеть не только от пройденного расстояния, но и от затухания волны, вносящего неучитываемый вклад в погрешность измерения.
Зависимость амплитуды у.з. импульсов от пройденного расстояния можно определить из экспериментальных измерений по серии, по крайней мере,
и
и
т ■-■4. 1 1
1» ' — - 4
1 1 1 1 11| 1 Л Л А л
1 1 .................! ]..! „ 1111/ 11 • V Ж
ч г- — '"1 Д. и -
1 .-■АГ4 -ЙЧ- дг5
■ ^
г
■ г
г
2
Рис. 4. Ультразвуковые импульсы: реальные затухающие с расстоянием и1 и обработанные и пронормированные на компьютере по амплитуде и2.
трех у.з. цугов волн [10]. После нормировки у.з. импульсов временные интервалы между полуволнами в точках с максимальными амплитудами в каждом цуге выравниваются (рис. 4). Это свидетельствует о том, что положение максимума полуволны не искажено вследствие затухания волны, тем самым исключается погрешность измерения.
г1
г2
гз
г
3. ВЫВОДЫ
Таким образом, выполнение индуктора в виде прямых проводников позволяет расширить диапазон принимаемых волн в сторону более высоких частот. Возможность приема акустических волн на высоких частотах позволяет существенно сократить базу измерений при определении скорости волны, а также осуществлять неразрушающий контроль микрообъектов.
Южно-Уральский государственный университет г. Челябинск
Поступила в редакцию 21 марта 2014 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. Камышев А . В ., Никитина Н. Е ., Смирнов В . А . Диагностика остаточных напряжений в ободьях железнодорожных колес методом акустоупругости.— Дефектоскопия, 2010, № 3, с. 50—54.
2. Владимиров А . П., Горкунов Э . С ., Горулева Л. С . и др. Спекл-интерферометрическая установка для определения скорости ультразвуковой волны Рэлея на участках миллиметрового размера.— Дефектоскопия, 2011, № 3, с. 3—9.
3. Владимиров А. П., Горкунов Э . С ., Еремин П. С . и др.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.