ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 175-177
ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 534.2:535.4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И АМПЛИТУДЫ СМЕЩЕНИЙ ВОЛНЫ РЭЛЕЯ С МАЛОГО УЧАСТКА ПОВЕРХНОСТИ © 2015 г. Х. Б. Толипов
Южно-Уральский государственный университет, Физический факультет Россия, 454080, Челябинск, просп. Ленина, 76 E-mail: thb@susu.ac.ru Поступила в редакцию 14.03.2014 г.
Описана лабораторная установка для регистрации акустических импульсов с малого участка поверхности. Установка содержит бесконтактный электромагнитоакустический приемник, в котором индуктор 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 методика измерения временного интервала между двумя акустическими импульсами.
DOI: 10.7868/S0032816215010103
Методы измерения скорости поверхностной волны Рэлея и амплитуды смещений на малых участках поверхности давно привлекают исследователей уникальными возможностями, которые могут быть успешно использованы при неразру-шающем контроле деталей, в физических исследованиях и т.п. Довольно полный обзор методов возбуждения, обнаружения и изучения затухания высокочастотных упругих поверхностных волн можно найти в [1]. Возможность технического возбуждения волн Рэлея на частотах вплоть до гигагерцового диапазона в практических приложениях имеет большие преимущества по сравнению с другими волнами.
Известно [1—3], что скорость упругих волн вследствие эффекта акустоупругости зависит от механических напряжений. Однако приводимая в [2, 3] скорость, как правило, является интегральной характеристикой, по которой определяется только среднее по длине значение механических напряжений. При сжатии стали [2, 3], например, происходит локализация деформаций в областях размером порядка миллиметра. Поэтому внутренние напряжения, суммируясь с внешними, могут превысить допустимые значения. Таким образом, уменьшение базы измерений при определении скорости поверхностной волны является одной из важных задач при диагностике механических напряжений.
В некоторых первых работах в этом направлении для измерения скорости была использована спекл-интерферометрическая установка [4, 5]. 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 скорости волн практически на поверхности значительно меньших размеров. Работа установки апробирована при определении амплитуд стоячей волны вблизи ребра клиновидной проводящей пластины [6, 7]. Установка также позволяет измерять скорость рэлеевской волны на участках миллиметрового размера. Основным элементом предлагаемой установки является электромагнитоакустический (э.м.а.) приемник, размещаемый вблизи поверхности изделия. Приемник состоит из постоянного электромагнита и проволочного индуктора, выполненного в виде двух прямых проводников.
Рассмотрим подробнее работу э.м.а.-приемни-ка. При движении акустической волны по поверхности исследуемого изделия частицы на поверхности проводящей среды колеблются в постоянном магнитном поле вблизи места расположения датчика э.м.а.-приемника. Во внешнем магнитном поле э.м.а.-приемника колебания частиц поверхности среды сопровождаются появлением сил Лоренца, действующих на электроны проводимости. На поверхности электропроводящего изделия возникают магнитоакустические токи, которые излучают в окружающее пространство электромагнитное поле (электромагнитную волну), регистрируемое индуктором э.м.а.-приемника. Напряженность электрической составляющей
176
ТОЛИПОВ
Рис. 1. Блок-схема лабораторной установки. 1 — генератор импульсов АНР 1001; 2 — высоковольтный усилитель; 3 — пьезодатчик; 4 — изделие; 5 — предусили-тель; 6 — осциллограф GDS-2202; 7 — электромагнит; 8 — индуктор. На врезке — схема индуктора 8 с проводниками 9, 10.
электромагнитного поля вблизи поверхности определяется формулой [8]
Е = 2НВ;
Р сг '
где Н — напряженность переменного магнитного поля, вызванного колебаниями частиц среды; Вп — индукция магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом; р — плотность среды; сг — скорость волны Рэлея.
В работе [8] индуктор выполнен в виде плоской катушки, имеющей свою резонансную частоту. Как правило, резонансная частота составляет порядка единиц мегагерц, и создание катушек, рассчитанных на более высокие частоты, наталкивается на технические трудности. Отметим также, что размеры таких индукторов сравнимы с размерами описанных в обзоре [1] пьезодатчиков, имеющих сантиметровый диапазон.
В предложенном э.м.а.-приемнике индуктор представляет собой прямой тонкий проводник, занимающий узкую область поверхности и имеющий широкий частотный диапазон принимаемых волн. Напряжение на концах проводника такого индуктора линейно зависит от его длины — и= Е€.
На рис. 1 приведена блок-схема лабораторной установки для измерения амплитуды смещений поверхности и скорости волны Релея на клиновидной пластине. Клиновидная пластина 4 выполнена из дюралюминия марки D16 с размерами по периметру 300 х 200 мм и с углом клина 26°.
A/Am
1.0
0.5
- \о О
- \о /ГХ \ /° 1 °/т\ \° / 1 \
r1 1 V, Г2 V Гз' iV 3i 1 \/ Г4' \ 1 V 4i 1 \
1
r, мм
Рис. 2. Зависимость относительной амплитуды стоячей волны от расстояния г до ребра для угла клина 26°.
Линия — расчет, точки — эксперимент.
Электромагнитоакустический приемник состоит из электромагнита 7 и индуктора 8. Индуктор представляет собой два прямых тонких проводника диаметром 0.015 мм, закрепленных клеем на обратной стороне одностороннего фольгированного гетинакса, который для устранения помех заземлялся. Длина проводников определяется шириной фронта волны, задаваемой пьезодатчиком, и составляет 15 мм. Проводники размещены между полюсом магнита и изделием так, чтобы контактировать с изделием. В этом случае индуктор принимает сдвиговые колебания. При помещении индуктора между полюсами, при касательном магнитном поле, принимаются продольные колебания волны Рэлея. Чувствительность индуктора составляет от 1 до 10 мкВ.
Электрические сигналы с индуктора 8 через предварительный токовый усилитель 5 поступают на цифровой осциллограф 6, где определяется их амплитуда.
Как было показано [6, 7], при непрерывном внешнем возбуждении поверхностных волн в клиновидной пластине на расстоянии порядка нескольких миллиметров от ребра пластины возникает стоячая волновая картина (рис. 2), образованная падающей и отраженной от ребра волнами. Поскольку решение этой задачи получено приближенными методами, требовалось экспериментально проверить результаты приближенных расчетов.
В предлагаемой установке акустическая волна возбуждалась в направлении, перпендикулярном ребру клина, наклонным пьезодатчиком 3 с углом ввода 70° импульсами длительностью 5 мкс и частотой заполнения 2.5 МГц. Электрические сигналы генератора импульсов 1, предварительно усиленные в блоке 2, поступали на пьезодатчик 3. В процессе измерений образец 4 перемещали относительно неподвижного э.м.а.-приемника с помощью микровинта (на рис. 1 не показан) с шагом 0.5 мм. Результаты измерений амплитуды смещений волн показаны на рис. 2 точками.
0
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
177
Для измерений скорости распространения волн Рэлея использована импульсная методика [9]. База измерений определялась расстоянием й между двумя проводниками индуктора (см. врезку к рис. 1) [10].
Для разрешения электрических импульсов, поступающих с индуктора, мы применили используемый обычно в оптике критерий Рэлея [11]. Два акустических 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. Скорость волны равна 2740 м/с, среднее квадратичное отклонение от среднего значения по 10 измерениям — 6 • 10-3 м/с.
Переход на более высокие частоты позволяет еще (больше) уменьшить базу измерений, но при этом растет затухание волны, что вносит дополнительную погрешность в измерение скорости. Эту погрешность можно значительно уменьшить, если учесть зависимость затухания волны от расстояния [12]. Обычно временной интервал измеряется между полуволнами в точках с максимальными амплитудами. Однако при прохождении колебаний по поверхности образца амплитуда сигнала изменяется вследствие затухания волны, что сопровождается изменением формы регистрируемого сигнала. Уменьшение амплитуды волны с пройденным расстоянием по поверхности изделия происходит нелинейно, по зависимости, близкой к экспоненциальной:
и = и0ехр(—Ьх)со$>(Ш — кх), где и0 — начальное смещение, ю — круговая частота, 8 — коэффициент затухания, t — время, к — волновое число, х — координата, вдоль которой распространяется волна.
Нелинейное уменьшение амплитуды приводит к смещению положения максимума каждой полуволны, так что временной интервал между полуволнами с максимальными амплитудами будет зависеть не только от пройденного расстояния, но и от затухания волны, вносящего дополнительный вклад в погрешность измерения.
Зависимость амплитуды ультразвуковых импульсов от пройденного расстояния можно определить из экспериментальных измерений серии, по крайней мере, из трех ультразвуковых цугов волн [12]. После нормировки ультразвуковых импульсов временные интервалы между полуволнами в точках с максимальными амплитудами в каждом цуге выравниваются (рис. 3). Это свидетельствует о том, что положение максимума полуволны не искажено вследствие затухания волны, и тем самым исключается погрешность измерения.
В заключение отметим, что изготовление индуктора в форме прямых проводников позволяет расширить диапазон принимаемых волн в область более высоких частот. Возможность приема
t1 t2 ^ Рис. 3. Ультразвуковые импульсы: и — реальные, за
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.