Акустические методы
УДК 620.179.16
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН РЭЛЕЯ, ВОЗБУЖДАЕМЫХ МАГНИТОАКУСТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
А.А. Хлыбов, А.Л. Углов, В.М. Родюшкин, Ю.А. Катасонов, О.Ю. Катасонов
Проанализирована возможность контроля механических напряжений с помощью поверхностных волн, возбуждаемых и принимаемых электромагнитно-акустическим преобразователем (ЭМАП).
Показано, что для реализации алгоритма акустоупругости возможно использование метода перехода сигнала через нуль ("zero-crossingmethod") даже в случае узкополосных импульсов с плавным передним фронтом. Приведена оценка погрешности измерения задержек (времени распространения) упругих волн.
Ключевые слова: механические напряжения, ультразвук, поверхностные волны Рэлея, металлы.
В последние годы значительно повысился интерес к физическим методам определения механических напряжений в материале различных технических объектов [1—3]. К числу наиболее распространенных методов неразрушающего контроля напряженного состояния относятся акустические, основанные на явлении акустоупругости: зависимости скорости распространения упругих волн от действующих напряжений. Это подтверждается наличием национальной нормативной базы [4—6], многочисленных методик, публикаций в научно-технической литературе [7, 10], приборов.
Большинство инженерных методик акустоупругости, включая регламентируемые упомянутыми выше национальными стандартами, предполагают использование объемных волн, позволяющее определить напряженное состояние, усредненное по толщине объекта в зоне измерений. Следует отметить, что многие детали и элементы конструкций имеют сложную форму, в которых обеспечить приемлемую отражающую способность объемных волн не удается. Это отрицательно сказывается на результатах контроля: увеличивается ошибка измерений, а в некоторых случаях проведение контроля становится невозможным. Кроме того, часто возникает необходимость измерения напряженного состояния в поверхностном слое. Для решения таких задач наибольший интерес представляют поверхностные волны Рэлея [7—9].
В данной работе проанализирована возможность контроля механических напряжений с помощью поверхностных волн, возбуждаемых и принимаемых электромагнитным акустическим преобразователем. Преобразователь состоит из жестко соединенных (фиксированная база контроля) друг с другом ЭМА-излучателя и приемника на расстоянии 50 мм друг от друга. Исследования проводили на длинном плоском образце толщиной 5 мм, шириной 25 мм, изготовленном из стали 20ГЛ (по ГОСТ 1497), на универсальной испытательной машине фирмы Tinius OIlsenLtd, модель H100KU. Предел текучести стали 20ГЛ о02 = 3 3 0 МПа.
Александр Анатольевич Хлыбов, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой Нижегородского государственного технического университета им. Р. Алексеева. Тел. 89107920229. E-mail: hlybov_52@mail.ru
Александр Леонидович Углов, доктор техн. наук, старший научный сотрудник, зав. сектором Научно-исследовательского центра контроля и диагностики (г. Н. Новгород). Тел. 89103907252. E-mail: auglov@list.ru
Владимир Митрофанович Родюшкин, доктор техн. наук, зав. лабораторией экспериментальной механики Института проблем машиностроения РАН (г. Н. Новгород). Тел. 89103803438. E-mail: vlkn2005@yandex.ru
Юрий Александрович Катасонов, канд. техн. наук, директор ООО НПФ "ФЭРТА" (г. Харьков). Тел. 38(050)4001467. E-mail: katasonov@meta.ua
Олег Юрьевич Катасонов, ведущий инженер-программист ООО НПФ "ФЭРТА" (г. Харьков). Тел. 38(063)4489135. E-mail: starkit@ukr.net
Известен ряд факторов, сдерживающих использование ЭМАП в задачах контроля механических напряжений, в частности, пониженная точность определения временных интервалов, что связано не только со сложностью технической реализации аппаратуры возбуждения и приема упругих импульсов с помощью ЭМАП, но и с особенностью формы возбуждаемых ими импульсов. Для сравнения на рис. 1а, б приведены формы упругих импульсов рэлеевских волн, полученных с помощью клиновидного пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП) (рис. 1а) и ЭМАП (рис. 1б).
а б
Момент измерения задержки
Рис. 1. Осциллограмма рэлеевского импульса, возбуждаемого с помощью ПЭП (а) и ЭМАП (б).
Одним из наиболее надежных методов измерения задержек радиоимпульсов является метод перехода через нуль [10]: измеряется время перехода через нуль, расположенного слева (справа) от пересечения порога (рис. 1 а, б). Данный метод обладает рядом достоинств, из которых к важнейшим относятся, во-первых, независимость (точнее, слабая зависимость) найденной задержки от амплитуды сигнала, а во-вторых, минимальная погрешность измерения именно в этой точке профиля импульса, поскольку она соответствует максимуму абсолютного значения производной сигнала по времени.
В [11] отмечено, что для надежной работы приборов, предназначенных для измерений задержек у.з. импульсов, основанных на методе перехода сигнала через нуль ("2его-сго88^те1Ьо^'), необходимо обеспечить высокую скорость нарастания переднего фронта. В этом отношении сигнал, приведенный на рис. 1а, является весьма удобным для реализации такого метода: амплитуда сигнала, соответствующая второму периоду колебаний, значительно превосходит предшествующие амплитуды и момент измерения является однозначным.
Если при использовании ПЭП за счет демпфирования (и, соответственно, увеличения ширины спектра) часто удается сформировать приемлемую (рис. 1а) форму импульса, то в случае ЭМАП это сделать технически очень сложно: коэффициент электромеханического преобразования для ЭМАП на несколько порядков ниже по сравнению с ПЭП. Попытка демпфирования приводит к недопустимому уменьшению соотношения "сигнал/шум" и, как следствие, заметному увеличению погрешности измерений.
В случае, когда не удается аппаратными средствами обеспечить высокую скорость нарастания переднего фронта импульса (рис. 1), возможен синтез специального цифрового фильтра, обеспечивающего корректировку формы сигнала в сторону увеличения скорости нарастания его переднего фронта. Пример построения такого фильтра приведен в [11].
Нами предпринята попытка реализации определения механических напряжений с помощью узкополосных импульсов рэлеевских волн (рис. 1 б), используя известный алгоритм акустоупругости.
При экспериментальных исследованиях в качестве аппаратно-программных средств использовали измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) "АСТРОН" (№ 33889-07, зарегистрированный в Госреестре средств измерений, ТУ НЛСГ.411181.003), обеспечивающий возможность излучения, приема и прецизионной обработки импульсов упругих волн различных типов в частотном диапазоне 1—20 МГц. Программное обеспечение ИВК "АСТРОН" обеспечивает сплайн-аппроксимацию сигнала вблизи точки пересечения им нулевого значения и при частоте дискретизации 160 МГц позволяет определять задержки с погрешностью не более 2 нс.
Статистический анализ сигналов, получаемых с помощью ЭМАП, дает основание предполагать, что обеспечивается высокая стабильность несущей частоты импульса и, следовательно, периода колебаний импульса. Это означает постоянство разности координат соседних точек пересечения импульсом нулевого значения.
В соответствии с вышеописанной методикой в исходном (ненагружен-ном) состоянии материала определяются моменты пересечения сигналом нулевого значения в N отсчетных точках. При измерении порог компаратора устанавливается на уровне, равном 1/2 от амплитудного значения. На рис. 1б показаны соответствующие точки пересечения сигналом нулевого уровня (отсчетные точки). Величина N определяется положением порога компаратора и в случае, соответствующем рис. 5, равна 10.
Получаем массив значений задержек, соответствующий ненагруженно-му состоянию материала
№ 0)} = ¿0(0), ¿1(0)...^1(0). (1)
Для материала, в котором действует одноосное напряжение а, получаем аналогичный массив задержек
т, а)} = г0(а), ^...^(а). (2)
Массив разностей задержек в нагруженном и исходном состояниях обозначим через [А^, а)}
а)} = At0(a), Д^(а)... At^a), (3)
где At(a) = t.(a) - t(0), i = 0...N - 1.
В процессе деформирования происходит искажение формы огибающей импульса вследствие частотно-зависимого затухания, дисперсии скорости, нестабильности акустического контакта и других причин. Очевидно, что при заданном относительном значении порога компаратора отсчетные точки, показанные на рис. 5, будут смещаться влево или вправо по временной оси на величины, кратные периоду несущей импульса. Поэтому для изменений задержки любой из N отсчетных точек импульса, распространяющегося в материале, в котором действует одноосное напряжение а, можно записать
m
At(a) = Pt0 (0 )a + f, (4)
где p — коэффициент акустоупругости; t0(0) — задержка первой отсчетной точки, равная в нашем случае 35 290 нс; m = 0, ±1, ±2.; f— несущая частота импульса (резонансные частоты излучающей и принимающей катушек ЭМАП).
Период несущей равен 1 мкс. Таким образом, относительное изменение задержек отсчетных точек профиля импульса кроме величины, связанной с акустоупругим эффектом, содержит неизвестную дискретную
1°00 Т 1 П-2
составляющую Ы = т--« 3 • 10 • т.
У д 35290
Имеющиеся экспериментальные данные [1, 12] показывают, что значение акустоупругого коэффициента р для задержки импульса рэлеевской волны, распространяющегося вдоль действующего одноосного напряжения для сталей различных марок, находится в диапазоне (10-6—10-5) МПа-1. Тогда вследствие акустоупругого эффекта для исследуемого образца упругое напряжение 300 МПа вызовет относительное изменение исходной задержки '0(0) на величину порядка 3-10-4—3-10-3. Это на 1—2 порядка меньше, чем относительное изменение задержки вследствие дискретного смещения ("перескока") отсчетных точек на один или несколько периодов.
Отсюда следует, что в правой части уравнения (4) второе слагаемое значительно (на 1—2 порядка) превосходит первое по абсолютной величине.
Таким образом, если происходят дискретные смещения отсчетных точек, то на кривой зависимости Д'(а) = F(G) появляются значительные локальные экстремумы (рис. 2). Пунктирная линия соответствует отсутствию "перескоков".
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.