Электромагнитные измерения
Рис. 4. Первое приближение к характеристике материала ИИ
модифицированного метода интегральных уравнений и нового алгоритма минимизации функционала задачи. Одно из преимуществ метода — возможность его реализации в измерительно-вычислительном комплексе с относительно небольшой вычислительной мощностью.
Результаты работы получены при поддержке проекта № 1.2690.2014/К «Методы решения обратных задач диагно-
стики сложных систем (в технике и медицине) на основе натурно-модельного эксперимента», выполняемого в рамках проектной части государственного задания.
Л и т е р а т у р а
1. Pat. DE 19944779A1. Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung magnetischer Eigenschaften von Proben / N. Gor-batenko, J. Bachwalov, M. Lankin, E. Kallenbach, F. Beyer. Offenlegungstag 22.03.2001.
2. Тихонов А. H., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979.
3. Борухов В. Т., Тимошпольский В. И., Заяц Г. М., Андрианов Д. H., Цурко В. А. Структурные свойства динамических систем и обратные задачи математической физики // ИФЖ. 2005. Т. 78. № 2. С. 3—15.
4. Самарский А. А., Вабишевич П. H. Численные методы решения обратных задач математической физики. М.: Еди-ториал УРСС, 2004.
5. Антонов В. Г., Петров Л. М., Щелкин А. П. Средства измерений магнитных параметров материалов. Л.: Энерго-атомиздат, 1986.
6. Гречихин В. В., Юфанова Ю. В. Моделирование магнитных полей разомкнутых магнитных систем с малыми воздушными зазорами модифицированным методом интегральных уравнений // Известия вузов. Электромеханика. 2001. № 4—5. С. 5—8.
Дата принятия 26.11.2014 г.
АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
534.6.08:534.22:620.179.16
Определение погрешности измерения скорости распространения продольных ультразвуковых
волн иммерсионным методом
П. В. БАЗЫЛЕВ, А. И. КОНДРАТЬЕВ, В. А. ЛУГОВОЙ, А. А. РОМАНКО
Дальневосточный филиал Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений, Хабаровск, Россия, e-mail: bazylev@dfvniiftri.ru, lugovoy@dst.khv.ru
Теоретически и экспериментально исследовано влияние слоя адсорбированного газа на границе раздела твердое тело—жидкость на результаты измерений иммерсионным методом скорости распространения продольных ультразвуковых волн в образцах. Выявлена систематическая составляющая погрешности для иммерсионного метода путем сопоставления с данными, полученными бесконтактным методом измерений.
Кпючевые слова: распространение акустических колебаний, скорость ультразвуковых волн, иммерсионный и бесконтактный емкостный методы.
Theoretically and experimentally the effect of adsorbed gas layer at the solid-liquid interface on the results of measurement of propagation velocity of longitudinal ultrasonic waves in the samples by immersion method has been studies. By means of comparison with a non-contact measuring method data the systematic component of the immersion method error was revealed.
Key words: propagation of acoustic vibrations, velocity of ultrasonic waves, immersion method, non-contact capacitance method.
При аттестации стандартных образцов и мер, используемых в ультразвуковом (УЗ) неразрушающем контроле для поверки и настройки аппаратуры, применяют иммерсион-
ные методы [1]. Это позволяет устранить трудно контролируемое влияние переходного контактного акустического слоя, характерное для традиционных, контактных методов, и по-
высить точность измерений. Однако в [2, 3] показано, что на границе раздела твердое тело—жидкость присутствует слой адсорбированного газа. Даже при специальной обработке поверхности после помещения образца в жидкость на его поверхности вновь формируется слой адсорбированного газа, который может привести к изменению фазы коэффициента отражения УЗ-колебаний (УЗК) от границы раздела твердое тело—жидкость, из-за чего появляется дополнительная составляющая погрешности при измерении скорости распространения продольных УЗК иммерсионным методом (рис. 1).
Поправку Лсел для скорости распространения продольных УЗК, обусловленную переходным слоем, если рассматривать два соседних переотраженных импульса, можно представить в виде
ЛСсл = 2Фол Си /[И (^ - ^
(1)
где фсл — фазовый сдвиг при отражении от границы раздела образец—жидкость с учетом переходного акустического слоя; си — измеренная скорость; ю = 2л/; / — частота УЗК; tv ^ — моменты прихода 1-го и 2-го УЗ-импульсов, соответственно.
Обозначив Р0 вероятность непосредственного контакта жидкости с образцом, h толщину слоя адсорбированного газа, получим формулу для коэффициента отражения УЗК от границы образец—жидкость при наличии слоя адсорбированного газа (введен дополнительный нижний индекс S) [3]:
^=РУ31+(1- Ро:
у + Ь^ехр (-Т2\к2 У 1-В ехр( -^к2Л)
(2)
где Ь1 = ^32^23^21; ™32>
W23 — коэффициенты прохождения границ раздела образец—газ и газ—образец, соответственно; к2 = ю/с2; с2 — скорость УЗК в газе; В -V
^21 ^ V31, ^
32
коэффициенты отражения УЗК от идеальных границ раздела газ—жидкость, образец—жидкость, газ—образец, образец—газ, соответственно; У21 = (-,
■ -^/(^ + г2)
V
31
= (г3 - -1)/(-1 + г3); \Л?3 = (-2 - -3)/(-2 + -3); ^32 = (-3 - -2)/(-2 + ^
г1, г2, -3 — акустические импедансы соответственно жидкости, газа и образца.
На рис. 2 изображены зависимости модуля |У315| и фазы фсл = агд(У315) коэффициента отражения от Р0 при h = 5,6-10-9 м, / = 5 МГц для стали Ст20 и сплава алюминия Д16Т. При полном акустическом контакте (т. е. при Р0 = 1) |У315| = ]^31, фсл = 0. Из-за присутствия слоя адсорбированного газа с уменьшением Р0 значения |У315|, фсл увеличиваются.
Для экспериментальной проверки предположения о влиянии переходного слоя проведены измерения на установках ИЗУ-1 и ИВА-285 Дальневосточного филиала ВНИИФТРИ. В установке ИЗУ-1 для возбуждения и приема УЗК используют бесконтактные методы с применением емкостных преобразователей [4], скорость УЗК измеряют резонансным ме-
Рис. 1. Схема измерений скорости ультразвука иммерсионным методом:
1 — иммерсионная жидкость; 2 — излучатель — приемник УЗ-колебаний; 3 — образец; 4 — переходный акустический слой; ((, h, L — соответственно толщины образца, переходного акустического слоя и иммерсионной жидкости
Рис. 2. Зависимости модуля (а) и фазы (б) коэффициента отражения на границе раздела образец—жидкость от вероятности контакта Р0:
кривые 1, 2 — соответственно для Ст20 и Д16Т
тодом [5]. В установке ИВА-285 реализован иммерсионный метод, а скорость продольных УЗК измеряют в эхо-импульсном режиме. Метрологические характеристики установок приведены в табл. 1.
Т а б л и ц а 1
Метрологические характеристики установок
Характеристика ИЗУ-1 ИВА-285
диапазон измерений погрешность диапазон измерений погрешность
Скорость распространения продольных УЗК, м/с 2000—8000 0,02—0,05 % 2500-7000 0,1-0,7 %
Диапазон частот УЗК, МГц 1—100 ±10 Гц 1,25; 2,5; 5; 10 ±10 %
Диапазон толщин образцов, мм 0,5—100 не более 5 мкм 0,5-300 не более 10 мкм
Т а б л и ц а 2
Результаты измерений для образцов из разных материалов
б, мм Ст20 б, мм Д16Т
сизу, м/с сива, м/с сизу, м/с сива, м/с
5,002 5916,0±1,0 5930,0±5,0 4,993 6404,0±1,0 6429±8
9,762 5915,1±0,7 5928,0±3,0 10,034 6403,2±0,8 6423±4
15,011 5915,1±0,5 5924,0±2,0 14,986 6403,5±0,6 6418±3
21,420 5915,0±0,4 5921,0±1,0 19,860 6403,2±0,4 6415±3
25,000 5914,9±0,3 5921,0±1,0 25,001 6403,5±0,3 6411±2
35,500 5915,0±0,2 5918,0±1,0 35,000 6403,2±0,3 6407±1
45,010 5915,1±0,2 5917,1±0,6 50,012 6403,4±0,3 6405±1
Образцы изготавливали из прутков Ст20 и Д16Т (одной поставки для каждого материала) диаметром около 100 мм и толщиной б = 5 ... 50 мм.
При измерениях резонансным методом на установке ИЗУ-1 использовали анализатор спектра типа СК4-59. Принцип действия установки заключается: в бесконтактном возбуждении (с помощью емкостного преобразователя (ЕП) и блока возбуждения анализатора спектра) непрерывных УЗК в плоскопараллельной мере, где формируется картина акустических спектральных линий (АСЛ); бесконтактной регистрации акустических сигналов с использованием приемного ЕП, расположенного соосно с излучающим ЕП на противоположной поверхности меры; измерении частоты (п максимума АСЛ с порядковым номером п. Сначала определяется АСЛ, наиболее близкая к требуемой частоте (здесь 5 МГц), затем — частота (п максимума этой АСЛ.
Скорость продольных УЗК сИзУ и среднее квадратичес-кое отклонение (СКО) результата ее измерений Sс рассчитывали по формулам
Сизу = ¿1 п; Sc = СИЗУ^^г/ъ )2 + )2 ,
где Sf, Sd — СКО результатов измерений fn, б; 1п, б — средние арифметические значения результатов измерений частоты максимума АСЛ и толщины образца.
При проведении экспериментов соблюдали следующие условия: Sf < 200 Гц; < 1 мкм.
Во время измерений эхо-импульсным методом на установке ИВА-285 радиоимпульсы продольных УЗК длительностью порядка 1,5 мкс возбуждали в образце иммерсионным методом с помощью пьезопреобразователя с рабочей
АС, м/с
40 30- I ^х2
20- ю- I 4 /
0 I I I I 10 20 30 40 1 50
с1, мм
Рис. 3. Измеренные (1, 2) и расчетные (3, 4) значения поправки на скорость продольных УЗК для Д16Т (1, 3) и Ст20 (2, 4)
частотой 5 МГц. Переотраженные в образце УЗ-импульсы регистрировали тем же преобразователем. Длительность ¿0 временного интервала между 1-м и 2-м УЗ-импульсами определяли методом совмещения импульсов на экране цифрового запоминающего осциллографа типа LeCroy WaveSurfer 422.
Скорость продольных УЗК и СКО результата измерений рассчитывали как
СИВА = 2б/Ь; Sc = Сива^АО^Ф^)2,
где Sf, ¿0 — СКО и среднее арифметическое значение результата измерения ¿0.
При проведении экспериментов обеспечивали Sf < 2 нс.
Результаты обработки экспериментальных данных по сериям из 7 измерений приведены в табл. 2, частота УЗК Г = (5,0±0,1) МГц.
Для установки ИЗУ-1 скорость продольных УЗК в пределах погрешности не зависит от толщины образцов для обоих материалов, а для установки ИВА-285 с уменьшением толщины образца скорость увеличивается, причем для сплава Д16Т в большей степени, что обусловлено, по-видимому, меньшим значением акустического импеданса по сравнению со сталью.
На р
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.