669.017:620.179.16:534.833.6
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗАТУХАНИЯ УПРУГИХ ВОЛН
С. Б. Теодорович
Рассматриваются отдельные методические аспекты применения одного из активных методов акустического контроля материалов и изделий — измерения частотной зависимости коэффициента затухания в варианте его реализации, исключающем зависимость результатов регистрации от физических различий каналов измерения. Проведены лабораторные оценки коэффициентов затухания поперечных и поверхностных у. з. волн, обсуждаются вопросы прогнозирования остаточного ресурса по затуханию поверхностных акустических волн в пластинах, подвергнутых знакопеременному изгибу в области малоцикловой усталости.
Акустические методы контроля хорошо зарекомендовали себя при определении структуры, качества механической и термической обработки, упругих и прочностных свойств конструкционных материалов [1—5]. При этом направление, связанное с измерением коэффициента затухания в металлах, в большей степени считается приоритетным лишь в применении к решению задач структурного анализа [3—5], в особенности к определению размера зерна в металлах. Хотя явление затухания у. з. волн чувствительно к структурным неоднородностям и связанной с ними анизотропии свойств, оценки прочности, других механических свойств и, например, степени поврежденности материала производятся преимущественно применением других методов акустического контроля, в частности, на основе измерения скорости ультразвука, использования акустико-эмиссионного и импедансного методов.
Причиной малого распространения методов измерения затухания в [4] названа метрологическая необеспеченность этого направления, что приводит к резкой неоднозначности результатов у. з. контроля. В связи с этим рассмотрение любых возможностей улучшить положение в данной области, очевидно, заслуживает внимания, тем более, что спектр задач и требований к неразрушающему контролю, выдвигаемых практикой, постоянно расширяется.
В настоящей работе предпринята попытка оценить некоторые перспективы реализации одной из таких возможностей — применение способа измерения параметров затухания упругих волн, предложенного в [6]. Хотя в изначальной постановке данный способ предполагалось использовать и для исследования затухания упругих волн в горном массиве (с целью решения вопросов акустической спектроскопии и других [7]), тем не менее задачей [6] являлось создание способа, который позволил бы повысить достоверность контроля качества и физико-механических параметров материалов и элементов конструкций при сохранении приемлемой производительности контроля. В частности, как известно, коэффициент затухания для сильно поглощающих тел может служить в качестве меры внутреннего трения [8], и его измерение, таким образом, дает инструмент для изучения структурно-фазовых изменений в материалах, демпфирующей способности, дефектности твердых тел. Такого рода инструментальные возможности, в соединении с уже известными достижениями в области акустического контроля (например, точными методами измерения скорости у.з. волн [5]) представляют особую ценность при решении практических вопросов, определяющих формирование методологии нового научного направления — создания материалов (сред) и конструкций (структур) с управляемыми свойствами (активных технических систем) [9—11].
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Рассматриваемый способ является развитием известного подхода к определению коэффициента затухания а плоской упругой волны по результатам измерения интенсивностей (/, и /2) или амплитуд колебаний (Л, и Л2) при двух положениях приемника и х^). По результатам измерения отношения амплитуд гармонических волн различной частоты можно оценить затухание в широком диапазоне частот со, что и используется в экспериментальной практике [1, 7, 12]. Нередко подобные измерения производят в варианте возбуждения широкополосного импульса, изменение спектра которого, в результате разного затухания различных частотных составляющих, дает значительно большую информацию о структуре, чем контроль на одной частоте. И хотя хорошо известен и отработан способ решения данной задачи, основанный на исследовании спектрального состава донного сигнала [3], существуют все основания полагать, что реальные ситуации контроля, востребуемые на практике, не всегда удовлетворяют применению данного способа и в большей мере отвечают схеме анализа "сквозного сигнала". Однако в последнем варианте способ не избавлен от существенного недостатка — наличия погрешностей в результирующем значении коэффициента затухания, обусловленных физическими различиями каналов регистрации в первом и втором положениях приемника.
Сопоставим отношение амплитуд Аг1Ах, записанное в функции частоты со, отношению спектральных поглощающих способностей материала, которое (в более широком смысле) может быть названо амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) материала К{<£>), измеренной на разности баз установки приемников / = \хг - лг,1. В этом случае частотная зависимость сс(со) рассчитывается по формуле
ос(со) = — у 1пАГ (со). (1)
Однако на самом деле, поскольку К{со) в (1) измеряется не через отношение спектров сигналов 5р/5а, поступивших на второй и первый приемники непосредственно, а через отношение спектров /5а соответствующих сигналов, уже прошедших через каналы регистрации и измерения, при таком подходе найденная АЧХ К{со) содержит погрешности, внесенные физическими различиями каналов (в том числе, различием качеств акустического контакта приемников с объектом контроля (ОК)).
Исключить указанные погрешности можно, если привести схему возбуждения акустических волн и их регистрации к более симметричному виду, за счет реверсирования направления "сквозного сигнала". Это достигается применением двух позиций для местоположения источников волн; причем данные позиции, как и сами приемники должны находиться на одной прямой (см. рис. 1). Тогда связь спектра 5а сигнала, поступившего на обработку через канал регистрации нового приемника, и спектра Бь сигнала, полученного через второй канал, с соответствующими спектрами 5а и 5р сигналов, поступивших на входы первого и второго приемников, запишется в виде
5а(со) = 5а(соЖ,(соЖи(со); 5,(со) = 5р(соЖ2(соЖи(со), (2)
где К.\ и К2 — АЧХ 1-го и 2-го каналов регистрации; К„ — АЧХ канала измерения.
При этом сигналы, поступившие к приемникам, связаны между собой через соответствующую характеристику К(со) материала образца (ОК)
5р(со) = 5а(соЖ(со).
(3)
Из (2) и (3) имеем
*(в))аЛ = (4)
откуда следует, что определение К(со) через отношение величин 5,,/5а не является достоверным; причем источники возникающей при таком определении погрешности могут, очевидно, менять свои характеристики в процессе измерений из-за влияния неконтролируемых факторов.
Рис. 1. Блок-схема устройства измерения частотной зависимости параметра затухания:
1 — образец; 2 — излучатели; 3 — коммутатор электрического сигнала; 4 — генератор (формирователь импульсов); 5 — приемники; б — блок измерения; 7 — блок обработки результатов.
Называя одно, произвольно выбранное направление акустических волн (из двух, отвечающих схеме рис. 1) прямым, введем обозначение
Кпр(со)=^ = К(со)^. (5)
Ъа 2
Называя направление, противоположное прямому, обратным, запишем для этого случая
К0бр(со)=§ = к(со)^, (6)
\ к\
где 5а' и 5Й' —спектры зарегистрированных сигналов, поступивших на обработку через первый и второй каналы регистрации и измерения соответственно.
Из (4—6) имеем, что искомая АЧХ участка образца (ОК) длиной /, не содержащая погрешностей, которые обусловлены физическими различиями каналов регистрации (измерения) может быть найдена как среднее геометрическое
Що) = ^пр(со)£обр(со). (7)
Таким образом, лишь в случае определения К(со) по формуле (7) соотношение (1) дает верную зависимость коэффициента затухания а от частоты, то есть, в качестве основной расчетной формулы в данном способе измерения имеем
ос(со) = АГпр(со)Кобр(со).
(8)
Таким образом, способ измерения параметров затухания упругих волн осуществляется следующим образом.
В исследуемый образец или элемент конструкции 1 (см. рис. 1) излучают упругую волну фиксированной частоты либо импульсы упругих волн с помощью одного из излучателей 2, которые возбуждают электрическим сигналом, вырабатываемым генератором или формирователем импульсов 4. Излучатель может представлять собой либо у. з. преобразователь, либо ударное устройство магнитомеханического типа, с целью охвата соответствующего диапазона частот. Приемники 5 представляют собой пьезопреобразователи с известной неравномерностью АЧХ в исследуемом диапазоне частот, либо, в случае низких частот звукового диапазона (например, при решении задачи повышения кпд разрушающего воздействия, отработке элементов обратной связи в горно-технологическом цикле, в других приложениях), тензодатчики с заранее известными характеристиками.
С приемника 5 электрический сигнал поступает в блок измерения б, в котором вначале усиливается, а затем передается на спектроанализатор, либо непосредственно в блок обработки 7 для анализа и обработки полученных характеристик, хранения и выдачи информации. Переброс поступления электрического сигнала от генератора к тому или другому из излучателей осуществляется коммутатором 3, чему соответствует реверс направления распространения волн в объекте контроля, то есть изменение направления на противоположное. Расчет функции а(се>) производится по накоплении всех измеренных характеристик, полученных при возбуждении как первого, так и второго излучателя.
Как следует из вышеизложенного, рассматриваемый способ не имеет жесткой привязки к типу у. з. волны и может применяться, в принципе, для измерения параметров затухания волн любого из типов: продольного, поперечного, поверхностного.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОЦЕНКИ
Известные применения метода у. з. структурного анализа металлов, основанные на определении амплитуд сигналов фиксированных частот и вычислении по ним структурных коэффициентов, а также на измерении частотной зависимости коэффициентов затухания, позволяют оценить средний размер зерна с приемлемой точностью; при
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.