Реферат: Эталонная установка для комплексного измерения акустических параметров в конденсированных средах

ЭТАЛОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ


Базылев П.В., Кондратьев А.И., Луговой В.А.

Хабаровск, Россия


Коэффициент затухания αL, скорость распространения продольных CL и сдвиговых CS ультразвуковых (УЗ) волн – важные информативные параметры при УЗ неразрушающем контроле материалов и изделий. Вопрос о точности и достоверности измерений этих физических величин, метрологическом обеспечении акустических измерений в твердых средах весьма актуален.

В настоящее время в качестве эталонных установок измерения скоростей распространения и коэффициентов затухания УЗ волн в металлах используются иммерсионные установки из ряда моделей ИВА (ВНИИФТИ «Дальстандарт», г. Хабаровск), УИСУ и АЛЬФА (БелЦСМ, Белоруссия). Авторы установок определяют для них заниженное значение погрешности из-за неправильной оценки систематической составляющей погрешности измерений. Это является следствием того, что не учитывается существенное влияние границы раздела жидкость - металл на результат измерений.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования иммерсионных вариантов измерения скорости и затухания УЗ колебаний в твердых средах со всей очевидностью доказали факт искажения амплитудно-фазовых характеристик УЗ волн на границе жидкость - твердая среда. Такое влияние границы существенно снижает точность измерений и должно либо учитываться при оценке систематической составляющей погрешности измерений, либо исключаться из процедуры измерений применением бесконтактных методов измерений [1-6].

Наиболее перспективны для ультразвуковых измерений в твердых средах бесконтактные методы, в которых граница раздела жидкость - твердая среда отсутствует. Во ВНИИФТИ «Дальстандарт» разработаны бесконтактные (оптические и емкостные) методы генерации и приема УЗ колебаний в твердых средах, обеспечивающие наивысшую точность измерений параметров распространения акустических волн [7].

Во ВНИИФТИ «Дальстандарт» разработана и утверждена в качестве рабочего эталона 2-го разряда (согласно государственным поверочным схемам по МИ 2055-90 и МИ 2163-91) установка ИЗУ-1. Установка предназначена для измерения коэффициента затухания αL и скорости распространения CLпродольных УЗ волн в твердых средах и передачи средствам измерений низшего разряда размера единицы этих физических величин. Она позволяет также измерять групповую скорость распространения сдвиговых волн CS. В установке ИЗУ-1 реализован емкостный метод генерации и приема УЗ колебаний, основанные на применении емкостных преобразователей (ЕП) с тонкопленочным оксидным диэлектриком [7-9], что позволило обеспечить высокие метрологические характеристики эталонной установки.

Основными достоинствами установки являются:

комплексное измерение параметров распространения: CL, CS, αL, в отличие от установок аналогичного назначения, которые измеряют один параметр – либо CL, либо αL;

бесконтактная генерация и прием УЗ волн, которые исключают применение иммерсионной жидкости, и, тем самым, искажения амплитудно-фазовых характеристик УЗ импульсов, потери акустической энергии при прохождении границы раздела жидкость - твердая среда и снижая, соответственно, систематическую составляющую погрешности;

исключение перенастройки излучателя и приемника во всем диапазоне рабочих частот при проведении измерений;

высокие эксплутационные характеристики.

Для измерений αL и CL используются два метода – резонансный (диапазон измерений αL ≤200 дБ/м) и эхо-импульсный (αL ≤2000 дБ/м). Резонансный метод основан на измерении ширины акустических спектральных линий (метод ШАСЛ) [9]. Коэффициент затухания αL в импульсном режиме измеряют методом импульса сравнения с учетом дифракционных поправок по методике [10]; скорости УЗ волн CL, CS измеряют по методике [11].

Структурная схема установки приведена на рисунке 1, где 1 – генератор радиоимпульсов амплитудой 0-200 В, частотным диапазоном 1-25 МГц, длительностью 2-200 мкс; 2 – излучающий ЕП; 3 – образец толщиной 1-100 мм, диаметром 20-150 мм; 4 – приемный ЕП; 5 – регистрирующая аппаратура, включающая полосовой усилитель, осциллограф, блок измерения ослабления, состоящий из аттенюатора АД-30 и измерителя затуханий; 6 – спектроанализатор СК4-59. Ключ в положении а (на рис. 1) соответствует резонансному режиму работы.





Внешний вид установки (без приборной стойки) представлен на рисунке 2. Масса оригинальной части не превышает 10 кг, а ее размеры составляют (503020) см3. Стрелкой на рисунке 2 указан исследуемый образец.




^ Технические характеристики установки ИЗУ-1

1. Диапазон измеряемых коэффициентов

затухания УЗ волн………………………………..(0,2-2000) дБ/м

2. Диапазон измеряемых скоростей

распространения продольных УЗ волн…………(2000-15000) м/с

3. Диапазон частот продольных УЗ

колебаний………………………………………… (1-100) МГц

4.Диапазон измеряемых групповых скоро-

стей распространения сдвиговых УЗ волн……...(1000-8000) м/с

5. Диапазон частот сдвиговых УЗ волн………… (0,5-5,0) МГц

6. Погрешность измерения коэффициента

затухания продольных УЗ волн………………….≤10% (1000≤ αL ≤2000 дБ/м)

…….……………≤5% (5≤ αL ≤1000 дБ/м)

………………….≤10% (1≤ αL ≤5 дБ/м)

…….…………....≤20% (0,2≤ αL ≤1дБ/м)

7. Погрешность результата измерения

скоростей распространения

продольных УЗ волн………………………..……≤5 м/с (αL ≤400дБ/м)

....……….….......≤10 м/с (400≤ αL ≤1000 дБ/м)

………………....≤20 м/с (αL ≤2000 дБ/м)

8. Погрешность результата измерения

скорости распространения сдвиговых

УЗ волн ……………………………………….......≤ 20 м/с


Составляющие случайной и систематической погрешностей измерений обусловлены погрешностью определения ослабления УЗ колебаний, нестабильностью температуры, различием диаметров и несоосностью электродов ЕП, неплоскопараллельностью и шероховатостью рабочих поверхностей образцов и погрешностью аттестации аттенюатора.

Основные области применения ИЗУ-1: прецизионные акустические измерения в твердых средах, определение упругой неоднородности материала образца, аттестация стандартных образцов по коэффициенту затухания продольных УЗ колебаний и по скоростям распространения продольных и сдвиговых акустических волн.

Результаты измерений коэффициента затухания αL, скоростей распространения акустических волн CL, CS на установке ИЗУ-1 в образцах некоторых материалов представлены в таблице. Здесь же приведены данные по сличениям с результатами измерений, полученными для тех же образцов на установке высшей точности для воспроизведения скоростей распространения продольных и сдвиговых УЗ волн УВТ 39-А-86 [12]. В таблице символ (Р) соответствует резонансному методу измерений, (Э) – эхо-импульсному методу, (У) – установке высшей точности.



Материал

Частота F, МГц

αL, дБ/м

CL, м/с

CS, м/с

Плавленый кварц,

толщина h=25,003 мм



1,0

5,0

10,0


15,0


25,0

0,3±0,1 (Р)

0,4±0,2 (Р)

0,7±0,2 (Р)

1,0±0,5 (Э)

0,9±0,2 (Р)

1,2±0,5 (Э)

1,2±0,2 (Р)

1,9±0,5 (Э)

5974±3 (Р)

5970±8 (Э)

5975,1±0,5 (У)

-

-

-

-


-

3700±70 (Э)

3724±2 (У)

-

-

-

-


Сталь 40Х13 (состояние

поставки), h=15,052 мм



1,0

4,0


6,0


9,0

12,0

15,0

0,27±0,1 (Р)

13,9±0,3 (Р)

14,5±1 (Э)

69±1 (Р)

70±2 (Э)

236±4 (Э)

530±10 (Э)

930±20 (Э)

6047±3 (Р)

6055±8 (Э)

6046,9±0,5 (У)

-

-

-

-

-

-

3250±70 (Э)

3273±2 (У)

-

-

-

-

-

Латунь Л63

(состояние

поставки), h=15,057 мм



1,0

2,0


5,0


7,5

9,0

2,0±0,2 (Р)

12,5±0,3 (Р)

14±1 (Э)

151±2 (Р)

155±5 (Э)

548±10 (Э)

920±20 (Э)

4443±3 (Р)

4440± 8 (Э)

4446,2±0,5 (У)

-

-

-

-

-

2106±70 (Э)

2206±2 (У)

-

-

-

-

Сплав Д16, h=1,000 мм



3,20

6,41

12,81

19,22

25,6

3,9±0,2 (Р)

7,7±0,3 (Р)

23,0±0,5 (Р)

63±1 (Р)

113±2 (Р)

6406±3 (Р)

6410±8 (Э)

6408±6 (У)

-

-

-

3100±70 (Э)

3090±12 (У)

-

-

Сплав Д16Т, h=100,0 мм



1,0

5,0


10,0


15,0


1,2±0,2 (Р)

5,1±0,2 (Р)

6,0±0,5 (Э)

17,4±0,3 (Р)

17,0±1 (Э)

38,5±0,5 (Р)

40±2 (Э)

113±2 (Р)

110±5 (Э)

6408±3 (Р)

6410±5 (Э)

6411±0,3 (У)

-

-

-

-

-

-

-

3070±50 (Э)

3098±0,3 (У)

-

-

-

-

-

-



Литература


1. В.Г. Щербинский. Ультразвуковая дефектоскопия: вчера, сегодня, завтра. В мире неразрушающего контроля. 2002, №4 (18), с. 6-9.

2. Ю.В. Ланге. Многослойные конструкции и изделия из пластиков. В мире неразрушающего контроля. 2002, №4 (18), с. 21-23.

3. В.Л. Цветянский. О прохождении ультразвуковых колебаний через контактный слой при акустических исследованиях твердых тел. Акустический журнал. 1981, №4, с. 610-615.

4. D. Vincent. Influence of vearplate and coupling lager thickness of ultrasonic velocity measurement. Ultrasonic. 1987, №4, p. 237-243.

5. В.И. Архипов, А.И. Кондратьев. Исследование прохождения ультразвукового импульса через слой жидкости. Дефектоскопия. 1994, №4, с. 21-25

6. Неразрушающий контроль. Справочник: В 7 томах. Под общ. ред. В.В. Клюева. Том.3: Ультразвуковой контроль/И.Н. Ермолов, Ю.В. Ланге. Машиностроение. 2004, 864 с.

7. А.Н. Бондаренко, Ю.Б. Дробот, А.И. Кондратьев. Прецизионные акустические измерения оптическими и емкостными методами.- Владивосток: ДВО АН СССР. 1990, 240 с.

8. А.И. Кондратьев, В.А. Луговой. Датчик акустических сигналов для высокоточных измерений. Дефектоскопия. 1990, №3, с.30-38.

9. А.И. Кондратьев. Прецизионные измерения скорости и затухания ультразвука в твердых средах. Акустический журнал. 1990, Т.36, №3, с. 470-476.

10. Г.В. Пябус, В.Г. Мельканович. Установка для измерения коэффициента затухания ультразвука в твердых телах. Дефектоскопия. 1987, №2, с. 57-63.

11. В.И. Архипов, Ю.Б. Дробот, А.И. Кондратьев, В.А. Луговой. Измерение скорости продольных ультразвуковых волн емкостными преобразователями. Дефектоскопия. 1988, №2, с. 90-94

12. В.И. Архипов, А.Н. Бондаренко, Ю.Б. Дробот, В.П. Троценко. Образцовая лазерная установка для аттестации акустических мер по скорости ультразвука. Измерительная техника. 1984, №2, с. 60-62