Способ определения акустических характеристик протяженных объектов непосредственно в процессе деформирования

(51)5 6 01 й 29/О ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ИЯ рское дела 42, М 4 7,М 9,ОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И,ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Специализированное конструбюро с опытным производствомтеплофизики АН УЗССР(56) Заводская лаборатория, 1976, тс, 447-458.Заводская лаборатория, 1981,тс. 71,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОТЯЖЕННЫХОБЪЕКТОВ НЕПОСРЕДСТВЕННО В ПРОЦЕССЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ Изобретение относится к техникеакустических измерений и может быть использовано для определения физико-механических свойств протяженных объектов типа полимерных волокон, нитей, пленок в виде узкой ленты и т.п. путем измерения их акустических характеристик (скорости С распространения и коэффициента затухания акустических колебаний),Известен способ определения коэффициента затухания УЗ-импульсов, заключающийся в том, что в исследуемом образце, находящемся в равновесном состоянии, при котором акустические характеристики не изменяются с течением времени (постоянны во времени), возбуждают УЗ-импульсы и последовательно в двух точках, расположенных в одном направлении от точки воз(57) Изобретение относится к измерению акустических характеристик объектов. Целью изобретения является повышение информативности контроля за счет обеспечения измерения текущих значений как скорости распространения, так и коэффициента затухания акустических колебаний, В ненагруженном протяженном объекте на заданной базе осуществляют возбуждение и прием импульсов акустических колебаний и измерение скорости распространения, коэффициента затухания и амплитуды принятых колебаний на той же базе. С помощью измеренных величин определяют текущие значения скорости распространения и коэффициента затухания акустических колебаний в деформируемом объекте, 2 ил буждения УЗ-импульсов, но на различных ф расстояниях от нее, измеряют амплитуду 4 УЗ-импульсов и по отношению амплитуд и д расстоянию между точками приема сигнала СО определяют коэффициент затухания УЗ. дОднако этот метод невозможно использовать для определения акустических характеристик непосредственно в процессе непрерывного деформирования образца, поскольку для последовательного измерения амплитуды УЗ-импульса в первой и за- д тем во второй точках образца требуется определенное время (например, 10-20 с,).Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является двухдатчиковый способ определения акустических характеристик протяженных объектов непосредственно в процессе деформирования, заключающийся в том, что в одной точке исследуемого образца возбуждают УЗ- импульсы и в другой точке, расположенной на некотором расстоянии от точки излучения, принимают их, образец деформируют и в процессе деформирования синхронно регистрируют значение относительной деформации и время задержки сигнала, по значениям которых определяют скорость распространения УЗ-импульсов. Известный способ позволяет определять, как скорость распространения С, так и коэффициент а затухания УЗ-импульсов в предварительно деформированном образце (образец после деформирования выдержан в этом состоянии некоторое время тдо начала измерений) путем измерения времени (т) распространения и амплитуды (О) УЗ- импульсов последовательно в двух его точках, т,е. методом переменной базы, Это ограничение, т.е. необходимость выдержки образца в деформированном состоянии до начала измерений, объясняется тем, что при деформировании образец из равновесного состояния переходит в неравновесное состояние, В этом состоянии акустические характеристики образца, следовательно и параметры (О, т) УЗ-импульсов, являются переменными (во времени) величинами. С течением времени образец из неравновесного состояния возвращается в равновесное (отличающееся от начального равновесного состояния), т.е. протекает релаксационный процесс. Этот процесс в зависимости от исследуемого материала, температуры, величины относительной деформации Е и ряда других факторов длится определенное время то, называемое временем релаксации, Если к измерениям акустических характеристик известным методом приступить до завершения релаксационных процессов, то результаты будут неточными, а в некоторых случаях абсолютно невозможными, Это объясняется тем, что для измерения амплитуды и времени распространения УЗ-импульса согласно известной методике последовательно в двух точках образца требуется определенное конечное время, за которое изменяется значение измеряемых параметров (О, т) сигнала, Поэтому для определения а и известным и описанным методом переменной базы к измерениям приступают после выдержки образца в деформированном состоянии некоторое время т то(гдето - время релаксации). Следовательно метод переменной базы пригоден лишь для определения акустических характеристик исходного (недеформированного) или предварительно деформирован ного образца.Таким образом, способ позволяет определять скорость распространения УЗ-им пульсов непосредственно в процесседеформирования образца (при постоянной базе) и методом переменной базы в предварительно деформированном образце. Однако этот способ не позволяет определять 10 значение коэффициента затухания УЗ-импульсов непосредственно в процессе непрерывного деформирования исследуемого образца. Таким образом, налицо ограниченные информативные возможности извест ного способа.Цель изобретения - повышение информативности способа.Указанная цель достигается тем, чтовозбуждают в одной точке объекта импуль сы акустических колебаний, принимают вовторой точке, отстоящей от первой на расстоянии ., прошедшие через объект колебания, деформируют объект, синхронно измеряют в процессе деформирования от носительную деформацию я объекта и время с распространения акустических колебаний в объекте от точки излучения до точки приема и определяют с помощью измеренных величин текущее значение скоро сти С распространения акустическихколебаний, до начала деформирования измеряют исходные значения скорости С распространения, коэффициента а затухания и амплитуды О принятых акустических коле баний, в процессе деформирования синхронно с относительной деформацией я и временем т дополнительно измеряют текущее значение амплитуды О принятых акустических колебаний, а текущее значение 40 коэффициента а затухания акустических колебаний определяют из выраженияа 1+я (т+е)где С - скорость распространения акустических колебаний в недеформированном образцеС=а (1+ е) й,- расстояние между точками излучения и приема на недеформированном обьекте;е - относительная деформация объекта; О, О - амплитуда принятых акустиче/ских колебаний для недеформированного и деформированного объектов соответственно;р - плотность материала объекта;10 15 20 25 2- акустическое сопротивление излучателя и приемника колебаний.На фиг. 1 представлена блок-схема установки для осуществления способа; на фиг. 2 - результаты измерения в примере реализации способа,Установка для осуществления способасодержит исследуемый объект 1, блок 2 деформирования, приемный и излучающий акустические преобразователи 3 и 4, блок 5 регистрации, милливольтметр.6 импульсного тока, частотомер 7 и генератор 8 зондирующих импульсов.Способ осуществляют следующим образом.Пусть излучатель и приемник акустических колебаний установлены на расстоянииодин от другого и к электродам излучателя подаются электрические импульсы напряжением, равным Ч. В излучателе электрические импульсы преобразовываются в упругие колебания амплитудой 01 определяемой соотношением01= КЧ,где К - коэффициент преобразования излучателя.Поскольку объект контактирует с преобразователем (его пьезоэлементом или звукопроводом, если он оснащен им), то упругие колебания последнего частично передаются в исследуемый материал. Амплитуда упругих колебаний Оо в случае идеального акустического контакта определяется формулойО = 01 О 1= КЧО 1, (1) где 01 = 22/(2+ 21) - коэффициент преломления (прохождения волны по давлению);2 = р С - волновое (акустическое) сопротивление исследуемого материала;21 - волновое сопротивление преобразователя,Обеспечить идеальный акустический контакт между преобразователем и объектом почти невозможно. Поэтому вследствие потери энергии на их границе амплитуда волны в объекте всегда меньше амплитуды, определяемой формулой (1), т.е. она равнаОо=0101 С = КЧ 01(2) где Р - затухание волны на границе раздела излучатель-объект.Волна по мере удаления от точки возбуждения затухает. Поэтому ее амплитуда Ог на другом торце объекта, граничающем с приемником, определяется формулой(3) где .- расстояние между преобразователями (длина исследуемого участка объекта);а - коэффициент затухания волны. 30 35 40 45 50 55 На границе раздела объект-приемник,также как и на границе излучатель-объект,волна из образца частично проходит в приемный преобразователь. Амплитуда Оз прошедшей волны определяется аналогичноформуле (2):Оз= Ог Ог Ггде Ог = 221/7+ 21) - коэффициент преломления волны;) - затухание волны на границе объектприемник.Амплитуда О электрического сигнала навыходе (электродах) приемника равнаО = МОггде М - коэффициент преобразования приемника,Таким образом, параметры сигнала навыходе приемника, установленного на расстоянииот точки возбуждения волны, определяются напряжением Ч электрическогосигнала излучателе, коэффициентом а затухания и скоростью С распространенияволны, длинойобъекта, затуханием волныпри переходе от излучателя к объекту р и отобъекта к приемнику , коэффициентамипреобразования излучателя К и приемникаМ, волновыми сопротивлениями образца рС и преобразователей 2 т.е. зависимостью,получаемой из формул (1) - (5)0=4 КМ Ч 221/(21+2)г ехр(а + В+1;(6) г= /Сгде 1 - время задержки сигнала.Аналогичные зависимости можно получить и для материалов, находящихся в неравновесном (деформированном) состоянии, Величины, измеренные в процессе деформирования (в неравновесном состоянии) отмечены штрихом, т,е.:01=4 КМ Ч 2 21/Д 1+2)г ехр(а 1 + Р+, гдето = /С 1; 1. = Ц 1+ е); 2" = р С:Д 4Таким образом, предварительно определяя акустические характеристики (С, а) исходного исследуемого объекта и измеряя параметры акустического импульса в точке объекта, расположенной на расстоянииот точки излучения, 1 до (О, 1) и в процессе деформирования (О, т ), а также осуществляя синхронную регистрацию относительной деформации е исследуемого объекта, по формуле (8) можно определять неравновесные значения акустических характеристик материала,П р и м е р. Проводят эксперимент, в котором в качестве исследуемого объекта выбрана капроновая мононить (плотность р= 1,14 х 10, диаметр а= 0,2 мм),Установка для реализации предлагаемого способа работает следующим образом.С генератора 8 зондирующие импульсы поступают на вход запуска частотомера 7 и на вход излучающего преобразователя 4, в котором электрический сигнал преобразуется в механические колебания, которые, распространяясь по исследуемому объекту 1, достигают приемного преобразователя 3, Приемный преобразователь 3 преобразует механические колебания в электрический сигнал, который поступает на милливольтметр 6 импульсного тока, измеряющий амплитуду принимаемого сигнала, и на вход останова частотомера 7, измеряющего время прохождения зондирующих импульсов через исследуемый объект 1. Блок 2 деформирования (разработка авторов), позволяет деформировать исследуемый объект 1 в заданном режиме (например, растягивать с постоянной скоростью).Информация об относительной деформации (я), амплитуда (О ) и времени распространения зондирующих импульсов (т ) с выходов блоков 2, 6 и 7 поступает на соответствующие входы блока 5 регистрации, где происходит синхронная регистрация.Акустические преобразователи 3 и 4, выполненные подвижными с целью сохранения акустического контакта во время деформирования, специально разработаны для такого рода испытаний. В качестве генератора 8 зондирующих импульсов используют генератор импульсов Г 5-15, частотомер 7 - ф 5035, милливольтметр импульсного тока 6 - В 4-12.Блок регистрации 5 состоит из самописца Н-4 и цифропечатающего устройства,Способ осуществляют следующим образом.Жестко закрепив один конец исследуемого объекта 1, второй его конец заправляют в блок 2 деформирования. Осуществляют акустический контакт между преобразователями 3 и 4 и исследуемым объектом 1, причем расстояние между преобразователями 3 и 4= 0 2 м, Частота заполнения зондирующих импульсов 50 кГц. Измеряют амплитуду и время распространения зондирующих импульсов: О = 350 мВ; т = 84 мкс,Перемещают преобразователь 3 в сторону преобразователя 4 на расстояние (. =10 0,1 м и измеряют амплитуду зондирующихимпульсов 01 = 530 мВ. По формулама = -,-и (0/О); С = - ,1где Ж.= 1 - 11,рассчитывают исходные коэффициент затухания и скорость распространения акустических, например, УЗ-колебаний внедеформированном объекте, которые равны; а= 4,15 Нп/м;, С = 2380 м/с.Преобразователь 3 возращают в исходное положение, в котором= 0,2 м; О = 350 мВ; 1 = 84 мкс. Затем осуществляют непрерывное деформирование исследуемого объ 15 екта 1 при помощи блокареормирования2 (со скоростью е = 2,4 10 с ) и синхроннорегистрировали е, О и 1 в процессе деформирования объекта. По измереннымзначениям е, О и 1 рассчитали коэффици 20 ент а затухания и скорость С распространения акустических колебаний, напримерУЗ по предлагаемой формуле (8), Результатыизмерения в виде зависимости(кривая 1) и - С (кривая 2) от е (гдеЬа ЛСЛа =а" - а;ЬС = С - С) представленына фиг. 2,Кривые 1 и 2 представляют собой последовательность непрерывных экспериментальных точек, соответствующих различнымзначен ия м (запись осуществля ют с и омощью многоканального самописца), Крометого, эти кривые представляют собой зависимость мгновенных (г= О) значений35 Ла ЛСи - - 0 т ,Из фиг. 2 следует, что изменение коэффициента затухания УЗ-колебаний (кривая40 1) в процессе деформирования объектапроисходит более сложным образом посравнению с изменением скорости распространения волны (кривая 2). Последняя непрерывно растет при я = 12 относительно45 изменения скорости достигает 570 , Коэффициент затухания УЗ-колебаний в началестадии деформирования объекта (до е 1%)незначительно уменьшается и при е = 1%Лавеличина,достигает значения, равного-1,70(знак минус означает, что коэффициент затухания УЗ-колебаний в нагруженномобъекте становится меньше, чем в ненагруженном, т,е. аа). Затем при 1% е=2,4%55 относительное изменение коэффициентазатухания растет и при е= 2,40 относительное изменение коэффициента затухания.УЗколебаний ( ) достигает 18,9%. ДалееЛаЬапроисходит опять уменьшение , и при12% значение достигает - 67%.ЬаПоскольку коэффициент а затухания и 5скорость С распространения УЗ-колебанийв целом в исследуемом объекте зависят какот значения деформации е, так и от промежутка времени г; в течение которого объектнаходится в деформированном состоянии, в 10качестве иллюстрации этого эффекта нафиг. 2 приведены также зависимости иЛаот е при х = 10 мин (соответственноЬСкривые 3 и 4). Для этого, объект деформируется на 0 5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4 0; 5 0; 6 07,08,0; 9,0; 10,0; 11,0; 12,0%, а значения Ои с при каждом е регистрируют спустя 10мин. 20Из фиг, 2 видно, что мгновенные (при т=О) и квазистатические (при10 мин) значеЬа ЬСния засимос и - - от е сильно отличаются одно от другого. Это еще раз 25указывает на необходимость определения аи С в процессе деформирования объекта,т.е, при т= О.На фиг. 2 для сопоставления приведенырезультаты (экспериментальыне точки 5) измерения коэффициента затухания УЗ-колебаний в предварительно деформированном на2; 4; 6; 8; 10; 12% объекте (после выдержки10 мин) известным методом переменнойбазы. Из фиг, 2 видно, что эти результаты в 35пределах точности 3-5% совпадают с результатами, полученными предлагаемымспособом (кривая 3).Оценка погрешности определения акустических характеристик непосредственно 40в процессе деформирования показала, чтоскорость распространения УЗ-колебанийопределяется с точностью 1%, а коэффициент затухания 10%,45Таким образом, доказана возможностьпо предлагаемой методике измерения припомощи двух датчиков определять коэффициент затухания УЗ-колебаний непосредст 50 венно в процессе деформирования объектов.Формула изобретения Способ определения акустических характеристик протяженных объектов непосредственно в процессе деформирования, заключающийся в том, что возбуждают в одной точке объекта импульсы акустических колебаний, принимают во второй точке, отстоящей от первой на расстоянии , прошедшие через объект колебания, деформируют объект, синхронно измеряют в процессе деформирования относительную деформацию я объекта и время т распространения акустических колебаний в объекте от точки излучения до точки приема и определяют с помощью измеренных величин текущее значение скорости С распространения акустических колебаний, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения информативности контроля, до начала деформирования измеряют исходные значения скорости С распространения, коэффициента а затухания и амплитуды О принятых акустических колебаний, в процессе деформирования синхронно с относительной деформацией е и временем 1 дополнительно измеряют текущее значение амплитуды О принятых акустических колебаний, а текущее значение коэффициента а затухания акустических колебаний определяют из выраженияа 1ос е сг 2где С - скорость распространения акустических колебаний в недеформированном объекте;С=Ц 1+е )/т;- расстояние между точками излучения и приема на недеформированном объекте;О, О - амплитуда принятых акустических колебаний для недеформированного и деформированного объектов соответственно;р- плотность материала объекта;Е - акустическое сопротивление излучателя и приемника колебаний.1718107 б ректор Н,Ревск Тех Редакто оргентал ола изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 Заказ 877 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5