Ультразвуковое устройство для измерения физико-механических параметров вещества

 

Изобретение относится к технике акустических измерений и может быть использовано для измерения физико-механических параметров твердых тел: модуля сдвига, коэффициента Пуассона, модуля Юнга, а также плотности материалов. Цель изобретения - повышение производительности контроля за счет обеспечения постоянного угла ввода зондирующих акустических волн. У устройстве осуществляется зондирование образца поперечной ультразвуковой волной с измерением ее скорости распространения, продольной ультразвуковой волной с измерением скорости распространения последней и коэффициента отражения продольной акустической волны. По результатам измерений определяют контролируемые параметры. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„SU „„1589198 (51)5 С 01 И 29/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ г ! й

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ П(НТ СССР (21) 4495978/25-28 (22) 17.10.88 (46) 30.08.90. Бюл. Г 32 (71) Каунасский политехнический институт им. Антанаса Снечкуса (72) Л.В.Юозонене (53) 620.179.16(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1г 913237, кл. G 01 N 29/00, 1980.

Авторское свидетельство СССР и 1191816, кл. G 01 N 29/00, 1984. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВА,(57) Изобретение относится к технике акустических измерений и может быть

Изобретение относится к технике акустических измерений и может быть использовано для измерения и контроля физико-механических параметров твердых тел: модуля сдвига, коэффициента Пуассона, модуля Юнга, а также плотности материала.

Цель изобретения - повышение производительности контроля за счет обеспечения постоянного угла ввода зондирующих акустических волн °

На Фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 — разрез второй пластины с отражателями акустических волн. .Ультразвуковое устройство для измерения Физико-механических параметров вещества содержит пьезопреобразователь 1 продольных акустических использовано для измерения физикомеханических параметров твердых тел: модуля сдвига, коэффициента Пуассона, модуля Юнга, а также плотности материалов. Цель изобретения - повышение производительности контроля за счет обеспечения постоянного угла ввода зондирующих акустических волн.

В устройстве осуществляется зондирование образца поперечной ультразвуковой волной с измерением ее скорос" ти распространения, продольной ультразвуковой волной с измерением скорости распространения последней и коэффициента отражения продольной акустической волны. По результатам измерений определяют контролируемые параметры. 2 ил. волн, акустически связанную с последним призму 2, предназначенную для преобразования продольных акустичес- (,© ких волн в поперечную зондирующую сФ акустическую волну, последовательно соединенные генератор 3 импульсов, коммутатор 4, усилитель 5 и индикатор

6 и подключенный к второму выходу коммутатора второй пьезопреобразователь 7 продольных волн, предназначенный для приема поперечных акустических волн, последовательно соединенные селектор 8 импульсов, второй усилитель 9 и измеритель 10 отношения напряжений, две плоскопараллельные пластины 11 и 12, выполненные из одинакового материала, первая из wo- . торых (пластина 11) акустически связана одной из поверхностей с второй

1589198

C

g- =are зм

72 ст, (>) = 2(") — 1; с

О (-- — с@2, с

CÒI 50 (2), где г, р, — плотности соответственно призмы и пластин 11 и 12 55 с - скорость распространения ультразвука в жидкостной призме 2 ранью призмы 2, а вторая пластина

2 акустически связана одной из поверхностей с вторым пьезопреобразо" вателем 7 продольных волн, на ее второй поверхности выполнены два разновысоких равных по площади плоскопараллельных отражателя 13 и 14 акустических волн, третий и четвертый выходы коммутатора подключены соответственно к входу первого пьезопреобраэователя продольных акустических волн к входу селектора импуг ь" второй выход которо о подключен к второму входу измерителя отношения напряжений. Кроме того,на фиг.1 и 2 изображены контролируемое изде" лие 15, траектория распространения зондирующей акустической волны 1619, изучаемой первым пьезопреобразо- 0 вателем 1, траектория распростране". ния продольной акустической волны

20-22, излучаемой вторым пьезопреобразователем 7. ультразвуковое устройство работает следующим образом.

Пьеэопреобраэователь 1, подключенный к генератору 3 импульсов через коммутатор 4, излучает продольные ультразвуковые волны 16 в призму 2, падаюц|ие на пластину 11 под углом а(, Материал призмы 2 и угол,g подбираl0T таким образом, что ультразвуко" вые волны, прошедшие через границу раздела между призмой 2 и пластиной

11 под углом 45, полностью трансфор„35 мируются в поперечные волны. В пластине 11 распространяются только поперечные .волны 17, которые, если пренебречь потерями в материалах призмы 2 и пластины 11, получают всю энергию продольных волн, излучаемых пьезопреобразователем 1. Это осуществ-, ляется при условии с., скоРость распространения . поперечных волн в пластинах 11 и 12.

В контролируемом образце 15 возбуждаются поперечные волны 18, которые преломляются под углом р, доходят до задней границы контролируемого вещества 15, преломляются в пластине 12 под углом 45, распространяются Ь виде поперечных волн 19 и падают на плоскость пьеэопреобразователя 7 под углом 45 . Сигналы с выхода последнеro усиливаются первым усилителем 5 и наблюдаются на экране индикатора (осциллографа) 6.

По калиброванной шкале индикатора 6 измеряют время t, через которое . ультразвуковые импульсы проходят путь от преобразователя 1 до пьезопреобразователя 7 ° Определяют разность времени t — - t, где to — время, определенное заранее прй отсутствии контролируемого образца 15, т.е. время прохождения ультразвуковыми импульсами расстояния в призме

2 и в пластинах 11 и 12 ° Таким образом, время прохождения пути в исследуемом образце 15 поперечными волнами t = t — - t . Тогда скорость распространения поперечных волн в веществе исслеДуемого образца определяется по формуле х + d

2 (3) с т 2 где x - -расстояние между нормалями, выведенными через точки входа и выхода луча поперечных волн из образца 15.

При определении скорости распространения продольных волн в образце

15 измеряют время с< прохождения продольными волнами расстояния Zd т.е. толщины образца в прямом и обратном направлении. Для этого пьеэопреобраэователь 7 подключают через коммутатор 4 к генератору 3 импульсов. Тогда пьезопреобразователь 7 излучает в образец 15 импульсы продольных волн, которые проходят расстояние d, отражаются от противоположной плоскости образца, возвращаются обратно к пьезопреобразователю

7, усиливаются усилителем 5 и наблюдаются на экране индикатора (осциллографа) 6. Ilo калиброванной шкале индикатора 6 измеряют время tI, че1589198 6

Из выражения коэффициента отражения ч„ на границе: пластина 5— образец 15 по Формуле

1 сы У с +

Ра Ь У 11 (6) 2d с (4) Затем определяют коэффициент отражения ч продольных волн от границы: пластйна 12 — образец 15. Пьезопреобразователь 7, подключенный через коммутатор 4 к генератору 3 импульсов, излучают в пластину 12 импульсы продольных волн 20 и 21. Половина поверхности пластины 12 граничит с воздухом, а другая половина - с исследуемым образцом 15. Отраженные от ближней отражающей поверхности пластины 12, граничащей с воздухом, и от дальней отражающей поверхности, граничащей с исследуе" мым образцом 15, ультразвуковые, импульсы 20 и 21 принимаются этим же .пьезопреобразователем 7 и подаются через коммутатор 4 на вход селектора 8 импульсов, на первом выходе которого выделяется импульс, создаваемый продольными волнами 20, а на втором - продольными волнами 21, и далее эти сигналы: первый непосредственно, второй после усиления вторым усилителем 9 подаются соответственно на второй и первый входы измерителя 10 отношения напряжений.

При этом коэффициент усиления усилителя 9 выбирают таким образом, чтобы при отсутствии контролируемого образца 15 амплитуды импульсов, по. даваемых на входы измерителя 10 отношения напряжений были равны. Тогда показание последнего при акустическом контакте пластины 12 с исследуемым образцом 15 равно коэффициенту отражения ч„ продольных волн от границы между пластиной 12 и образцом 15, падающих перпендикулярно на указанную границу.

Для определения Физико-механических параметров твердого вещества необходимо знать два из этих параметров, например, модуль сдвига р и коэффициент Пуассона

Модуль сдвига выражается фор. мулой (7) (е) с тй ст1

sin sin45 или ° (10) (12) sing = ст, х 1 2 с x+ Л* т

1 (5) рез которое импульсы продольных волн проходят двойное расстояние d. корость продольных волн определяют по формуле может быть найдено значение плотности в вещества образца 15., 1 огда из (5) и (6) следует, что

20 Подставляя значение скорости с из (3) в (8) получаем, что т

Для исключения расстояния х из последней Формулы (9), находим другое выражение скорости поперечных волн с, Из закона Снеллиуса на границе: пластина 5 - образец 15 следует, что ст 2ст1

sin p 6

Из (t О) получаем, что с = 1 2 с sin p. (11)

Подставляя значение sin р из Формулы

50 в формулу (11) получаем, что

Из (3) и (13) следует уравнение

7 1589198 8

После решения уравнения (14) полу" чаем, что

1 с = с + т2 ri (15) 5

Тогда из (4), (8) и (15) следует, что

10 и с + (16) 15

Коэффициент Пуассона 4 выражаетсй общеизвестной формулой

2 (— ") ст1 (17) 2 — 2(i. 2 сто

Из формул (4) . и (15) находим, что

2 (сь2) 2 4d ь, т,(18)

Таким образом, из выражений (16), (17) и (18) могут быть. рассчитаны па- раметры р и ), а при известности 35 последних могут быть найдены и другие физико-механические параметры, например. модуль Юнга и коэффициент всестороннего сжатия.

Формула изобретения

Ультразвуковое устройство для измерения физико-механических параметров вещества, содержащее пьеэопреобразователь продольных акустических волн, акустически связанную с ним призму, предназначенную для преобразования продольных акустических волн в поперечную зондирующую акустическую волну, последовательно соединенные генератор импульсов, коммутатор, усилитель и индикатор и подключенный к второму выходу коммутатора второй пьезопреобразователь продольных волн, предназначенный для приема поперечных акустических волн, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения производительности контроля, оно снабжено последовательно соединенными сеяектором импульсов, вторым усилителем и измерителем отношения напряжений и двумя плоскопараллельными пластинами, выполненными из одинакового материала, первая,из которых акустически связана одной из поверхностей с второй гранью призмы, а вторая пластина акустически связана одной из поверхностей с вторым пьезопреобраэователем продольных волн и на ее второй поверхности выполнены два раэновысоких равных по площади плоскопараллельных отражателя акустических волн, третий и четвертый выходы коммутатора подключены соответственно к входу первого пьезопреобраэователя продольных акустических волн и к входу селектора импульсов, второй выход которого подключен к второму входу измерителя отношения напряжений.

1%9198

ВидЯ иг.7

Составитель Г.Иаксимочкин

Техред Л. Олийнык Корректор И.Иуска

Тираж 503 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретен1:ям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, И-35, Раушс:,ая наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Редактор И.Середа

Заказ 2538

Ц

И