Вимірювання фазової швидкості ультразвуку як спосіб визначення напружень та утоми конструкційних матеріалів

Матеріал статті направлений на вирішення проблеми оцінки механічних напружень і степені утоми матеріалів шляхом високоточного з похибкою не гірше 0,01 % вимірювання фазової швидкості розповсюдження ультразвукового сигналу. Описано метод визначення часового запізнення ультразвукового сигналу та дов...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2009
Автор:	Маєвський, С.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2009
Назва видання:	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
Теми:	Неразрушающий контроль
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103451
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Вимірювання фазової швидкості ультразвуку як спосіб визначення напружень та утоми конструкційних матеріалів / С.М. Маєвський // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2009. — № 3. — С. 51-55. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-103451
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1034512025-02-09T09:44:00Z Вимірювання фазової швидкості ультразвуку як спосіб визначення напружень та утоми конструкційних матеріалів Measurement of ultrasound phase velocity as a method to determine stresses and fatigue of structural materials Маєвський, С.М. Неразрушающий контроль Матеріал статті направлений на вирішення проблеми оцінки механічних напружень і степені утоми матеріалів шляхом високоточного з похибкою не гірше 0,01 % вимірювання фазової швидкості розповсюдження ультразвукового сигналу. Описано метод визначення часового запізнення ультразвукового сигналу та довжини шляху його розповсюдження шляхом вимірювання кумулятивних фазових зсувів ультразвукових сигналів, що розповсюджуються за двома близько розташованими траекторіями. This article is direct to evaluation of mechanical stress and fatique of materials by ultrasonic phase velocity precise (0,01 %) measurement. Determination of ultrasonic time delay and length propagation by measurement of cumulative phase sheeft of two ultrasonic near propagated signals is described. Рассмотрена возможность определения скорости распространения продольных УЗ колебаний с заданной точностью, измеряя временную задержку и длину пути распространения колебаний на основе измерения кумулятивных фазовых сдвигов этих колебаний. Подробно описаны методы фазовых измерений радиоимпульсных УЗ колебаний, требования к длительности этих колебаний, а также методы определения числа целых фазовых циклов в значениях кумулятивных фазовых сдвигов. 2009 Article Вимірювання фазової швидкості ультразвуку як спосіб визначення напружень та утоми конструкційних матеріалів / С.М. Маєвський // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2009. — № 3. — С. 51-55. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. 0235-3474 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103451 621.19.14 uk Техническая диагностика и неразрушающий контроль application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Неразрушающий контроль Неразрушающий контроль
spellingShingle	Неразрушающий контроль Неразрушающий контроль Маєвський, С.М. Вимірювання фазової швидкості ультразвуку як спосіб визначення напружень та утоми конструкційних матеріалів Техническая диагностика и неразрушающий контроль
description	Матеріал статті направлений на вирішення проблеми оцінки механічних напружень і степені утоми матеріалів шляхом високоточного з похибкою не гірше 0,01 % вимірювання фазової швидкості розповсюдження ультразвукового сигналу. Описано метод визначення часового запізнення ультразвукового сигналу та довжини шляху його розповсюдження шляхом вимірювання кумулятивних фазових зсувів ультразвукових сигналів, що розповсюджуються за двома близько розташованими траекторіями.
format	Article
author	Маєвський, С.М.
author_facet	Маєвський, С.М.
author_sort	Маєвський, С.М.
title	Вимірювання фазової швидкості ультразвуку як спосіб визначення напружень та утоми конструкційних матеріалів
title_short	Вимірювання фазової швидкості ультразвуку як спосіб визначення напружень та утоми конструкційних матеріалів
title_full	Вимірювання фазової швидкості ультразвуку як спосіб визначення напружень та утоми конструкційних матеріалів
title_fullStr	Вимірювання фазової швидкості ультразвуку як спосіб визначення напружень та утоми конструкційних матеріалів
title_full_unstemmed	Вимірювання фазової швидкості ультразвуку як спосіб визначення напружень та утоми конструкційних матеріалів
title_sort	вимірювання фазової швидкості ультразвуку як спосіб визначення напружень та утоми конструкційних матеріалів
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Неразрушающий контроль
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/103451
citation_txt	Вимірювання фазової швидкості ультразвуку як спосіб визначення напружень та утоми конструкційних матеріалів / С.М. Маєвський // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. — 2009. — № 3. — С. 51-55. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.
series	Техническая диагностика и неразрушающий контроль
work_keys_str_mv	AT maêvsʹkijsm vimírûvannâfazovoíšvidkostíulʹtrazvukuâksposíbviznačennânapruženʹtautomikonstrukcíjnihmateríalív AT maêvsʹkijsm measurementofultrasoundphasevelocityasamethodtodeterminestressesandfatigueofstructuralmaterials
first_indexed	2025-11-25T09:56:55Z
last_indexed	2025-11-25T09:56:55Z
_version_	1849755825993678848
fulltext	УДК 621.19.14 ВИМІРЮВАННЯ ФАЗОВОЇ ШВИДКОСТІ УЛЬТРАЗВУКУ ЯК СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ НАПРУЖЕНЬ ТА УТОМИ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ С. М. МАЄВСЬКИЙ Матеріал статті направлений на вирішення проблеми оцінки механічних напружень і степені утоми матеріалів шляхом високоточного з похибкою не гірше 0,01 % вимірювання фазової швидкості розповсюдження ультразвукового сигналу. Описано метод визначення часового запізнення ультразвукового сигналу та довжини шляху його розпов- сюдження шляхом вимірювання кумулятивних фазових зсувів ультразвукових сигналів, що розповсюджуються за двома близько розташованими траекторіями. This article is direct to evaluation of mechanical stress and fatique of materials by ultrasonic phase velocity precise (0,01 %) measurement. Determination of ultrasonic time delay and length propagation by measurement of cumulative phase sheeft of two ultrasonic near propagated signals is described. Вимірювання фазової швидкості (далі просто швидкості) УЗ коливань у різноманітних середо- вищах від газів, рідин до твердих тіл знаходить широке застосування у техніці та наукових дослідженнях. Особливо велика перспектива ви- користання методу вимірювання швидкості УЗ ко- ливань лежить у плані дослідження стану твердих матеріалів і перш за все сталей, вироби з яких використовуються у силових конструкціях. Вимі- рюючи УЗ швидкість, можемо вирішити одну з найбільш актуальних проблем сучасного НК: виз- начати степінь механічних напружень матеріалу конструкцій та оцінювати запас їхньої міцності. Але при цьому вимоги до точності вимірювання швидкості різко зростають. Як показує світовий досвід [1–4], точність вимірювання швидкості роз- повсюдження УЗ коливань повинна бути не мен- шою за 10–2 %. Швидкість розповсюдження коливань є ре- зультат ділення довжини шляху, пройденого ко- ливанням, на часову затримку коливань на цьому шляху. В численних, присвячених даній проблемі, роботах увага приділяється лише питанню точ- ності вимірювання часової затримки. Вважається, що довжина шляху розповсюдження коливань має бути попередньо виміряна, наприклад, засобами лінійних вимірювань. Проте подібні вимірювання можна виконати лише в лабораторії для зразків матеріалу і практично неможливо це зробити на реальних конструкціях, що знаходяться у стані ек- сплуатації. В даній роботі питання прецизійного вимірю- вання швидкості розповсюдження УЗ коливань розглядається комплексно від вимірювання часо- вих затримок коливань до визначення довжини шляху розповсюдження ультразвуку перш за все для випадків, коли неможливо використати мето- ди та засоби лінійних вимірювань. При цьому в основі пропонованого автором методу вимірюван- ня шляху, пройденого УЗ коливаннями, теж ви- користовується прецизійно визначена затримка цих коливань. Прецизійне вимірювання затримки УЗ ко- ливань на основі когерентних перетворень сиг- налів. Розглянемо, яким чином забезпечити вимірювання часової затримки УЗ коливань з заз- наченою вище точністю. Зрозуміло, що тра- диційний метод вимірювання часової затримки збудженого п’єзоперетворювачем швидкозатуха- ючого радіоімпульсного УЗ коливання шляхом ко- дування імпульсу, обмеженого моментом збуджен- ня радіоімпульсу та моментом його приходу до п’єзоелектричного чи іншого перетворювача як приймача коливань, високої точності не забезпе- чить. Поріг нечутливості компаратора напруги (це основний засіб визначення моменту появи напруги на виході електричного тракту приймача коливань) та вплив адитивних завад обмежують точність подібного методу вимірювання затримки похибкою, що сягає 0,1%. Найбільшу потенційну точність вимірювання ча- сової затримки забезпечує фазовий метод завдяки пропорційності фазового зсуву θ гармонійних ко- ливань з коловою частотою ω часовому зсуву τ: τ = 1 ω θ. (1) З метою підвищення точності вибирають час- тоту коливань якомога більшою. Але в такому разі навіть для невеликих порівняно значень шляху розповсюдження УЗ фазовий зсув θ стає кумуля- тивним фазовим зсувом (θ = N2π + ϕpaд) і, врахо- вуючи радіоімпульсний характер коливань, не- © С. М. Маєвський, 2009 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2009 51 обхідно не тільки вимірювати фазовий зсув ϕ, де 0 ≤ ϕ ≤ 2π, але й визначати ціле значення фазових циклів 2π — число N. Ультразвуковий радіоімпульсний сигнал має бути достатньої часової довжини для можливості виконання фазових вимірювань такого сигналу відносно нульової фази опорного коливання. Тому кількість періодів несучого коливання радіоім- пульсу з урахуванням перехідних процесів на по- чатку радіоімпульсу бажано мати не менше за 15…20 і для того, щоб збуджуване радіоімпульсне УЗ коливання мало б теж нульову початкову фазу, його формуємо з сигналу опорного генератору, пропускаючи цей сигнал через відкритий на час існування радіоімпульсу електронний ключ, який відкривається у момент проходження сигналом нульового значення напруги генератору. Для зручності подальших пояснень розгляне- мо, як приклад, визначення фазової затримки УЗ сигналу при його проходженні товщини стального зразка у луноімпульсному режимі (рис. 1, а). При товщині стального зразка h для нормально введеного УЗ сигналу частоти ω луносигнал, відбитий від дна зразка, затримується в часі на величину τ. Якщо τ >> T, де T — період сигналу, то фазовий зсув вихідного сигналу чотирьохпо- люсника можемо представити як кумулятивний зсув θ = N2π + ϕ + π (0 ≤ ϕ ≤ 2π). Додатковий набіг фази π виникає при відбитті від нижнього краю зразка, який граничить з повітрям. З метою використання часової затримки в ма- теріалі для визначення швидкості ультразвуку до- датковий скачок фази за рахунок відбиття від краю зразка маємо відкинути. Тому далі викорис- товуємо значення θ як θ0 = N2π + ϕ. Часове запізнення УЗ сигналу може- мо визначити, знаючи частоту цього сигналу і фазовий зсув θ: τ = θ0 ω = N2π + ϕ ω . (2) Враховуючи те, що фазовий зсув ϕ коливання радіоімпульсного сигналу можемо вимірювати за допомогою фа- зометрів, розглянемо шляхи визначення цілого числа фазових циклів 2π у зна- ченні кумулятивного фазового зсуву. Можливі два способи виконання такого визначення [5]. Розглянемо можливість визначення числа цілих фазових циклів у значенні кумулятивного фазового зсуву шляхом вимірювань фазових зсувів вихідних сигналів на двох близьких за частотою сигналах. Частота одного з цих сигналів ω та іншого ω + Ω, де Ω << ω, вибираються, виходячи з умови збереження для обох частот незмінним значення цілого числа фазових циклів кумулятив- них фазових зсувів. Значення частот ω та ω + Ω у разі викорис- тання частотного синтезатору можуть підбирати- ся за значеннями фазових зсувів сигналів експе- риментально. Частоту ω вибираємо такою, щоб фазовий зсув луносигналу був приблизно 180…225°, а частоту ω + Ω вибираємо з умови до- сягнення фазового зсуву 270…295°. Тоді після віднімання значення фазового скачку при відбитті коливань від нижнього краю зразка матимемо фа- зові набіги за рахунок затримок у матеріалі зразка 0 ≤ ϕ ≤ 45° для частоти ω і 90 ≤ γ ≤ 115° для час- тоти ω + Ω. Враховуючи те, що отримані таким чином фа- зові зсуви сигналів на вибраних частотах знахо- дяться у межах значення фазового циклу 2π (360°), запишемо вирази для величини часової затримки сигналу на виході чотирьохполюсника для обох настільки близьких за значеннями частот сиг- налів, щоб знехтувати дисперсією швидкості роз- повсюдження цих сигналів: τ = 1 ω (N2π + ϕрад) = 1 360of (N360o + ϕo), (3) τ = 1 ω + Ω (N2π + γрад) = 1 360of (N360o + γo). (4) Прирівнявши праві частини рівнянь, знаходи- мо значення N як позитивне ціле число наступного виразу: Рис. 1. Опосередкований метод вимірювання затримок УЗ сигналів шляхом визначення кумулятивного фазового зсуву: 1 — генератор (частотний син- тезатор); 2 — ключ; 3 — п’єзоперетворювач; 4 — двохсторонній обмежу- вач рівня сигналу; 5 — підсилювач; 6 — цифровий фазометр; 7, 8 — тригерні лічильники; 9 — формувач різницевого коду; 10 — амплітудний детектор; 11 — компаратор 52 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2009 N = ⎪ ⎪ ⎪ γрадω – ϕрад(ω + Ω) 2πΩ ⎪ ⎪ ⎪ + = ⎪ ⎪ ⎪ γof – ϕo(f + F) 360oF ⎪ ⎪ ⎪ + . (5) Підставляючи значення (5) у вираз (3) або (4), визначаємо величину часової затримки сигналу: τ = 1 ω ⎪ ⎪ ⎪ γрадω – ϕрад(ω + Ω) 2πΩ ⎪ ⎪ ⎪ + 2π + ϕрад = = 1 360of ⎧ ⎨ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ γof – ϕo(f + F) 360oF ⎪ ⎪ ⎪ + 360o + ϕo⎫ ⎬ ⎭ . (6) Враховуючи високу стабільність частот сиг- налів на виході частотного синтезатору (δf ≤ 10–4), визначимо допустиму похибку вимірювання фа- зових зсувів ϕ та γ на вибраних частотах. Основні вимоги до точності вимірювання фазових зсувів ставить необхідність безпомилкового визначення значення N. Зрозуміло, що вимоги до точності тим більші, чим більше значення N. Так, для N ≤ 20 допустиме значення похибки вимірювання фазових зсувів становить ±0,5°, для N ≤ 40 похибка не повинна перевищувати ±0,2°. З подальшим зростанням числа N вимоги до точності вимірювання фазових зсувів стають нездійсненними. Розглянемо другий метод визначення кумуля- тивного фазового зсуву, який схематично предс- тавлено на рис. 1, б. Сигнал генератора і підси- лений луносигнал посилаються кожний на свій тригерний лічильник 7, 8 числа періодів коливан- ня. Число тригерів кожного лічильника вибираємо з умови (2k+1 – 1) > N, де N — число цілих значень фазових циклів 2π кумулятивного фазового зсуву луносигналу. Часова затримка вихідного луносигналу приво- дить до затримки заповнення лічильника 8 порівня- но з аналогічним заповненням лічильником 7. Різни- ця поточних кодів лічильників дорівнює кількості повних N періодів сигналів, які відповідають цілому числу фазових циклів кумулятивного фазового зсу- ву луносигналу відповідно до фази сигналу гене- ратора. Замість двох лічильників можна було б ви- користати реверсивний лічильник, вирішивши за допомогою логічних схем уникнення помилки у підрахунку періодів сигналів обох вхідних каналів у разі співпадання у часі їхніх фронтів. Використання описаного вище методу визна- чення цілого числа фазових циклів у значенні ку- мулятивного фазового зсуву набагато спрощує ви- моги до точності вимірювання фазового зсуву. Наприклад, якщо кумулятивний фазовий зсув ста- новить θ = 100⋅360° + 50°, то навіть при похибці вимірювання фазового зсуву ±2,5° відносна фа- зова похибка визначення кумулятивного фазового зсуву і таким чином часової затримки УЗ сигналу не перевищить δτ = 7⋅10–3 %. Вплив нестабільності частоти УЗ сигналу на визначення τ при виборі генератору, в якому стабілізація частоти коливання досягається за до- помогою кварцового п’єзоперетворювача, має по- рядок δτ ≤ 10–2 %. Таким чином, сумарна похибка визначення часової затримки УЗ сигналу не пе- ревищує 0,01 %. Вимірювання фазового зсуву радіоімпульсних коливань. Вимірювання фазового зсуву коливань радіоімпульсу, довжина якого складає лише 3 мкс, є непростою задачею, проте нами розроблено і ап- робовано ряд методів таких вимірювань [5]. До найбільш широковживаного методу відне- семо метод фазового детектування, який ре- алізується за допомогою фазових детекторів, нап- риклад, на основі використання подвійних балан- сних модуляторів (мікросхема МС-601R фірми «Hirose Electronics»). Постійне значення напруги на виході фазового детектору при подачі на його входи вимірювального сигналу і напруги генера- тору як сигналу з опорною (нульовою) фазою, ста- новить: U1 = kUmcosϕ. (7) Тут Um, ϕ — відповідно амплітуда і фазовий зсув вимірювального сигналу; k — коефіцієнт пропорційності, значення якого залежить від ам- плітуди сигналу опорної фази, параметрів нелі- нійності вольт-амперних характеристик діодів подвійного балансного модулятора. Для того, щоб уникнути впливу амплітуди сиг- налу на результат визначення фазового зсуву, де- що ускладнимо схему вимірювання за рахунок ви- користання другого фазового детектора з підклю- ченням на нього квадратурного за фазою сигналу опорної фази. Вихідна постійна напруга такого де- тектора становить: U2 = kUm sinϕ. (8) Маючи обидва значення напруг (7) і (8), зна- ходимо значення фазового зсуву наступним чи- ном: ϕ = arctg ⎛ ⎜ ⎝ U2 U1 ⎞ ⎟ ⎠ . (9) Враховуючи неоднозначність тригонометрич- них функцій на інтервалі фазових зсувів 0 ≤ ϕ ≤ 360° та залежність знаків напруг на виходах першого та другого фазових детекторів, визначимо правило од- нозначного визначення значення фазового зсуву: якщо U1 > 0 (7), а U2 (8) може бути як U2 > > 0, так і U2 < 0, фазовий зсув ϕ знаходиться у межах –π/2 ≤ ϕ ≤ π/2 і його значення однозначно визначається за допомогою виразу (9); ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2009 53 якщо U1 < 0, а U2 > 0, значення фазового зсуву визначається наступним чином: ϕ = arctg ⎛ ⎜ ⎝ U2 U1 ⎞ ⎟ ⎠ – π, π/2 ≤ ϕ ≤ π; (10) якщо U1 > 0, U2 > 0, значення фазового зсуву знаходимо за виразом: ϕ = arctg ⎛ ⎜ ⎝ U2 U1 ⎞ ⎟ ⎠ + π, (11) π ≤ ϕ ≤ 3/2π. Для радіоімпульсного вимірювального сигналу вихідні напруги фазових детекторів представля- ються відеоімпульсами з встановленими на пев- ному інтервалі значеннями напруг відповідно U1 та U2. Час встановлення напруг залежить від постійної часу фільтрів нижніх частот на виходах фазових детекторів (реально до 5…10 періодів вхідних сигналів). Описаний вище метод завдяки операції перем- ноження сигналів у фазових детекторах назвемо кореляційним, адже вихідна напруга фазового де- тектора пропорційна значенню кореляційної фун- кції вимірювального і опорного сигналів. Точність описаного методу фазового вимірю- вання залежить в першу чергу від точності фор- мування квадратурного за фазою сигналу зі збе- реженням незмінної амплітуди цього сигналу порівняно з сигналом опорної фази. Загальна по- хибка вимірювання фазового зсуву розглянутим методом у випадку корекції адитивної похибки шляхом підключення до входів вимірювача сиг- налів з нульовим фазовим зсувом (підключення на обидва входи одного й того ж сигналу) може сягати десятих градуса. Розглянемо інший метод вимірювання фазових зсувів, який нами названий методом імпульсно- фазового детектування. Цей метод передбачає ви- користання двох синхронних вибірок обох сиг- налів, зсунутих за часом на чверть періоду сиг- налів. Якщо представити сигнал з опорною фазою і вимірювальний сигнал гармонійними функціями u0(t) = Umo sin ωt, uC(t) = UmC sin (ωt + ϕ) , (12) то значення вибірок сигналів в довільний момент t та (t + T/4) відповідно становлять: u0(tв) = Um0 sin ωtв, u0(tв + T4 ) = Um0 cos (ωtв); (13) uC(tв) = UmC sin (ωtв + ϕ); uC(tв + T4 ) = UmC cos (ωtв + ϕ). (14) Такі значення вибірок сигналів дають мож- ливість в системі часу вибірок визначити фазу кожного з сигналів: ψ0 = arctg ⎛ ⎜ ⎝ ⎜ ⎜ u0(tв) u0(tв + T ⁄ 4) ⎞ ⎟ ⎠ ⎟ ⎟ , ψC = arctg ⎛ ⎜ ⎝ ⎜ ⎜ uC(tв) uC(tв + T ⁄ 4) ⎞ ⎟ ⎠ ⎟ ⎟ . (15) Однозначне визначення значень фаз сигналів ψ0, ψC виконується за алгоритмами (9)–(11). Різниця фаз ϕ становить: ϕ = ψC – ψ0. (16) Визначення шляху розповсюдження УЗ сиг- налу. Розглянемо можливість визначення лінійної довжини шляху проходження луносигналу при нор- мальному впровадженні ультразвуку у контрольова- не середовище за рахунок фазового методу вимірю- вання часової затримки цього луносигналу. Розгля- немо процес визначення товщини матеріалу плос- копаралельної пластини металу згідно рис. 2. Випромінювач і приймач УЗ коливань мають поперечні розміри менші за 6λ (λ — довжина хвилі коливань у середовищі контролю), що роз- ширює діаграму направленості як збудника (пе- ретворювач 1), так і приймача (перетворювач 2). Це і забезпечує прийом радіоімпульсних повздов- жніх коливань, відбитих від дна об’єкта контролю (ОК) не тільки перетворювачем 1, але й перетво- рювачем 2. Запишемо вирази для швидкості розповсюд- ження коливань відповідно до обох напрямків їх прийому. При цьому враховуємо різні величини часових затримок: τ1 — затримка прийому коли- вань перетворювачем 1, τ2 — затримка коливань, відбитих від дна і прийнятих перетворювачем 2. Рис. 2. Вимірювання товщини плоскопаралельного виробу зі сталі: 1 — прямокутний збудник-приймач коливань; 2 — пря- мокутний приймач коливань; 3 — матеріал ОК; 4 — сполу- чений акустичний перетворювач з розділеним випроміню- ванням та прийомом коливань 54 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2009 Отримана система рівнянь має вигляд: Cl = 2h τ1 , Cl = 2√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯h2 + (B ⁄ 2)2 τ2 . (17) Прирівняємо праві частини отриманих рівнянь (17) і визначимо значення h: h = B 2√⎯⎯⎯⎯⎯τ2 2 – τ1 2 . (18) Визначена товщина ОК дозволяє нам визна- чити швидкість розповсюдження УЗ коливань згідно (17): Cl = B τ1√⎯⎯⎯⎯⎯τ2 2 – τ1 2 . (19) При визначенні значень часових затримок вра- ховано додаткові набіги фазових зсувів при відбитті сигналів від дна ОК. Забезпечена висока (не менша 0,01 %) точність взаємного лінійного розміщення п’єзокерамічних пластин у конс- трукції роздільного акустичного перетворювача. За цих умов гарантована точність визначення уль- тразвукової швидкості δC = 10–2 %. Висновки Розглянутий метод визначення швидкості УЗ ко- ливань може бути інтерпретований для визначен- ня швидкості любих видів коливань у любих нап- рямках їх розповсюдження. Використовуючи фазовий метод визначення затримок коливань та довжини шляхів їх розповсюдження можемо до- сягти високої точності (не гірше 0,01 %) визна- чення УЗ швидкостей. Використовуючи подібні вимірювачі ультраз- вукової швидкості, можемо контролювати век- торні величини механічних напружень в конструк ційних матеріалах та, що головне, контролювати степінь утоми матеріалів та визначати їхній залиш- ковий ресурс міцності за величиною зміни швид- кості розповсюдження УЗ коливань. Известны методы оценки механических напря- жений, а также степени деградации внутренней структуры конструкционных материалов (уста- лости материалов) путём контроля изменений фазовой скорости высокочастотных УЗ колеба- ний. Известно, что необходимая точность таких измерений должна быть не менее 0,01 %. Это значит, что с такой точностью необходимо измерять как длину пути распространения УЗ ко- лебаний в контролируемом материале, так и время задержки этих колебаний. Рассмотрена возможность определения ско- рости распространения продольных УЗ колебаний с заданной точностью, измеряя временную задер- жку и длину пути распространения колебаний на основе измерения кумулятивных фазовых сдвигов этих колебаний. Подробно описаны методы фазо- вых измерений радиоимпульсных УЗ колебаний, требования к длительности этих колебаний, а также методы определения числа целых фазо- вых циклов в значениях кумулятивных фазовых сдвигов. Один из методов предусматривает измерение значения кумулятивного фазового сдвига УЗ радиоимпульсных колебаний на двух настолько близких частотах, чтобы можно было пренебречь дисперсией скорости колебаний. Другой метод пре- дусматривает определение числа полных фазовых циклов в значении кумулятивного фазового сдвига путем определения разницы текущих кодов двух счётчиков импульсов, на входы которых подаются непрерывный сигнал задающего генератора и вы- ходной сигнал УЗ преобразователя соответст- венно. На время существования принятого преоб- разователем отраженного от тыльной стороны контролируемого элемента конструкции радио- импульса колебаний разностный код счетчиков импульсов сохраняется неизменным. Выполненный анализ погрешностей измерений подтвердил достижимость упомянутой точнос- ти определения скорости ультразвука в эле- ментах стальных конструкций. 1. Allen D. R., Cooper W. H. B. A Fourier Transform Techni- que that measuring Phase Delay Between Ultrasonic Impul- ses with Sufficient Accuracy to Determine Residial Stresses in Metals // NDT International. — 1983. — 16, № 4. 2. Stamm H. An Overview of the Ultrasonic Detection of Creep Damage // The European J. of Non-Desnructive Testing. — 1992. — 1, № 4. 3. Крауткремер Й., Крауткремер Г. Ультразвуковой конт- роль материалов: Справ. — М.: Высш. шк., 1991. — С. 636–642. 4. Ермолов И. Н., Алешин Н. П., Потапов А. И. Неразруша- ющий контроль. — Кн. 2. — М.: Высш. шк, 1991. — С. 247–264. 5. Вимірювання різниці фаз у радіоелектроніці / М. Т. Бова, В. О. Гойжевський, С. М. Маєвський, В. В. Молебний. — Київ: Вища шк., 1972. — 262 с. Нац. техн. ун-т України «Київський політехнічний інститут» Надійшла до редакції 13.04.2009 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА И НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ, №3,2009 55

Вимірювання фазової швидкості ультразвуку як спосіб визначення напружень та утоми конструкційних матеріалів

Репозитарії

Схожі ресурси