Эталонная установка для комплексного измерения акустических параметров в конденсированных средах
Экспериментальные исследования иммерсионных вариантов измерения скорости и затухания УЗ колебаний в твердых средах. Установка для измерения коэффициента затухания и скорости распространения продольных ультразвуковых волн; структурная схема установки.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 27.10.2018 |
Размер файла | 917,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru//
Размещено на http://www.allbest.ru//
Эталонная установка для комплексного измерения акустических параметров в конденсированных средах
Базылев П.В.
Коэффициент затухания бL, 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 бL и скорости распространения CL продольных 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, бL, в отличие от установок аналогичного назначения, которые измеряют один параметр - либо CL, либо бL;
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 бL и CL используются два метода - резонансный (диапазон измерений бL ?200 дБ/м) и эхо-импульсный (бL ?2000 дБ/м). Резонансный метод основан на измерении ширины акустических спектральных линий (метод ШАСЛ) [9]. Коэффициент затухания бL 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.
акустический скорость ультразвуковой волна
Внешний вид установки (без приборной стойки) представлен на рисунке 2. Масса оригинальной части не превышает 10 кг, а ее размеры составляют (503020) см3. Стрелкой на рисунке 2 указан исследуемый образец.
Размещено на http://www.allbest.ru//
Размещено на http://www.allbest.ru//
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? бL ?2000 дБ/м)
…….……………?5% (5? бL ?1000 дБ/м)
………………….?10% (1? бL ?5 дБ/м)
…….…………....?20% (0,2? бL ?1дБ/м)
7. Погрешность результата измерения
скоростей распространения
продольных УЗ волн………………………..……?5 м/с (бL ?400дБ/м)
....……….….......?10 м/с (400? бL ?1000 дБ/м)
………………....?20 м/с (бL ?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 бL, 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 |
бL, 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
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Измерения в режиме медленно изменяющегося внешнего магнитного поля. Обоснование и расчет элементов измерительной установки. Перемагничивание в замкнутой магнитной цепи. Требования к системе измерения магнитной индукции. Блок намагничивания и управления.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 29.03.2015Методика косвенного измерения скорости полета пули с помощью баллистического маятника. Закон сохранения полной механической энергии. Определение скорости крутильных колебаний. Формула для расчета погрешности измерений. Учет измерения момента инерции.
лабораторная работа [53,2 K], добавлен 04.03.2013Исследование распространения акустических возмущений в смесях жидкости с газовыми пузырьками с учетом нестационарных и неравновесных эффектов межфазного взаимодействия. Расчет зависимости фазовой скорости и коэффициента затухания в пузырьковой жидкости.
курсовая работа [433,2 K], добавлен 15.12.2014Основные принципы геометрической оптики. Изучение законов распространения световой энергии в прозрачных средах на основе представления о световом луче. Астрономические и лабораторные методы измерения скорости света, рассмотрение законов его преломления.
презентация [1,5 M], добавлен 07.05.2012Анализ скорости звука в металлах методом их соударения, измерения времен соприкосновения и распространения волны. Измерения при соударении стержней одинаковых по размерам и материалу, из одинакового материала и одинакового сечения, но разной длины.
лабораторная работа [203,1 K], добавлен 06.08.2013Физические основы ультразвука — упругих колебаний, частота которых превышает 20 КГц , распространяющихся в форме продольных волн в различных средах. Явление обратного пьезоэлектрического эффекта. Медицинские области применения ультразвуковых исследований.
контрольная работа [88,0 K], добавлен 06.01.2015Основные методы описания распространения электромагнитных волн в периодических средах с использованием волновых уравнений. Теории связанных волн, вывод уравнений. Выбор метода для описания генерации второй гармоники в периодически поляризованной среде.
дипломная работа [1,1 M], добавлен 17.03.2014Изучение свойств рассеяния оптического излучения в конденсированных средах в результате его взаимодействия собственными упругими колебаниями. Уравнения полей и гидродинамики в жидкостях. Решение укороченных уравнений с учетом стрикционной нелинейности.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 24.06.2015Физические основы действия ультразвуковых волн на вещество. Низкочастотный и высокочастотный ультразвук. Хирургическое применение ультразвука. Эффект Доплера, применение для неинвазивного измерения скорости кровотока. Вибрации, физические характеристики.
контрольная работа [57,9 K], добавлен 25.02.2011Общие характеристики колебаний, их виды, декремент затухания, добротность колебательной системы. Уравнение собственных затухающих колебаний физического и пружинного маятников. Сущность периодического и непериодического механизма затухающих колебаний.
курсовая работа [190,0 K], добавлен 13.11.2009Мостовой и косвенный методы для измерения сопротивления постоянного тока. Резонансный, мостовой и косвенный методы для измерения параметров катушки индуктивности. Решение задачи по измерению параметров конденсатора с использованием однородного моста.
контрольная работа [156,9 K], добавлен 04.10.2013Определение мощности лазерного излучения, подаваемого на образец. Вычисление размеров лазерного пучка на образце. Разработка системы измерения мощности излучения и длительности лазерного импульса, системы измерения температуры в зависимости от времени.
лабораторная работа [503,2 K], добавлен 11.07.2015Разработка измерительного канала для контроля расхода воды через водогрейный котел: выбор диафрагмы, установка дифманометра, учет погрешностей измерения. Расчет схемы автоматического моста КСМ-4, работающего в паре с термометром сопротивления ТСМ (50).
курсовая работа [1,1 M], добавлен 07.03.2010Определение понятия свободных затухающих колебаний. Формулы расчета логарифмического декремента затухания и добротности колебательной системы. Представление дифференциального уравнения вынужденных колебаний пружинного маятника. Сущность явления резонанса.
презентация [95,5 K], добавлен 24.09.2013Методики, используемые при измерении температур пламени: контактные - с помощью термоэлектрического термометра, и бесконтактные - оптические. Установка для измерения. Перспективы применения бесконтактных оптических методов измерения температуры пламени.
курсовая работа [224,1 K], добавлен 24.03.2008Исследование кинетики затухания замедленной флуоресценции 1,2-бензпирена в додекане и коронена в н.-октане. Статистический разброс константы скорости дезактивации триплетных возбуждений. Модель затухания замедленной флуоресценции данных систем.
статья [36,1 K], добавлен 16.03.2007Материалы активной зоны. Тяжелая авария в реакторе. Установка для моделирования тяжелой аварии. Методика гидростатического взвешивания для измерения плотности твёрдых материалов. Средства измерения температуры. Рентгеновский фазовый структурный анализ.
дипломная работа [4,7 M], добавлен 17.05.2015Определение основных геометрических параметров деталей лабораторной установки, предназначенной для создания и измерения растягивающего усилия. Работа с математической моделью рукоятки, винта, гайки, пружины, передачи. Расчет подшипников и рычага.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 27.02.2015Импульсный метод измерения дальности и частоты сигнала. Оценка амплитуды детерминированного сигнала. Потенциальная точность измерения угловых координат. Задача нелинейной фильтрации параметров сигнала. Оптимальная импульсная характеристика фильтра.
реферат [679,1 K], добавлен 13.10.2013Основные законы и правила распространения звуковых волн в различных средах, виды звуковых колебаний и их применение. Основные объективные и субъективные характеристики, скорость распространения, интенсивность. Эффект Доплера, ультразвук и инфразвук.
реферат [38,4 K], добавлен 24.06.2008