RU2652520C1 - Устройство для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках - Google Patents
Устройство для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках Download PDFInfo
- Publication number
- RU2652520C1 RU2652520C1 RU2016152459A RU2016152459A RU2652520C1 RU 2652520 C1 RU2652520 C1 RU 2652520C1 RU 2016152459 A RU2016152459 A RU 2016152459A RU 2016152459 A RU2016152459 A RU 2016152459A RU 2652520 C1 RU2652520 C1 RU 2652520C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- acoustic
- velocities
- receiver
- acoustic waves
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 title claims abstract description 10
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000003121 nonmonotonic effect Effects 0.000 description 1
- JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N phencyclidine Chemical compound C1CCCCN1C1(C=2C=CC=CC=2)CCCCC1 JTJMJGYZQZDUJJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 1
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 1
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H5/00—Measuring propagation velocity of ultrasonic, sonic or infrasonic waves, e.g. of pressure waves
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Использование: для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках содержит импульсно-модулированный лазер, соединенный через оптоволокно с оптико-акустическим преобразователем, а также пьезоприемник, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к компьютеру, причем контролируемый объект расположен между оптико-акустическим преобразователем и пьезоприемником, при этом устройство дополнительно содержит второй пьезоприемник, который выполнен в виде плоского кольца, совмещенного осесимметрично с оптико-акустическим преобразователем, и соединен с аналого-цифровым преобразователем. Технический результат: повышение информативности оптико-акустического метода исследования и контроля механических и структурных свойств материалов и элементов конструкций как в свободном состоянии, так и под квазистатической или циклической нагрузкой. 3 ил.
Description
Изобретение относится к области методов неразрушающего контроля материалов и может быть использовано для исследования и контроля физико-механических характеристик материалов и элементов конструкций, их внутренней структуры и изменений геометрических размеров при различных нагрузках.
Известно устройство для исследования образцов с помощью ультразвука [1], содержащее импульсный лазер для получения высокочастотного импульса оптического излучения, оптическое волокно для передачи оптического излучения на образец и пьезоприемник для регистрации ультразвука, который передается в пьезоприемник через акустическую среду. Недостаток этого устройства в том, что оптико-акустическое преобразование осуществляется в образце, а значит, генерируемый акустический сигнал различен для различных материалов и не может быть использован для сравнительного анализа. Более того, сигнал поступающий в пьезоприемник, несет в себе не только информацию об материале образца, но и зависит от свойств и качества связующей акустической среды.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для лазерно-акустического контроля твердых материалов, содержащее импульсно-модулированный лазер, соединенный с оптическим волокном, торец которого направлен на оптико-акустический преобразователь, расположенный над поверхностью исследуемого материала, и пьезоприемник, помещенный с обратной стороны исследуемого материала и соединенный через усилитель и аналого-цифровой преобразователь с компьютером [2].
К недостаткам известного устройства следует отнести получение информации только об продольных акустических волнах, проходящих через образец, что ограничивает возможность контроля упругопластических характеристик материала при нагружении образца.
Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение информативности оптико-акустического метода исследования и контроля механических и структурных свойств материалов и элементов конструкций как в свободном состоянии, так и под квазистатической или циклической нагрузкой.
Для достижения указанного технического результата в устройстве, содержащем импульсно-модулированный лазер, соединенный через оптоволокно с оптико-акустическим преобразователем, а также пьезоприемник, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к компьютеру, при этом контролируемый объект расположен между оптико-акустическим преобразователем и пьезоприемником, дополнительно включен второй пьезоприемник, который выполнен в виде плоского кольца, совмещенного осесимметрично с оптико-акустическим преобразователем, и соединен с аналого-цифровым преобразователем.
Сущность изобретения поясняется на Фиг. 1-3.
На Фиг. 1 приведена схема устройства для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках.
На Фиг. 2 представлены сигналы от пьезоприемников, регистрирующих акустические импульсы продольной волны (L) и поверхностной волны Рэлея (R) в плоском образце из стали 12Х18Н10Т. (OS - импульс акустического воздействия на образец оптико-акустическим преобразователем; RW - сигнал с пьезоприемника в виде кольца (4); LW - сигнал с плоского пьезоприемника (5)).
На Фиг. 3 приведено зависимость продольной деформации ε и коэффициента поперечной деформации vtd от напряжений σ при растяжении плоских образцов титана ВТ1.
Устройство содержит: 1 - импульсно-модулированный лазер; 2 - оптическое волокно для передачи лазерного излучения в оптико-акустический преобразователь; 3 - оптико-акустический преобразователь для преобразования лазерного импульсного излучения в акустические импульсы и передачи их в исследуемый материал или элемент конструкции; 4 - пьезоприемник в виде пластины для регистрации продольных акустических волн, прошедших через образец; 5 - пьезоприемник в виде плоского кольца для регистрации поверхностных волн; 6 - аналого-цифровой преобразователь для перевода электрического сигнала с пьезоприемников в цифровой сигнал и его передачи в компьютер (7) и контролируемый объект (8).
Работа предлагаемого изобретения осуществляется следующим образом. Импульс лазерного излучения с лазера (1) через оптоволокно (2) поступает в оптико-акустический преобразователем (3), который излучает акустический импульс в контролируемый объект (8). Возбуждаемые в контролируемый объекте (8) акустические волны распространяются вдоль и ортогонально поверхности (по толщине) контролируемого объекта (8) и попадают на пьезоприемники (4) и (5), а их электрические сигналы поступают в аналого-цифровой преобразователь (6) передающий цифровые сигналы в компьютер (7), который их регистрирует.
Контролируемый объект (8) может находиться как в свободном от напряжений и деформации состоянии, так и под действием нагрузки. Например, он может быть зафиксирован в захватах испытательной машины или являться элементом конструкции несущей нагрузку. Синхронизация компьютера (7) осуществляется по сигналу импульса излучения лазера (1) или от первого импульса с аналого-цифрового преобразователя (6). Скорость поверхностных и продольных акустических волн в контролируемом объекте (8) определяют по времени прихода волны в соответствующий пьезоприемник (4 и 5) и расстоянию до него от места приложения оптико-акустического преобразователя (3).
Заявленное устройство было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета. В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного результата: повышение информативности результатов исследований.
В качестве примера конкретной реализации представленного устройства были проведены механические испытания плоских образцах из стали 12Х18Н10Т и титана ВТ1 с размерами рабочей части 50×5×2 мм на стандартной испытательной машине SHIMADZU AG-X. Образцы подвергались растяжению со скоростью деформации 1⋅10-3 с-1.
К образцу с помощью миниатюрной пружинной струбцины прижимались два пьезокерамических датчика. С одной стороны образца размещался датчик в виде диска (∅10×0.3 мм) для измерений параметров продольной волны. С противоположной стороны располагался пьезодатчик в виде диска (∅10×0.5 мм) с центральным отверстием диаметром 4 мм для регистрации волн Рэлея.
Лазерное излучение по оптическому волокну (∅0.8 мм) с помощью оптического разъема подводилось к образцу по центру отверстия пьезодатчика, регистрирующего поверхностную волну Рэлея. При такой методике термоупругий точечный источник позволял эффективно возбуждать как поверхностные, так и продольные акустические импульсы. Период следования лазерных импульсов выбирался в зависимости от скорости деформирования в интервале 1÷5 с. Регистрация сигналов с датчика осуществлялось осциллографом Lecroy Wave Surfer 64MXs-B. Методика позволяла измерять скорости акустических волн с погрешностью не хуже 0.1%.
На Фиг. 2 представлена типичная осциллограмма сигналов от пьезодатчиков, регистрирующих акустические импульсы продольной волны (L) и поверхностной волны Рэлея (R) в стальном образце. Зная расстояние L и время прохода Т волны от точки излучения до места регистрации и можно определить скорость распространения волны С:
Таким образом, устройство позволяло одновременно измерять скорости продольных волн и поверхностных волн Рэлея в стандартных испытаниях на растяжение образцов в виде лопаток. Так для стальных образцов они составили Спр=5814 м/с для продольной волны и CR=2830 м/с для волны Рэлея.
Более того, определение скоростей акустических и поверхностных волн в материале позволяет определять упругопластические характеристики материала, например модуль упругости и коэффициента поперечной деформации (коэффициент Пуассона).
Коэффициент поперечной деформации, как известно из механики деформируемого твердого тела [3], в упругой области определяется соотношением скоростей продольных Спр и поперечных Споп волн, при этом скорость волн Рэлея CR отличается от Споп на множитель, значение которого в зависимости от материала лежит в интервале δ=0,874÷0,955. В этой связи выражение для коэффициента Пуассона может быть записано в следующем виде:
Это соотношение строго выполняется в области упругости, но и при пластическом деформировании его применение при известных зависимостях скоростей звука от напряжений достаточно обосновано [4].
На Фиг. 3 приведены зависимости коэффициента поперечной деформации vtd при растяжении образцов титана ВТ1. Отметим при этом, что начальные значения vtd были получены из значений скоростей упругих волн в исходных образцах и совпадали с табличными.
Как видно из рисунка, изменение коэффициента поперечной деформации имеет немонотонный характер. Наблюдается его небольшое снижение в области упругости, которое сменяется существенным уменьшением в области упрочнения, и дальнейшее значительное возрастание в области развитого пластического течения. Подобное поведение коэффициента поперечной деформации наблюдалось для всех исследованных металлов и для разных скоростей деформации. Существенное уменьшение коэффициента поперечной деформации наблюдается на стадии упрочнения, характеризуемой интенсивными процессами структурных преобразований, формированием и эволюцией пространственных распределений дислокационных субструктур (дислокационных клубков и ячеек и т.д.).
Таким образом, устройство позволяет определять не только скорости акустических и поперечных волн, но и определять степень напряжений и деформаций в материале, а также косвенную информацию об структурных перестройках в материале при воздействии на него квазистатических и циклических нагрузок.
Результаты испытаний показали, что заявленное устройство для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках позволяет получать профиль волн в одном эксперименте, что существенно повышает его информативность и делает процесс определения физико-механических параметров материалов и элементов конструкции более мобильным.
Представленное изобретение может быть применено в материаловедении или инженерной практике для исследования и неразрушающего контроля физико-механических параметров материалов и элементов конструкций при квазистатической и циклической нагрузке.
Список используемой литературы
1. Патент США №5381695, кл. 73/643.
2. Патент РФ 2232983 (прототип).
3. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1988. 712 с.
4. Трефилов В.И., Моисеев В.Ф., Печковский Э.П. Деформационное упрочнение и разрушение поликристаллических металлов. К.: Наукова думка, 1987. 236 с.
Claims (1)
- Устройство для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках, содержащее импульсно-модулированный лазер, соединенный через оптоволокно с оптико-акустическим преобразователем, а также пьезоприемник, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к компьютеру, при этом контролируемый объект расположен между оптико-акустическим преобразователем и пьезоприемником, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит второй пьезоприемник, который выполнен в виде плоского кольца, совмещенного осесимметрично с оптико-акустическим преобразователем, и соединен с аналого-цифровым преобразователем.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016152459A RU2652520C1 (ru) | 2016-12-28 | 2016-12-28 | Устройство для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках |
| EA201700524A EA033933B1 (ru) | 2016-12-28 | 2017-11-23 | Устройство для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016152459A RU2652520C1 (ru) | 2016-12-28 | 2016-12-28 | Устройство для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2652520C1 true RU2652520C1 (ru) | 2018-04-26 |
Family
ID=62045658
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016152459A RU2652520C1 (ru) | 2016-12-28 | 2016-12-28 | Устройство для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA033933B1 (ru) |
| RU (1) | RU2652520C1 (ru) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1308892A1 (ru) * | 1986-01-24 | 1987-05-07 | Институт Радиотехники И Электроники Ан Ссср | Способ определени скорости распространени поверхностных акустических волн |
| SU1357827A1 (ru) * | 1985-10-23 | 1987-12-07 | Куйбышевский политехнический институт им.В.В.Куйбышева | Способ измерени скорости и затухани продольных упругих волн |
| JPH09218184A (ja) * | 1996-02-09 | 1997-08-19 | Sonitsukusu Kk | 表面波，クリ−ピング波および横波の速度測定方法及び装置 |
| RU2185607C1 (ru) * | 2001-05-18 | 2002-07-20 | Таганрогский государственный радиотехнический университет | Способ измерения скорости ультразвука в кристаллах |
| RU2232983C2 (ru) * | 2002-10-02 | 2004-07-20 | Белов Михаил Алексеевич | Способ лазерно-акустического контроля твердых материалов и устройство для его осуществления |
| US7237438B1 (en) * | 2005-03-16 | 2007-07-03 | United Technologies Corporation | Systems and methods for determining the velocity of ultrasonic surface skimming longitudinal waves on various materials |
-
2016
- 2016-12-28 RU RU2016152459A patent/RU2652520C1/ru active
-
2017
- 2017-11-23 EA EA201700524A patent/EA033933B1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1357827A1 (ru) * | 1985-10-23 | 1987-12-07 | Куйбышевский политехнический институт им.В.В.Куйбышева | Способ измерени скорости и затухани продольных упругих волн |
| SU1308892A1 (ru) * | 1986-01-24 | 1987-05-07 | Институт Радиотехники И Электроники Ан Ссср | Способ определени скорости распространени поверхностных акустических волн |
| JPH09218184A (ja) * | 1996-02-09 | 1997-08-19 | Sonitsukusu Kk | 表面波，クリ−ピング波および横波の速度測定方法及び装置 |
| RU2185607C1 (ru) * | 2001-05-18 | 2002-07-20 | Таганрогский государственный радиотехнический университет | Способ измерения скорости ультразвука в кристаллах |
| RU2232983C2 (ru) * | 2002-10-02 | 2004-07-20 | Белов Михаил Алексеевич | Способ лазерно-акустического контроля твердых материалов и устройство для его осуществления |
| US7237438B1 (en) * | 2005-03-16 | 2007-07-03 | United Technologies Corporation | Systems and methods for determining the velocity of ultrasonic surface skimming longitudinal waves on various materials |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA033933B1 (ru) | 2019-12-11 |
| EA201700524A2 (ru) | 2018-08-31 |
| EA201700524A3 (ru) | 2018-11-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kundu et al. | Fundamentals of nonlinear acoustical techniques and sideband peak count | |
| Pei et al. | Higher order acoustoelastic Lamb wave propagation in stressed plates | |
| Bui et al. | Evaluation of concrete distributed cracks by ultrasonic travel time shift under an external mechanical perturbation: study of indirect and semi-direct transmission configurations | |
| Shiotani et al. | Wave propagation in cementitious material containing artificial distributed damage | |
| Michaels et al. | Impact of applied loads on guided wave structural health monitoring | |
| Claes et al. | Determination of the material properties of polymers using laser-generated broadband ultrasound | |
| Brigante et al. | Acoustic methods for the nondestructive testing of concrete: A review of foreign publications in the experimental field | |
| 阎红娟 et al. | Research on nonlinear ultrasonic properties of tension stress in metal materials | |
| RU2652520C1 (ru) | Устройство для определения и контроля скоростей поверхностных и продольных акустических волн в материалах при квазистатических и циклических нагрузках | |
| RU171185U1 (ru) | Устройство для контроля механических свойств материала под нагрузкой | |
| Kee et al. | Automated surface wave measurements for evaluating the depth of surface-breaking cracks in concrete | |
| Cadot et al. | Method for acoustic characterization of materials in temperature | |
| Ivanova et al. | Comparative measurements of the stress state in a rolled carbon steel using magnetic Barkhausen noise and ultrasonic method | |
| RU2461820C1 (ru) | Способ определения прочностных характеристик полимерных композиционных материалов | |
| RU2319957C2 (ru) | Способ ультразвукового контроля предела прочности при разрыве полимеров | |
| McLaskey et al. | Integrating broadband high-fidelity acoustic emission sensors and array processing to study drying shrinkage cracking in concrete | |
| RU187411U1 (ru) | Устройство для определения упругих констант твердых тел | |
| Senalik et al. | Estimating lumber properties with acoustic-based technologies–part 1: modeling acoustic (stress) wave behavior in clear wood and lumber | |
| Zhang et al. | Performance evaluation of the Fiber Bragg Grating (FBG) sensing device and comparison with piezoelectric sensors for AE detection | |
| Korobov et al. | Influence of a Static Reversible Loading on Mechanical and Elastic Properties of Polycrystalline Aluminum Alloy AMg6 | |
| Alleman et al. | Air-coupled ultrasound for damage detection in CFRP using Lamb waves and ultrasonic verification | |
| Carbol et al. | Influence of transducer coupling in ultrasonic testing | |
| Wei et al. | Complex Young's modulus measurement by incident wave extracting in a thin resonant bar | |
| RU2224249C2 (ru) | Способ измерения физико-механических характеристик материала листового проката | |
| Gregg et al. | Electromagnetic excitation technique for nonlinear resonant ultrasound spectroscopy |