RU2660770C1 - Acoustical method of determination of elastic constants of current-conducting solids - Google Patents

Acoustical method of determination of elastic constants of current-conducting solids Download PDF

Info

Publication number
RU2660770C1
RU2660770C1 RU2017102222A RU2017102222A RU2660770C1 RU 2660770 C1 RU2660770 C1 RU 2660770C1 RU 2017102222 A RU2017102222 A RU 2017102222A RU 2017102222 A RU2017102222 A RU 2017102222A RU 2660770 C1 RU2660770 C1 RU 2660770C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
longitudinal
waves
acoustic
shear
shear waves
Prior art date
Application number
RU2017102222A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вячеслав Михайлович Бобренко
Владимир Тимофеевич Бобров
Сергей Вячеславович Бобренко
Сергей Владимирович Бобров
Original Assignee
Вячеслав Михайлович Бобренко
Владимир Тимофеевич Бобров
Сергей Вячеславович Бобренко
Сергей Владимирович Бобров
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Вячеслав Михайлович Бобренко, Владимир Тимофеевич Бобров, Сергей Вячеславович Бобренко, Сергей Владимирович Бобров filed Critical Вячеслав Михайлович Бобренко
Priority to RU2017102222A priority Critical patent/RU2660770C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2660770C1 publication Critical patent/RU2660770C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/07—Analysing solids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: usage to determine the elastic constants of conductive solids. Summary of the invention is that an electromagnetic one- or multi-period pulse and a constant or pulsed magnetic field simultaneously or alternately act on the surface of the local area of the said solid body, acoustic longitudinal and two plane-polarized shear waves are excited, displacement vectors of the said shear waves are oriented, respectively, along and across the rolling direction or the applied force, one-multiple-reflected acoustic signals are received and amplified, while the said rolling directions or the applied force are specified in terms of the maximum values of the amplitudes of the shear waves, one-multiple-reflected echo signals of the longitudinal and shear waves of the corresponding polarization are extracted from the received pulse sequence by gating, correlation processing of the signals is performed, time intervals between echo signals, respectively, of the longitudinal and shear waves of the corresponding polarization are measured, propagation velocities of acoustic waves are calculated and the elastic constants are determined from the corresponding formulas by the ratio of these intervals and velocities and the known value of the density of the solids under study.
EFFECT: ensuring the ability to reliably and accurately determine the values of the elastic constants of products with a roughly machined surface using electromagnetic-acoustic transducers that do not require the use of contacting media.
3 cl, 2 dwg, 3 tbl

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к способам определения упругих констант (модулей упругости Ламе μ, λ; коэффициента сдвига G; коэффициента Пуассона ν; модуля продольной упругости Юнга Е и модуля объемной упругости К) токопроводящих твердых тел акустическими методами при одностороннем бесконтактном доступе, и предназначено для использования в авиакосмической, машиностроительной, металлургической, нефтехимической и других отраслях промышленности, в энергетике, на трубопроводном и железнодорожном транспорте.The invention relates to the field of non-destructive testing, and in particular to methods for determining elastic constants (Lame modulus of elasticity μ, λ; shear coefficient G; Poisson's ratio ν; longitudinal Young's modulus E and bulk elastic modulus K) of conductive solids by acoustic methods with unilateral non-contact access , and is intended for use in aerospace, engineering, metallurgy, petrochemical and other industries, in the energy sector, in the pipeline and railway transport orte.

Известны акустические (ультразвуковые) расчетно-экспериментальные способы определения упругих констант твердых тел (модуля упругости Юнга, коэффициента Пуассона и других), предназначенные для оценки состояния конструкций и проката из черных и цветных металлов и сплавов в широком диапазоне толщин при одностороннем доступе:Acoustic (ultrasonic) calculation and experimental methods are known for determining the elastic constants of solids (Young's modulus of elasticity, Poisson's ratio, and others), designed to assess the state of structures and rolled products from ferrous and non-ferrous metals and alloys in a wide range of thicknesses with one-way access:

1. Графкина М.В., Нюнин Б.Н. Исследование влияния технологии и химического состава сплавов на экологические и физико-химические свойства. Материалы междунар. научно-техн. конф. ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». С. 35-37.1. Grafkina M.V., Nyunin B.N. Study of the impact of technology and chemical composition of alloys on environmental and physico-chemical properties. Materials international. scientific and technical conf. AAI "Automobile and tractor engineering in Russia: development priorities and training" dedicated to the 145th anniversary of MSTU "MAMI". S. 35-37.

2. Патент РФ №2289114 С1. Бадамшин И.Х. Способ определения коэффициента Пуассона монокристаллов. Опубликован 10.12.2006. Бюл. №34.2. RF patent No. 2289114 C1. Badamshin I.Kh. A method for determining the Poisson's ratio of single crystals. Published December 10, 2006. Bull. Number 34.

3. Патент РФ №2334981 Самокрутов А.А., Бобров В.Т., Шевалдыкин В.Г., Алехин С.Г., Козлов В.Н. Электромагнитно-акустический преобразователь. Опубликован 27.09.2008. Бюл. №27.3. RF patent №2334981 Samokrutov A.A., Bobrov V.T., Shevaldykin V.G., Alekhin S.G., Kozlov V.N. Electromagnetic-acoustic transducer. Published September 27, 2008. Bull. Number 27.

4. Патент РФ №2006853. Самедов Я.Ю., Щербинский В.Г., Абдуллаев А.И. Ультразвуковой способ определения упругих констант твердых тел. Опубликован 30.01.1994. Эти способы имеют существенные недостатки, ограничивающие область их применения.4. RF patent №2006853. Samedov Y.Yu., Scherbinsky V.G., Abdullaev A.I. Ultrasonic method for determining the elastic constants of solids. Published 01/30/1994. These methods have significant disadvantages that limit their scope.

Известный расчетно-экспериментальный способ определения модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона стержневых и литых деталей [1. Графкина М.В., Нюнин Б.Н. Исследование влияния технологии и химического состава сплавов на экологические и физико-химические свойства. Материалы междунар. научно-техн. конф. ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ «МАМИ». С. 35-37] заключается в изготовлении образца в виде толстостенного кольца с применением формовочных смесей и режимов заливки в соответствии с технологией изготовления реальной литой стержневой детали. Образец подвешивают через центральное отверстие на упругой подвеске (резиновый шнур - подобная упругая подвеска практически не оказывает влияния на резонансные формы колебаний образца), а колебания возбуждают путем импульсного силового воздействия ударами молотка (по крайней мере, 10 ударов) последовательно по боковой и торцевой поверхности образца. Акустический сигнал от образца воспринимает микрофон, и через предусилитель передает на анализатор, который определяет пять собственных частот. По ГОСТ 20018 «Метод определения плотности» определяют экспериментальным путем реальную плотность образца с погрешностью не более 0,01 г/см3. Рассчитывают, по крайней мере, пять форм и пять собственных частот колебаний образца и методом аппроксимации в заданных диапазонах изменения значений модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона определяют значения динамических модуля упругости Юнга и коэффициента Пуассона, при которых рассчитанные частоты совпадают с экспериментальными в пределах 0,1%. Недостатком способа является необходимость выполнения трудоемких операций по изготовлению образца, неопределенность результатов, зависящих от характера ударов молотка об образец, возможный разброс значений констант образца и реальных литых стержневых деталей и ограниченное число определяемых констант упругости образца.The well-known calculation and experimental method for determining the Young's modulus of elasticity and Poisson's ratio of rod and cast parts [1. Grafkina M.V., Nyunin B.N. Study of the impact of technology and chemical composition of alloys on environmental and physico-chemical properties. Materials international. scientific and technical conf. AAI "Automobile and tractor engineering in Russia: development priorities and training" dedicated to the 145th anniversary of MSTU "MAMI". S. 35-37] consists in the manufacture of a sample in the form of a thick-walled ring using molding sand and pouring modes in accordance with the manufacturing technology of a real molded core part. The sample is suspended through a central hole on an elastic suspension (rubber cord - such an elastic suspension has practically no effect on the resonant forms of vibration of the sample), and the vibrations are excited by pulsed force by hammer blows (at least 10 strokes) sequentially along the side and end surfaces of the sample . The microphone receives the acoustic signal from the sample, and passes it through the preamplifier to the analyzer, which determines five natural frequencies. According to GOST 20018 "Method for determining the density" is determined experimentally the real density of the sample with an error of not more than 0.01 g / cm 3 . At least five shapes and five eigenfrequencies of the sample vibrations are calculated, and the values of the dynamic Young's modulus and Poisson's ratio are determined by the method of approximation in the given ranges of variation of the Young's modulus and Poisson's ratio, at which the calculated frequencies coincide with the experimental ones within 0.1 % The disadvantage of this method is the need for time-consuming operations for the manufacture of the sample, the uncertainty of the results depending on the nature of the hammer blows on the sample, the possible spread of the values of the constants of the sample and real cast bar parts and a limited number of determined constants of elasticity of the sample.

Известен способ определения коэффициента Пуассона [2. Патент РФ №2289114 C1. Бадамшин И.Х. Способ определения коэффициента Пуассона монокристаллов. Опубликован 10.12.2006. Бюл. №34], по которому в монокристаллическом образце коэффициент Пуассона определяют по формуле, отличающийся тем, что предварительно определяют тип кристаллической решетки для монокристаллического материала рентгеноструктурным методом, а затем по формуле определяют относительную поперечную деформацию и при заданной относительной продольной деформации - коэффициент Пуассона. Недостатком способа является необходимость выполнения трудоемких операций по изготовлению образца и сложность рентгеноструктурного метода определения типа кристаллической решетки.A known method for determining the Poisson's ratio [2. RF patent No. 2289114 C1. Badamshin I.Kh. A method for determining the Poisson's ratio of single crystals. Published December 10, 2006. Bull. No. 34], according to which in a single-crystal sample the Poisson's ratio is determined by the formula, characterized in that the type of crystal lattice for the single-crystal material is preliminarily determined by the X-ray diffraction method, and then the relative transverse strain is determined by the formula and, for a given relative longitudinal deformation, the Poisson's ratio. The disadvantage of this method is the need to perform laborious operations for the manufacture of the sample and the complexity of the x-ray diffraction method for determining the type of crystal lattice.

Известен способ определения коэффициента Пуассона, реализованный на базе электромагнитно-акустического преобразователя [3. Патент РФ №2334981. Самокрутов А.А., Бобров В.Т., Шевалдыкин В.Г., Алехин С.Г., Козлов В.Н. Электромагнитно-акустический преобразователь. Опубликован 27.09.2008. Бюл. №27], заключающийся в одновременном возбуждении продольной и двух сдвиговых ультразвуковых волн, регистрации многократно-отраженных акустических сигналов, выделении из них эхо-сигналов продольной и каждой из сдвиговых волн, их корреляционной обработке, измерении временных интервалов между эхо-сигналами соответствующей поляризации и определении по соотношению этих временных интервалов наличия и степени напряженно-деформированного состояния материала в локальной области объекта контроля. Недостатком способа является применение постоянных магнитов, что приводит к ударам при установке и усложнению перемещения электромагнитно-акустического преобразователя по поверхности тел из углеродистых сталей и его повышенному загрязнению окалиной, сложность обработки одновременно-принимаемых эхо-сигналов трех типов волн и ограниченность видов определяемых упругих констант.A known method for determining the Poisson's ratio, implemented on the basis of an electromagnetic-acoustic transducer [3. RF patent №2334981. Samokrutov A.A., Bobrov V.T., Shevaldykin V.G., Alekhin S.G., Kozlov V.N. Electromagnetic-acoustic transducer. Published September 27, 2008. Bull. No. 27], which consists in the simultaneous excitation of longitudinal and two shear ultrasonic waves, registration of multiply reflected acoustic signals, separation of the echo signals of the longitudinal and each of the shear waves from them, their correlation processing, measurement of time intervals between echoes of the corresponding polarization and determination by the ratio of these time intervals of the presence and degree of stress-strain state of the material in the local area of the object of control. The disadvantage of this method is the use of permanent magnets, which leads to shocks when installing and complicating the movement of the electromagnetic-acoustic transducer on the surface of carbon steel bodies and its increased pollution by scale, the complexity of processing simultaneously received echo signals of three types of waves and the limited types of determined elastic constants.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является ультразвуковой способ определения упругих констант твердых тел, заключающийся в том, что с помощью пьезоэлектрических преобразователей возбуждают продольные и поперечные волны в одной заданной зоне возбуждения, принимают донные эхо-сигналы этих волн, измеряют времена их прихода, рассчитывают по ним скорости распространения волн и упругие константы, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени и повышения точности определения, возбуждение волн осуществляют одновременно, а ввод осуществляют через поверхность с периодическими неровностями, шероховатость которой выбрана в пределах 20-500 мкм [4. Патент РФ №2006853. Самедов Я.Ю., Щербинский В.Г., Абдуллаев А.И. Ультразвуковой способ определения упругих констант твердых тел. Опубликован 30.01.1994]. При нормальном вводе в изделие продольной волны через поверхность ввода с периодическими неровностями в изделии возбуждается продольная и трансформированная на неровностях поперечная волна той же, что и продольная, частоты, которая также распространяется в изделии нормально к поверхности ввода. Донные эхо-сигналы продольной и поперечной волн принимают преобразователем, измеряют время их приема и определяют по временам приема и толщине изделия скорости

Figure 00000001
и Ct распространения продольной и поперечной волн, а упругие константы материала изделия рассчитывают по соответствующим формулам. Недостатками способа являются необходимость создания надежного акустического контакта и ограничения, связанные с состоянием поверхности контролируемого объекта, так как при шероховатости поверхности Rz<20 мкм трансформированная на неровностях поперечная волна имеет малую амплитуду, что приводит к трудностям или даже невозможности регистрации ее донного эхо-сигнала, а при шероховатости Rz>500 мкм возрастает величина контактного слоя, образованного неровностями поверхности ввода, заполненными контактной жидкостью, которая влияет на измеряемые времена приема, что приводит к появлению погрешностей определения скоростей продольной и поперечной волн.The closest in technical essence and the achieved result to the invention is an ultrasonic method for determining the elastic constants of solids, which consists in the fact that using piezoelectric transducers excite longitudinal and transverse waves in one given excitation zone, receive the bottom echo signals of these waves, measure their times of arrival, they calculate the speed of propagation of waves and elastic constants, characterized in that, in order to reduce time and improve the accuracy of determination, the excitation in the sols are carried out simultaneously, and the input is carried out through a surface with periodic irregularities, the roughness of which is selected in the range of 20-500 microns [4. RF patent №2006853. Samedov Y.Yu., Scherbinsky V.G., Abdullaev A.I. Ultrasonic method for determining the elastic constants of solids. Published 1/30/1994]. When a longitudinal wave is normally introduced into the product through the input surface with periodic irregularities in the product, a longitudinal and transverse wave transformed on the irregularities of the same frequency as the longitudinal wave is excited, which also propagates normally in the product to the input surface. Bottom echoes of the longitudinal and transverse waves are received by the transducer, the time of their reception is measured and determined by the time of reception and thickness of the product speed
Figure 00000001
and C t the propagation of longitudinal and transverse waves, and the elastic constants of the material of the product are calculated by the corresponding formulas. The disadvantages of the method are the need to create reliable acoustic contact and restrictions associated with the state of the surface of the controlled object, since when the surface roughness R z <20 μm, the transverse wave transformed by irregularities has a small amplitude, which leads to difficulties or even the impossibility of registering its bottom echo signal , and with a roughness of R z > 500 μm, the value of the contact layer formed by irregularities of the input surface filled with contact liquid increases, which affects measured reception times, which leads to the appearance of errors in determining the velocities of longitudinal and transverse waves.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что, в общем случае, воздействуют на поверхность локальной области упомянутого твердого тела электромагнитным одно- или многопериодным импульсом и постоянным или импульсным магнитным полем, одновременно или поочередно возбуждают акустические продольную и две плоско-поляризованные сдвиговые волны, ориентируют векторы смещений упомянутых сдвиговых волн, соответственно, вдоль и поперек направления прокатки или приложенного усилия, принимают и усиливают одно-многократно отраженные акустические сигналы, отличающийся тем, что уточняют упомянутые направления прокатки или приложенного усилия по максимальным значениям амплитуд сдвиговых волн, путем стробирования выделяют из принятой последовательности импульсов одно-многократно отраженные эхо-сигналы продольной и сдвиговых волн соответствующей поляризации, производят корреляционную обработку сигналов, измеряют временные интервалы между эхо-сигналами, соответственно, продольной и сдвиговых волн соответствующей поляризации, рассчитывают скорости распространения акустических волн и по соотношению этих интервалов и скоростей и известному значению плотности исследуемых твердых тел определяют упругие константы по соответствующим формулам.The essence of the invention lies in the fact that, in the general case, they act on the surface of the local region of the said solid body with an electromagnetic single or multi-period pulse and a constant or pulsed magnetic field, simultaneously or alternately excite acoustic longitudinal and two plane-polarized shear waves, orient the vectors the displacements of the aforementioned shear waves, respectively, along and across the direction of rolling or the applied force, take and reinforce one-time reflected acoustic signals, characterized in that they clarify the aforementioned directions of rolling or the applied force according to the maximum values of the amplitudes of the shear waves, by gating, extract from the received pulse sequence one-time reflected echoes of the longitudinal and shear waves of the corresponding polarization, produce correlation processing of the signals, measure the time intervals between the echo signals, respectively, of the longitudinal and shear waves of the corresponding polarization, calculate the speed distributed acoustic waves and the ratio of these intervals and velocities and the known density of the studied solids determine the elastic constants by the corresponding formulas.

В варианте способа по п. 1 определяют соотношение

Figure 00000002
, а упругие константы в ненагруженном изотропном твердом теле определяют по формулам:In a variant of the method according to claim 1, determine the ratio
Figure 00000002
, and the elastic constants in an unloaded isotropic solid are determined by the formulas:

Figure 00000003
Figure 00000003

где

Figure 00000004
, υ0t и
Figure 00000005
, τt - скорость и время распространения продольных и сдвиговых акустических волн, соответственно; μ, λ - модули упругости Ламе; G - коэффициент сдвига; ν - коэффициент Пуассона; Е - модуль продольной упругости Юнга; К - модуль объемной упругости (гидростатического сжатия-растяжения); ρ - плотность контролируемого материала.Where
Figure 00000004
, υ 0t and
Figure 00000005
, τ t is the velocity and propagation time of longitudinal and shear acoustic waves, respectively; μ, λ are the Lame elastic moduli; G is the shear coefficient; ν is the Poisson's ratio; E - Young's modulus of longitudinal elasticity; K is the bulk modulus (hydrostatic compression-tension); ρ is the density of the controlled material.

В другом варианте способа в анизотропном или подверженном механической нагрузке твердом теле упругие константы определяют по формулам для каждого направления поляризации сдвиговых волн, используя в расчетных формулах соотношение

Figure 00000006
, где i=1, 2, 3…n, - номер измерений для выбранного направления плоскости поляризации сдвиговых волн, а упругие константы определяют по формулам:In another embodiment of the method, in an anisotropic or mechanically loaded solid, the elastic constants are determined by the formulas for each direction of polarization of the shear waves, using the ratio
Figure 00000006
, where i = 1, 2, 3 ... n, is the number of measurements for the selected direction of the plane of polarization of the shear waves, and the elastic constants are determined by the formulas:

Figure 00000007
Figure 00000007

где

Figure 00000008
, υit и
Figure 00000009
, τit - скорость и время распространения продольных и сдвиговых акустических волн, соответственно; μi, λi - модули упругости Ламе; Gi - коэффициент сдвига; νi - коэффициент Пуассона; Ei - модуль продольной упругости Юнга; Ki - модуль объемной упругости (гидростатического сжатия-растяжения); ρ - плотность контролируемого материала.Where
Figure 00000008
, υ it and
Figure 00000009
, τ it is the velocity and propagation time of longitudinal and shear acoustic waves, respectively; μ i , λ i - Lame elastic moduli; G i is the shear coefficient; ν i is the Poisson's ratio; E i - Young's modulus of longitudinal elasticity; K i - bulk modulus (hydrostatic compression-tension); ρ is the density of the controlled material.

Рис. 1, 2 схематично поясняют суть предлагаемого способа определения упругих констант токопроводящих твердых тел. На них изображен способ бесконтактного электромагнитно-акустического (ЭМА) возбуждения-приема акустических продольной и двух плоско-поляризованных сдвиговых волн с применением постоянного (рис. 1а) и импульсного (рис. 1б) магнитных полей и осциллограмма принятых ЭМА преобразователем одно-многократных эхо-сигналов (рис. 2).Fig. 1, 2 schematically explain the essence of the proposed method for determining the elastic constants of conductive solids. They depict a method of non-contact electromagnetic-acoustic (EMA) excitation-reception of acoustic longitudinal and two plane-polarized shear waves using constant (Fig. 1a) and pulsed (Fig. 1b) magnetic fields and an oscillogram of single-multiple echo signals (Fig. 2).

На рис. 1а показано взаимное положение постоянных магнитов 1, 2, индукторов в виде удлиненных спиральных катушек 3, 4, обеспечивающих воздействие на поверхность твердого тела электромагнитными импульсами, и фрагмент твердого тела 5.In fig. 1a shows the relative position of the permanent magnets 1, 2, inductors in the form of elongated spiral coils 3, 4, which provide exposure to the surface of a solid body with electromagnetic pulses, and a fragment of a solid body 5.

На рис. 1б показано взаимное положение импульсного магнита (магнитопровод 1 и индуктор 2), индукторов в виде удлиненных спиральных катушек 3, 4, обеспечивающих воздействие на поверхность твердого тела электромагнитными импульсами, и фрагмент твердого тела 5. Наводящиеся в поверхностном слое токопроводящего твердого тела вихревые токи показаны пунктирными линиями.In fig. 1b shows the relative position of the pulsed magnet (magnetic circuit 1 and inductor 2), inductors in the form of elongated spiral coils 3, 4, which provide exposure to the surface of a solid body with electromagnetic pulses, and a fragment of a solid body 5. Eddy currents induced in the surface layer of a conductive solid body are shown in dashed lines.

В обоих случаях удлиненные витки катушки 3 расположены асимметрично полюсным наконечникам магнитов 1, 2 (рис. 1а) и магнитопровода 1 (рис. 1б) так, что одна половина витка 3 находится под полюсным наконечником, а вторая - между полюсными наконечниками, что обеспечивает возбуждение-прием соответственно сдвиговой - SH и продольной - L акустических волн. Смещения в сдвиговой волне, возбуждаемой индуктором 3, направлены поперек направления прокатки НП, обозначенного стрелками на рис. 1. Индуктор 4 обеспечивает возбуждение сдвиговой волны - SH со смещениями вдоль направления прокатки.In both cases, the elongated coils of coil 3 are located asymmetrically to the pole tips of magnets 1, 2 (Fig. 1a) and magnetic circuit 1 (Figure 1b) so that one half of coil 3 is located under the pole tip, and the other between the pole tips, which provides excitation -receiving, respectively, shear - SH and longitudinal - L acoustic waves. The displacements in the shear wave excited by the inductor 3 are directed across the direction of rolling the NP, indicated by arrows in Fig. 1. The inductor 4 provides a shear wave - SH excitation with displacements along the rolling direction.

На рис. 2 показаны реализации принятых ЭМА преобразователем (катушкой 3) многократных эхо-сигналов одновременно возбуждаемых продольной - L и сдвиговой- SH волн. При поочередном возбуждении упомянутых ультразвуковых волн принимаются многократные эхо-сигналы продольной - L или сдвиговой - SH волн. После усиления в усилителе с большим динамическим диапазоном (логарифмическом усилителе), стробирования и разделения эхо-сигналов соответствующих акустических волн и их цифровой обработки производится измерение интервалов между импульсами и расчет скоростей распространения акустических волн. Одновременно эхо-сигналы индицируются на дисплее.In fig. 2 shows realizations of multiple echo signals simultaneously received by an EMA transducer (coil 3) excited simultaneously by longitudinal - L and shear - SH waves. With the alternate excitation of the aforementioned ultrasonic waves, multiple echo signals of the longitudinal - L or shear - SH waves are received. After amplification in an amplifier with a large dynamic range (logarithmic amplifier), gating and separation of the echo signals of the corresponding acoustic waves and their digital processing, the intervals between pulses are measured and the propagation velocities of the acoustic waves are calculated. At the same time, echoes are indicated on the display.

Способ реализуется следующим образом. ЭМА преобразователь устанавливается на поверхность твердого тела, с генератора высокочастотные импульсы подаются на катушку 4, возбуждаемые импульсы сдвиговой - SH волны распространяются, многократно переотражаясь от наружной и внутренней поверхностей твердого тела, и принимаются ЭМА преобразователем. Вращением ЭМА преобразователя вокруг оси ориентируют его вдоль направления прокатки для получения максимального значения эхо-сигналов (при исследовании ненагруженного изотропного металла амплитуда эхо-сигнала не изменяется).The method is implemented as follows. The EMA converter is mounted on the surface of a solid body, high-frequency pulses are fed from coil to coil 4, the excited shear pulses - SH waves propagate, repeatedly reflected from the outer and inner surfaces of the solid, and are received by the EMA converter. By rotating the EMA of the transducer around the axis, orient it along the rolling direction to obtain the maximum value of the echo signals (when examining an unloaded isotropic metal, the amplitude of the echo signal does not change).

При подаче с генератора высокочастотных импульсов на катушку 3 импульсы продольной - L и сдвиговой - SH волны со смещениями поперек направления прокатки или приложенного усилия также распространяются, многократно переотражаясь от наружной и внутренней поверхностей твердого тела, и принимаются ЭМА преобразователем. По полученным значениям времени распространения рассчитываются значения скоростей распространения соответствующих акустических волн, параметры N0 и Ni, и вычисляются упругие константы по соответствующим формулам. Длительность импульса магнитного поля в варианте ЭМА преобразователя - рис. 1б выбирается с учетом толщины контролируемого твердого тела и максимально возможного количества переотражений эхо-сигналов.When applying high-frequency pulses from the generator to coil 3, the longitudinal - L and shear - SH pulses with displacements across the direction of rolling or the applied force also propagate, repeatedly reflecting from the outer and inner surfaces of the solid, and are received by the EMA converter. From the obtained values of the propagation time, the values of the propagation velocities of the corresponding acoustic waves, the parameters N 0 and N i are calculated, and the elastic constants are calculated by the corresponding formulas. The pulse duration of the magnetic field in the version of the EMA transducer - Fig. 1b is selected taking into account the thickness of the controlled solid and the maximum possible number of reflections of the echo signals.

Плотность материала твердого тела ρ находится в справочниках или определяется по методике ГОСТ 20018-74 «Метод определения плотности».The density of the solid material ρ is in the reference books or is determined by the method of GOST 20018-74 "Method for determining the density".

Техническим результатом, который может быть достигнут при осуществлении предлагаемого способа, не связанного с изготовлением образцов и применением сложных испытательных машин, является создание аппаратуры с широкой областью применения, отличающейся достоверными и точными показаниями при определении упругих констант изделий с грубо обработанной поверхностью с применением электромагнитно-акустических преобразователей, не требующих использования контактирующих сред.The technical result that can be achieved by implementing the proposed method, not related to the manufacture of samples and the use of sophisticated testing machines, is the creation of equipment with a wide range of applications, characterized by reliable and accurate readings in determining the elastic constants of products with a rough surface using electromagnetic acoustic converters that do not require the use of contacting media.

Предложенный способ обеспечивает повышение точности при определении упругих констант проката и реальных конструкций в процессе производства и эксплуатации из различных металлов и сплавов в широком диапазоне толщин при одностороннем доступе и может найти применение в металлургии, машиностроении и других отраслях промышленности.The proposed method provides improved accuracy in determining the elastic constants of rolled products and real structures during the production and operation of various metals and alloys in a wide range of thicknesses with one-sided access and can be used in metallurgy, mechanical engineering and other industries.

Для наглядности уравнения теории упругости [1] и акустической тензометрии для изотропного недеформированного твердого тела сведены в таблицу 1.For clarity, the equations of the theory of elasticity [1] and acoustic tensometry for an isotropic undeformed solid are summarized in table 1.

Figure 00000010
Figure 00000010

Пользуясь уравнениями таблицы 1 и результатами измерений времени распространения продольной и сдвиговой волн в образцах некоторых марок сталей, определены значения скоростей

Figure 00000011
и υ0t продольной и сдвиговой волн и величина
Figure 00000012
и
Figure 00000013
, а также выбраны значения параметра ρ0 для указанных сталей из [2]. Полученные данные сведены в табл. 2.Using the equations of table 1 and the measurement results of the propagation time of longitudinal and shear waves in samples of some steel grades, the values of the velocities
Figure 00000011
and υ 0t of longitudinal and shear waves and the quantity
Figure 00000012
and
Figure 00000013
, and also the values of the parameter ρ 0 were selected for the indicated steels from [2]. The data obtained are summarized in table. 2.

Figure 00000014
Figure 00000014

Значения упругих модулей, приведенных в [2] и полученных расчетным путем по результатам экспериментальных измерений, приведены в таблице 3.The values of the elastic moduli given in [2] and obtained by calculation from the results of experimental measurements are shown in table 3.

Figure 00000015
Figure 00000015

Figure 00000016
Figure 00000016

Сопоставление справочных данных и значений упругих модулей, полученных на основании расчетов по результатам измерений в соответствии с заявляемым способом, показывает, что разброс составляет ~1%.A comparison of the reference data and the values of the elastic modules obtained on the basis of calculations based on the measurement results in accordance with the claimed method, shows that the spread is ~ 1%.

ЛитератураLiterature

1. Неразрушающий контроль: Справочник: В 8 т. / Под общ. ред. В.В. Клюева. Т. 4: В 3 кн. Кн. 1 В.А. Анисимов, Б.И. Каторгин, А.Н. Куценко и др. Акустическая тензометрия. - 2-е изд., испр. - М.: Машиностроение, 2006. - 228 с.1. Non-destructive testing: Reference: In 8 t. / Under the total. ed. V.V. Klyueva. T. 4: In 3 book. Prince 1 V.A. Anisimov, B.I. Katorgin, A.N. Kutsenko et al. Acoustic strain gauge. - 2nd ed., Rev. - M.: Mechanical Engineering, 2006. - 228 p.

2. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд. доп. и испр. / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко. - Машиностроение, 2003. - 784 с.2. Marochnik steels and alloys. 2nd ed. add. and rev. / A.S. Zubchenko, M.M. Koloskov, Yu.V. Kashirsky et al. Under the general ed. A.S. Zubchenko. - Engineering, 2003 .-- 784 p.

Claims (15)

1. Акустический способ определения упругих констант токопроводящих твердых тел, заключающийся в том, что одновременно или поочередно воздействуют на поверхность локальной области упомянутого твердого тела электромагнитным одно- или многопериодным импульсом и постоянным или импульсным магнитным полем, возбуждают акустические продольную и две плоско-поляризованные сдвиговые волны, ориентируют векторы смещений упомянутых сдвиговых волн, соответственно, вдоль и поперек направления прокатки или приложенного усилия, принимают и усиливают одно-многократно отраженные акустические сигналы, отличающийся тем, что уточняют упомянутые направления прокатки или приложенного усилия по максимальным значениям амплитуд сдвиговых волн, путем стробирования выделяют из принятой последовательности импульсов одно-многократно отраженные эхо-сигналы продольной и сдвиговых волн соответствующей поляризации, производят корреляционную обработку сигналов, измеряют временные интервалы между эхо-сигналами, соответственно, продольной и сдвиговых волн соответствующей поляризации, рассчитывают скорости распространения акустических волн и по соотношению этих интервалов и скоростей и известному значению плотности исследуемых твердых тел определяют упругие константы по соответствующим формулам.1. The acoustic method for determining the elastic constants of conductive solids, which simultaneously or alternately affects the surface of the local region of the said solid with an electromagnetic single or multi-period pulse and a constant or pulsed magnetic field, excite acoustic longitudinal and two plane-polarized shear waves orient the displacement vectors of the aforementioned shear waves, respectively, along and across the direction of rolling or the applied force; t one-time reflected acoustic signals, characterized in that they clarify the aforementioned rolling directions or applied efforts by the maximum values of the amplitudes of the shear waves, by gating, from the received pulse sequence, one-time-reflected echo signals of the longitudinal and shear waves of the corresponding polarization are produced, and correlation processing is performed signals, measure the time intervals between echo signals, respectively, of longitudinal and shear waves of the corresponding polarization, calculate the propagation velocities of acoustic waves disappear and the elastic constants are determined by the corresponding formulas by the ratio of these intervals and velocities and the known density of the studied solids. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определяют соотношение
Figure 00000017
, а упругие константы в ненагруженном изотропном твердом теле определяют по формулам:2. The method according to p. 1, characterized in that they determine the ratio
Figure 00000017
, and the elastic constants in an unloaded isotropic solid are determined by the formulas: 1)
Figure 00000018
;one)
Figure 00000018
; 2)
Figure 00000019
;2)
Figure 00000019
; 3)
Figure 00000020
;3)
Figure 00000020
; 4)
Figure 00000021
;four)
Figure 00000021
; 5)
Figure 00000022
,5)
Figure 00000022
, где
Figure 00000023
,
Figure 00000024
и
Figure 00000025
,
Figure 00000026
- скорость и время распространения продольных и сдвиговых акустических волн соответственно; μ, λ - модули упругости Ламе; G - коэффициент сдвига; ν - коэффициент Пуассона; Е - модуль продольной упругости Юнга; К - модуль объемной упругости (гидростатического сжатия-растяжения); ρ - плотность контролируемого материала.Where
Figure 00000023
,
Figure 00000024
and
Figure 00000025
,
Figure 00000026
- velocity and propagation time of longitudinal and shear acoustic waves, respectively; μ, λ are the Lame elastic moduli; G is the shear coefficient; ν is the Poisson's ratio; E - Young's modulus of longitudinal elasticity; K is the bulk modulus (hydrostatic compression-tension); ρ is the density of the controlled material. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в анизотропном или подверженном механической нагрузке твердом теле упругие константы определяют по формулам для каждого направления поляризации сдвиговых волн, используя в расчетных формулах соотношение
Figure 00000027
, где i=1, 2, 3, …, n - номер измерений для выбранного направления плоскости поляризации сдвиговых волн, а упругие константы определяют по формулам:3. The method according to p. 1, characterized in that in an anisotropic or mechanically stressed solid, the elastic constants are determined by the formulas for each direction of polarization of the shear waves, using the ratio in the calculation formulas
Figure 00000027
, where i = 1, 2, 3, ..., n is the number of measurements for the selected direction of the plane of polarization of the shear waves, and the elastic constants are determined by the formulas:
Figure 00000028
;
Figure 00000028
;
Figure 00000029
;
Figure 00000029
;
Figure 00000030
;
Figure 00000030
;
Figure 00000031
;
Figure 00000031
;
Figure 00000032
,
Figure 00000032
, где
Figure 00000033
,
Figure 00000034
и
Figure 00000035
,
Figure 00000036
- скорость и время распространения продольных и сдвиговых акустических волн соответственно; μi, λi - модули упругости Ламе; Gi - коэффициент сдвига; νi - коэффициент Пуассона; Ei - модуль продольной упругости Юнга; Кi - модуль объемной упругости (гидростатического сжатия-растяжения); ρ - плотность контролируемого материала.Where
Figure 00000033
,
Figure 00000034
and
Figure 00000035
,
Figure 00000036
- velocity and propagation time of longitudinal and shear acoustic waves, respectively; μ i , λ i - Lame elastic moduli; G i is the shear coefficient; ν i is the Poisson's ratio; E i - Young's modulus of longitudinal elasticity; To i is the bulk modulus (hydrostatic compression-tension); ρ is the density of the controlled material.
RU2017102222A 2017-01-24 2017-01-24 Acoustical method of determination of elastic constants of current-conducting solids RU2660770C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017102222A RU2660770C1 (en) 2017-01-24 2017-01-24 Acoustical method of determination of elastic constants of current-conducting solids

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017102222A RU2660770C1 (en) 2017-01-24 2017-01-24 Acoustical method of determination of elastic constants of current-conducting solids

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2660770C1 true RU2660770C1 (en) 2018-07-09

Family

ID=62815294

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017102222A RU2660770C1 (en) 2017-01-24 2017-01-24 Acoustical method of determination of elastic constants of current-conducting solids

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2660770C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU187411U1 (en) * 2018-08-02 2019-03-05 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" DEVICE FOR DETERMINING ELASTIC SOLID CONSTANTS
CN111551503A (en) * 2020-04-29 2020-08-18 南京理工大学 Laser ultrasonic system and method for detecting elastic modulus of material in non-contact manner

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3416365A (en) * 1965-09-28 1968-12-17 Atomic Energy Commission Usa Method of determining elastic properties of a metal sample
SU1075146A2 (en) * 1982-11-09 1984-02-23 Институт Геотехнической Механики Ан Усср Device for ultrasonic inspection
SU1589198A1 (en) * 1988-10-17 1990-08-30 Каунасский Политехнический Институт Им.Антанаса Снечкуса Untrasonic apparatus for measuring physico-mechanical parameters of substance
RU2006853C1 (en) * 1991-06-17 1994-01-30 Самедов Явер Юсиф оглы Ultrasonic method for determining elastic constants of solid bodies
US5467655A (en) * 1991-03-27 1995-11-21 Nippon Steel Corporation Method for measuring properties of cold rolled thin steel sheet and apparatus therefor
RU2387985C1 (en) * 2008-12-02 2010-04-27 Александр Вениаминович Дурнов Method for control of distribution evenness of material mechanical properties

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3416365A (en) * 1965-09-28 1968-12-17 Atomic Energy Commission Usa Method of determining elastic properties of a metal sample
SU1075146A2 (en) * 1982-11-09 1984-02-23 Институт Геотехнической Механики Ан Усср Device for ultrasonic inspection
SU1589198A1 (en) * 1988-10-17 1990-08-30 Каунасский Политехнический Институт Им.Антанаса Снечкуса Untrasonic apparatus for measuring physico-mechanical parameters of substance
US5467655A (en) * 1991-03-27 1995-11-21 Nippon Steel Corporation Method for measuring properties of cold rolled thin steel sheet and apparatus therefor
RU2006853C1 (en) * 1991-06-17 1994-01-30 Самедов Явер Юсиф оглы Ultrasonic method for determining elastic constants of solid bodies
RU2387985C1 (en) * 2008-12-02 2010-04-27 Александр Вениаминович Дурнов Method for control of distribution evenness of material mechanical properties

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU187411U1 (en) * 2018-08-02 2019-03-05 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" DEVICE FOR DETERMINING ELASTIC SOLID CONSTANTS
CN111551503A (en) * 2020-04-29 2020-08-18 南京理工大学 Laser ultrasonic system and method for detecting elastic modulus of material in non-contact manner

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hirao et al. Electromagnetic acoustic transducers
Hirao et al. Electromagnetic acoustic resonance and materials characterization
Kim et al. Review of magnetostrictive patch transducers and applications in ultrasonic nondestructive testing of waveguides
Edwards et al. Depth gauging of defects using low frequency wideband Rayleigh waves
Kim et al. Torsional wave experiments with a new magnetostrictive transducer configuration
Liu et al. Influence factors analysis and accuracy improvement for stress measurement using ultrasonic longitudinal critically refracted (LCR) wave
Nakamura et al. Mode conversion and total reflection of torsional waves for pipe inspection
Khalili et al. Relative ability of wedge-coupled piezoelectric and meander coil EMAT probes to generate single-mode Lamb waves
US5714688A (en) EMAT measurement of ductile cast iron nodularity
Seher et al. Numerical design optimization of an EMAT for A0 Lamb wave generation in steel plates
US4497209A (en) Nondestructive testing of stress in a ferromagnetic structural material utilizing magnetically induced velocity change measurements
CN112326786A (en) Metal plate stress detection method based on electromagnetic ultrasonic Lamb wave S1 modal group velocity
Sun et al. New combination of magnet and coil of electromagnetic acoustic transducer for generating and detecting Rayleigh wave
RU2660770C1 (en) Acoustical method of determination of elastic constants of current-conducting solids
Suchkov et al. A non-contact multifunctional ultrasonic transducer for measurements and non-destructive testing
Babkin The determination of the Poisson ratio for ferromagnetic materials using the EMA method
JP3299505B2 (en) Ultrasonic flaw detection method using magnetostriction effect
KR101328061B1 (en) Magnetostrictive transducer for omni-directional shear horizontal wave transduction
RU2231055C1 (en) Device for ultrasonic monitoring of strength characteristics of material of moving rolled sheets
RU2146818C1 (en) Method determining characteristics of stress-deformed state of structural materials
Eremin et al. Application of piezoelectric wafer active sensors for elastic guided wave excitation and detection in structural health monitoring systems for elongated constructions
JP6619282B2 (en) Non-destructive inspection device for steel and non-destructive inspection method for steel
Ribichini et al. Evaluation of electromagnetic acoustic transducer performance on steel materials
RU2810679C1 (en) Ultrasonic method for determining difference in principal mechanical stresses in orthotropic structural materials
Yao et al. Stress measurement based on magnetostrictive characteristic parameters

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190125