SU1384959A1 - Устройство дл измерени скорости ультразвука - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к нераз- рушающему контролю и может найти применение в различных отрасл х промышленности при контроле физико-механических свойств по скорости распространени  ультразвука. Целью изобретени   вл етс  повьшение точности измерений за счет увеличени  разности смешиваемых частот при компенсационном методе. Перед смешиванием прошедших акустическую  чейку зондирующих импульсов одни из них задерживают на врем , большее времени прохода сигнала через акустическую  чейку . При зтом смешивают сигналы, соответствующие разным зондирующим им- п ;льсам, что увеличивает разность смешиваемых сигналов. 2 ил. (Л

Description

00 00

;о ел со

Изобретение относитс  к неразрушающему контролю и может найти применение в различных отрасл х промышленности при контроле физико-механических свойств по скорости распространени  ультразвука.

Цель изобретени  - повышение точности измерений за счет уменьшени  разности частот компенсации, ,

На фиг.1 и фиг.2 изображены схемы устройства дл  измерени  скорости ультразвука.

Устройство дл  измерени  скорости ультразвука содержит последовательно соединенные генератор 1, стробирую- щий усилитель 2 и акустическую  чейку 3, последовательно соединенные цриемный усилитель 4 и индикатор 5, частотомер 6 соединенньш с генератором 1, и генератор 7 строба, соединенный со стробирующим усилителем 2, линию 8 задержки со временем

задержки, большим максимально воз-i

138Д9592

пульсы от образца (а если акустическа   чейка 3 содержит волноводы, то и эхо-импульсы из волноводов) и задержанный в линии 8 задержки радиоимпульс . Эти радиоимпульсы можно наблюдать на экране осциллографа, а мен   задержку между видеоимпульсами генератора 7 строба, можно измен ть

0 задержку между эхо-импульсами от второго зондирующего радиоимпульса и задержанным в линии 8 задержки радиоимпульсом от первого зондирующего и добитьс  наложени  интересующе15 го нас эхо-импульса на задержанный радиоимпульс.

При изменении частоты генератора 1 наблюдаетс  интерференци  наложенных импульсов. Наиболее точно

20 можно определ ть противофазность интерферирующих импульсов по минимуму суммарного сигнала при изменении частоты и соотнодпени  амплитуд видеоимпульсов . Частоты противофазности

можного времени прохода акустичес кой  чейки 3 ультразвуком, включенной между выходом акустической  чейки 3 и входом приемного усилител  4, причем выход стробирующего усилител  2 соединен с входом приемного усилител  4, или включённой между выходом стробирующего 2 и приемного 4 усилителей, а выход акустической  чейки 3 соединен с входом приемного усилител  4.. .

Устройство дл  измерени  скорости ультразвука работает следующим образом .

Стробирующий усилитель 2 открываетс  парами импульсов генератора 7 строба и формирует из сигнала геце- ратора 1 пары зондирующих пр моугольных радиоимпульсов с когерентным заполнением . Зондирующие радиоимпульсы поступают на входы линии 8 задержки и акустической  чейки 3, где преобразовываютс  электроакустическими преобразовател ми в ультразвуковые импульсы . В образце ультразвуковые импульсы многократно отражаютс  от пло скопараллельных границ образца и преобразовываютс  приемным преобразователем акустической  чейки 3 (приемный и излучающий преобразователь при работе на отражение может быть сов мещенным) в серию радиоимпульсов. Таким образом, от каждой из пар зондирующих радиоимпульсов на вход приемного усилител  4 поступают эхо-имi

20 можно определ ть противофазность интерферирующих импульсов по минимуму суммарного сигнала при изменении частоты и соотнодпени  амплитуд видеоимпульсов . Частоты противофазности

30

40 дЗ сп сг

125 (частоты компенсации) измер ютс  частотомером 6.

Дл  определени  скорости ультразвука измер ют частоты компенсации задержанного радиоимпульса с т-Ми 1-м эхо-импульсами ():f, f и f, причем эти частоты выбирают удовлетвор ющие услови м

..Е -ш - .

Услови  противофазности дл  этих частот выгл д т следзпощим образом:

-(2т-1)ц + Ф(С) -2(m-1)Cf(f) k - 1/2;

(21-1),+ Ф(п) - 2(l-1)cf(f) n - 1/2;

(1)

(2)

-zTj- (21-1 ), (fL,)-

-2(l-1)(f(f;) П + 1/2,

(3)

де

с. -

Ф()

гг, врем  прохождени  ультразвуковых колебаний через образец;

врем  задержки линии 8 задержки;

сумма фазовых сдвигов, обусловленных преобразованием электрических колебаний в ультразвуковые и обратно в электрические, задержками сигналов в электрических цеп х;

Cf(f) - фазовый сдвиг ультразвуковой волны при отражении от границы образец - преобразователь .

Соотношение фаз при интерференции 1-го импульса на частоте ц при условии линейности изменени  (f) на малом частотном диапазоне f„+, -f с учетом (2) и (3) можно записать следующим образом:

(21-1)(;) (21-1)tf(fK)

m е

n-1/2 -f -f. H+i n

Из (1) И (4) следует, что

2(т-1)(1-т)ч(к)

m в , fK-f«

-n-k +

и+t i-h

а скорость ультразвука определ ют по формуле .

2(т-Ш, у

(- - - - fm jfTn, Л).

(m-l)4(fj.

где С - скорость ультразвука;

d - толщина образца; п и k - целые числа. Целые числа п и k определ ют по частотам компенсации , и п+; rt.; Пренебрега  малыми Ф() и tf(f), находим из условий противо- фазностц дл  и f.: :

. (2m-1) 2j/(f:,. -f.j )

Подставив значение ГУ-(2m-1) Г в (4), получим

k -. +1/2.

Вычисленную no этой формуле величину необходимо округлить с учетом фазовой ха{)актеристики преобразовател  до целого числа.

Фазовый сдвиг ультразвуковой волны при отражении от границы образец - преобразователь близок к нулю при использовании кварцевых преобразователей на их резонансной частоте. Поэтому измерение скорости необходимо производить на частотах вблизи резонансной частоты использованных преобразователей .

Также возможно экспериментально определить ср() в диапазоне частот. Дл  этого провод т измерени  при ра- с боте на отражение и определ ют вли ние приклеенного к свободному торцу образца идентичного преобразовател  при работе на прохождение. Затем, помен в функции излучак)щего и прием10 ного пьезопреобразователей, определ ют различие c|(f) дл  пьезопреобразователей .

Дл  расчета абсолютных значений скорости ультразвука выбирают в поfS лосе работы пьезопреобразователей диапазон частот, измер ют на каждом крае этого диапазона по три компенсационные частоты: две частоты компенсации ближнего 1-го зхо-импульса с

20 задержанным опорным радиоимпульсом и одна частота компенсации этого сигнала с т-м эхо-импульсом. Причем частоты компенсации выбирают удовлетвор ющие услови м

25

Л т ..t v° ,.т Л . ; fn..V,

Услови  противофазности дл  час- тот ц и , а также соотношений фаз между интерферирующими опорным радиоимпульсом и 1-м эхо-импуль

сом на частотах f и fц+ будут иметь следующий вид:

ц - (2т-1) б f7 +Ф(к)-2(т-1)-,ч Mf(f k-1/2;

0

- (21-1)(J-2(l-1)

f

tk In

(8)

5

0

5

.tfCC) п-1/2-. -п-и

-гг. -(2т-1 )t Г, --Ф( Г. к )-2 (т-1)

m

«С(ц,к) k+k-1/2;

-(2т-1):,,-Ир(-,)- -2(1-1)с(:,, )n+N-1/2 + )

I(i + Nt( I titN

При этом предполагалась линейность частотной зависимости на каждом краю выбранного частотного диапа- з.она. Из этих соотношений нетрудно получить выражение дл  определени  скорости ультразвука:

2(m-l)d(r.K-fK) (,,. С f I frf S I fFА )

N1 . -KtK J- к in о / -k t -рг1гГf 2o

n -n

где N и k - число частот компенсаций

соответственно f

« + V

и f

п

меаду , . „,

fL. и f аоб (m-l)cf(f:,,)-c|(f:;)

При подключении линии 8 задержки между выходом акустической  чейки 3 и входом приемного усилител  4 вли ние фазового сдвига уменьшаетс  в зависимости от величины и места выбора относительно резонансной частоты ис- пользованного преобразовател  .частотного диапазона fK+x к- Так как tf(f)  вл етс  огранич.енной по величине функцией, то при выборе .к. например, в 10 раз меньше величины ц, уменьшаетс  не менее, чем в 10 раз. Выбор частотного диапазона вдали от резонанса преобразовател  приводит также к уменьшению погрешности измерений, так как в dO(f) Jf значение, чем вблизи резонанса-.

В том случае, когда в устройстве используетс  лини  задержки со зна- чительньм временем задержки - с . 2Г

этом случае

имеет меньшее

fn+K fntN то фазовые

а и

сдвиги имеют близкие значени , и расчет скорости может быть проведен по формуле

2(m-l)d

N k

fT i-|in+N n

F 1 IT

При проведении относительных измерений скорости ультразвука, например изменени  скорости при изменении температуры образца, след т за изменением какой-либо частоты компенсации, например f (дл  упрощени  обозначений f ц с f) 3. дл  расчета можно использовать формулу, полученную дифференцированием:

С SjS- fii

45

(13)

во раз меньшее вли ние на точность относительных измерений. Точность же установки частот компенсаций, а вместе с ней и точность определени  скорости ультразвука в предлагаемом устройстве значительно првьшаетс  по сравнению с точностью в известных устройствах. Это св зано с тем, что, если в известных устройствах интервал частот между соседними частотами компенсаций равен Г/2 с , то в предлагаемом устройстве, например, при регистрации частот компенсаций задержанного линией задержки рариоимпуль,са и второго эхо-импульса - .г;:.

т

Погрешность же установки частот компенсаций пропорциональна интервалу частот между соседними компенсационными частотами и, таким образом, в предлагаемом устройстве повьш1аетс  точность в зависимости от соотношени  между временем распространени  ультразвуковых импульсов в образце и временем задержки линии 8 задержки. При подключении линии 8 задержки между выходом акустической  чейки 3 и входом приемного усилител  4 радиоимпульсы , прошедшие акустическую  чейку 3 и линию 8 задержки, смешиваютс  на входе приемного усилитрл  4 с зондирующими импульсами последующих периодов. Методика измерений и расчетные формулы не измен ютс .

При Г, Г расчет скорости может производитьс  по упрошенной формуле

С

2(m-l)fl -

(14)

.pm fin f t .K+K IK ntK

- f 8 n

Расчетна  формула дл  определени  относительных изменений скорости имеет следующий вид;

АС . с fl

(15)

где tg - врем  распространени  ультразвукового импульса при начальной температуре.

Так как частота заполнени  ультразвуковых импульсов отклон етс  значительно меньше от первоначальной выбранной частоты компенсации f (в

,

раза),, то фазовые сдвиги

соответствующее количест

50

где ДС - изменение скорости;

л - изменение, например с температурой , частоты компенсации f

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  измерени  скорости ультразвука, содержащее последовательно соединенные генератор, стробирующин усилитель и акустическую  чейку, последовательно соединенные приёмный усилитель и индикатор, частотомер , соединенньй с генератором, и генератор строба, соединенный со стробирующим усилителем, отличающеес  тем, что, с целью повьшени  точности, оно снабжено электрической цепью, соедин ющей вы{ Ti-fT

   ход стробирующего усилител  и вход приемного усилител , и линией задержки с временем задержки, большим максимально возможного времени прохода акустической  чейки ультразвуком , включенной в электрическую цепь или включенной между входом приемного усилител  и выходом акустической  чейки.

   Фи.г