SU815614A1 - Ультразвуковой способ измерени МОдул юНгА - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к способам определени  характеристик упругости тве дых тел по цвум скорост м ультразвуковых волн различных типов и может быть использован в лаборатори х, в которых измер ют модули упругости первого и вт рого рода в образцах металлов, строител ных материалов или горных пород, а также при исследовании изменений модул  Юнга под действием внешних факторов, например, температуры, давлени . Известен способ измерени  модул  уп ругости первого рода (модуль Юнга) по скорости распространени  продольных ультразвуковых колебаний Ij. Недостаток способа заключаетс  в том что измеренный модуль Юнга имеет значени  больше истинного, поскольку не учитываетс  поперечна  деформаци  образца , возникающа  при распространении продольных колебаний. Известен способ определени  модул  Юнга по скорости продольных ультразвуковых колебаний в цилиндрическом образ- це, который позвол ет получить точную величину модул  Юнга, если дл  данного материала известно точное значение коэф фициента Пуассона 2. Однако коэффициент Пуассона берут из справочных данных дл  исследуемого материала , что может привести к большим ошибкам, поскольку незначительные иаме нени  коэффициента Пуассона привод т к значительным изменени м поправ.онногч) коэффициента в расчетной формуле. Известен способ определени  коэффициента Пуассона, согласно которому измер ют скорости распространени  двух типов волн: сдвиговой и поверхностной. Дл  определени  точного значени  какойлибо из характеристик упругости необходимо произвести измерение двух неэавнсимых скоростей распространени  колебаний СЗ. Недостаток способа - мала  точность определени  скорости поверхностных волн. Наиболее близким по технической сущости к предлагаемому  вл етс  ультра- 38 звуковой способ измерени  м& улж Юнга, заключающийс - в том, что в цш15 н«рачес кий образец излучают первичный мм ульс продольных колебаний, измер ют его врем  прохождени  вдоль образца, наь«ер ют скорость распространени  продольных н савиговых волн в образце, и рассчитывают по измер емым скорост м модуль Юнга 4. Недостатком известного способа  вл - етс  мала  точность измерени , что обус ловлено невозможность использовани  эхо-импульсного измерени  времени эа держки ультразвуковых импульсов из-за отсутстви  отражени  от ареобразовате лей, а также тем, что рассто ние между излучателем н приемником  вл етс  неопрецеленной величиной и поэтому не может быть измерено достаточно точно. Кроме того, использование специфических датчиков, «озвол юа1Их проводить измерени  оциовременно на процольнцх и сдвиго вык колебани х, требует большик уровней энергии возбуждени , что вецет к нелиней ным эффектам и сказываетс  на времени распространени  УЗ импульса. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  модул  Юнга путем использовани  трансформации процоль нык колебаний в сцвиговые при угле паце ни , практически равном пр мому. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе измерении модул  Онга, по которому в цилиндрический образец излучают первичный импульс процольнь5к; колебаний, Ичзмер ют врем  его прокожде ни  вдолгз образца, и рассчитывают модул Юнга, первичный импульс продольных кол баний возбуждают с длиной волны в IDIS раз меньше диаметра образца, измер ют врем  задержки импульса прошедшего через образец и трансформированного на его боковой поверхности в сдвиговый и оёрагно в продольный относигельно первичного импульса, а модуль Юнга рассчи тывают по формуле: H.. tU Uial J Е модуль Юнга; р - плотность образца; 6 - длина образца; Р « диаметр образца; - врем  прохождени  первич ного импульса продольных колебаний вдоль образца; 4 t 2 врем  задержки трансформированного импульса относительно первичного им- пуп ьса продольных кол ебаний. На фиг. 1 приведена схема установки дл  измерени  предлагаемым способом, а также картина распространени  импульсов УЗ колебаний в образце в лучевом представлекии , на фиг. 2 - осциллограммы импульсов, прошедших: через образец. Устройство содержит генератор 1 зондирующих импульсов, излучающий преобразователь 2 продольных колебаний, исследуемый образец 3 в виде цилиндра, диаметр которого в 1О-15 раз больше дЛины вопны, приемный преобразователь 4 продольных колебаний, осциллограф 5 дл  наблюдени  импульсов и измерени  времени распространени , синхронизатор 6, А - импульс продольных ультразвуковых колебаний, излученный преобразователем 2; импульс продольных ультразвуковых колебаний после отражени  от боковой стенки в точке М (первичный); . 4. - импульс сдвиговых ультразвуковых копебаний, образовавшийс  при трансформации части энергии импульса продольных Колебаний А в момент отражени  в точке М; В импульс продольных коле- баний (вторичный), образовавшийс  в результате трансформации импульса сдвиговых колебаний t в момент отражени  в точке N . На фиг. 2 условно обозначены: ЗИ - момент генера 1ии зондируюшего импульса; А - первичный ультразвуковой импульс продольных ко; ебаний пр мого прохождени ; t - врем  его распространени  от излучени  к приемнику; В ;5 - вторичный ультразвуковой импульс, образовавшийс  из импульса А : вслед за В следуют импульсы, образовавшиес  в результате многократного отражени  и трансформации Набоковых стенках; i.врем  задержки вторичного ультразвукового импульса относительно первичного; А2- эхо импульс продольных ультразвуковых колебаний, претерпевший отражени  от преобразователей 4 и 2; вторич ный ультразвуковой импульс, образовавшийс  из импульса А , Предлагаемый способ осуществл етс  следующим образом. С помощью преобразовател  2 продольных колебаний в образец 3 через торец излучают импульс продольных ультразву- ковык колебаний (фиг. 1, импульс А). Его распространение сопровождаетс  некоторым расхождением ультразвуковых колебанпй и их наклонньпл падением на

боковую поверхность цилинцрического образца (с углом падени  практически равным пр мому). При этом ультразвуковой импульс продольных колебаний частично отражаетс  (импульс А), и часично трансформируетс  в ультразвуковой импульс сдвиговых колебаний (импульс). При наклонном падении сдвигового импульса на боковую поверхность цилиндрического образца (точка N ) происходит его частичное отражение в виде импульса сдвиговых колебаний и частична  трансформаци  в импульс продольных колебаний В: (вторичный). За счет увеличени  пути распространени  и распространени  ультразвуковых колебаний на части образца с меньшей скоростью происходит задержка вторичного импульса относительно импульса А, называемого первичным.

Первый пришедший к приемному преобразователю 4 ультразвуковой импульс - первичный преобразуетс  преобразователем в электрический сигнал. Этот импульс наблюдают на экране осциллографа 5, измер ют врем  от момента-излучени  зондирующего импульса ЗИ (фиг. 2) цо момента прихода первичного УЗ импульса, равное времени прохождени  импульса продольных колебаний вдоль образца.

Вслед за первичным вторичный ультразвуковой импульс достигает приемного преобразовател  4 и преобразуетс  им в электрический сигнал. На экране осциллографа наблюдают вторичный импульс, измер ют задержку вторичного УЗ импульса относительно первичного.

Вычисл ют модель Юнга по- формуле:

{

где- Е - модуль Юнга;

р - плотность материала образца; 6 - длина образца; - О - диаметр образца;

t - врем  распространени  первичного УЗ импульса; врем  задержки вторичного УЗ импульса относительно первичного УЗ импульса. Использование предлагаемого способа позвол ет во-первых, повысить точность измерени  времени распространени  ультразвукового импульса продольных колебаний по сравнению с известными способами, основанными на трансформации продоль- , ных колебаний в сцвиговые, за счет наличи 

плоско-параллельных торцов, а также возбуждени  и приема колебаний через плоскость, перпендикул рную направленто распространени  колебаний. Это позвол ет использовать эхо-импульсный, способ, а также с большой точностью изр-сер ть рассто ние , проходимое УЗ импульсом. Во-Фто- рых, способ обладает эксплуатационными удобствами: образец простой формы,

г. е. без косых срезов под определенным углом, не требуетс  жидкостной ванны или преобразователей сдвиговых колебаний , (работать с преобразовател ми продольных колебаний намного проще, чем с преобразовател ми сдвиговых колебаний). В третьих, способ позвол ет проводить испытани  в широком интервале темпе- х ратур давлений и внешних полей, сохран   большую точность измерени  модул  Юнга.

Claims (4)

1. Формула изобретени 

   Ультразвуковой способ измерени  мо-дул  Юнга, заключающийс  в т.ом, что в цилиндрический образец излучают первич ный импульс продольных колебаний, измер ют врем  его прохожденн  вдоль об

   разца и рассчитывают модуль Юнга, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерений, первичный импульс продольных колебаний возбуждают с длиной волны в 10-15 раз

   меньше диаметра образца, измер ют врем  задержки импульса прошедшего через образец и трансформированного на его боковой поверхности в сдвиговый и обрато в продольный относительно первично-

   го импульса продольных колебаний, а мо-г уль Юнга рассчитывают по формуле;

   -.{ YlMetJ J ( VotJ

   де р - плотность образца; S - длина образца; D - диаметр образца; Ь - врем  прохождени  через

   образец первичного импульса продольных колебаний; tg - врем  задержки трансформированного импульса относительно первичного импульса продольных колебаний; Е - модуль Юнга.

   Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

   1,Авторское свидетельство СССР 80278, кл. Q 01 К 29/00, 194.9.
2. 2.Авторское свидетельство СССР М 12233О, кл. q 01 N 29/ОО, 1959.
3. 3.Авторское свидетельство СССР

   N 282721, кл. q 01 N 29/ОО, 1970.
4. 4.Авторское свидетельство СССР № 390433, кл. q 01 N29/00, 1972

   (прототип).

   А б,

   ЗИ

   3Фиг .2

   Фиг.1

   1