К методике измерения продольной и поперечной скоростей ультразвука в листовых материалах

Ультразвуковые методы давно и по праву занимают ведущие позиции в арсенале экспериментаторов, занимающихся исследованиями упругих свойств вещества [1]. Наиболее информативным параметром, позволяющим оценить механические свойства материала, является скорость распространения акустических колебаний разного вида (продольных и поперечных). Как правило, для целей акустического контроля применяются раздельные датчики продольных и поперечных волн. Для получения надёжных результатов желательно, чтобы измерения продольной и поперечной скорости звука производились в одинаковых условиях на одном образце и при одинаковой частоте (для исключения эффектов, связанных с дисперсией). Заметим, что на поперечных волнах весьма серьёзной проблемой является обеспечение надёжного акустического контакта между датчиком и образцом.

Отмеченные проблемы легко разрешаются применением иммерсионного метода, который позволяет обеспечить идеальный и не меняющийся со временем акустический контакт с образцом, а также избавляет от необходимости учитывать задержку распространения сигнала в протекторах акустических датчиков и в элементах электронной схемы. Идея определения скорости продольных волн основана на сравнении результатов прямых измерений времени распространения зондирующего сигнала через иммерсионную жидкость при наличии и отсутствии образца [2].

Если волновое сопротивление иммерсионной жидкости существенно меньше, чем у образца, то в нём (в случае достаточно малого затухания) могут наблюдаться серии отражений зондирующего импульса. В этом случае скорость продольной волны в материале образца вычисляется [1] по величине временного интервала между отражениями, что повышает точность.

Измерение скорости поперечных волн основано на том, что при наклонном падении продольной волны на границу раздела жидкость-образец в последнем в общем случае возникают две преломленные волны: продольная и сдвиговая. Поворотом образца можно найти положение, при котором продольная волна испытывает полное отражение. При углах падения, превышающих это значение, в твердом теле распространяется только волна сдвига, которая при переходе через границу раздела образец-жидкость вновь трансформируется в продольную волну. Аналогичное явлении может (при определенных условиях) наблюдаться и для сдвиговых волн, а метод измерения скорости ультразвука по значениям критических углов отражения неоднократно описан [1, 2]. Однако авторам неизвестны иные попытки использования для расчета скорости сдвиговых волн непосредственного измерения времени распространения зондирующего импульса через образец, расположенный под углом к звуковому пучку, кроме собственных [3].

А.А. Коваленко, А.С. Грязнов. К методике измерения продольной и поперечной скоростей ультразвука в листовых материалах

Таблица

Результаты измерения скорости звука в различных материалах

*измерение скорости по моментам регистрации 1-го и 5-го отражения, **измерение скорости по моментам регистрации 1-го и 3-го отражения, ***измерения поперечной скорости выполнялись для двух взаимно перпендикулярных по отношению к направлению проката ориентаций образца.

Если d – толщина образца, с 0 – скорость звука в жидкости, α – угол падения звуковой волны, а t 0 и t соответственно время распространения сигнала через жидкость и систему жидкость-образец, можно показать, что скорость с звука в образце можно найти по формуле:

с 0 • d

-Jd ² sin ² a + ( d cos a - с 0 • ( t 0 - t )) ²

Очевидно, что поперечная волна в образце, возникшая в результате трансформации продольной, имеет в этом случае определённую поляризацию. Этот факт может быть использован для выявления возможной анизотропии упругих свойств материала в плоскости листа, что наглядно демонстрирует результат измерения скорости поперечных волн в однонаправленном органоволокните (табл. 1), где в силу технологии изготовления анизотропия механических свойств априори должна быть резко выражена.

Измерения, выполненные для стального проката, не позволяют однозначно говорить о значимых различиях упругих модулей, соответствующих разным направлениям поляризации поперечных волн. Однако наличие анизотропии и в этом случае следует считать весьма вероятным, т.к. доверительные интервалы значений скорости сдвиговых волн с разной поляризацией в этом материале перекрываются незначительно.

Результаты эксперимента сведены в таблице и не противоречат известным из литературы значениям [2]. Полученные данные подтверждают возможность применения импульсного иммерсионного метода измерения скоростей продольных и сдвиговых волн на одном образце в условиях одного эксперимента. При наличии достаточно выраженной (свыше 2…3%) анизотропии в плоскости листа она может быть выявлена путём измерения скорости сдвиговых волн с разной поляризацией.