Определение погрешности измерения скорости распространения продольных волн иммерсионным методом

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ

РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ ВОЛН ИММЕРСИОННЫМ МЕТОДОМ

, ,

Хабаровск, Россия

Для аттестации стандартных образцов, используемых при ультразвуковом (у. з.) неразрушающем контроле для настройки аппаратуры, применяются иммерсионные методы [1]. При этом считается, что исключается влияние переходного акустического слоя, характерного для традиционных «контактных» методов. Однако, в работе [2] было показано, что на границе раздела твердое тело – жидкость присутствует слой адсорбированного газа. Причем даже при специальной обработке поверхности после помещения образца в жидкость на его поверхности вновь формируется слой адсорбированного газа. Наличие слоя адсорбированного газа может привести к изменению фазы коэффициента отражения у. з. волны от границы раздела твердое тело – жидкость, что в свою очередь приводит к появлению дополнительной составляющей погрешности при измерении скорости распространения продольных у. з. волн иммерсионным методом.

Схема измерений иммерсионным методом показана на рисунке 1.

Поправку для скорости распространения продольных волн, обусловленную наличием переходного слоя, можно представить в виде (рассматриваем два соседних переотраженных импульса)

(1)

где СИ – измеренное значение скорости; jСЛ – фазовый сдвиг при отражении от границы раздела образец – жидкость с учетом наличия переходного акустического слоя; t1, t2 – времена прихода первого и второго у. з. импульсов соответственно.

Полагая, что вероятность непосредственного контакта жидкости с образцом Р0, а толщина слоя адсорбированного газа равна h, для коэффициента отражения в этом случае получим следующее выражение.

(2)

где c1 = W32W23V21; W32, W23 – коэффициенты прохождения границ раздела образец – газ и газ – образец соответственно; B=V23V21; V21, V31, V23 – коэффициенты отражения у. з. колебаний от идеальных границ раздела газ – жидкость, образец – жидкость, газ – образец соответственно; k2=w /C2; w = 2pf; C2 – скорость у. з. волн в газе; f – частота у. з. колебаний. V21 = (z2-z1)/(z1+z2); V31 = (z3-z1)/(z1+z3); V23= (z2-z3) /(z2+z3); z1, z2, z3 – акустические импедансы жидкости, газа и образца соответственно.

На рисунке 2 приведены зависимости ½V31S½= abs(V31S) и jСЛ = argument(V31S) от Р0 при h = 5,6×10-9 м, f = 5×106 Гц, для материалов сталь Ст20 и сплав алюминия Д16Т.

Рис. 2. Зависимости модуля (а) и фазы (б) коэффициента отражения от границы раздела образец – жидкость от Р0.

На рисунке видно, что при полном акустическом контакте (Р0 = 1) ½V31S½= V31 и jСЛ = 0. При наличии слоя адсорбированного газа с уменьшением Р0 параметры½V31S½ и jСЛ увеличиваются.

Для экспериментальной проверки предположения о влиянии переходного слоя были проведены измерения на установках ИВА и ИЗУ-1, принадлежащих Дальневосточному филиалу ». В установке ИЗУ-1 для возбуждения и приема используются бесконтактные методы с применением емкостных преобразователей, измерение скорости звука проводятся резонансным методом [3], а в установке ИВА реализован иммерсионный метод и измерение скорости проводятся в эхо-импульсном режиме.

Для изготовления образцов были выбраны сталь Ст20 и сплав алюминия Д16Т. Образцы изготавливались из прутков (для каждого материала одной поставки), диаметром ~ 100 мм и толщиной от 5 до 50 мм.

При проведении измерений резонансным методом (установка ИЗУ-1) использовался анализатор спектра типа СК4-59. Характерная картина акустических спектральных линий (АСЛ) для образца из стали Ст20, толщиной 21,42 мм в интервале частот вблизи 5 МГц показана на рисунке 3.

Рис. 3. Картина акустических спектральных линий.

На первом этапе определяется АСЛ, наиболее близкая к требуемой частоте (в нашем случае это 5 МГц), на рис. 3, а она выделена пунктиром. Затем определяется частота максимума АСЛ fn (рис. 3, б). Скорость у. з. колебаний СИЗУ и СКО результата измерения SCИ рассчитывались по формулам

СИЗУ, SСИ = СИЗУ, (3)

где n – номер акустической спектральной линии; Sf – СКО результата измерения fn; Sd – СКО результата измерения толщины образца.

При проведении экспериментов были выполнены следующие условия: в зависимости от образца Sf £ 200 Гц; Sd £ 1 мкм.

При проведении измерений эхо-импульсным методом (установка ИВА) использовался осциллограф типа LeCroy WaveSurfer 422. Характерная картина переотраженных у. з. импульсов для образца из стали Ст20, толщиной 21,42 мм показана на рисунке 4 (осциллограмма приведена с учетом задержки в слое жидкости толщиной L = 100 мм, см. рисунок 1, а). Для возбуждения и приема у. з. колебаний использовался преобразователь с рабочей частотой 5 МГц.

Рис. 4. Картина переотраженных у. з. импульсов.

Время прохождения у. з. импульса в образце t0 определялось методом совмещения импульсов (рисунок 4, б). Скорость у. з. колебаний СИВА и СКО результата измерения SCВ рассчитывались по формулам

СИВА, SСВ = СИВА, (4)

где St – СКО результата измерения t0.

При проведении экспериментов St не превышало, в зависимости от образца, 2 нс.

Результаты обработки экспериментальных данных по сериям из 7 измерений приведены в таблице 1 (в качестве погрешности приведены СКО результата измерения). Частота у. з. колебаний (5 ± 0,1) МГц.

В таблице видно, что, как и следовало ожидать, для установки ИЗУ скорость продольных у. з. волн, в пределах погрешности, не зависит от толщины для обоих материалов. Для установки ИВА с уменьшением толщины образца измеренное значение скорости увеличивается, причем для сплава Д16 в большей степени. Большее отличие скорости для сплава Д16Т, по сравнению со сталью, обусловлено, по-видимому, меньшим значением акустического импеданса.

На рисунке 5 приведены экспериментально измеренные зависимости поправки DС = CИВА - CИЗУ и расчетные значения DС, полученные в соответствие с выражениями (1) и (2) при Р0 = 0,1.

Таблица 1

Ст20	Д16Т
d, мм	CИЗУ, м/с	CИВА, м/с	d, мм	CИЗУ, м/с	CИВА, м/с
5,002	5916±1	5930±5	4,993	6404±1	6429±8
9,762	5915,1±0,7	5928±3	10,034	6403,2±0,8	6423±4
15,011	5915,1±0,5	5924±2	14,986	6403,5±0,6	6418±3
21,420	5915,0±0,4	5921±1	19,860	6403,2±0,4	6415±3
25,000	5914,9±0,3	5921±1	25,001	6403,5±0,3	6411±2
35,500	5915,0±0,2	5918±1	35,000	6403,2±0,3	6407±1
45,010	5915,1±0,2	5917,1±0,6	50,012	6403,4±0,3	6405±1

Рис. 5. Расчетные (Ст20Р, Д16Р) и измеренные (Ст20, Д16Т) значения

поправки на скорость для иммерсионного метода.

На рисунке видно, что наличие адсорбированного газа на поверхности образца приводит к увеличению измеренного значения скорости для иммерсионного метода. Причем, при увеличении толщины образца результаты измерения скорости иммерсионным и бесконтактным способами сближаются, как это и следует из формул (1, 2).

Приведенные результаты показывают необходимость учета систематической составляющей погрешности для иммерсионного метода, обусловленной наличием слоя адсорбированного газа на границе раздела твердое тело – жидкость.

Литература

1. ГОСТ Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые.

2. , . Исследование прохождения ультразвукового импульса через слой жидкости. Дефектоскопия, 1994, № 1, С. 21-25.

3. . Прецизионные методы измерения акустических величин твердых сред. Ч.1, Ч2. Хабаровск, Изд-во ДВГУПС. 2006, 152 с.