Журнал Акустического Общества Америки
Том. 101, №3, Март 1997
Взаимная калибровка акустико-эмиссионных преобразователей в звуковом поле волны Релея и продольной волны.
Хаджим Хатано
Департамент Прикладной Электроники, Научный Университет Токио, Ямазаки, Нода, 278 Япония
Тецио Ватанаби
Японская Стальная Корпорация, Чийода-ку, Токио, 100-71 Япония
стр.
Взаимная калибровка акустико-эмиссионных преобразователей в звуковом поле волны Релея и продольной волны.
Хаджим Хатано
Департамент Прикладной Электроники, Научный Университет Токио, Ямазаки, Нода, 278 Япония
Тецио Ватанаби
Японская Стальная Корпорация, Чийода-ку, Токио, 100-71 Япония
(Получено 26 января 1996; проверено 28 августа 1996; утверждено 15 октября 1996)
Новая система была разработана для взаимной калибровки акустико-эмиссионных преобразователей в звуковых полях волны Релея и продольной волны. В порядке уменьшения интерференции паразитных волн из-за отражения и принципа преобразования, большой цилиндрический блок кованной стали был подготовлен как тело передачи, и прямая и паразитная волны выделены в промежутке 50 кГц – 1 МГц по значениям электрических измерений без использования механических источников звука или эталонного преобразователя. (с) 1997 Акустическое Общество Америки [S(97)02003-1]
Активная система управления по тангажу номер: 43.40.Le, 43.35.Zc [PJR]
Вступление
Калибровка акустико-эмиссионных преобразователей это важный момент акустико-эмиссионных измерений1. Для акустико-эмиссионного тестового оборудования электронное оборудование, такое как фильтры могут быть легко откалиброваны по электрическим значениям. Без калибрующих преобразователей, все характеристики тестового оборудования не могут быть определены. Эти значения не только количественная оценка, но и точные видимые сравнительные данные, полученные разными лабораториями, за исключением соответствующего установленного метода калибровки преобразователя. /////что-то тут не совсем так…
Отличительным признаком акустико-эмиссионных преобразователей, количество методов, использующих различные механические источники звука, например, падающий металлический шар, поломка пишущего карандаша, струя песка и электрическая искра, описанные в литературе1. Брекенбридж разработал метод сейсмического пульсирования поверхности, в котором ломающиеся стеклянные капиллярные трубки используются как источник звука и емкостной преобразователь как эталон.
Взаимная калибровка акустико-эмиссионных преобразователей в звуковом поле волны Релея и продольной волны была прежде предложена одним из авторов6. Однако, так как стальная пластина использовалась для передачи твердого, было сложно выполнить калибровку продольной волны, так же как и аннулирование воздействия отражений сверху и снизу пластины. Новая система взаимной калибровки была разработана в надежде преодоления этих проблем. В порядке уменьшения интерференции паразитных волн из-за отражения и принципа преобразования, большой цилиндрический блок кованной стали был подготовлен как тело передачи, и прямая и паразитная волны определены между основаниями их импульсов. Частотные характеристики скорости чувствительности обеих волны Релея и продольной волны определены в промежутке 50 кГц – 1 МГц.
I. Метод
А. Взаимная калибровка
При взаимной калибровке, три реверсивных акустико-эмиссионных преобразователя 1,2 и 3 подготовлены, и три независимых передающих/принимающих пары сконфигурированы отверстием в передающем теле (см рис.1)7-10. Напряжение сигналов передачи и приема ESij и EOij измерены на каждой паре, где индексы i j соответствуют преобразователю i для передачи и j для приема. Если получен взаимный параметр H, независимый от конструкции преобразователя, то абсолютная чувствительность определяется по чисто электрическим измерениям, без использования механических источников звука или эталонных преобразователей. Например, чувствительность преобразователя 1 получается по формуле
где Zi -- электрическое сопротивление преобразователя i.
Полученная взаимной калибровкой чувствительность произвольного преобразователя, не обязательно реверсивного, может быть определена по относительно простой процедуре с использованием откалиброванного преобразователя как эталона для передачи или приема звука6.
В. Форма волны
Через ограниченное упругое тело можно передавать волны различных форм до тех пор, когда акустико-эмиссионные преобразователи установят различные чувствительности к волнам различных форм. Для оценочных характеристик преобразователей, необходимо при калибровке использовать форму волны, идентичную акустико-эмиссионным волнам, обнаруженным в реальных обьектах6. В последнее время, прикладные области акустико-эмиссионных измерений расширились и включили различные громоздкие объекты, например, толстостенную посуду и большие бетонные конструкции. Для таких областей чувствительность к продольной волне является самой важной. В дополнение, чувствительность к продольной волне представляет собой основные характеристики акустико-эмиссионных преобразователей, так как в этих преобразователях обычно применяются толстые пьезоэлектрические элементы, где чувствительность к волне Релея является субъектом апертурного эффекта преобразователя. В новой системе калибровки применяется поле звуковой продольной волны так же как и поле звуковой волны Релея.
Рис.1 Схематическое изображение расположения преобразователя на цилиндрическом теле и предполагаемые пути упругих волн. (а) калибровка волной Релея. (b) калибровка продольной волной.
C. Чувствительность в свободном поле
Для калибровки акустико-эмиссионных преобразователей величина чувствительности в свободном поле определяется как
M0=E0/w0
где E0 -- выходное напряжение холостого хода, w0 -- вертикальная составляющая величины смещения падающей упругой волны в точке, где размещен преобразователь6.
В традиционной калибровке микрофонов и гидрофонов, погруженных в текучую среду, звуковое давление принято как мера интенсивности падающих волн7,8. С другой стороны, акустико-эмиссионные преобразователи расположены на свободных поверхностях твердого тела, где сложно измерить звуковое давление, так как специфическое акустическое сопротивление атмосферной среды настолько незначительно по сравнению с твердым телом. Следовательно, чувствительность акустико-эмиссионных преобразователей должна быть определна условиями смещения падающих упругих волн, например, амплитудой, величиной ускорения вместо звукового двления.6
Таблица 1. Константы для взаимного параметра калибровки волной Релея.
D. Взаимный параметр
Взаимный параметр для калибровки волной Релея HR формально получен из Теории Лэмба:
где
и DR – расстояние между передающим и принимающим преобразователями, f – частота, и E, σ, ρ – модуль Юнга, коэффициент Пуассона, и плотность тела передачи, соответственно6. Здесь, X и Y это константы, полученные из численных решений уравнения Лэмба как функция коэффициента Пуассона11. Таблица 1 показывает уточненные значения констант X и Y, поскольку некоторые типичные ошибки найдены в предыдущей статье.
Для калибровки продольной волной, взаимный параметр HL получен в Приложении как
где DL – расстояние между передающим и принимающим преобразователями при калибровке продольной волной.
E. Расположение преобразователя
Для обеих калибровок волной Релея и продольной волной, цилиндрический твердый блок обычно используется как передающая среда. Рис.1 схематически показывает расположение преобразователя и предполагаемые пути различных упругих волн. На Рис1(а) показана установка для калибровки волной Релея. Оба передающих и принимающих преобразователя размещены на верхней плоскости цилиндрического тела на расстоянии DR друг от друга, и прямая волна Релея R0 используется для калибровки. Продольная волна L’, отраженная от дна цилиндра, и волна Релея R0’, отраженная от верхней грани, принимаются за паразитные волны, область действия которых на принимающий преобразователь следует за прямой волной Релея R0. На Рис1(б) показана установка для калибровки продольной волной. Передающий преобразователь размещен на верхней грани цилиндрического тела, а принимающий преобразователь на нижней грани, причем их оси совпадают друг с другом. Прямая продольная волна L0 наиболее значима для калибровки. Продольная волна L1’ , отраженная от стен цилиндра, и сдвиговая волна S2’ , полученные из продольной волны L2 принимаются за паразитные волны.
Рис.2. Тональная посылка сигналов и их частотный спектр.
F. Сигнал калибровки.
Тональная посылка сигнала, вместо незатухающей гармонической волны, получена для сигнала калибровки надлежащим образом чтобы различить прямую волну и последующие паразитные волны на основании их времени поступления. На Рисунке 2 показано схематически две представительных сигнала тональной посылки с длительностью τ и их частотным спектром. Вследствие сравнительно малых колебаний в нижних областях спектра принимают квадратично-синусоидальную огибающую сигнала. Ширина спектра, которая определяет разрешение по частоте калибровки, убывает с нарастанием длительности τ. Однако, максимальная длительность тональной посылки ограничена минимальной разницей времени поступления. Именно половина длительности квадратично-синусоидальной огибающей сигнала не должна превышать временной разницы, чтобы измерение амплитуды прямой волны от максимального значения без интерференции до последующих паразитных волн.
G. Тело передачи.
Так как большие линейные размеры тела передачи вызывают значительную разницу во времени поступления, то для новой калибровочной системы подготовлен большой твердый блок. На Рисунке 3 показано цилиндрическое тело из кованной стали (E=2.1x1011 Н/м2, σ=0.28, ρ=7.7х103 кг/м3) диаметром 1.1 м, высотой 0.76 м, и весом 6 тонн. Ультразвуковое тестирование проводилось на 2 МГц по всему блоку и не обнаружимые трещины были зарегистрированы. В дополнение, ультразвуковой коэффициент затухания измерен в каждой точке на прямоугольной решетке с интервалом 0.15 м на верхней грани. Усредненное значение коэффициента B3/B1 где B1 и B3 – амплитуды первого и третьего донного эхо-сигнала соответственно, определен близко к 32.1%. Это означает, что механические потери тела должны быть достаточно малы для взаимной калибровки, так как теоретическое значение B3/B1 равно 33.3% для чисто геометрического затухания. Тело передачи предназначено для разности времени поступления прямой и паразитных волн больше 0.1 мс в любом случае, как для калибровки волной Релея, так и продольной волной. Длительность тональной посылки сигнала τ равна 0.2 мс.
Рис.3. Тело передачи из кованной стали (диаметр: 1.1 м, высота: 0.76 м).
II. Результаты.
А. Распространение волны в теле передачи.
До завершения взаимной калибровки, распространение упругих волн в теле передачи изучалось с использованием акустико-эмиссионных преобразователей (0.14Z10), в которых применялись цилиндрические пьезоэлектрические элементы диаметром 10 мм с номинальной густотой резонанса 140 кГц.
Рисунок 4(а) показывает колебания сигналов передачи и приема, записанные при калибровке волной Релея на 160 кГц. На нем показано, что прямая волна Релея R0 достигла принимающего преобразователя, удаленного на 0.2 м от передающего преобразователя, с временем распространения около 70 мкс. Затем с задержкой 320 мкс приходит паразитная волна Релея R0’. Не смотря на то, что допускаемая паразитная продольная волна L’ должна была следовать за прямой волной R0 с задержкой 190 мкс, паразитная волна не была записана, возможно потому что ее амплитуда слишком мала на данной частоте по сравнению с волной Релея.
На Рисунке 4(b) показаны колебания, записанные при калибровке продольной волной на 160 кГц. Прямая продольная волна L0 достигнула принимающего преобразователя, размещенного на нижней грани цилиндрического тела, со временем распространения 130 мкс. Паразитная продольная волна L1’ и сдвиговая волна S2’ следуют за прямой волной L0 с задержкой 100 и 190 мкс соответственно.
Рис.4. Колебания сигнала передачи и приема (горизонталь: 50 мкс/div) (а) при калибровке волной Релея (б) при калибровке продольной волной.
B. Результат калибровки
Во взаимной калибровке, напряжение сигнала передачи и приема, и сопротивление преобразователей измерены каждый на частоте с интервалом 4 кГц в промежутке 50 кГц – 1 МГц. Частотные характеристики величины чувствительности определяются с помощью компьютера.12
На Рисунке 5 показаны результаты калибровки одного из тех акустико-эмиссионных преобразователей (0.14Z10), что использовались выше для анализа распространения. На рисунке жирная линия представляет собой чувствительность к волне Релея, а тонкая – чувствительность к продольной волне. Ниже 150 кГц обе чувствительности совпадают. С другой стороны, за пределами этой частоты чувствительность к волне Релея быстро уменьшается по сравнению с чувствительностью к продольной волне из-за апертурного эффекта преобразователя.
Рис.5. Чувствительность акустико-эмиссионного преобразователя к волне Релея и продольной волне (0.14Z10).
На Рисунке 6 показаны результаты калибровки волной Релея того же преобразователя (1Z8) предварительно откалиброванного с использованием стальной пластины в качестве тела передачи, и в котором применяется пьезоэлектрический диск диметра 8 мм с толщиной(?) резонанса 1 МГц.6 Тонкая линия изображает чувствительность, перечерченную по прежним данным, а жирная линия -- результат, полученный с помощью новой калибровочной системы. Свежеполученная чувствительность стремится к нулю после 400 кГц, несмотря на то, что прежние данные показывают некоторую чувствительность в этом частотном диапазоне. Разница между телами передачи гипотетически получается из-за отраженных волн и преобразований упругих волн в стальной пластине, применяющейся а предыдущей калибровке.
Рис.6. Чувствительность акустико-эмиссионного преобразователя (1Z8) к волне Релея по отношению к форме тела передачи.
С. Сопоставление с методом пульсирующей поверхности.
Для метода сейсмической поверхности, теоретические динамические деформации поверхности подсчитаны на основании теории Лэмба.3 С другой стороны, взаимный параметр для калибровки волной Релея получен также из теории Лэмба. Это общая теоретическая основа двух методов калибровки. В ряде экспериментов калибровка волной Релея проводилась на совместных усилиях США и Японии, и было найдено хорошая взаимосвязь между двумя результатами калибровки.12
III. Выводы
Новая система взаимной калибровки акустико-эмиссионных преобразователей разработана с использованием большого тела из кованной стали. Надлежащим образом получена тональная посылка для калибровочного сигнала, основанная на различии между временем поступления прямой и паразитных волн. Это показывает, что частотные характеристики величины чувствительности обеих продольной волны и волны Релея определены без вмешательства паразитных волн. Выдающимся преимуществом взаимной калибровки является то, что абсолютная чувствительность может быть определена по значениям чисто электрических измерений без использования механических источников звука или эталонного преобразователя. Взаимная калибровка ответного импульса акустико-эмиссионных преобразователей существенна для оценки реальных колебаний акустико-эмиссионных волн, будет важной областью для исследования в следующих статьях.
Благодарности
Авторы выражают благодарности С. Хаширизаки за его труды в области разработки систем калибровки. Авторы благодарят за чтение рукописей.
Дополнение
Взаимный параметр HL для калибровки продольной волной, независимый от модели преобразователя, получен для идеального дискового преобразователя диаметром d, поперечно-секционной областью S, и силовым коэффициентом А. Чувствительность тока свободного поля MS получается из
где I0 -- выходной ток короткого замыкания, wL0 – вертикальная составляющая скорости смещения продольной волны на преобразователе когда его апертура свободна, wL – действующая скорость смещения, Zt – механическое сопротивление преобразователя, а ZR – сопротивление излучения.
Когда преобразователь используется для передачи, вертикальная составляющая скорости смещения преобразователя υ получается из
где F0 – движущая сила преобразователя, когда его апертура зажата. Вертикальная составляющая скорости смещения в осевой точке расположенной на свободной поверхности тела передачи, wLD получено из
где DL>>d>>λ, и λ и с -- длинна волны и скорость продольной волны в теле передачи соответственно. Напряжение передачи получено из
где ES входное напряжение на клеммах.
Следовательно, взаимный параметр HL калибровки продольной волной получается из
