Ультразвуковой способ измерениямодуля юнга
Патент 815614
Авторы
Классы МПК
Ультразвуковой способ измерениямодуля юнга
Иллюстрации
Реферат
Союз Совет сник
Соцкалисткческнк
Реслублнк
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
<ц815614 (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 07.05.79 (21) 2763987/25-10 с присоединением заявки,%— (23) П риоритет—
:5 (51)М. Кл .Cj 01 Я 29/00
Гесудерстеекнык кюветет
СССР аа делам кзобретеккй к еткрктвк
Опубликовано 23.03.81 Бюллетень М 1 1 (53) УДК 534.22 (088,8) Дата опубликования описания 25.03.81 (72) Авторы изобретения
В. H. Яковкин и B. К. Харченко
14
4. d
CC P., Á.b,"
Институт проблем прочности АН Украинск (7l ) Заявитель (S4) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ
МОДУЛЯ ЮНГА
Изобретение относится к способам
1 определения характеристик упругости твердых тел по двум скоростям ультразвуковых волн различных типов и может быть использован в лабораториях, в которых
5 изМеряют модули упругости первого и второго рода в образцах металлов, строительных материалов или горных пород, а также при исследовании изменений модуля
Юнга под действием внешних факторов, например, температуры, давления.
Известен способ измерения модуля упругости первого рода (модуль Юнга) по скорости распространения продольных ультразвуковых колебаний Plj .
Недостаток способа заключается в том что измеренный модуль Юнга имеет значения больше истинного, поскольку не учитывается поперечная деформация об-. разца, возникающая при распространении продольных колебаний.
Известен способ определения модуля
Юнга по скорости продольных ультразвуковых колебаний в цилиндрическом образце, который позволяет получить точную величину модуля Юнга, если для данного материала известно точное значение коэф фициента Пуассона 12 .
Однако коэффициент Пуассона берут из справочных данных для исследуемого ма териала, что может привести к большим ошибкам, поскольку незначительные изме- нения коэффициента Пуассона приводят к значительным изменениям поправочного коэффициента в расчетной формуле.
Известен способ определения коэффициента Пуассона, согласно которому измеряют скорости распространения двух типов воин: сдвиговой и поверхностной.
Для определения точного значения какойлибо из характеристик упругости необходимо произвести измерение двух незави» симых скоростей распространения колеба ний (31.
Недостаток способа — малая точность определения скорости поверхностных волн.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ультра звуковой способ измерения модуля Юнга, заключающийся В том, что в цилинцричес кий образец излучают первичьый импульс продольных колебаний, измерятот его время прохожцения вцоль образна„измеряют скорость распространения продольных и сдвиговых волн в образце, и рассчитывают о измеряемым скоростям модуль
Юнга $4(.
Недостатком известного способа является малая точность измерения, что обусловленО невозмОжность испольэОВания эхо-импульсного измерения времени задержки ультразвуковых импульсов изза отсутствия отражения от преобразователей, а также тем, что расстояние между излучателем и приемником является неопрецеленной величиной н поэтому не может быть измерено достаточно точно.
Кроме того, использование специфических датчиков, позволяющих проводить измерения оцновременно на продольных и сдвиговых колебаниях, требует больших уровней энергии возбуждения, что ведет к нелинейным эффектам и сказывается на времени распространения УЗ импульса.
Целью изобретения является повышение точности измерения модуля Юнга путем использования трансформации продольных колебаний в сцвиговые при угле пацения, практически равном прямому.
Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения моцуля Юнга, по которому в цилинцрический образец излучают первичный импульс продольных колебаний, измеряют время его прохождения вцоль образца, и рассчитывают модуль
К3нга, первичный импульс процольных коле баний возбуждают с длиной волны в 1015 раз меньше диаметра образца, измеряют время задержки импульса прошедшего через образец и трансформированного на
eI"o боковой поверхности в сцвиговый и обратно в продольный относи ельно первичного импульса, а модуль Юнга рассчи тывают по формуле:
- модуль Юнга; — плотность образца; — цлина образца;
- циаметр образна;
- время прохождения первичного импульса продольных колебаний вцоль образна;
4 4 — время задержки трансформированного импульса отНОСИТЕЛЬНО ПЕРВИЧНОГО ИМ пульса продольных колебаний.
На фиг. 1 приведена схема установки для измерения прецлагаемым способом, а также картина распространения импульсов
УЗ колебаний в образце в лучевом прецставлении, на фиг. 2 — осциллограммы импульсов, прошедших через образец.
Устройство содержит генератор 1 зондирующих импульсов, излучающий преобразователь 2 процольных колебаний, исследуемый образец 3 в виде цилинцра, циаметр которого в 10-15 раз больше дЛины волны, приемный преобразователь 4 продольных колебаний, осциллограф 5 цля наблюдения импульсов и измерения времени распространения, синхронизатор 6, 20 А - импульс продольных ультразвуковых колебаний, излученный преобразователем
2; А4- импульс продольных ультразвуковых колебаний после отражения от боковой стенки в точке N (первичный);
25 — импульс сцвиговых ультразвуковых колебаний, Образовавшийся при трансформации части энергии импульса продольных колебаний А в момент отражения в точке М; В4- импульс продольных колеЗ0 баний (вторичный), образовавшийся в результате трансформации импульса сцвиговых колебаний 6 в момент отражения в точке N . На фиг, 2 условно обозначены; ЗИ вЂ” момент генерации зондирующего импульса; А 4 — перви шый ультразвуковой импульс продольных коэ ебаний прямого прохождения; t, 4 - время его распространения от излучения к приемнику;
Б 4 - вторичный ультразвуковой импульс, образовавшийся иэ импульса А: вслед за
B 4 следуют импульсы, образовавшиеся в результате многократного отражения и трансформации на боковых стенках; 4 время зацержки вторичного ультразвукового импульса относительно первичного;
А n — эхо-импульс продольных ультразвуковых колебаний, претерпевший отражения от преобразователей 4 и 2; В - вторич— ный ультразвуковой импульс, образовав-: шийся из импульса А>.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
С помощью преобразователя 2 продольных колебаний в образец 3 через торец излучают импульс продольных ультразву > ковых колебаний (фиг. 1, импульс А).
ЕГО РаСПРОСтРаНЕНИЕ СОПРОВОжДаЕтСЯ НЕкоторым расхождением ультразвуковых колебаний и их наклонным падением на боковую поверхность цилиндрического образца (с углом падения практически ,равным прямому). При этом ультразвуковой импульс продольных колебаний час тично отражается (импульс А4), и час тично трансформируется в ультразвуковой импульс сцвиговых колебаний (импульст,).
При наклонном падении сдвигового импульса на боковую поверхность цилиндрического образца (точка М ) происходит
его частичное отражение в виде импуль° са сдвиговых колебаний и частичная трансформация в импульс продольных колебаний В((вторичный). За счет увелйчения пути распространения и распространения ультразвуковых колебаний на части образца с меньшей скоростью происхоцит зацержка вторичного импульса относительно импульса А, называемого первичным.
Первый пришедший к приемному преобразователю 4 ультразвуковой импульс— первичный преобразуется преобразователем в электрический сигнал. Этот импульс наблюдают на экране осциллографа 5, измеряют время от момента. излучения зондирующего импульса ЗИ (фиг. 2) цо момента прихода первичного УЗ импульса, равное времени прохожцения импульса продольных колебаний вцоль образца.
Вслед за первичным вторичный ультразвуковой импульс достигает приемного преобразователя 4 и преобразуется им в электрический сигнал. На экране осциллографа наблюдают вторичный импульс, измеряют зацержку вторичного УЗ импульса относительно первичного.
Вычисляют модель Юнга по. формуле: 2 о „1 плоско-параллельных, торцов, а также возбуждения и приема колебаний через плоскость, перпендикулярную направлению распространения колебаний. Это позволяет использовать эхо-импульсный способ, а также с большой точностью измерять расстояние, проходимое УЗ импульсом. Во-вто» рых, способ обладает эксплуатационными удобствами: образец простой формы, <ц т. е. без косых срезов под определенным углом, не требуется жидкостной ванны или преобразователей сцвиговых колебаний, (работать с преобразователями продольных колебаний намного проще, чем
1 с преобразователями сдвиговых колебаний}.
В третьих, способ позволяет проводить испытания в широком интервале темпе- . ратур давлений и внешних полей, cmpaняя большую точность измерения модуля
29 Юн га.
Формула изобретения
25 Ультразвуковой способ измерения модуля Юнга, заключающийся в том, что в цилиндрический образец излучают первич ный импульс продольных колебаний, измеряют время его прохождения вдоль об зо разца и рассчитывают модуль Юнга, отличающийся тем,что,с целью повышения точности измерений, первичный импульс продольных колебаний возбуждают с длиной волны в 10-15 рвэ меньше диаметра образца, измеряют время звцержки импульса прошецшего через образец и трансформированного ыв его боковой поверхности в сцвиговый и обратно в продольный относительно первично40 го импульса процольных колебаний, а мо-. дуль Юнга рассчитывают по формуле: гце- Š— модуль Юнга;
à — плотность материала образца; — длина образца;
D — циаметр образца; — время распространения пер1 вичного УЗ импульса; — время задержки вторичного
УЗ импульса относительно первичного УЗ импульса.
Использование предлагаемого способа позволяет во-первых, повысить точность измерения времени распространения ультразвукового импульса продольных колебаний по сравнению с известными способами, основанны:ли на трансформации продольных колебаний в сдвиговые, за счет наличия где P
0
,(- плотность образца;
- дл и на обра зца;
- циаметр образца;
- время прохождения через образец первичного импуль са продольных колебаний;
- время задержки трансформированного импульса от носительно первичного им пульса продольных колеба ний„
Е - моцуль Юнга.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Авторское свидетельство СССР
lh 8800227788, кл. 9 01 К 29/00, 1949.
2. Авторское свидетельство СССР 4 122330, кл. Cj 01 Я 29/00, 1959.
815614
3. А вт орс кое свидетельство ССС P
N. 282721, кл. Cj 01 К 29/00, 1970
4. Авторское свидетельство СССР
М 390433, кл. Cj 01 К 29/00, 1972 (прототип) .
Составитель E. Литвинов
Редактор М. Ликович Техред М.Федорнак Корректор С. Шомак е.
Заказ 1026/73 Тираж 907 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4