Спосіб визначення швидкості звуку в матеріалах

Спосіб визначення швидкості звуку, що включає, ввід ультразвукових коливань в матеріал, реєстрацію відбитих сигналів з одночасним вимірюванням їх характеристик, за якими визначають швидкість звуку в матеріалі, який відрізняється тим, що в якості вищезгаданих характеристик використовують положення в часі енергетичних центрів ваги у відбитих сигналах, за якими визначають швидкість звуку в матеріалі. (19) (21) 99127114 (22) 27.12.1999 (24) 16.04.2001 (33) UA (46) 16.04.2001, Бюл. № 3, 2001 р. (72) Філоненко Сергій Федорович, Бабак Віталій Павлович, Поліщук Аркадій Петрович, Аль Тбарі Крішан, JO (73) Філоненко Сергій Федорович, Бабак Віталій Павлович, Поліщук Аркадій Петрович, Аль Тбарі Крішан, JO 36495 n де l - довжина зразка матеріалу; Δt = t 2 - t1 - різність часу між другим піком високочастотного заповнення у другому та першому відбитих сигналах. У виразі (1) використовується подвійна довжина, оскільки другий відбитий сигнал проходить скрізь зразок матеріалу двічі (туди та назад). При відсутності в матеріалі неоднорідностей або дефектів, а також відсутності викривлення форми сигналу збудження (3, фіг. 2), час першого вступлення сигналу збудження та відбитого сигналу (4, фіг. 2) співпадають і завжди визначено, оскільки відсутня дисперсія швидкості звуку С. На фіг. 2, 4 вісь x представлено в координаті ( t -l / C ), де l - віддаль, яку проходить ультразвуковий імпульс скрізь матеріал; C - швидкість ультразвукових коливань, при відсутності дисперсії звуку. Однак, якщо в матеріалі присутні дефекти або неоднорідності, чи сигнал збудження має викривлення форми, то час першого вступлення сигналу збудження та відбитого сигналу (5, фіг. 2) не співпадають, тобто час вступ у відбитого сигналу не визначено, оскільки присутня дисперсія та ми маємо ˆ середню швидкість звуку C . На фіг. 2, 5 вісь x ˆ представлено в координаті ( t - l / C ), де l - віддаль, яку проходить ультразвуковий імпульс скрізь ˆ матеріал; C - середня швидкість ультразвукових коливань, при присутності дисперсії звуку Це призводить до появи похибки вимірювання часу, і, як наслідок похибки визначення швидкості звуку згідно з виразом (1). Крім того, викривлення форми відбитого сигналу може привести до неможливості розрізняти високочастотні коливання у відбитих сигналах, і, як наслідок, до неможливості визначення швидкості звуку. В той же час, при викривленні форми відбитих сигналів або неможливості розрізняти високочастотні коливання заповнення відбитих сигналів положення їх енергетичних центрів ваги у часі не змінюється і завжди має однозначно положення (фіг. 3). Енергія сигналу E = U (t ) , 2 å t i (Ai )2 t цт = T 2 ò U (t )¶t , (5) де t цв 2 , t цв1 , - положення центрів ваги другого та першого відбитих сигналів, а швидкість звуку визначається згідно з виразом (1). Таким чином, не виникає сумнівів, щодо використання однозначного положення у часі енергетичних центрів ваги, бо є ефективним засобом визначення швидкості звуку. Спосіб проілюстровано на фіг. 1, 2, 3. На фіг. 1 наведено схему визначення швидкості звуку згідно відомого способу: 1, 2 - перший та другий відбиті сигнали; t1 , t 2 - час положення піків вимірювання;. Δt = t 2 - t 1 - різниця часу між другим піком високочастотного заповнення у др угому та першому відбити х сигналах. На фіг. 2 - збудження та перший вступ відбитого сигналу: 3 - сигнал збудження, 4 - вступ відбитого сигналу при відсутності дисперсії швидкості звуку, l - віддаль, яку проходить ультразвуковий імпульс скрізь матеріал; C - швидкість ультразвукових коливань, при відсутності дисперсії звуку; 5 - вступ відбитого сигналу при присутності дисперсії швидкості звуку, l - віддаль, яку проходить ультразвуˆ ковий імпульс скрізь матеріал; C - середня швидкість ультразвукових коливань, при присутності диспепсії звуку. На фіг. 3 - положення часу енергетичних центрів ваги відбитого сигналу, який має викривлення форми: 6 - сигнал без викривлення форми; 7 - сигнали з викривленням форми; t цв1 , (2) t цв 2 - положення центрів ваги першого та другого сигналів. На фіг. 4 - зразок матеріалу для проведення вимірювань швидкості звуку. Приклад конкретної реалізації способу Визначалася швидкість звуку в дротовому зразку з проточкою виготовленого з кобальту, який мав деформацію протягом. Розмір зразка встановлював: діаметр – 2 мм, довжина - 300 мм. На одному з країв зразку встановлювався давач, який працював у режимі збудження ультразвукових коливань та приймання відбитих сигналів. Від краю зразка, де встановлювався давач, на відстані 200 мм зроблено проточку: завширшки - 0,4 мм і глибиною – 0,2 мм. Таким чином, довжина робочої пластини зразка становила – 100 мм. Після збудження ультразвукових коливань імпульсом тривалістю – 5 мкс з високочастотним заповненням частотою 10-6 Гц, амплітудою – 5 В проводилася реєстрація сигналів відбитих від проточки та другого торця зразка, їх обробка з (1). Вимірювання часу положення другого піку у першому та другому відбитих сигналах, отримання часової відстані між сигналами з подальшим визначенням швидкості звуку згідно з виразом (1); (2). Вимірювання часу (3) Якщо вимірювання виконуються у цифровому вигляді, то для сигналу тривалістю t енергія n , де Ai - амплітуда сигналу у момент часу t i . Якщо визначити положення центрів ваги для першого та другого відбитих сигнали, які мають однозначне положення, то часова відстань між сигналами t = t цв 2 - t цв1 , (6) 0 E = ΔtΔU2 å (Ai )2 , 0 < t £ t , å (Ai )2 i =0 де U(t ) - норма сигналу, яка визначається згідно з виразом U (t ) = i =0 n (4) i де E , t - енергія та тривалість сигналу; Δt - час дискретизації сигналу; ΔU - чутливість аналогоцифрового перетворювача; Ai - число розрядів аналого-цифрового перетворювача для i -го відліку амплітуди сигналу. Положення у часі енергетичних центрів ваги (фіг. 3) визначається згідно виразу 2 36495 положення енергетичних центрів ваги першого та другого відбити х сигналів згідно з виразом (5), отримання часової відстані між сигналами згідно з виразом (6) з подальшим визначенням швидкості звуку згідно з виразом (1). Вимірювання проводились при кімнатної температурі. Результати вимі рювань показали, що у першому випадку швидкість звуку встановлювала С=(4700±18) м/с, а у другому - С=(4700±5) м/с, тобто у першому випадку похибка вимірювання швидкості звуку встановлювала - 0,38%, а у другому - 0,11%. Таким чином, спосіб має значно меншу похибку. Фіг. 1 Фіг. 2 Фіг. 3 Фіг. 4 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 3