Способы измерения скорости и ко­эффициента затухания УЗ-импульсным методом с помощью обычного дефекто­скопа и ряд приемов для повышения точ­ности измерения рассмотрены в разд. 1.1.3. Далее рассмотрены способы измерения скорости и коэффициента зату­хания, более удобные для практических исследований. В частности, при анализе физико-механических свойств (особенно при экспериментальных исследованиях) используют методы собственных частот колебаний ОК в интегральном и локаль­ном вариантах. При практическом контро­ле часто не требуется точного измерения скорости и особенно коэффициента зату­хания. Вместо этого ограничиваются сравнением этих свойств в контролируе­мом объекте и образцах.

Способы измерения скорости. За­дача измерения скорости с распростране­ния упругих волн во многом идентична задаче измерения толщины при односто­роннем доступе, рассмотренной в главе 6. Отличие состоит в том, что в измеряемой величине hlc (где h толщина ОК или база измерения), пропорциональной времени распространения волн, в случае толщино - метрии неизвестной считают величину h, а при измерении скорости - с. В связи с этим для измерения скорости часто ис­пользуют ультразвуковые толщиномеры.

При измерении скорости импульс­ным дефектоскопом можно повысить точ­ность приблизительно в 5 раз, путем пере­носа точки отсчета времени с переднего фронта в глубь импульса на нулевое зна­чение амплитуды второго или третьего периода колебаний [49].

Существенная погрешность измере­ния контактным способом связана с труд­но учитываемым временем пробега аку­стического импульса в контактном слое между преобразователем и образцом, по­скольку толщина слоя варьируется слу­чайным образом. Эта погрешность уменьшается, если измерения выполнять по импульсам многократных отражений, например второму и третьему донным сигналам, как при измерении толщины.

Применение иммерсионного контакта или бесконтактных способов возбуждения и приема ультразвуковых колебаний уст­раняет погрешность от вариации времени пробега импульса в контактном слое. На­пример, применение лазерного способа излучения и приема (см. разд. 1.2.4) обес­печивает погрешность измерения не более 0,05 % в диапазоне частот 0,5 ... 30 МГц.

Разработаны способы измерения ско­рости или времени пробега, обладающие повышенной точностью [314]. Один из них - способ синхрокольца или автоцирку­ляции импульса, в котором прошедший через ОК сигнал запускает генератор зон­дирующих импульсов. В этом случае час­тота повторения импульсов будет обратно пропорциональна времени пробега им­пульса и пропорциональна измеряемой скорости.

Генератор 1 (рис. 7.1) через усили­тель 2 возбуждает излучающий преобра­зователь 3. Ультразвуковой импульс рас­пространяется в ОК 4 и поступает на при­емный преобразователь 5. Затем через усилитель 6 он подается на блок регули­руемой задержки импульса 7, позволяю­щий уменьшать влияние температуры, изменение напряжения питания и т. д. Од­новременно с возбуждением импульса в ОК включается схема задержки 8, которая вырабатывает строб-импульс через время, несколько меньшее прогнозируемого вре-

мени распространения импульса в ОК. Этот импульс возбуждает одновибратор 9. Длительность строб-импульса подбирает­ся достаточной, чтобы за это время при­был импульс, прошедший через ОК.

Сигналы одновибратора и блока за­держки 7 подаются на схему совпадений 10, которая вырабатывает импульс поло­жительной полярности только в случае совпадения этих сигналов по времени. В результате посторонние импульсы не вы­зовут ложного срабатывания схемы сов­падений. Далее сигнал схемы совпадений через блок коррекции 11 поступает на формирователь 12, на выходе которого образуется импульс, вновь запускающий усилитель 2.

В системе начинают циркулировать импульсы, частота следования которых, измеряемая частотомером 13, связана со временем прохождения ультразвука через постоянную базу контролируемого изде­лия и, следовательно, со скоростью ульт­развука. На этом принципе, в частности, работает прибор ИСП-12 [223].

Импульсно-фазовый способ измере­ния скорости основан на компенсации акустического импульса, прошедшего ОК, и электрического импульса, прошедшего через емкостную связь во входную цепь приемника. Генератор высокой частоты 1 (рис. 7.2, а) вырабатывает непрерывные гармонические колебания, частота кото­рых измеряется электронным частотоме­ром 5. Из них блоком 2 формируются два сдвинутых относительно друг друга ра­диоимпульса (рис. 7.2, б). Длительность ти, амплитуда V, время задержки т3 и пе­риод повторения импульсов задаются мо­дулятором 6 (рис. 7.2, а). С помощью пье­зоэлектрических излучателя ИП и прием­ника ПП импульсы проходят через ОК 3 как акустические колебания. Приемный тракт прибора 4 состоит из аттенюатора и усилителя. Сигналы наблюдают на осциллографе 7.

Измерение скорости производится путем сравнения сигнала 1а, создаваемого акустическим импульсом, и сигнала 26, прошедшего через регулируемую емкость связи Ссв. Время задержки регулируют так, чтобы эти импульсы совместились. Регулировкой емкости и уменьшением амплитуды добиваются компенсации им­пульсов на экране осциллоскопа. Частота генератора совпадает с частотой преобра­зователей, и измерения проводят в окрест­ностях этой частоты. Не приводя алгорит­ма довольно сложных настроек и измере­ний, отметим, что погрешность измерений прибора типа "Фонон" не более 0,1 %, а воспроизводимость результатов - тысяч­ные доли процента.

В [352] предложен хорошо демпфи­рованный преобразователь для прецизи­онных измерений скорости ультразвука в твердых телах фазовым методом. Демп­фирование достигается с помощью согла­сующего четвертьволнового слоя клея между кварцевым пьезоэлементом и демпфером, например, из рубина. За счет более точного измерения фазы погреш­ность измерения скорости на частотах 30 ... 100 МГц уменьшается до 10~5.

Гетеродинный способ основан на ин­терференции опорного (гетеродинного) сигнала и первого УЗ-импульса, прошед­шего через ОК и буфер-звукопровод. Вы­сокочастотный сигнал генератора 2
(рис. 7.3) модулируется прямоугольным импульсом от генератора 1 и через атте­нюатор 8 поступает на осциллоскоп 10 (синхронизуемый генератором 1) в каче­стве опорного сигнала. Импульс от 2, уси­ленный в 4, возбуждает пьезопреобразова­тель 5, проходит через буфер 6, обеспечи­вающий временную задержку, ОК 7, при­нимается преобразователем 5' и через ши­рокополосный усилитель 9 также подается на осциллоскоп 10. Частота колебаний измеряется блоком 3.

Длительность импульса подбирается несколько большей времени его прохож­дения через буфер и ОК, так, чтобы опор­ный сигнал перекрывался и интерфериро­вал с прошедшим импульсом. Изменяя частоту генератора 2, можно добиться то­го, чтобы оба сигнала находились в про­тивофазе, тогда на экране можно добиться их взаимного гашения.

В отсутствии ОК для разности час­тот, соответствующих двум ближайшим интерференционным минимумам, имеет место соотношение A/і = Сб//б, где /б - длина буфера, eg - скорость звука в нем. Когда имеются буфер и ОК, разность частот равна Af2 = (У с с, - l/c)' I и с - длина ОК и скорость звука в нем. При изменении скорости звука в ОК (которое служит предметом исследований) относи­тельное изменение скорости можно пред­ставить в виде

с~ f I A/J ’

где А/- изменение частоты высокочастот­ного сигнала, вызываемое изменением скорости, необходимое для того, чтобы сигналы снова были в противофазе.

Довольно широкое применение для измерения скорости продольных волн на­ходит локальный метод вынужденных колебаний (резонансный метод), рассмот­ренный в разд. 2.4.2.2. Его обычно осуще­ствляют с разделением функций излу­чающего и приемного преобразователей в иммерсионном варианте, поэтому основ­ные причины, вызывающие погрешности измерений в контактных резонансных толщиномерах, устраняются. При пред­ставлении экспериментальных данных часто вместо скорости указывают обратно пропорциональную ей величину - резо­нансную частоту.

Большинству рассмотренных спосо­бов измерения скорости УЗ присущ отме­ченный ранее недостаток, связанный с трудно учитываемым влиянием слоя кон­тактной жидкости. От этого недостатка свободен способ, использующий лазерные излучатель и приемник [16]. По результа­там измерения этим способом институтом Дальстандарт (г. Хабаровск) составлены стандартные таблицы скорости УЗ-волн в металлах с различным химическим соста­вом.

Определенные трудности возникают при измерении скорости поперечных волн. При вводе таких волн нормально к по­верхности трудности связаны с необходи­мостью возбуждения волн с колебаниями частиц, параллельными поверхности вво­да. Для возбуждения таких типов волн в металлах применяют ЭМА-метод (см. разд. 1.2.4). В неметаллах такие волны возбуждают, применяя пьезопластины с соответствующим типом деформации (на­пример, кварц У-среза). Пластину при­клеивают к поверхности ввода или при­жимают через слой вязкой смазки. Спосо­бы измерения скорости поперечных волн импульсным методом с помощью обычно­го дефектоскопа и наклонных преобразо­вателей рассмотрены в разд. 1.1.3.

Эффективно измерение скорости по­верхностных волн. Различные структур­ные изменения в поверхностном слое ОК на них влияют также, как на объемные волны в теле ОК [223]. Возможность ва­риации базы прозвучивания позволяет исключить влияние неопределенности точки ввода. Для контроля изделий с глад­кой поверхностью целесообразно приме­нять волны рэлеевского типа, а с грубой поверхностью - головные волны.

Для возбуждения и приема поверхно­стных волн используют наклонные преоб­разователи с соответствующим углом вво­да. Для возбуждения и приема поверхно­стных волн на постоянной базе предложе­на удобная конструкция преобразователя, показанная на рис. 7.4. Она обеспечивает высокую точность определения положе­ния точек ввода. В [16] для возбуждения и приема поверхностных волн используют лазерный способ.

В [422, с. 983] исследовано измене­ние скорости продольных и поперечных волн и связанных с ними модулей упруго­сти при температурах до 3000°. Измерение выполнено импульсными методами отражения и прохождения. На первых этапах применяли излучение и прием через графитовые акустические задержки, но далее перешли на лазерный способ излучения и приема.

В [235] рассмотрен способ измерения скорости по изменению критических углов падения из жидкости с известной скоро­стью на поверхность исследуемого объек­та. В частности, исследуется изменение угла, при котором возбуждается поверх­ностная волна. Установлено, что на ско­рость рэлеевской волны влияет затухание ультразвука в поверхностных слоях мате­риала. Это дает возможность оценки из­менения коэффициента затухания.

Способы измерения затухания. При измерении затухания по ослаблению мно­гократных отражений импульсов в ОК существенные погрешности связаны с не­обходимостью учета дифракционного ос­лабления и частичным переходом энергии в пьезопреобразователь при многократных отражениях. Рассмотренные в разд. 1.1.3 способы направлены на исключение этих погрешностей.

Г. В. Пябусом и др. [276] разработан прибор, в котором возбуждение и прием импульсов осуществляется с помощью широкополосного диэлектрического (т. е. емкостного) преобразователя. Потери на обратную передачу УЗ-энергии из ОК в такой преобразователь очень малы и не учитываются.

Преобразователь имеет диэлектриче­ские слои из конденсаторной бумаги или целлофановой пленки. Верхний электрод смазывают трансформаторным маслом. На преобразователь подают постоянное на­пряжение поляризации 600 ... 1000 В. Преобразователи и образец помещены в механическое устройство, которое обес­печивает их строгую соосность. При изме­рениях учитывается дифракционное рас­хождение ультразвука. Общая погреш­ность измерения не превосходит ± 0,3 дБ/мм. Диапазон частот 0,2 ... 30 МГц.

Применение ЭМА-преобразователей [175] позволяет получить короткие им­пульсы. В одном цикле измерений можно получить информацию о магнитных, маг­нитоупругих и акустических свойствах материала.

Точность измерения. Предельная точность измерения скорости соответст­вует погрешности 0,001 ... 0,01 %. Точ­ность измерения затухания значительно ниже. Погрешности в 10 % считаются хо­рошим результатом.

При оценках погрешностей измере­ния скорости и затухания ультразвука час­то учитывают лишь приборные погрешно­сти. Необходимо, однако, учитывать так­же методические погрешности [239], на­пример, связанные с неточностью изго­товления образцов, температурными из­менениями. Чтобы обеспечить точность измерения скорости 0,05 %, необходимо выдержать размеры образцов с точностью ± 0,01 мм и стабильность температуры в пределах 1 градуса.

Достижению высокой точности из­мерения скорости мешает дисперсия ско­рости. Величина А с/с (где Ас - разность максимального и минимального значений скорости, а с - средняя скорость) состав­ляет 10"3 в поликристаллических металлах на частоте 10 МГц [49].