Разработка прецизионных методов и средств измерений акустических величин твердых сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

_ о

На правах рукописи

Кондратьев Александр Иванович

РАЗРАБОТКА ПРЕЦИЗИОННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ АКУСТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ТВЕРДЫХ СРЕД

Специальность 01. 04. 06 - Акустика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Владивосток 1998 г.

Работа выполнена в Научно-производственном объединении «Дальстандарт», Институте материаловедения ДВО РАН и НИИ компьютерных технологий при Хабаровском Государственном Техническом Университете.

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дробот Ю.Б.

доктор физ.- мат. наук, профессор Касаткин Б.А. доктор физ.- мат. наук, профессор Соколовский Р.И. доктор физ.-мат. наук, Болотин Ю.И.

Ведущая организация:

Запщта состоится у>ин?и<-? 1998 г. в

МНПО «Спектр»

часов на заседании

диссертационного Совета Д.003.34.01 при Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН по адресу: г. Владивосток, ул. Балтийская, 43, ТОЙ ДВО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТОЙ ДВО РАН. Автореферат разослан « » г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ. - мат. наук

Н.В. Сушилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Акустические методы измерения различных характеристик материалов находят широкое применение в науке и практике. В физике с их помощью изучают фундаментальные свойства твердых тел, жидкостей и газов, энгармонизм межатомного взаимодействия, структуру, свойства различных дефектов решетки, фазовые превращения вещества и т. д. В технике наиболее обширная область применения акустических измерений относится к неразрушающим методам контроля сварных швов механизмов, диагностике состояния материалов.

В перечисленных областях применяются различные типы волн в широких диапазонах частот и амплитуд ультразвуковых (у.з.) колебаний.

Одной из актуальных проблем при акустических измерениях в твердом теле является проблема повышения точности. Так, например, в области нераз-рушающих методов контроля в соответствии с современными требованиями погрешности рабочих средств измерения скорости, коэффициента затухания у.з. волн, коэффициента преобразования излучателей и приемников ультразвука не должны превышать (0,1 -ь 0.2) %, (10 -ь 20) % и (30 -г 50) % соответственно. Погрешности образцовых и прецизионных средств должны быть меньше в 10 и более раз. Необходимость создания установок высшей точности (УВТ) и образцовых средств измерения (ОСИ) на базе бесконтактных оптических методов возбуждения и приема у.з. колебаний была впервые обоснована коллективом лаборатории оптико-акустических измерений НПО «Дальстандарт», сотрудником которой являлся диссертант. При этом однако, не обсуждались вопросы исследования более простого емкостного метода, позволяющего возбуждать и принимать у.з. колебания в полосе частот до сотен МГц и амплитудой до 10 -г 20 ангстрем. Не проводился анализ комбинированных методов, позволяющих реанпоктгь

преимущества каждого отдельного метода, не ухудшая при этом метрологических характеристик установок применительно к решению конкретных задач. Широкое применение акустических методов в науке и технике сдерживалось не достаточной развитостью эталонной базы страны и отсутствием соответствующих установок в полосе частот до 100 МГц.

Таким образом, диссертационная работа направлена на решение важной народно-хозяйственной проблемы - обеспечение единства измерении в области ультразвуковых неразрушающих методов контроля и акустики твердых тел.

Цслыо настоящей работы является разработка прецизионных методов измерения акустических величин в твердых средах и создание на их основе:

- установки высшей точности (УВТ) для воспроизведения единицы коэффициента затухания продольных у.з. волн;

- образцовых установок для комплексного измерения акустических параметров материалов, для аттестации преобразователей у. з. колебаний и для измерения колебаний поверхности твердых тел.

Анализ путей достижения поставленной цели позволил сформулировать следующие задачи.

1. Исследовать бесконтактные методы возбуждения и приема у.з. колебаний (оптический, емкостный, электроискровой), обеспечивающие наивысшую точность измерения акустических величин.

2. Разработать прецизионные методы и средства измерения основных акустических величин, в том числе: коэффициента затухания продольных у.з. волн; скоростей распространения продольных, сдвиговых и поверхностных волн; параметров преобразователей у.з. колебаний в режиме излучения и приема.

3. Исследовать метрологические характеристики созданных прецизионных средств измерения указанных акустических величин.

4. Исследовать акустические характеристики различных материалов, пригодных для создания образцовых мер 1-го разряда.

5. Разработать Государственную поверочную схему для средств измерения коэффициента затухания продольных у.з. волн.

6. Разработать методы измерения упругих характеристик твердых тел и исследования волноводных свойств объектов, на основе развитого в работе подхода к решению прикладных задач акустики.

Методы исследования. В работе использовались методы экспериментальной акустики, основные положения теории упругости, акустики и оптики, аппарат теории дифференциальных уравнений, операционного исчисления и теории ошибок. Обработка результатов измерений и необходимые теоретические расчеты выполнены с применением ЭВМ. Достоверность полученных данных подтверждается хорошим согласием теоретических выводов и экспериментальных результатов, оценками погрешностей всех видов измерений.

Научная новизна. В результате проведенных исследований показано, что применение бесконтактных методов возбуждения - приема у.з. колебаний в сочетании с оптимальными методами измерений позволяет существенно снизить влияние систематических составляющих погрешностей и обеспечивает проведение прецизионных акустических измерений в твердых средах в широких диапазонах изменения физических величин.

Впервые исследованы амплитудно-временные и частотные параметры у.з. колебаний, возбуждаемых емкостным методом, выявлено влияние на них различных факторов (материала диэлектрического слоя, размера электрода, шероховатости поверхности и т.д.).

Впервые исследовано влияние силы прижатия электрода к образцу на параметры емкостных преобразователей в режиме возбуждения и приема.

Исследовано влияние длины волны излучения на параметры акустических импульсов при лазерном возбуждении.

Впервые определены и исследованы механизмы возбуждения у.з. колебаний электроискровым методом в твердых средах.

Разработан метод приближенного расчета параметров у.з. импульсов, генерируемых различными методами.

Впервые экспериментально определена эффективность преобразования электромагнитной энергии в акустическую для оптического, емкостного и электроискрового методов возбуждения.

Предложен метод измерения скорости и коэффициента затухания у.з. колебаний резонансным методом на различных частотах.

Разработаны новые методы измерения акустических величин (а.с. № № 1233046 - 1986 г., 1315793 -1987 г., 1384010 -1987 г., 1404925 -1988 г., 1415072 -1988 г., 1518777 - 1989 г., патент № 95101322 - 1995 г.).

Практическая значимость. На основании проведенных исследований разработан и внедрен комплекс технических средств (УВТ, ОСИ), имеющих метрологические характеристики мирового уровня, обеспечивающих единство измерений в акустике и ультразвуковом неразрушающем контроле качества материалов и изделий. Разработаны оригинальные методики измерения упругих характеристик материалов, позволяющие повысить точность и оперативность получения информации.

Разработаны основы создания прецизионных установок в области акустических измерений, перспективных средств ультразвукового неразрушающего контроля движущихся изделий. Предложенные в работе методы использовались для акустического контроля состояния материалов на основе эпоксидных смол в процессе их полимеризации.

В целом, результаты работы могут найти широкое применение в различных областях науки и техники и служить надежной базой доя развитая

ундаментальных научных исследований в физике и химии твердого тела, мате-шловедении, механике сплошных сред.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Наиболее точное определение абсолютных значений физических велит в области акустики достигается путем применения бесконтактных методов >збуждения - приема у.з. колебаний в сочетании с оптимальным выбором мето-)в измерений, обеспечивающих максимально возможное исключение система-гческих составляющих погрешностей.

2. Предложенная модель переходного акустического слоя, подтвержденная :спериментально, описывает механизм искажения акустических сигналов при юхождении у.з. волной границ раздела жидкость - твердое тело, твердое тело -идкость и обосновывает необходимость применения бесконтактных методов 1збуждения - приема.

3. Предложенные прецизионные методы и разработанные на их основе ус-новки (УВТ и ОСИ) для измерения акустических величин позволяют опреде-ггь: абсолютные значения смещений колебаний поверхности твердых сред с »грешностью менее 1 % лазерными интерферометрами и менее 10 % емкостями преобразователями; коэффициент затухания продольных у.з. волн с по-ешностью менее 0,02 дБ/м; скорости распространения продольных, сдвиговых поверхностных волн с погрешностью менее 0,1 м/с; коэффициенты преобразо-йия преобразователей ультразвуковых колебаний с погрешностью менее 5%.

4. Применение емкостных преобразователей для возбуждения и приема 5. колебаний в комплексе с реализацией резонансного метода обеспечивает стижение высшей точности измерения коэффициента затухания продольных !. волн в твердых средах.

5. Предложенный метод приближенного расчета позволяет определять ос новные параметры акустических сигналов при различных методах возбуждения погрешностью порядка (20 -г- 30) %.

6. Для изготовления образцовых мер 1-го разряда, обеспечивающих пере дачу единицы коэффициента затухания от УВТ образцовым средствам измере ний, должны применяться материалы, удовлетворяющие следующим требовали ям: неоднородность коэффициента затухания (а) по сечению образца - не боле 0,01а; неоднородность скорости распространения (С) по сечению образца - н более 5 10"4С; температурная нестабильность коэффициента затухания не боле 0,05 а (град)"1.

Реализация результатов работы. На основании проведенных исследова ний созданы и внедрены в системе Госстандарта России:

- установка высшей точности для воспроизведения единицы коэффициент затухания (гос. номер УВТ 73-А-91);

- образцовая установка ИЗУ-1 для комплексного измерения акустически; параметров материалов;

- образцовая установка ИВАХ для аттестации преобразователей ультра звуковых колебаний

- образцовый емкостный преобразователь ультразвуковых колебаний;

-.рекомендации по метрологии МИ 2163-91 "ГСИ. Государственная пове

рочная схема для средств измерения коэффициента затухания продольных ульт развуковых колебаний в твердых средах (в настоящее время ведутся работы п расширению действия ГСИ на страны СИГ).

Апробация результатов работы. Основные положения работы док ладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всесоюзно конференции «Использование современных физических методов в нера: рушающих испытаниях», Хабаровск, 1981, 1984, 1987 г.г.; Междунарол ной конференции по неразрушающим методам контроля, Москва, 1982 г.;

всесоюзной конференции «Акустическая эмиссия материалов и конструкций», 'остов-на-Дону, 1984 г.; Международной научно - технической конференции Сибконверс», Томск, 1995 г.; Научно - технической конференции «Физика и ехника ультразвука». С.-Петербург. 1997 г.

Публикации. По теме диссертации опубликована 41 работа. Из них одна юнография, 23 научных статьи, 8 авторских свидетельств, 8 тезисов докладов и екомендации по метрологии ГСИ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести лав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий бъем диссертации 441 стр. из них 300 стр. основного текста, 117 рисунков, 51 аблица, список использованных источников из 274 наименований.

Личный вклад автора. Во всех 41 работах (за исключением оптических етодов приема) теоретические исследования проведены лично автором, 8 работ ыполнены без соавторов. В монографии "Прецизионные акустические измере-ия оптическими и емкостными методами" автором написаны разделы 2.1+2.3, 2+5.4, главы 3, 6. Автором предложены: модель переходного акустического юя; метод приближенного расчета параметров у.з. колебаний для различных етодов возбуждения; методы измерения коэффициента затухания продольных элн, скоростей распространения, продольных, сдвиговых и поверхностных волн .¡костными преобразователями. Автор принимал непосредственное участие в остановке работ, проведении всех экспериментов, обсуждении и интерпретации :зультатов на основе полученных теоретических выводов, в конструировании токов и узлов всех установок.

Общее содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы дис-ртационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, определены

новизна, научная и практическая значимость полученных результатов и кратю изложены основные положения, выносимые на защиту.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

В первой главе проведено рассмотрение известных методов измерения ос новных акустических величин: скоростей распространения продольных Сц, сдви говых С5 и поверхностных Ск волн; коэффициента затухания продольных вол! а, смещений в ультразвуковой волне иг , коэффициентов преобразования излуча телей К*'пп и приемников КРПп ультразвуковых колебаний. Показано, что пр] измерениях групповой скорости распространения лучшие метрологические ха рактеристики имеют «оптические» установки. При измерениях фазовой скоросп и а перспективно применение фазовых или резонансных методов, реализаци которых с помощью оптических систем проблематична в силу ряда причш (например, прогрев образцов поглощенным оптическим излучением приводит ; изменениям С и а). Для традиционных методик основным недостатком являете: наличие систематических погрешностей, возникающих при прохождении у.з колебаний через переходный акустический слой, исключение которых, по видимому, невозможно.

Проведенные исследования этого вопроса при использовании различны жидкостей показали, что, во-первых, время прохода у.з. импульса через пере ходный слой не пропорционально толщине слоя и, во-вторых, коэффициент про хождения акустических волн через слой является комплексной величиной, т.е кроме амплитудных искажений исходного сигнала, имеют место и фазовые ис кажения. На рис. 1, а приведены экспериментально измеренные зависимост скорости распространения у.з. волн в слое Ссл от его толщины с! , а так же зави симости модуля /К/ и фазы <р (рис. 1, б, в) коэффициента прохождения у.з. вот, ны через слой от частоты (материал слоя - масло ВМ-1М).

с

1000 г

сл

20

-_ ^__£--

-I 11, мкм

40 60 80 100

¿МГц

Рис. 1 Зависимости параметров распространения в слое жидкости от его толщины с/ и частоты/ у.з. колебаний: 1 - эксперимент; 2 - расчет.

Для объяснения полученных зависимостей была предложена модель пере-:одного акустического слоя, основанная на предположении о влиянии адсорби-юванных на поверхностях преобразователей и образцов слоев газа на параметры 1аспространения. При этом 1К/ и <р могут бьггь представлены в виде

(1) (2)

2 к7Нту[В

2 у/В .

1 -В

У1п

1+-

4л/Б _.^_2к2Нт

-эт

1--

4л/В _:_2к2Нт

-БШ

где IV™, - коэффициенты прохождения через реальные границы раздела жидкость-твердое тело, твердое тело-жидкость; IVц, 1¥31 - коэффициенты прохождения через идеальные границы раздела; Р0 - вероятность непосредственного контакта жидкости с образцом; А, В - постоянные, определяемые коэффициентами отражения и прохождения на границах раздела; к2 - волновое число у.з. волны для газа; Нт - максимальная высота слоев газа.

Теоретические зависимости С, /К/ п <р (Р0 = 0,5; Нт = 5,6-10*9 м) приведены на рис. 1 а, б, в (кривые 2). Предложенная модель достаточно хорошо описывает экспериментальные данные. Исследования, проведенные с дегазированными жидкостями, показали, что непосредственно после процесса дегазации состояние границ раздела близко к "идеальному". Однако по истечении некоторого времени, определяемого материалами образца и жидкости, границы возвращаются в исходное состояние.

При абсолютных измерениях и2 преимущество оптических интерференционных методов неоспоримо, однако сложность и низкая чувствительность (~ 10"14 м/Гц1/2) оптических систем не позволила создать прецизионных средств измерения, которые могли бы найти широкое применение в практике. Кроме того, применяемые методы определения абсолютных значений смещений интерферометрами не исключают, в полной мере, влияния пульсаций мощности лазерного излучения, что реально не позволяет проводить измерения с погрешностью менее (2 3) %. Емкостные приемники ультразвука, используемые в некоторых установках

также не удовлетворяют современным требованиям по чувствительности и точ-юсти измерения абсолютных значений uz.

В подавляющем большинстве установок (дефектоскопы, толщиномеры, лруктуроскопы, приборы акустической эмиссии и т.д.), основанных на примене--гии акустических методов для возбуждения и приема у.з. колебаний, используются пьезопреобразователи (1111). Методы градуировки и аттестации ПП в режиме приема основаны на измерении коэффициента преобразования КцП =U/Acp, где U - сигнал на "электрическом" выходе ПП, Аср - усредненное шачение смещений на "акустическом" входе ПП. Данные методы не позволяют определять амплитудно-частотно-волновые и фазо-частотно-волновые характе-эистики (АЧВХ, ФЧВХ) преобразователей (Ю.Б. Дробот, Дефектоскопия, 1987, № 11, с. 53-59), что ограничивает область их применения и снижает достоверность результатов контроля. В режиме излучения, для измерения интегральных толевых характеристик ПП традиционно используются наборы специальных образцов. При этом невозможно определить акустическое поле в любой точке 1кустической нагрузки, а сам процесс калибровки не поддается автоматизации.

В заключение главы обосновывается необходимость проведения дальнейших исследований бесконтактных методов возбуждения и приема у.з. колебаний и создании на их основе прецизионных установок.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ БЕСКОНТАКТНЫХ МЕТОДОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ Во второй главе приведены результаты исследований оптического, элек-гроискрового и емкостного методов возбуждения у.з. колебаний. Для каждого метода определена эффективность преобразования электромагнитной энергии в акустическую. Получены следующие соотношения, описывающие амплитудно-временные параметры акустических импульсов.

Емкостный метод

Ux(r,z,t) = B^[u{t - T)^Q(r,z,T)dT,

(3)

где В\ = -££(}{ 1 /5')/(2с/ //); е - относительная диэлектрическая проницаемость прокладки; е0 - абсолютная диэлектрическая постоянная; - постоянная, определяемая силой прижатия электрода к образцу, материалом прокладки и шероховатостью поверхностей; с1 - толщина прокладки; ¡л - модуль сдвига материала образца; и(0 - напряжение на электродах преобразователя; Q(r,z,t) - приближенное решение задачи Лэмба для мгновенного источника.

Оптический метод (термоупругая составляющая)

- ~ '2) " - К - /2)/2(г, - - /2)] ,

где 10 - максимальное значение интенсивности лазерного излучения; т =(ЗЯ -+ 2}л)ае / (Я + 2¡и); Л, ц - константы Ламе; ай - коэффициент температурного рас ширения; х> ^ - коэффициенты температуропроводности и теплопроводности #(/) - функция Хэвисайда:

^ (г) = V7

1

3 г2 Ы

/2(0-

2 У У X

■41

2г0 - диаметр лазерного луча; у - коэффициент поглощения лазерного излученш ti = t - z/C£; t2 = t - z/Cs, tu - длительность лазерного импульса. Электроискровой метод (амплитуда у.з. импульса)

Аи1р Гс~~

~-!-л/-г> (5)

г ы + я'

где А о , Я1 - постоянные, определяемые материалом электродов и образца (Л 0 ~ 4-10" " м /?;~2 Ом); иПР - пробивное напряжение разрядника; С -

емкость накопительного конденсатора; г - расстояние от разрядника до образца (в мм).

Предложенный метод приближенного решения динамических задач упругости и термоупругости, позволивший получить достаточно простые аналитические выражения для параметров у.з. колебаний, основан на аппроксимации силовых воздействий на поверхности образца быстроспадающимися функциями (например, гауссовыми) и разложении подинтегральных выражений для общих решений в ряд. По эффективности преобразования и амплитуде генерируемых акустических импульсов оптический метод, несомненно, превосходит емкостный и электроискровой. Вместе с тем было отмечено, что при многократном воздействии лазерного излучения на ограниченный участок поверхности происходит изменение или даже разрушение материала образца. Данное обстоятельство ограничивает область применения оптических методов возбуждения у.з. колебаний. Для электроискрового метода определены два механизма возбуждения у.з. колебаний: термоупругосгь, обусловленная нагревом материала образца током разряда; ударная волна, возникающая в искровом канале. Причем первый механизм проявляется в случае, когда одним из электродов разрядника является сам образец и при больших значениях емкости разрядной цепи. Установлено, что временные (и частотные) характеристики акустических волн, обусловленные действием ударной волны, слабо зависят от параметров разрядной цепи и пробивного напряжения.

Для емкостного метода возбуждения колебаний установлено влияние силы прижатая {Ро) электрода к образцу на амплшудно-временные параметры

у.з. импульсов. Показано, что граничное условие для механических напряжений в этом случае необходимо записывать в виде

сгг2 /2=о = к(Р0)иг/г=о + Рэл . (б)

где к{Е0) - константа, определяемая жесткостью механического контакта; /%л -электростатические силы. Для получено аналитическое выражение, учи-

тывающее механические характеристики диэлектрического слоя и шероховатость поверхности; 5 - площадь электрода.

Таблица 1

Основные характеристики методов возбуждения у.з. колебаний

метод пара- N. метр \ Оптический Емкостный Электроискровой

термоупругость покрытия, оптический пробой

Амплитуда, Ю"10, м до 50 до 500 до 20 до 20

Длительность, мке 0,001 + 10 0,1ч- 10 0,04 - 10 0,3*

Диапазон частот, МГц . до 1000 до 10 до 1000 до 10

Эффективность преобразования. % 0,001 + 0,5 1+5 0,001 +0,1 до 10"4

Дистанцион-ность до 100 м и более нет ограничена (до 1 -5- 5 м)

Требования к качеству поверхности нет 11а, не боле 1 мкм нет

Области применения метрология, материаловедение, дефектоскопия метрология, материаловедение, метрология

методы приема любые методы приема любые методы приема емкостный, пьезоэлектрический

* - приведена длительность переднего фронта у.з. импульса.

Экспериментальные данные, полученные при варьировании определяющими для каждого метода параметрами, подтверждают теоретические выводы. В сонце главы приводится таблица, в которую сведены основные характеристики юследованных методов возбуждения у.з. колебаний с указанием областей воз-ложного применения и комбинации с различными методами приема.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ БЕСКОНТАКТНЫХ МЕТОДОВ РЕГИСТРАЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В третьей главе приведены результаты исследований емкостного и опти-юского методов приема у.з. колебаний.

Для емкостного метода теоретически и экспериментально определены по-юг чувствительности и полоса воспроизведения частот для различных материа-юв диэлектрика. Показано, что лучшими эксплуатационными и метрологиче-:кими характеристиками обладают емкостные преобразователи (ЕП), на рабочие товерхности которых электрохимическим методом нанесены оксидные слои.

Сигнал на выходе преобразователя в общем случае можно представить в

?иде

А и = д0ехр

ЯСпу

Лж.

С2 с10

1- ехр

С, с!п еИ

■де II - сопротивление нагрузки приемника; до = и0{С0-С2)- начальный заряд на разделительной емкости С2\ и0 - поляризующее напряжение; С0 - емкость пре-збразователя; Си=С0С21{Со + С2).

Приведенное соотношение показывает, что ЕП чувствительны как к смещениям в у.з. импульсе (первое слагаемое), так и к колебательной скорости [второе слагаемое). При Я С0» туз (туз - длительность у.з. импульса) регистрируются смещения и2, а при Я С0 « туз - колебательная скорость у2. На рис. 2, 1ля иллюстрации, приведены экспериментально измеренные зависимости

чувствительности ЕП КЕп от частоты у.з. колебаний при различных значениях диаметра электрода.

Для повышения точности измерений абсолютных значений мг , и снижения влияния шероховатости поверхности образца предлагается способ самоповерки преобразователя, заключающийся в возбуждении на электроде стабильного сигнала, отклик на который ЕП управляет величиной поляризующего напряжения.

^ 1

^(МГц)

-3

-2

-1

О

1

Рис. 2. Зависимость коэффициента преобразования ЕП от частоты: 1 -диаметр электрода 20 мм; 2-10 мм; 3-5 мм.

Для лазерных интерферометров рассмотрены два способа измерения смещений и реализующие ах устройства, позволяющие существенно снизить влияние флуктуаций мощности лазера, акустических шумов и разъюстировки оптической схемы на результаты экспериментов.

В первом случае в интерферометре формируются две интерференционные картины, связанные по фазе. И при проведении измерений чувствительность интерферометра постоянно контролируется по разности фаз одной из картин. Во втором случае, в качестве опорного сигнала, применяемого для стабилизации рабочей точки интерферометра, используется уровень интенсивности оптического излучения источника.

Реализованные в работе характеристики ЕП и лазерных интерферометров приведены в таблице 2.

Таблица 2

Основные характеристики приемников у.з. колебаний

^^^^ приемник параметр ЕП Интерферометр способ 1 Интерферометр способ 2

Коэффициент преобразования, В/м 10б + 108* 105 105

Пороговая чувствительность, м/Гцш ю-17 Ю-'4 ю-'4

Динамический диапазон, мкм ** 0 + 0,5 0 + 0.02 0 + 0.02

Полоса частот, МГц 0 + 500 0-+ 1000 0 + 1000

Погрешность, % <5 < 1 <0,5

Требования к качеству поверхности Ла не более, мкм 1 0,05 0,05

Минимальный размер зоны измерения, мкм 50 + 100 0,1 0,1

* - определяется диаметром электрода ЕП;

**- диапазон линейного преобразования сигнала.

4. РАЗРАБОТКА ПРЕЦИЗИОННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В четвертой главе приведены разработанные методы измерения акустических величин, описаны созданные установки, проведен анализ источников систематических (в) и случайных (5) составляющих погрешностей.

В области акустических измерений (как и при любых других видах измерений) исключение систематических составляющих погрешностей является одной из важнейших задач. Для ее решения в работе использовались: бесконтактные методы возбуждения-приема у.з. колебаний; поправки, определенные теоретически, на основе предложенных моделей, или найденные экспериментальным путем по результатам прямых сличений с данными существующих УВТ или абсолютных

методов измерений; «оптимальные» методики проведения измерений и экспериментов.

Скорость распространения. Для продольных волн рассматриваются три основные методики. Первые две реализуют эхо-импульсный метод, а последняя - резонансный. При реализации эхо-метода скорость определяется либо по временному интервалу между переотраженными у.з. импульсами (метод ЭИВ), либо по интервалу частот, соответствующих одинаковой разности фаз между сигналами задающего генератора и у.з. импульса (метод ЭИЧ). Резонансный метод основан на измерении интервала частот межцу акустическими спектральными линиями (метод АС Л).

Расчетные соотношения для О, и соответствующие границы погрешности результата измерения (ДСс,) можно представить в виде:

Метод ЭИВ:

С^2с1(п-т)/1пт + ЛСдиф(к^У, (8)

Метод ЭИЧ:

Сь=(2п-^А/п+АСдиф(к1а); (9)

Метод АСЛ:

Сь = 2<1/пт/(п-т), (10)

, (И)

где с1 - толщина образца, п, т - номера переотраженных у.з. импульсов или акустических спектральных линий; !пт - временной интервал между переотраженными у.з. импульсами; АСоиф(ка)-дифракционная поправка; а -диаметр преобразователя; А/„ - интервал частот между соседними состояниями равной фазы; /пп - интервал частот между «-ой и т-ой спектральными линиями; К - коэффициент, учитывающий соотношение между систематическими и случайными составляющими погрешностей.

Исследования дифракционных эффектов, проведенные на установке высшей точности по скорости распространения продольных у.з. волн (УВТ39-А-86) для различных материалов в широких диапазонах изменения параметров к¿я и 2 = г/[(2/7-1)(2/?!-1)]1/2/а, показали, что для метода ЭИВ можно выделить три области погрешностей (рис. 3). В области 1 ¿¡С/С > 5-Ю'3, в области II 5-Ю"3 < ЮС < 1-Ю"3 и в области III дС!С < 1-Ю"3. Обработка экспериментальных данных позволила получить следующую аппроксимацию для АСдиф(кьв)

4 М'-2200

- Си

5,2

— 7.10"

(А',«)2 +1322

(12)

где Си = 2с1(п -т)Лпт. 7 60

40 20

\\

1 \ III

I х^7

50

100

150

к,а

Рис. 3. Области погрешностей при измерении скорости О. эхо-импульсным методом.

Погрешность поправки, определяемой с помощью выражения (12), не превышает ±3 м/с при кьа >10 и ъ >4.

В работе показано, что значения дифракционных поправок, полученные расчетным путем, как по традиционным методикам, так и при использовании

решений соответствующей задачи Лэмба (приведены в приложении к диссертации) обеспечивают погрешности менее 5• 10"4 при 1<1а> 50 и г >30.

Для скорости распространения сдвиговых С;; волн предложена оригинальная методика, позволяющая проводить измерения по нормальной составляющей смещений сдвиговой фазы у.з. импульса. Методика основана на том, что при ограниченных (или неоднородных) по размерам областях возбуждения генерируются все типы волн: продольные, сдвиговые, поверхностные. Временные параметры сдвиговой фазы определяются геометрическими и временными характеристиками излучателя ультразвука.

На рис. 4 показаны характерные осциллограммы у.з. импульсов, реализующиеся при оптическом (а) и емкостном (б) методах возбуждения - приема.

Скорость С^ определяются следующим соотношением

где 1В- временной интервал между продольной и сдвиговой фазами у.з. импуль-

Для оптического метода при диаметре лазерного пучка менее 0,2 мм и толщине образца более 10 мм установлено, что АС$ < 1 м/с. При использовании емкостных преобразователей, путем обработки экспериментальных данных, для АС$ было получено следующее выражение

где г = с1/а. Погрешность определения поправки не превышает ±10 м/с.

Точность измерения скорости распространения поверхностных волн оптическими методами определяется, в основном, погрешностью измерения акустической базы /, зависящей в свою очередь от погрешностей определения диаметров световых пучков в точках возбуждения - приема. Для определения акусгичес-

Сз^СМСЖ+Я + АСз,

(13)

са.

кой базы с погрешностью менее 0,01 % в работе предлагается способ, основанный на «привязке» времени прохода импульса акустической базы ко времени прохода эталонной базы.

а

и

5 ■ \ Л: 1

Л"1""""............. 1 4/ ...... .

\ I

Рис. 4. Осциллограммы у.з. импульсов при оптическом (а) и емкостном (б) методах возбуждения - приема у.з. колебаний: Ь1 , Ь2- продольные переотраженные у.з. импульсы; 51 - сдвиговая фаза импульса.

При измерениях емкостными преобразователями реализуются модифицированные методы АСЛ и ЭИВ. В первом случае измерения производятся на цилиндрических образцах. Скорость Ся рассчитывается по формуле:

Ся=2яг/пт/(п-т) + АС(/,Н), (14)

где К - радиус образца; АС(/,г)~1/кнЯ - поправка, учитывающая кривизну поверхности образца.

Диапазон частот для этого метода ограничивается снизу диаметром

образца (/тт~ Ск/г) и сверху - размерами рабочей поверхности преобразователя Да {[тах~Сн /Ла). При г = 0,02 м и Аг = 2*104 м/т,„~150 кГц и/тах^ 15 МГц.

Во втором случае возбуждение у.з. колебаний возможно любым методом, например, с помощью наклонных преобразователей, а скорость Сй рассчитывается по формуле

где - время прохода рэлеевского импульса под электродом ЕП; АСК « 0,1 Скр!а - дифракционная поправка, зависящая от конструкции электрода и определенная по результатам сличения с данными УВТ79-А-93 по скорости распространения поверхностных волн; р - радиус закругления кромки электрода ЕП (погрешность определения поправки не превышает ±5 м/с).

При измерении коэффициента затухания у.з. колебаний реализованы, как импульсный (ЭИ - метод), так и резонансный метод, основанный на измерении ширины акустических спектральных линий (метод ШАСЛ). Коэффициент затухания рассчитывается то формулам: ЭИ - метод

Ск= 2аПк +АСн ,

(15)

(16)

(17)

Метод ШАСЛ

+ 1

где Апт - отношение амплитуд л-го и т-го переотраженных у.з. импульсов, в дБ; А А - 201 %[Р(ка, г„)У/Р(ка, гт)] - поправка, учитывающая дифракционную расходимость (Р{ка, г)) и потери энергии на отражение (У{ка,2,СьС5)), обусловленные конечностью размеров рабочих поверхностей преобразователей; гпт = 2с1(п-т), г/ - толщина образца; Ад - поправка, учитывающая нелинейность приемного тракта; Р - уровень, на котором измеряется ширина акустической спектральной линии (АР)\ у/ = т1(АР~АР„„п)1С^ АРпо„ «1,8-109.[(1+0,01/ ^О.]"' -поправка, учитывающая потери акустической энергии в окружающую среду и элементы конструкции установки; /- частота у.з. колебаний в Мгц; р - плотность материала образца.

При ¡5 = 0,707 и малых значениях коэффициента затухания (АР<< А/) а можно представить в виде:

При АР < ОДА/ погрешность определения а по формуле (20), не превышает ± 0,5 %. Выбор уровня /3 определяется соотношением между минимумом и максимумом акустической интерференционной картины.

При эхо-методе измерение ослабления у.з. колебаний производится либо измерителем отношений (разработан при выполнении работы на базе устройств выборки хранения, А< 20 дБ), либо аттенюатором типа АД-30 (А > 20 дБ). Использование измерителя отношений позволяет автоматизировать процесс измерений и понизить порог чувствительности до 0,002 дБ.

В области низких частот, как справедливо отмечается в работе И.Н. Ермолова (Дефектоскопия. 1995. № 7. С. 3-13), погрешность определения дифракционных поправок (Л4диф) может оказаться основным фактором, ограничивающим точность измерения а эхо-импульсным методом. Результаты, полученные разными авторами, отличаются более чем на 2 дБ.

(20)

Теоретический анализ данного вопроса показал, что "специфика" твердого тела проявляется при ка < 20. Расхождения данных, полученных в рамках моделей «эквивалентная жидкость» и твердое тело, достигают при этом 0,5 дБ. При ка> 100 различия результатов, предоставляемые для ААЯНф обеими методиками, не превышают 0,03 дБ.

Экспериментальные исследования, проведенные на образцах из плавленого кварца (а 2 2 дБ/ м на частотах до 40 Мгц), позволили сделать вывод о том, что погрешности определения ААДИобусловленные импульсным характером сигнала, являются наиболее существенными (превышают 2 дБ при ка < 20 и достигают 0,1 + 0,2 дБ при ка > 50). Данное обстоятельство подтверждает целесообразность применения для прецизионных измерений коэффициента затухания продольных у.з. волн резонансных методов. При невозможности их применения необходимо калибровать аппаратуру с помощью аттестованных в этой области стандартных образцов.

Существенным недостатком резонансного метода является возможность проведения измерений только на фиксированных частотах. В работе рассмотрены два подхода, позволяющие устранить этот недостаток.

Использование в разработанных установках выбранных методик измерения а позволяет реализовать преимущества каждого метода: для метода ШАСЛ - слабую зависимость от дифракционных эффектов; для ЭИ - метода - возможность проведения измерений на любых частотах. При этом в первом случае, положительный эффект достигается следующим образом.

Вначале производят измерения а и ослабления А на фиксированных частотах /„ и/т {[„ </ < /т , где/- частота у.з. колебаний, на которой необходимо измерить а), и для /„ п/т определяют (ААак ф)экс. Затем, путем экстраполяции находят (А4диф)экс на частоте/ и на последнем этапе - производят вычисление а на требуемой частоте. Для второго подхода, характерно использование всех возможностей самого резонансного метода.

Фаза (<р) и амплитуда (А) сигнала на выходе приемного преобразователя на любой частоте в интервале между спектральными пиками определяется, как скоростью распространения, так и коэффициентом затухания у.з. колебаний. Поэтому, в принципе, производя измерения <риА можно определить параметры С и а.. В рамках данной работы разработаны соответствующие методы измерений и проведена их экспериментальная апробация.

Анализ источников составляющих погрешностей параметра а позволил сформулировать следующие требования к образцовым мерам 1-го разряда для передачи единицы коэффициента затухания от УВТ образцовым средствам измерения (погрешность передачи не более 2 %, требования к геометрическим параметрам образцов стандартные):

• неоднородность по коэффициенту затухания у.з. колебаний не должна превышать ± 0,01а;

• неоднородность по скорости распространения - не более ± 2 м/с при а > 50 дБ/м и не более 1 м/с при а <50 дБ/м;

• температурная нестабильность материала меры по коэффициенту затухания при изменении температуры на 1 градус - не более 0,05 а;

• для мер должен быть измерен температурный коэффициент с указанием температуры аттестации с погрешностью не более ±0,1 К;

• шероховатость рабочих поверхностей мер На не более 0,1 мкм;

• временная нестабильность акустических параметров материала мер в течение межаттестационного периода не должна превышать 0,5 % по параметру а и 0,05% по параметру О.,;

• комплект мер должен обеспечивать аттестацию ОСИ в требуемых диапазонах частот и коэффициентов затухания.

Блок-схемы установок УВТ и ИЗУ-1 показаны на рис. 5 (в состав установки ИЗУ-1 дополнительно входит блок измерения временных интервалов (9), используемый при проведении измерений скоростей распространения О.,

С5, Сл в эхо-импульсном режиме). Результаты измерения а и О, для некоторых материалов приведены на рис. 6.

/1

/

и

- г

9

•Л

1 5 10

1

7 . 10

Рис. 5. Блок - схемы установок УВТ и ИЗУ-1. а - эхо-метод; б - резонансный метод: 1,3 - возбуждающий и приемный ЕП; 2 - образец; 4 - генератор радиоимпульсов; 5 - анализатор спектра; б - предварительный усилитель; 7 - измеритель отношений; 8 - осциллограф; 9 -блок измерения временных интервалов; 10 - блок обработки.

При измерении параметров преобразователей ультразвуковых колебаний в режиме излучения реализуется оригинальная методика, заключающаяся в измерении смещений иг{х,уЛ) на "акустическом выходе" ПП путем сканирования зондирующим лазерным лучом по поверхности преобразователя, нагруженного на оптически прозрачную нагрузку. Полевые характеристики ПП (диаграмма направленности, размеры ближней и дальней зон и т.д.) рассчитываются далее числено по известным соотношениям.

б

5976 м/с 5974 5972 5970

С^ 5675 м/с 5670 5665 5660

Сь, 5935 м/с 5930 | 5925 5920

С^ 5790 м/с 5770 5750 5730 0

з 300 а,

" 200 дб/'м - 100 О

1000 дб/'м

500 О

ю

20

30 /, МГц

Рис. 6. Зависимости параметров О, и а от частоты для некоторых материалов: а - кварц марки КВ; б - стекло марки К8; в - сталь ШХ-13; г -сталь Х18Н10Т; 1 - С£; 2 - а.

Данная методика, благодаря исключению ряда систематических погрешностей, присущих традиционным методам, обеспечивает снижение погрешностей до 5 %.

В качестве интегральной характеристики излучателя у.з. колебаний предлагается использовать следующий параметр

1

кг"

(21)

.где \иг

(х,у,/}I - поле амплитуд смещений, измеренное лазерным интерферо-

метром на акустической нагрузке на частоте /; и (/)- амплитуда сигнала задающего генератора.

В режиме приема предлагается комбинированная методика, основанная (как и при излучении) на измерениях с помощью лазерного интерферометра на прозрачной акустической нагрузке и дополненная измерениями на специальных мерах. Измерения на "прозрачной нагрузке" производятся с погрешностью менее 5 % и выполняются при аттестации прецизионных или образцовых преобразователей, а на мерах - при аттестации рабочих средств измерения.

Блок-схема разработанной установки для измерения волновых акустических характеристик (ИВАХ), предназначенной для аттестации преобразователей у.з. колебаний в режиме приема, показана на рис. 7. В состав установки входит образцовый емкостный преобразователь (ОЕП), обеспечивающий самоповерку установки в межаттестационный период. ОЕП может использоваться, как самостоятельное образцовое средство измерений при проведении различных экспериментов.

Установка обеспечивает измерения АФЧХ (1^!пп) и ФВЧХ (Д <р„), определяемыми следующими соотношениями

С05#, в - угол падения у.з. волны на рабочую поверхность ПП; Гя- 10 - временной сдвиг между сигналом преобразователя и моментом времени прихода у.з. волны.

(22)

где | и(со,ка) | - амплитуда сигнала на выходе ПП;

:; а =2тг/; ка = со {Су

(23)

.-1

(ИВАХ): / - блок мер; II - оптический блок.1, 2, 3 - меры смещений; 1.1 +3.2, 12

- излучатели у.з. колебаний; 4 - блок коммутации; 5 генератор радиоимпульсов; 6

- задающий генератор; 7 - блок питания; 8 - аттестуемый ПП; 9 - усилитель; 10 -цифровой осциллограф; 11 - образцовый емкостный преобразователь; 13 - лазерный интерферометр; 14 - стеклянная мера.

При проведении у.з. контроля методом акустической эмиссии для оценки размеров возникающего дефекта необходимо измерение энергии акустического сигнала, определяемого с одной стороны самим источником сигнала, с другой -объектом контроля. Теоретический расчет возможных искажений сигнала в различных волноводах даже для достаточно простых изделий (например, пластин, труб или

стержней) не обеспечивает требуемой точности. В связи с этим актуален вопрос измерения "волноводных" свойств объектов экспериментально.

2 4

Рис. 8. Блок - схема установки для измерения волноводных свойств объектов: 1 - импульсный лазер; 2 - система наведения; 3 - линза; 4 - образец; 5 - приемник у.з. колебаний; 6 - предварительный усилитель; 7 - регистрирующая аппаратура; 8 - фотодиод запуска.

Для решения этой задачи были разработаны специальная установка (рис. 8) и методики измерений. Возбуждение у.з. колебаний заданной энергии и в выбранных точках объекта исследования 4 производится импульсным лазером 1 (или широкополосным пьезопреобразователем), а прием - либо лазерным интерферометром, либо емкостным преобразователем 5.

Изменения акустической картины в зависимости от взаимного расположения "излучателя и приемника" регистрируются и анализируются. По данным эксперимента определяется передаточная функция объекта на частоте (х, у, /) = и(х ,у, ])1и0, где и(х ,у, ]) - смещение в месте расположения приемника у.з. -колебаний; и0- смещение в точке возбуждения. Далее Р(х, у, /) используется при контроле для восстановления энергии сигнала от дефекта и определения его размера. В диссертации приведены результаты исследований некоторых объектов.

5. АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УСТАНОВОК

В пятой главе приведены результаты исследования метрологических характеристик созданных установок, определены пределы составляющих погрешностей.

Основные метрологические характеристики разработанных средств измерений отражены в таблицах 3-6. Границы неисключенной систематической погрешности (НСП), среднеквадратическое отклонение (СКО) и границы погрешности результата измерения определялись в соответствии с ГОСТ 8. 207-76.

Таблица 3

Метрологические характеристики УВТ и образцовой установки для ком-

плексного измерения акустических параметров материалов (ИЗУ-1)

Метрологическая УВТ ИЗУ-1

характеристика

Диапазон измеряемых коэффици- 10 + 400 2 + 2000

ентов затухания, дБ/м

Погрешность измерения, % не СКО: 1 5

более НСП: 1

Диапазон частот у.з. колебаний, 2,5 + 50 1 + 100

МГц

Диапазон изме- продольные 2000 + 7000 2000+ 14000

ряемых

скоростей рас- сдвиговые 2000 + 3700 2000 + 7000

пространения.

м/с поверхностные - 2000 + 7000

погрешность продольные* 3 3

измерения, м/с сдвиговые** 15 15

не более поверхностные - 15

* планируется снижение погрешностей измерения до 0,2+0,3 м/с ** планируется снижение погрешностей измерения до 1+1.5 м/с

Таблица 4

Акустическая неоднородность и температурная

нестабильность материала мер

Мера № (материал) / МГц «л дБ/м Да„, дБ/м Тх-Тг 0 С Л(ХГ, дБ/м

1 (Медь МЗ) 5,0 322 -30 ±3 19,1-17,7 0,4 ±0,1

2 (Медь МЗ) 5,0 223 -35 ±3 19,2-17,6 0,3 ±0,1

7,5 479 -50 ±5 -//-//- 0,6 ±0,1

3 (Латунь Л63) 2,5 18,8 -5 ± 1 19,7-17,8 1,2 ±0,1

4 (Латунь Л63) 5,0 168 -6± 1 -//-//- 1,6 ±0,2

5 (Сталь 5,0 11,7 -2,5 ± 1 19,7-17,8 0,07 ± 0,05

Х18Н10Т) 15,0 387 20 ±2 -//-//- -0,7 ±0,1

6 (Орг. стекло) 2,5 325 2 1 19,1-17,0 16 ± 2

7 (Сплав 7,5 11,2 -3 ± I 19,0-17,0 0

АМГ-5) 50,0 248 10 ±2 -//-//- 0

8 (Сталь Ст.З) 7,5 113 0,7 ± 0,5 19,6-15,8 -0,04± 0,02

10,0 261 33 ±3 -//-//- -0,7+0,1

9 (Сталь 10,0 12,6 0,110,1 19,2-16,1 0,6 ± 0,05

40x13) 50,0 443 20 ±2 -//-//- 1,2 ±0,1

10 (Стекло 5,0 11,9 0,2 ±0,1 18,5-16,6 0,60 ±0,05

К8) 50,0 117,6 0,6 ± 0,2 0,7 ±0,1

11 (Сталь 20,0 337 40 ±5 19,5-17,1 -0,9+0,2

Х18Н10Т)

12 (Сталь Ст.45) 15,0 8,3 1 ±0,5 19,3-16,9 0,14 ±0,05

13 (Кварц) 30,0 3,4 -0,18 ±0,1 19,1-17,1 0,05 ±0,03

50.0 7.7 0.2 ±0.1 -//-//- 0.07 ± 0,03

Таблица 5

Метрологические характеристики установки для измерения параметров преобра-_зователей у.з. колебаний (ИВАХ)_

Метрологическая характеристика ИВАХ

Диапазон измеряемых коэффициентов Ю5 + ю12

преобразования, В/м

Погрешность измерения, интерферометр 5

% не более мера смещений 15

Диапазон частот у.з. колебаний, МГц 0,1+5,0

Диапазон изменения касательной 0 + 6000

составляющей волнового вектора, м'1

Тип продольные

волн сдвиговые

поверхностные

Таблица 6

Метрологические характеристики образцового емкостного преобразователя (ОЕП)

Метрологическая характеристика Значение

Диапазон измеряемых смещений, м 10"12 + 10"7

Погрешность измерения смещений, % не более 5

Коэффициент преобразования, В/м* 106 +10*

Размер рабочей поверхности, ф мм 0,1-4-20

* определяется диаметром электрода

В состав УВТ входит комплект образцовых мер первого разряда для передачи единицы коэффициента затухания образцовым средствам измерения. Акустическая неоднородность Дан и температурная нестабильность Доц мер, изготовленных из материалов, удовлетворяющих вышеуказанным требованиям, приведены в таблице 4 (Да„ = а0 - а(г), где а0, а(г)- коэффициенты затухания на "оси" образца и на "расстоянии" г =10 мм от оси, Дсхт= а{Т,) -а(Т2)). В настоящее время, в соответствии с планом Государственной стандартизации разработана первая редакция ГОСТа «Контроль неразрушающий. Стандартные образцы скорости и коэффициента затухания ультразвука в твердых средах».

6. НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В шестой главе обсуждаются направления дальнейших исследований: расширение рабочих диапазонов созданных средств измерения; разработка прецизионных акустических методик измерения механических величин (модулей упругости, величины зерна поликристаллитов и т.д.); разработка установок для исследования различных физико-химических процессов акустическими методами; дефектоскопия быстровращающихся тел. Приводятся результаты предварительных экспериментов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты:

1. Исследованы механизмы возбуждения различных типов волн емкостным, электроискровым и оптическим методами.

е

Показано, что при давлении электрода на образц для емкостного метода более 3-Ю5 Н/м2 коэффициент преобразования не зависит ни от материала образца и диэлектрической прокладки, ни от частоты ультразвуковых колебаний.

Установлено, что для электроискрового метода основными механизмами являются термоупругость, обусловленная нагревом искрового канала током разряда, и ударная волна, возникающая в искровом канале.

Для оптического метода определено влияние длины волны излучения на параметры упругих импульсов, проявляющееся в основном на сдвиговой фазе. Показано, что увеличение интенсивности лазерного излучения выше 2,5-Ю13 Вт/м2 в воздухе или в вакууме и 1,2 1013 Вт/м2 при нанесении различных покрытий нецелесообразно в силу снижения эффективности преобразования оптической энергии в акустическую.

2. Обоснована необходимость создания прецизионных средств измерения коэффициента затухания на основе емкостных методов.

Определены области оптимального применения различных комбинаций бесконтактных методов возбуждения и приема в области метрологического обеспечения средств неразрушающего контроля и научных исследованиях. Например, для поверки и аттестации акустико-эмиссионных средств неразрушающего контроля целесообразно применение электроискрового и емкостного методов. Для создания средств контроля движущихся и вращающихся изделий - комбинаций оптического и емкостного.

3. Исследован емкостный метод приема ультразвуковых колебаний. Показано. что коэффициент передачи емкостных преобразователей составляет ~ Ю8 В/м (лазерный интерферометр ~ 105 В/м) в полосе частот от 100 Гц до 500 МГц при пороговой чувствительности ~ 10"'7 м/Гц1/2. Разработан способ самоповерки емкостных преобразователей, позволяющий существенно снизить зависимость их чувствительности от шероховатости поверхности образца.

4. Получены простые аналитические выражения, позволяющие рассчитывать с погрешность менее (20 * 30) % амплитудно-временные и энергетические параметры акустических сигналов, генерируемых различными методами.

5. Теоретически и экспериментально исследованы закономерности прохождения у.з. колебаний через границы раздела жидкость-твердое тело твердое тело-жидкость. Показано, что коэффициент прохождения при этом имеет комплексный характер.

6. Разработаны оригинальные методики для измерения: скоростей распространения продольных, сдвиговых и поверхностных волн; коэффициентов затухания продольных и поверхностных волн; амплитудно-фазо-частотных и волновых характеристик преобразователей у.з. колебаний; модулей упругости твердых сред; упругой неоднородности материалов. Предложены два оптических интерференционных способа измерения колебаний поверхности.

7. Созданы и внедрены в системе Госстандарта следующие установки:

- установка высшей точности (УВТ73-А-91) для воспроизведения единицы коэффициента затухания продольных ультразвуковых волн, неисключенная систематическая погрешность < 1%, среднеквадратическое отклонение результата измерения < 1%;

- образцовая установка ИЗУ-1 (аттестована в качестве ОСИ 2-го разряда) для измерения скорости распространения (относительная погрешность < 0,05 % в диапазоне частот (1-ь 100) МГц) и коэффициента затухания продольных

ультразвуковых волн (относительная погрешность < 5 % в диапазоне (5 + 900) дБ/м);

- образцовая установка (ИВАХ) для аттестации преобразователей ультразвуковых колебаний (относительная погрешность < 16 % в диапазоне частот (0,1 + 5) МГц);

- образцовый емкостный преобразователь (относительная погрешность измерения смещений < 10 %, в полосе частот (0,01 -г- 5) МГц);

- рекомендации по метрологии МИ 2163-91 "ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений коэффициента затухания продольных ультразвуковых колебаний в твердых средах".

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Бондаренко А.Н., Дробот Ю.Б., Кондратьев А.И. Возбуждение упругих колебаний емкостным методом // Дефектоскопия. 1979. № 6. С. 99-100.

2. Бондаренко А.Н., Вологдин В.К., Кондратьев А.И. Влияние температурной зависимости коэффициента поглощения на форму акустического импульса при лазерном возбуждении // Акустический журнал. 1980. Т. 26. № 6. С. 828832.

3. Костенко М.И., Строганов В.И., Кондратьев А.И. Termaly enhanced response of metal - oxide - metal diodes // Optics communikation. 1981. V. 36. № 2. P. 140-143.

4. Кондратьев А.И. Возбуждение сдвиговых волн емкостным методом // Тезисы докладов Всес. научн.-техн. конф. «Использование современных физических методов в неразрушающих испытаниях и контроле». Хабаровск: 1981. ч. 2. С. 98-99.

5. Бондаренко А.Н., Кондратьев А.И. Измерение дисперсии скорости и затухания упругих волн II Акустический журнал. 1981. Т. 27. № 1. С. 51-55.

6. Бондаренко А.Н., Дробот Ю.Б., Кондратьев А.И. Применение емкостного метода для регистрации коротких акустических импульсов // Дефектоскопия. 1981. №5. С. 109-111.

7. Жуковский С.С., Кондратьев А.И. К использованию электроискрового етода возбуждения УЗ - колебаний // Тезисы докладов Всес. научн.-техн. конф. Использование современных физических методов в неразрушающих испыта-иях и контроле». Хабаровск: 1981. ч. 2. С. 100-101.

8. Бондаренко А.Н., Дробот Ю.Б., Кондратьев А.И. Ultrasound velocity laser ieter U Poster session. Tent wordl conf. nondestructive Testing, 26 th August, ioscow. 1982. 1 d-27. P. 214-220.

9. Архипов В.И., Бондаренко A.H., Кондратьев А.И. Исследование возбуж-ения упругих импульсов лазерным излучением в металлах // Акустический урнал. 1982. т. 28. № 3. С. 303-310.

10. Дробот Ю.Б., Кондратьев А.И., Луговой В.А. Возбуждение коротких гтругих импульсов емкостным методом // Дефектоскопия. 1983. № 3. С. 36-41.

11. Кондратьев А.И. Экспериментальное исследование волноводных свойств бъектов // Сб.: Акустические измерения в твердом теле. М.: изд-во ВНИИФ-РИ. 1983. С. 20-24.

12. Архипов В.И., Бондаренко А.Н., Кондратьев А.И. Влияние длины волны злучения на форму упругих импульсов при лазерном возбуждении И Акустиче-кий журнал. 1984. Т. 30. № 1. С. 5-9.

13. Кондратьев А.И. Исследование распространения акустических волн в юделях реальных конструкций // Тезисы докладов Всес. научн.-техн. конф. Акустическая эмиссия материалов и конструкций». Ростов на Дону: 1984. С. 62-164.

14. Архипов В.И., Бондаренко А.Н., Кондратьев А.И. Опггический метод змерения скорости сдвиговых волн // Измерительная техника. 1984. № 3. С. 27-28.

15. Кондратьев А.И. Приближенный расчет дифракционных поправок // 'езисы докладов Всес. научн.-техн. конф. «Использование современных физиче-ких методов в неразрушающих испытаниях и контроле».,Хабаровск: 1984. С. 38-239.

16. Кондратьев А.И. Метод приближенного расчета формы ультразвуков! импульсов// Дефектоскопия. 1985. № 1. С. 53-59.

17. Архипов В.И., Кондратьев А.И. Измерение дисперсионных характер стик стержневых образцов // Тезисы докладов Всес. научн.-техн. кон «Использование современных физических методов в неразрушающих испьп ниях и контроле». Хабаровск: 1987. С. 92-93.

18. Дробот Ю.Б., Кондратьев А.И. О характеристиках приемных преобр зователей акустической эмиссии. II. Эксперимент // Дефектоскопия. 1988. № С. 36-41.

19. Измерение скорости продольных у.з. волн емкостными преобразован лями / Архипов В.И., Дробот Ю.Б., Кондратьев А.И. , Луговой В.А. // Дефект скопия. 1988. № 2. С. 90-94

20. Бондаренко А.Н., Кондратьев А.И., Луговой В.А. Тонкопленочный сам устанавливающийся емкостный преобразователь ультразвуковых сигналов Приборы и техника эксперимента. 1988. № 2. С. 197-199.

21. Гусаков С.А., Кондратьев А.И. Образцовая установка для комплексно измерения акустических параметров материалов // Измерительная техника. 19i № 7. С. 50-52.

22. Кондратьев А.И., Кривошеев И.А. Исследование работы емкостнс преобразователя в низкочастотном диапазоне // Дефектоскопия. 1989. № 7. 13-17.

23. Бондаренко А.Н., Дробот Ю.Б., Кондратьев А.И. Прецизионные акусп ческие измерения оптическими и емкостными методами. Владивосток: ИздАН СССР. 1990. 240 с.

24. Кондратьев А.И., Луговой В.А. Датчик акустических сигналов для вы< коточных измерений // Дефектоскопия. 1990. № 3. С. 30-38.

25. Кондратьев А.И. Прецизионные измерения скорости и затухания ульт| звука в твердых телах // Акустический журнал. 1990. Т. 36. № 3. С. 470-476.

26. Архипов В.И., Кондратьев А.И. О качссшс образцов для ультразвуковых измерений // Дефектоскопия. 1991. № 10. С. 41-19.

27. Кондратьев А.И. Рекомендации по мсцюлогии МИ 2163-91 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений коэффициента затухания продольных ультразвуковых колебании в твердых средах» М.: Изд-во Стандартов. 1992. 7 с

28. Кондратьев А.И. Реализация резонансного метода измерения скорости и затухания ультразвуковых колебаний при наличии помехи // Акустический журнал. 1992. Т. 38. № 3. С. 552-556.

29. Архипов В.И.. Кондратьев А.И. Исследование прохождения ультразвукового импульса через слой жидкости // Дефектоскопия. 1994. № 3. С. 21-25.

30. Контроль механических параметров материалов на основе эпоксидных смол акустическими методами / Кондратьев А.И., Римлянд В.И., Иванов В.А. и др. //Дефектоскопия. 1994. № 9. С. 41-44.

31. Исследование процесса полимеризации эпоксидных смол акустическими методами / Кондратьев А.И., Римлянд 13.И., Казарбин A.B. и др. // Акустический журнал. 1995. т. 41. № 3. С. 461-464.

32. Кондратьев А.И., Римлянд В.И., Казарбин A.B. Ultrasound diagnostics sustem for fast rotating solids //: Тезисы докл. научн.-техн. конф. «Сибконверс 95». Томск: 1995. С. 99-100

33. Римлянд В.И., Кондратьев А.И., Казарбин A.B. Система ультразвуковой диагностики быстровращающихся тел // Тез. докл. научн.-техн. конф. «Физика и техника ультразвука». С.-Петербург: 1997. С. 103.

34. A.C. №602851 СССР G01 N29/04 Ультразвуковой искатель / Кондратьев А.И., Лебедев В.И., Трескин В .Г.// Бюл. Открытия изобретения. 1976. № 5. С. 123

35. A.C. 1233046 СССР, МКИ G01N 29/04. Способ ультразвукового контроля качества изделий / Бондаренко А.Н., Кондратьев А.И., Троценко В.П.// Бюл. Открытия, изобретения. 1986. № 19. С. 180

36. A.C. 1315793 СССР, МКИ G01N 29/04. Способ измерения колебан объекта и устройство для его осуществления / Бондаренко А.Н., Кондрата А.И., Гусаков С. А.// Бюл. Открытия, изобретения. 1987. № 21. С.174

37. A.C. 13834010 СССР, МКИ G01N 29/04. Способ определения рассгс ния между точками поверхности плоскопараллельного объекта / Бондарен А.Н., Дробот Ю.Б., Кондратьев А.И. 1987

38. A.C. 1401925 СССР, МКИ G01N 29/04. Устройство аттестации уль-rf звуковых преобразователей / Бондаренко А.Н., Дробот Ю.Б., Кондратьев k.V. Бюл. Открытия, изобретения. 1988. №23. С. 190

39. A.C. 1415072 СССР, МКИ G01N 29/04. Интерференционный спос измерения малых ультразвуковых сигналов и интерференционное устройство д его осуществления / Кондратьев А.И., Гусаков С. А.// Бюл. Открытия, изобрс ния. 1988. №29. С. 153

40. A.C. 1518777 СССР, МКИ GO IN 29/04. Устройство для аттестаи ультразвуковых преобразователей в режиме излучения / Бондаренко А.Н., Д] ботЮ.Б., Кондратьев А.И.//Бюл. Открытия, изобретения. 1989 №40. С.218

41. Патент № 2085935 Россия, МКИ G01N 29/04. Способ ультразвуков дефектоскопии вращающихся деталей / Римлянд В.И., Кондратьев А.И., Каз; бин A.B.// Бюл. Открытия, изобретения. 1997. № :!1. С. 12

Для заметок

Кондратьев Александр Иванович

РАЗРАБОТКА ПРЕЦИЗИОННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ АКУСТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ТВЕРДЫХ СРЕД

АВТОРЕФЕРАТ

>ормат 60x84/16. Тираж 100 экз есплатно

'тпечатано в ИМ ДВО РАН

30035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 153

А

А.

ИНСТИТУТ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ ДВО РАН

IX г

) с и ^

Президиума.

(„ешениеот"¿^ И—19 — -^ /- \\> на правах рукописи

^исудилученую степень ДО*

УДК 620.179.16

^ику^Р^ления^К'" -им

КОНДРАТЬЕВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА ПРЕЦИЗИОННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ АКУСТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ТВЕРДЫХ СРЕД

01.04.06 Акустика

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант д.т.н., профессор Дробот Ю.Б.

Хабаровск - 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6 ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ

АКУСТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 19

1.1. Методы измерения скорости распространения

у.з. колебаний 34

1.2. Методы измерения коэффициента затухания

продольных у.з. волн 55

1.3. Измерение параметров у.з. колебаний 6 О

1.4. Измерение параметров преобразователей

ультразвуковых колебаний 64 ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ БЕСКОНТАКТНЫХ МЕТОДОВ

ВОЗБУЖДЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ 71

2.1. Оптические методы 71

2.1.1. Анализ механизмов возбуждения 71

2.1.2. Экспериментальные исследования 82

2.1.3. Возбуждение сдвиговых и поверхностных волн 100

2.2. Емкостный метод возбуждения 111

2.2.1. Влияние силы прижатия электрода к образцу

на форму у.з. импульсов 112

2.2.2. Влияние ограниченности возбуждающего

электрода на форму у.з. импульса 121

2.2.3. Эффективность преобразования электрической

энергии в акустическую 127

2.2.4. Экспериментальные результаты 128

2.3. Электроискровой метод возбуждения 138

2.3.1. Краткий аналитический обзор 138

2.3.2. Анализ механизмов возбуждения 139

2.3.3. Экспериментальные исследования 146 ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ БЕСКОНТАКТНЫХ МЕТОДОВ

РЕГИСТРАЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ 164

3.1. Емкостный метод приема у.з. колебаний 164

3.1.1. Характеристики емкостных преобразователей 167

3.1.2. Работа емкостных преобразователей на низких частотах 179

3.1.3. Конструкции емкостных преобразователей 188

3.1.4. Стабилизация чувствительности емкостных преобразователей 193

3.2. Интерференционно-оптические измерители у.з. колебаний 197 ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ПРЕЦИЗИОННЫХ МЕТОДОВ И

СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 205

4.1. Резонансные методы измерения параметров распространения 205

4.1.1. Основы резонансного метода 206

4.1.2. Реализация резонансного метода при наличии помехи 218

4.1.3. Измерение параметров Cl и а на межпиковых частотах 224

4.1.4. Измерение параметров распространения поверхностных волн резонансным методом 230

4.2. Эхо-импульсные методы измерения параметров распространения 232

4.2.1. Определение дифракционных поправок 233

4.2.2. Измерение скоростей распространения сдвиговых и поверхностных волн 247

4.3. Параметры ультразвуковых преобразователей 258

4.3.1. Методы измерения параметров преобразователей у.з.

колебаний 259

4.3.2. Результаты экспериментов 267

4.4. Экспериментальное исследование волноводных свойств

объектов контроля 277

4.4.1. Стержневые и плоские образцы 278

4.4.2. Образцы типа «труба» 285 ГЛАВА 5. АНАЛИЗ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

УСТАНОВОК 294 5.1. Образцовая установка для комплексного измерения

акустических параметров материалов (ИЗУ-1 ) 295 5.1.1 Составляющие погрешностей при измерении скоростей

распространения у.з. колебаний 297

5.1.2 Составляющие погрешностей при измерении

коэффициента затухания 305

5.2. Измерение акустической неоднородности и

температурной стабильности образцов 315

5.3. Установка высшей точности для воспроизведения единицы коэффициента затухания продольных у.з. волн. 326

5.3.1. Составляющие погрешностей при измерении

коэффициента затухания эхо-методом 329

5.3.2. Составляющие погрешностей при измерении

коэффициента затухания резонансным методом 331

5.4. Образцовая установка для измерения параметров преобразователей ультразвуковых колебаний 335

5.4.1. Составляющие погрешностей измерения параметров образцового емкостного преобразователя 340

5.4.2. Составляющие погрешностей измерения параметров преобразователей у.з. колебаний 343

ГЛАВА 6. НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 350

6.1. Измерение физико-механических характеристик 350

6.1.1. Определение модулей упругости 350

6.1.2. Измерение модулей упругости третьего порядка 355

6.2. Применение бесконтактных методов в неразрушающем

контроле 358

6.2.1. Структуроскопия 358

6.2.2. Дефектоскопия 362

6.3. Исследование физико-химических процессов 368 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 378 ЛИТЕРАТУРА 381 ПРИЛОЖЕНИЯ

П. 1. Дифракционные поправки 411

П.2. Государственная поверочная схема 418

П.З. Первая редакция ГОСТа 423

П.4. Измеритель отношений 437

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

Сь - скорость распространения продольных ультразвуковых волн; Сб - скорость распространения сдвиговых волн; Ся - скорость распространения поверхностных волн;

а - коэффициент затухания продольных ультразвуковых волн; иг, иг - составляющие смещений в ультразвуковой волне; Уг - колебательная скорость; X - длина волны у.з. колебаний / - частота ультразвуковых колебаний;

К"п{/) " коэффициент преобразования преобразователя

ультразвуковых колебаний в режиме приема; К"п{/) - коэффициент преобразования преобразователя

ультразвуковых колебаний в режиме излучения; Ро (х, У, Л - передаточная функция волновода; 9- неисключенная систематическая погрешность (НСП); £ - случайная составляющая погрешности (СКО); у.з. колебания - ультразвуковые колебания УВТ - установка высшей точности; ОСИ - образцовое средство измерения; ПП - преобразователь ультразвуковых колебаний; ЛИ - лазерный интерферометр;

ВВЕДЕНИЕ

Акустические методы измерения различных характеристик материалов находят широкое применение в науке и практике. В физике с их помощью изучают фундаментальные свойства твердых тел, жидкостей и газов, ангармонизм межатомного взаимодействия, структуру, свойства различных дефектов решетки, фазовые превращения вещества и т. д. [1 - 3]. В технике наиболее обширная область применения акустических измерений относится к неразрушающим методам контроля сварных швов механизмов, диагностике состояния материалов [4-8].

В перечисленных областях применяются различные типы волн в широких диапазонах частот и амплитуд ультразвуковых (у.з.) колебаний.

Одной из актуальных проблем при акустических измерениях в твердом теле является проблема повышения точности. Так, в области неразрушающих методов контроля, в соответствии с современными требованиями, погрешности рабочих средств по скорости, коэффициенту затухания у.з. волн, коэффициенту преобразования излучателей и приемников ультразвука не должны превышать (0,1 - 0.2) % , (10 - 20) % и (30 * 50) % соответственно [9 -12]. Для образцовых и прецизионных средств погрешности уменьшаются в 10 и более раз.

Несмотря на значительное число публикаций, посвященных бесконтактным акустическим методам (см., например, [13 - 16]), применение их для прецизионных измерений ограничено. Необходимость создания установок высшей точности (УВТ) и образцовых средств измерения (ОСИ) на базе бесконтактных оптических методов возбуждения и приема у.з. колебаний была впервые

обоснована сотрудниками НПО "Дальстандарт" под руководством А.Н. Бондаренко [17 - 22]1

Неотъемлемой частью любых акустических измерений является возбуждение и прем у.з. колебанийУРаботе, выполненной автором ранее [23], показано, что, среди бесконтактных методов возбуждения, (электромагнитные; ударные; потоками заряженных частиц; емкостный; электроискровой; оптический; щелевой [13 -16, 24, 25]) для создания прецизионных средств измерения целесообразно применение оптического и емкостного методов. В ряде случаев, при аттестации приборов акустической эмиссии, с позиций простоты осуществления экспериментальных работ, более выгодно применение искрового метода.

Для регистрации у.з. колебаний, в установках, обеспечивающих измерения с минимальными погрешностями, используются либо оптические, либо емкостные методы [17, 26, 27].

В настоящее время, на основе оптических методов разработаны и внедрены в системе Госстандарта России ряд установок высшей точности и соответствующие поверочные схемы для воспроизведения единиц скоростей распространения продольных (УВТ39-А-86 ) и поверхностных (УВТ79-А-93) волн, единицы амплитуды ультразвуковых смещений и колебательной скорости (УВТ58-А-89) [28-30]. Вместе с тем, для коэффициента затухания продольных волн отсутствовала Государственная поверочная схема и соответствующие средства измерений, не были разработаны надежные, достаточно точные и простые средства для абсолютных измерений смещений поверхности твердых тел в диапазоне частот

1 При создании ряда установок автор принимал непосредственное участи в качестве исполнителя отдельных этапов.

1кГц -5-100 МГц. Не достаточно развита база для аттестации преобразователей ультразвуковых колебаний. Детально не обсуждались вопросы исследования более простого емкостного метода, позволяющего возбуждать и принимать у.з. колебания в полосе частот до сотен МГц и амплитудой до 10 -4- 20 ангстрем. Кроме того, отсутствует анализ комбинированных методов, позволяющих реализовать преимущества каждого отдельного метода^не ухудшая при этом метрологических характеристик установок применительно к конкретным задачам. Широкое применение акустических методов в науке и технике сдерживается не достаточно развитой эталонной базы России, отсутствием соответствующих установок в полосе частот 10 кГц ч- 100 МГц.

Таким образом, диссертационная работа направлена на решение важной народно-хозяйственной проблемы - обеспечение единства измерений в области ультразвуковых неразрушающих методов контроля и акустике твердых тел.

Цель работы и основные задачи исследования.

Целью настоящей работы является разработка прецизионных методов измерения акустических величин в твердых средах и создание на их основе:

- установки высшей точности для воспроизведения единицы коэффициента затухания продольных у.з. волн;

- образцовых установок для комплексного измерения акустических параметров материалов, для аттестации преобразователей у. з. колебаний и для измерения колебаний поверхности твердых тел.

Анализ путей достижения поставленной цели позволил сформулировать следующие задачи.

1. Исследовать бесконтактные методы возбуждения и приема у.з. колебаний (оптический, емкостный, электроискровой), обеспечивающий наивысшую точность измерения акустических величин.

2. Разработать прецизионные методы и средства измерения основных акустических величин, в том числе: - коэффициента затухания продольных у.з. волн; - скоростей распространения продольных, сдвиговых и поверхностных волн; - параметров преобразователей у.з. колебаний в режиме излучения и приема.

3. Исследовать метрологические характеристики созданных образцовых средств измерения и установки высшей точности, вышеназванных акустических величин.

4. Исследовать акустические характеристики различных материалов^ пригодных для создания образцовых мер 1-го разряда.

5. Разработать Государственную поверочную схему для средств измерения коэффициента затухания продольных у.з. волн;

6. Разработать методы измерения упругих характеристик твердых тел и исследования волноводных свойств объектов,, основанные на применении бесконтактных акустических методов. Научная новизна.

В результате проведенных исследований установлены новые принципы организации и проведения прецизионных акустических измерений в твердых средах, заключающиеся в максимально возможном исключении систематических составляющих погрешностей на основе использования бесконтактных методов возбуждения - приема у.з. колебаний в сочетании с оптимальными методами измерений.

Впервые исследованы амплитудно-временные и частотные параметры у.з. колебаний, возбуждаемых емкостным методом, выявлено влияние на них различных факторов (материала диэлектрического слоя, размера электрода, шероховатости поверхности и т.д.). Показано, что емкостным методом возбуждаются у.з. импульсы длительностью от 100 не до десятков микросекунд (длительность переднего фронта равна длительности возбуждающего электрического импульса) амплитудой до 20 ангстрем.

Впервые исследовано влияние силы прижатия электрода к образцу на параметры емкостных преобразователей в режиме возбуждения и приема. Установлено, что увеличение силы прижатия приводит к изменению граничных условий, причем коэффициент отражения от границы раздела преобразователь - образец можно представить в виде V=(Jk-K)/(Jk+K), где к - волновое число и К -константа^определяемая жесткостью механического контакта. Исследовано влияние длины волны излучения на параметры акустических импульсов при лазерном возбуждении. Впервые определены и исследованы механизмы возбуждения у.з. колебаний электроискровым методом.

Разработан метод приближенного расчета параметров у.з. импульсов, генерируемых различными методами.

Впервые экспериментально определена эффективность преобразования электромагнитной энергии в акустическую для оптического, емкостного и электроискрового методов возбуждения. Предложен метод измерения параметров распространения у.з. колебаний резонансным методом на межпиковых частотах. Разработаны новые методы измерения акустических величин (а.с. № № 1233046 - 1986 г., 1315793 -1987 г., 1384010 -1987 г.,

1404925 -1988 г., 1415072 -1988 г., 1518777 - 1989 г., патент № 2085935 - 1995 г.).

Практическая значимость. На основании проведенных исследований разработан и внедрен комплекс технических средств (УВТ73-А-91, ОСИ), имеющих метрологические характеристики мирового уровня, обеспечивающих единство измерений в акустике и ультразвуковом неразрушающем контроле качества материалов и изделий. Разработаны и внедрены рекомендации по метрологии МИ 2163-91 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений коэффициента затухания продольных ультразвуковых колебаний в твердых средах». Отработаны оригинальные методики измерения упругих характеристик материалов, позволяющие повысить точность и оперативность получения информации.

Разработаны научные основы создания прецизионных установок в области акустических измерений, перспективных средств ультразвукового неразрушающего контроля быстровращающихся тел (турбин, роторов). Предложены методики акустического контроля состояния материалов на основе эпоксидных смол в процессе их полимеризации и т.д..

В целом, результаты работы могут найти широкое применение в различных областях науки и техники и служить надежной базой для развития фундаментальных научных исследований в физике и химии твердого тела, материаловедении, механике сплошных сред.

В настоящее время, по заданию ГОСТАНДАРТа России ведутся работы по распространению действия ГСИ для коэффициен-

та затухания продольных у.з. волн на страны СНГ и разработке нормативно - технической документации для создания стандартных образцов по скорости распространения и коэффициента затухания у.з. волн в твердых средах (план Государственной стандартизации России).

Основные положения выносимые на защиту.

На основе анализа данных, полученных в результате проведенных исследований^ доказывается, что:

1. Наиболее точное определение абсолютных значений физических величин в области акустики достигается путем применения бесконтактных методов возбуждения - приема у.з. колебаний в сочетании с оптимальным выбором методов измерений, обеспечивающих максимально возможное исключение систематических составляющих погрешностей.

2. Предложенная модель переходного акустического слоя, подтвержденная экспериментально, описывает механизм трансформации акустических сигналов при прохождении границ раздела жидкость - твердое тело, твердое тело - жидкость и показывает необходимость применения бесконтактных методов возбуждения -приема.

3. Предложенные прецизионные методы и разработанные на их основе установки (УВТ и ОСИ) измерения акустических величин позволяют определять: абсолютные значения смещений колебаний поверхности твердых сред с погрешностью менее 1% лазерными интерферометрами и менее 10% емкостными преобразователями; коэффициент затухания продольных у.з. волн с погрешностью менее 0,02 дБ/м; скоростей распространения продольных и поверхностных волн с погрешностью менее 0,1 м/с; коэффициен-

тов преобразования преобразователей ультразвуковых колебаний с погрешностью менее 5%.

4. Применение емкостных преобразователей для возбуждения и приема у.з. колебаний в комплексе с реализацией резонансного метода измерения обеспечивает достижение наивысшей точности измерения коэффициента затухания продольных у.з. волн в твердых средах.

5. Предложенный метод приближенного расчета позволяет определять основные параметры акустических сигналов при различных методах возбуждения с погрешностью порядка 20%.

6. Для изготовления образцовых мер 1-го разряда, обеспечивающих передачу единицы коэффициента затухания от УВТ образцовым средствам измерений, должны применяться материалы, удовлетворяющие следующим требованиям:

неоднородность коэффициента затухания (а) по сечению