High-precision measurement of the group velocity of ultrasound in structural materials on a small base

Texto integral

Развитие техники в значительной мере определяется повышением энергонасыщенности деталей и механизмов и ужесточением условий их функционирования, что требует разработки и совершенствования методов неразрушающего контроля [1]. При этом, в частности, возрастает влияние действующих и остаточных механических напряжений на надежность и стойкость системы. Поэтому неразрушающий оперативный контроль напряженного состояния деталей становится все более актуальным.

Основными методами неразрушающего контроля внутренних напряжений являются рентгеновская дифрактометрия и ультразвуковая тензометрия. Рентгеновская дифрактометрия основана на изменении угла дифракции рентгеновского пучка при деформации кристаллической решетки под действием внутренних напряжений, что делает ее применимость для контроля не демонтированных деталей и узлов весьма ограниченной. Ультразвуковая тензометрия использует акустоупругий эффект зависимости скорости ультразвука от механических напряжений на трассе распространения акустического пучка по контролируемому объекту [2], что позволяет производить контроль без разборки механизма. Величина эффекта, однако, мала и даже на пороге текучести практически не превышает нескольких процентов. Поэтому для практического использования эффекта акустоупругости в задачах тензометрии необходимо измерять скорость ультразвука с повторяемостью лучше долей процента на масштабе, ограниченном размером области локализации напряжений (малая база). Это требует уменьшения длительности импульса акустической волны и размеров “прозвучиваемой” области. Такому условию в наибольшей степени удовлетворяют лазерные термооптические источники субмикросекундных ультразвуковых импульсов [3].

В актуальном государственном первичном эталоне единиц скоростей распространения и коэффициента затухания ультразвуковых волн в твердых средах (ГЭТ 189-2014) [4] используется бесконтактный УЗ-метод измерения скорости в теневом режиме, который развивался в 70-е и 80-е годы прошлого века [5]: лазерное излучение возбуждает УЗ-волну непосредственно на поверхности образца, а затем оптическим способом, с помощью лазерной интерферометрии, происходит детектирование УЗ-колебаний противоположной поверхности, в результате чего измеряется скорость распространения УЗ. Хотя заявленная в эталоне систематическая погрешность измерения скорости продольных волн составляет менее 0.014% (диапазон скоростей 5000–6500 м/с, полоса частот 0.5–25 МГц, диапазон толщин образцов от 2 до 100 мм из стали 40Х13, Д16Т и кварцевого стекла К8), для более тонких образцов данные не приводятся. Отметим, что при облучении лазером непосредственно поверхности образца, во-первых, возрастает риск абляции [6], приводящей к порче поверхности образца и, во-вторых, возникает нагрев подповерхностного слоя образца, влияющий на модуль Юнга материала образца и, как следствие, на скорость звука [7] и, соответственно, на точность измерений. Кроме того, теневой режим измерения скорости ультразвука имеет существенные ограничения в практических применениях, поскольку при нем необходим доступ к обеим сторонам образца с плоскопараллельными поверхностями и известной с высокой точностью толщиной.

Альтернативой этому может стать метод [8, 9], где короткие УЗ-импульсы возбуждаются наносекундным лазером термооптически с помощью специального оптико-акустического (ОАП), примыкающего к образцу, а прием УЗ-волн осуществляется в эхо-режиме. При этом необходим доступ только к одной стороне образца, а лазерное излучение не может повредить поверхность образца или нагреть его напрямую. Прежде мы осуществляли компенсацию дифракции УЗ-волн в образце благодаря расчету специальных поправок для групповой скорости, которые были получены при моделировании трансформации гауссовского импульса [9]. В данной работе мы обсуждаем возможное улучшение точности этого метода для применения в плоскопараллельных стальных образцах толщиной меньше 2 мм, а также проверяем эффективность компенсации дифракции с помощью деконволюции записанного сигнала с импульсной характеристикой приемного преобразователя и учитываем иные ограничения технического характера.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Измерения проводились на образцах, которыми были стальные плитки Иогансона из стандартного набора концевых мер длины. Мы провели измерения с плитками толщиной до 10.00 мм, но поскольку в данной работе нас интересует лишь толщины до 2 мм, то мы приводим результаты только для толщин 1.000, 1.500 и 1.900 мм.

Для термооптического возбуждения ультразвука в широкой полосе и его приема в эхо-режиме использовался дефектоскоп УДЛ-2М. Дефектоскоп состоит из возбуждающей и принимающей УЗ-частей, изображенных на рис. 1 вместе в сокращенном виде. Возбуждение звука осуществляется с помощью лазера с диодной накачкой с длиной волны 1053 нм, излучающего импульс длительностью 10 нс по полувысоте и c максимальной энергией 300 мкДж. Через оптоволокно 1 лазерный импульс подводится внутрь звукопровода 2 на оптико-акустический преобразователь 3, который преобразует импульсы лазерного излучения в импульсы ультразвука, распространяющиеся в звукопроводе и вне его в виде пучков с гауссовским поперечным распределением (начальный диаметр УЗ-пучков по уровню 1/e составлял 5.5 мм). Ушедший в звукопровод УЗ-импульс (темная стрелка) попадает на широкополосный пьезопреобразователь 4 первым – это зондирующий УЗ-импульс. Прошедший через водную иммерсию 5 в образец 6 УЗ-импульс (светлая стрелка) будет многократно переотражаться от его параллельных торцов (реверберировать), частично проходя в звукопровод и на пьезопреобразователь. Термином “приемный преобразователь” далее мы будем называть пару звукопровод–пьезопреобразователь. Напряжение с пьезопреобразователя обрабатывается АЦП, вследствие чего формируется дискретный сигнал.

 

Рис. 1. Экспериментальная установка (фрагмент).

 

Исходный (необработанный) сигнал приведен на рис. 2. В нем можно выделить зондирующий импульс, состоящий из фазы сжатия длительностью ~60 нс по уровню 1/e и следующей за ней более длительной фазы разрежения, появляющейся за счет дифракции низкочастотных составляющих импульса при его распространении внутри преобразователя. Далее следует импульс отражения от лицевой поверхности образца и импульсы многократных отражений внутри образца (реверберации). Кроме импульсов продольных волн, в сигнале возникают импульсы сдвиговых волн. Причиной их появления является ограниченность акустического пучка, который отражается от свободной донной поверхности образца.

 

Рис. 2. Необработанный сигнал при образце толщиной 1 мм.

 

Групповая скорость продольных УЗ-волн определялась времяпролетным методом, а временной интервал брался между экстремумами отражений. Импульс отражения от лицевой поверхности образца не использовался в расчетах по причине различия влияния на его форму и форму последующих импульсов отражения от иммерсионного слоя, из-за чего истинное время его экстремума может содержать дополнительные погрешности.

При измерении групповой скорости предстояло учесть некоторые особенности распространения звука в образцах и установке, которые условно можно разделить на технические и физические факторы. Одним из технических факторов является ограниченность спектра сигнала. Существует временное наложение низкочастотных гармоник импульсов соседних отражений, из-за чего их следует отфильтровать из сигнала, и область фильтрации определяется неравенством

$f\le \frac{v}{2h}$ (1)

где $v$ и $h$ – групповая скорость продольных волн в данном образце и его толщина соответственно. Нетрудно оценить, что для самого тонкого образца стали с толщиной 1.00 мм и средним значением групповой скорости продольных волн $6\cdot {10}^3$ м/с из сигнала нужно отфильтровать гармоники с частотами < 3 МГц. Кроме того, в ВЧ-части спектра присутствуют технические шумы, превышающие уровень полезного сигнала. Для осуществления фильтрации, нивелирующей описанные проблемы, использовался гипергауссовский фильтр с полосой 5–24 МГц. Другим техническим фактором является уменьшение амплитуды последовательных отражений. Многократные отражения обладают малой амплитудой и поэтому становятся трудноразличимыми с шумами и посторонними сигналами, что в итоге искажает положение их экстремумов и влияет на точность измерения групповой скорости. Поэтому мы брали для расчетов лишь первые десять отражений. Среди физических факторов можно выделить дифракцию УЗ-пучка, распространяющегося внутри образца и звукопровода, что будет обсуждаться ниже.

 

Рис. 3. Этапы обработки сигнала с отраженными УЗ-импульсами для образца толщиной 1 мм: без обработки (а), после цифровой фильтрации (б), после цифровой фильтрации и деконволюции (в).

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

Мы измерили групповые скорости по разнице времен для каждой возможной комбинации отражений (1–2, 1–3…1–10, 2–3, 2–4… и т.д.), а затем распределили полученные результаты по группам, значение скорости в которых отличаются друг от друга не более чем на 1 м/с. На рис. 4 показаны гистограммы частоты выпадания значения групповой скорости, соответствующего указанному диапазону скоростей, без применения деконволюции. Разброс групповых скоростей для образцов с толщинами 1.000, 1.500 и 1.900 мм относительно средних значений составляет ±0.14, ±0.4 и ±0.3% соответственно. Хотя такие гистограммы построены по одному сигналу, содержащему 10 отражений, каждое из которых хранит в себе информацию о предыдущих, эти распределения скорости не являются в полной мере распределением зависимой величины. Измеренный сигнал кроме отражений вмещает в себя и другие возмущения, как относящиеся к данному образцу (например, сдвиговые УЗ-волны), так и относящиеся к измерительному тракту (электрические шумы). Наложение этих возмущений на отражения сообщает положению их экстремумов дополнительный случайный характер, что способствует приданию гистограммам вида нормальных распределений. Первые две гистограммы это явно демонстрируют, а у третьей есть детерминированное влияние на распределение измерений в области больших скоростей. Безотносительно природы случайных или закономерных причин, все три распределения по итогу обладают довольно ограниченным разбросом, что является положительным следствием используемой экспериментальной установки и примененной цифровой фильтрации. Кроме того, заметно, как с ростом толщины уменьшается среднее значение групповой скорости звука. И это может быть связано с усилением фактора дифракции, обусловленной ограниченностью УЗ-пучка, при переходе пучка из ближней дифракционной зоны преобразователя в дальнюю, что приводит к большему искажению профиля УЗ-импульса отражения и большему смещению его экстремума. Такое явление было обосновано теоретически в работе [9].

 

Рис. 4. Гистограммы частоты выпадания значения групповой скорости для образцов 1.000 (а), 1.500 (б) и 1.900 мм (в) без применения деконволюции. Оранжевым цветом указано среднее значение скорости в данном распределении, а число в синей рамке – наибольшее относительное отклонение от среднего.

 

“Компенсация” дифракции в приемном преобразователе производилась с помощью процедуры деконволюции отфильтрованного сигнала с импульсной характеристикой приемного преобразователя (см. рис. 5). После деконволюции (рис. 6) дисперсия составляет ±0.12, ±0.09 и ±0.10% соответственно, что в разы меньше результатов без деконволюции для образцов толщиной 1.500 и 1.900 мм. Рассчитанные средние скорости после деконволюции заметно уменьшились, где-то на десяток, а где-то и на два десятка м/с. Действительно, дифракция должна повышать значение групповой скорости, а компенсация дифракции – снижает [9]. Заметим, что для совсем тонких образцов не следует ожидать существенных улучшений в любой подобной методике измерения групповой скорости, поскольку погрешность, связанная с производственной неравномерностью толщины образца, может оказаться выше.

 

Рис. 5. Импульсная характеристика приемного преобразователя (фрагмент).

 

Рис. 6. Гистограммы частоты выпадания значения групповой скорости для образцов с толщинами 1.000 (а), 1.500 (б) и 1.900 мм (в) с применением деконволюции.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Усовершенствован метод измерения групповой скорости ультразвука в широкой полосе частот 5–24 МГц с помощью лазерного термооптического источника. Использование расчетных методов снижения влияния дифракции и технических факторов позволяет измерять групповую скорость продольных УЗ-волн в тонких плоскопараллельных стальных образцах толщиной меньше 2 мм с дисперсией менее 0.2%. Следует отметить, что полученные результаты дают среднюю скорость ультразвука в широкой полосе частот, а их пересчет при узкополосной фильтрации сигнала позволит получить дисперсию фазовой скорости ультразвука.

Sobre autores

D. Makalkin

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences; MIREA – Russian Technological University

Autor responsável pela correspondência
Email: dmitrymakalkin@yandex.ru
Rússia, Moscow; Moscow

A. Karabutov

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: dmitrymakalkin@yandex.ru
Rússia, Moscow

E. Savateeva

Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: dmitrymakalkin@yandex.ru
Rússia, Moscow

Bibliografia

Arquivos suplementares