Введение к работе
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 -* 0.2) %, (10 * 20) % и (30 * 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 -5- 20 ангстрем. Не проводился анализ комбинированных метсров, позволяющих реашгювать
преимущества каждого отдельного метода, не ухудшая при этом метрологических характеристик установок применительно к решению конкретных задач. Широкое применение акустических методов в науке и технике сдсрлаївалось 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.
Целью 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 достижении поставленной цели позволил сформулировать следующие задачи.
-
Исследовать бесконтактные методы возбуждения и приема у.з. колебаний (оптический, емкостный, электроискровой), обеспечивающие наивысшую точность измерения акустических величин.
-
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.
-
Исследовать метрологические характеристики созданных прецизионных средств измерения указанных акустических величин.
-
Исследовать акустические характеристики различных материалов, пригодных для создания образцовых мер 1-го разряда.
-
Разработать Государственную поверочную схему для средств измерения коэффициента затухания продольных у.з. волн.
-
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 вьтолнены 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 неразрушаюшего 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 для развития
ундаментальных научных исследований в физике и химии твердого тела, мате-шюведении, механике сплошных сред.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Наиболее точное определение абсолютных значений физических вели-т 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.
-
Предложенная модель переходного акустического слоя, подтвержденная :спериментально, описывает механизм искажения акустических сигналов при юхожцении у.з. волной границ раздела жидкость - твердое тело, твердое тело -вдкость и обосновывает необходимость применения бесконтактных методов ізбуждения - приема.
-
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-ния преобразователей ультразвуковых колебаний с погрешностью менее 5%.
-
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.
-
Предложенный метод приближенного расчета позволяет определять ос новные параметры акустических сигналов при различных методах возбуждения погрешностью порядка (20 -г- 30) %.
-
Для изготовления образцовых мер 1-го разряда, обеспечивающих пере дачу единицы коэффициента затухания от УВТ образцовым средствам измере ний, должны применяться материалы, удовлетворяющие следующим требовани 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 улы развуковых колебаний в твердых средах (в настоящее время ведутся работы п расширению действия ГСИ на страны СНГ).
Апробация результатов работы. Основные положения работы док ладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всесоюзно конференции «Использование современных физических методов в нераз 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.
