lab1 (Некоторые лабы по акустике)

6

Лабораторная работа №1

ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

Цель работы

1. Ознакомление с методикой измерения скорости распространения различных типов акустических волн в твердом теле.

2. Овладение навыками работы с ультразвуковым импульсным дефектоскопом.

Домашнее задание

1. Используя данные в табл.1.1 значения скорости распространения продольных C_L , поперечных C_T и поверхностных C_S волн для алюминия, стали, латуни и оргстекла, рассчитать углы преломления _L и _T в алюминии, стали и латуни для преобразователя с призмой из оргстекла ( = 40⁰ ). Рассчитать углы падения ультразвуковых колебаний (УЗК) в оргстекле  при которых в перечисленных металлах возникают поверхностные волны. Результаты записать в табл. 1.1.

Таблица 1.1

2. По номограммам (рис.1.2 и 1.3) рассчитать значение фазовых и групповых скоростей для стального образца (коэффициент Пуассона  = 0,27) толщиной h=2мм, для частоты f = 2,5МГц. Вычислить углы падения, при которых возбуждаются эти моды. Результаты расчетов записать в табл.1.2

Таблица1.2

Рабочее задание

1. Подключить к дефектоскопу преобразователь для ввода УЗК в образец по нормали к его верхней поверхности. Получить донный сигнал на стальном образце с известными параметрами и настроить глубиномерное устройство дефектоскопа.

2. Измерить скорости продольных волн в представленных образцах. Используя результаты эксперимента, определить материал образца.

Рис.1.1. Отражение акустической волны от прямого двугранного угла

3. С помощью преобразователя с углом призмы 40^о возбудить поперечные волны в образцах п.2. Получить эхосигнал от двугранного угла (рис.1.1) и измерить скорости поперечных волн.

4. Измерить углы преломления поперечных волн в образцах и сопоставить с рассчитанными по формуле синусов.

5. Возбудить поверхностные волны в предоставленном образце с помощью преобразователя с переменным углом ввода УЗК в изделие. Определить их скорость. Определить углы падения, при которых возбуждаются поверхностные волны, и сопоставить с рассчитанными по формуле синусов.

Рис. 1.2. Номограмма для расчета Рис. 1.3. Номограмма для

фазовых скоростей волн Лэмба расчета групповых скоростей

волн Лэмба

6. Возбудить в образце-пластине все возможные моды волн Лэмба. Определить их фазовую и групповую скорости. Результаты занести в табл.1.2. Сопоставить с расчетными данными.

Описание лабораторной установки

Установка содержит следующее оборудование: ультразвуковой импульсный дефектоскоп ДУК-66, преобразователь с переменным углом ввода УЗК в изделие, образцы для экспериментального определения скорости распространения акустических волн различных типов.

Методические указания

1. При падении продольной волны из одного твердого тела на поверхность другого возникает система волн (рис.1.4): две отраженные и две преломленные, из которых одна волна поперечная, а другая продольная.

Рис. 1.4. Волны, возникающие при отражении и преломлении

продольной волны на границе раздела двух твердых тел

Углы падения , отражения _L, _T и преломления _L и _T связаны между собой законом синусов:

,

где C_L и C_T - скорости продольной и поперечной волн в среде, из которой волна падает на границу раздела; C_L и C_T- скорости продольной и поперечной волн в среде, в которую волна входит.

При  = arcsin(C_L/ C_L) (первый критический угол) продольная волна в образце претерпевает полное внутреннее отражение, и остается лишь поперечная волна. При  = arcsin(C_L/C_T) (второй критический угол) поперечная волна претерпевает полное внутреннее отражение. Когда углы падения превышают первое или второе критическое значения, соответствующие продольная и поперечная волны в нижней среде не исчезают, а локализуются в поверхностном слое в виде так называемой неоднородной волны. Неоднородная волна быстро затухает при распространении вдоль границы раздела двух сред.

При некотором угле падения (большем второго критического) создаются условия, когда неоднородная продольная и поперечная волны обеспечивают условия возникновения поверхностной волны Рэлея. Угол падения, при котором возбуждается поверхностная волна, определяется формулой

,

где C_S - скорость поверхностной волны в нижней среде; Cпр - скорость продольной волны в призме.

2. Глубиномер прибора настраивают по образцу, скорость продольных волн в котором Cпр= 5,90^.10³ м/с. При измерениях скорости продольных и других типов волн время пробега импульса в исследуемом образце определяется по формуле

,

где lr -показания глубиномера дефектоскопа.

3. Прежде чем начать измерения поперечных волн, необходимо выделить импульс, отраженный от ребра двугранного угла среди других импульсов на экране. Этот импульс будет менять свою амплитуду, если нажимать на угол пальцем, смоченным в масле. Необходимо перемещать преобразователь по поверхности образца, добиваясь максимальной амплитуды этого импульса. Время прохождения импульса от пьезопластины до двугранного угла складывается из времени пробега в призме t_пр и в образце t_обр; t_пр можно определить, измерив средний путь ультразвука в призме и поделив его удвоенное значение на скорость продольных волн в призме:

.

Путь ультразвука в образце измеряют как расстояние от точки ввода до ребра (рис. 1.1).

4. Угол преломления _T (рис. 1.1) определяют из формулы

5. Для возбуждения поверхностной волны следует использовать преобразователь с переменным углом ввода УЗК. Импульсы сигналов, связанные с поверхностными волнами, отличаются тем, что они уменьшаются при нажатии пальцем, смоченным в масле, на поверхность перед преобразователем. По максимуму импульса, соответствующего отражению от ребра образца, следует скорректировать угол ввода УЗК. Капли масла на поверхности могут вызвать отражение ультразвуковой волны, поэтому поверхность образца должна быть чистой при проведении всех измерений.

Для того чтобы избежать расчета времени пробега импульса в призме при определении C_S, измерение скорости поверхностной волны проводят на двух базах L₁ и L₂ , т. е. измеряется расстояние между точкой ввода УЗК и ребром образца, отражающим поверхностную волну, затем C_S определяется по формуле

,

где t₁ и t₂ - время между посылкой импульса и приемом, которое определяется как в п. 2.

6. Волны Лэмба в пластинах возбуждают, как и поверхностные волны, с помощью призматического преобразователя с переменным углом ввода УЗК. Фазовую скорость (скорость распространения фазы волны вдоль пластины) волны Лэмба C_Ф рассчитывают из закона синусов по известному углу ввода  и скорости продольных волн в призме С_пр:

.

Фазовая скорость C_Ф зависит от частоты ультразвуковых колебаний и толщины пластины. На рис. 1.2 показана система дисперсионных кривых в безразмерных координатах. По оси ординат отложено отношение фазовой скорости к скорости поперечных волн, а по оси абсцисс - величина , где h - толщина пластины.

Зная связь и используя номограммы (рис. 1.2), можно для конкретных значений h, f, C_T определить угол падения , соответствующий каждой моде. Скорость распространения импульса УЗК характеризуется групповой скоростью С_ГР которая может быть определена по номограмме, показанной на рис. 1.3.

В данной работе следует по номограммам (рис.1.2 и рис.1.3) рассчитать значения фазовых и групповых скоростей, углы падения, при которых возбуждаются волны Лэмба, для конкретных параметров образцов и преобразователей

7. При определении C_Ф и С_ГР следует пользоваться значениями угла падения , рассчитанными в п.6 и уточняемыми экспериментально по максимуму амплитуды импульса сигнала, отраженного от торца пластины. Групповую скорость С_ГР измеряют по способу, рекомендованному в п. 5.

Контрольные вопросы

1. Из каких основных узлов состоит ультразвуковой дефектоскоп ДУК-66 и каково их назначение?

2. В чем сущность пьезоэлектрического эффекта?

3. Что называется акустической волной?

4. Какие типы волн вам известны?

5. Как измерить скорость распространения акустических волн разных типов?

6. Какие углы падения УЗК называются критическими ?

7. Как возбудить акустические волны разных типов?