lab5 (Некоторые лабы по акустике)

Лабораторная работа №5

ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ УЛЬТРАЗВУКА

Цель работы

Ознакомление с существующими методиками, измерения коэффициента затухания ультразвука.

Домашнее задание

1. Вывести формулу для расчета коэффициента затухания ультразвука по результатам измерений в иммерсионной ванне.

2. Пользуясь безразмерной АРД-диаграммой (рис.З.1), построить размерные кривые для донного сигнала с осями: Ф(z), дБ, — по оси ординат и Н, мм, — по оси абсцисс. Диаметры пьезопластины 12 и 18 мм, частоты 2,5 и 1,8 МГц соответственно. Скорость звука в материале 2700 м/с.

3. Решить задачу. На образец установили прямой совмещенный преобразователь, подключенный к дефектоскопу. Амплитуда первого донного сигнала 40 дБ, а второго — 22 дБ. Рабочая частота преобразователя 2,5 МГц. Диаметр пьезопластины преобразователя 12 мм. 'Толщина образца (15+3^.N) мм, где N — номер вашей бригады. Скорость распространения продольных волн в образце 2700 м/с. Затем к донной поверхности образца приложили балластный npeo6разователь, не подключенный к дефектоскопу. После приложения балластного преобразователя амплитуда первого донного сигнала (уменьшилась на 2 дБ.

Рассчитать по формулам (4) и (6) погрешность определения коэффициента затухания по первому и второму донным сигналам без приложения к образцу балластного преобразователя. Рассчитать .коэффициент отражения от границы образец – преобразователь, когда волна падает изнутри образца на эту границу.

Рабочее задание

1. На двух образцах разной высоты измерить амплитуды первых донных сигналов. Рассчитать коэффициент затухания (способ 1).

2. На одном из образцов увеличить слой масла между преобразователем и образцом. Измерить изменение амплитуды первого донного сигнала. Оценить погрешность, вносимую слоем масла в расчет коэффициента затухания по способу 1.

3. Измерить амплитуды двух первых донных сигналов на одном из образцов. Рассчитать коэффициент затухания.

4. К донной поверхности того же образца приложить балластный преобразователь. Найти положение балластного преобразователя, соответствующее наибольшему ослаблению донных сигналов. Измерить изменение амплитуды первого донного сигнала. Снять балластный преобразователь. Амплитуда донных сигналов должна увеличиться до первоначальных значений. Рассчитать коэффициент затухания (способ 2), коэффициент отражения от границы образец — преобразователь и погрешность расчета коэффициента затухания.

5. Установить преобразователь и образец в иммерсионной ванне. Найти их взаимную ориентировку, соответствующую максимальной амплитуде сигнала, отраженного от поверхности образца. Измерить амплитуды двух сигналов: от поверхности образца и первого донного. Рассчитать коэффициент затухания (способ 3).

Описание лабораторной установки

Установка содержит ультразвуковой дефектоскоп ДУК-66, иммерсионную ванну, набор пьезопреобразователей и образцов для экспериментальных исследований.

Методические указания

1. Затухание ультразвука в данной работе измеряют эхометодом. На образцах исследуемого материала измеряют амплитуду донного сигнала. При использовании прямого преобразователя и контактного варианта контроля имеем для первого донного сигнала

(1)

Здесь U₀ и U₁ — амплитуды посланного и принятого электрических импульсов; L и M — коэффициенты преобразования электрического импульса в акустический при излучении и обратно при приеме; R₀ — коэффициент отражения от донной поверхности; H — толщина образца; Ф(Н) — функция, характеризующая дифракционное ослабление донного импульса, вызываемое расхождением энергии; d^. — коэффициент затухания.

Непосредственное вычисление коэффициента затухания по формуле (1) невозможно, так как множитель. U₀^.L^.M затруднительно рассчитать или измерить. В связи с этим существуют несколько способов экспериментального определения коэффициента затухания.

2. Способ 1. Пусть имеются два образца разной высоты H₁ и H₂ , изготовленные из одного материала. Для свободной (донной) поверхности R₀ =1. Измерим на каждом образце амплитуду первого донного сигнала, U₁ — амплитуда первого донного сигнала на первом образце высотой H₁ а U₂ — амплитуда сигнала на втором образце толщиной H₂

Перейдем к децибелам и получим (величины, выраженные в децибелах, взяты в квадратные скобки):

(2)

Здесь [U₁] и [U₁] — результаты измерения амплитуд дефектоскопом; [Ф(H₁)] и [Ф(H₂)] определяют по АРД-диаграмме.

Предполагается, что качество акустического контакта преобразователя и образцов сохраняется неизменным. В действительности это предположение выполняется с погрешностью 1 - 2 дБ, что определяет основную погрешность эксперимента.

1. Способ 2. Пусть U₂ — амплитуда второго донного сигнала на образце высотой H₁.

(3)

Очевидно, что второй донный сигнал прошел вдвое больший путь по сравнению с первым донным (рис. 5.1). Поэтому под знак экспоненты и функции Ф добавился множитель 2. Величина R₁ в формуле (3) — коэффициент отражения от границы образец - преобразователь. Иногда его полагают равным 1. Разделив (1) на (3) и перейдя к децибелам, получим (R₀ =1)

(4)

В действительности такой способ ошибочен, так как потери на передачу ультразвука в преобразователь, определяемые R₁, и потери на затухание могут оказаться соизмеримыми.

R₁ можно определить так. Приложим к донной поверхности образца не подключенный к дефектоскопу (балластный) .преобразователь, точно такой же, какой используется для измерений (рабочий). Коэффициент отражения от этого преобразователя с достаточной точностью можно считать равным R₁, поскольку условия отражений одинаковы. Амплитуда первого донного сигнала в результате прижатия балластного преобразователя уменьшится до

(5)

Разделив (5) на (3) и перейдя к децибелам, получим (R₀ =1)

(6)

Из формул (1) и (5) можно определить величину R₁. Разделив (5) на (1) и перейдя к децибелам, получим

(7)

Чтобы предположение о равенстве коэффициентов отражения от обеих поверхностей образца выполнялось, нужно обеспечить одинаковый акустический контакт рабочего и балластного преобразователей с поверхностью. Различное качество акустического контакта вносит основную погрешность в измерения.

4. Способ 3. 0бразец погружают в ванну с иммерсионной жидкостью (водой) так, чтобы между преобразователем и образцом имелся слой воды толщиной .

Выполняют измерения амплитуд U⁰ — сигнала, отраженного от границы воды с верхней поверхностью образца, и U¹ — первого донного сигнала. Формулы для этих сигналов имеют вид.

(8)

(9)

Здесь L_н и M_н — коэффициенты преобразования для преобразователя, нагруженного на иммерсионную жидкость; R_во и R_ов — коэффициенты отражения по амплитуде от границ вода – образец и образец – вода. Они рассчитываются по формуле (10).

— коэффициент прохождения (по энергии) через границу вода–образец; C_в и C₀ — скорости звука в воде и образце; d_в — коэффициент затухания в воде.

Возьмем отношение U¹ и U⁰ , перейдем к децибелам и, решая относительно d , определим коэффициент затухания. Иммерсионный способ —самый точный. В нем основная погрешность связана с неперпендикулярностью акустической оси преобразователя к поверхности образца.

5. Зная рабочую частоту и диаметр пьезоэлемента, можем рассчитать ближнюю зону преобразователя z_б по формуле z_б = a²/l , где a — радиус пьезоэлемента; l = C/f — длина ультразвуковой волны; C — скорость звука в среде; f — рабочая частота пьезопластины.

Расстояние, пройденное ультразвуком до отражателя (дна), отнесенное, к длине ближней зоны z/z_б , отложено в АРД–диаграмме по оси X. Зная а, С и f переводим относительные величины оси z/z_б в абсолютные z (мм). Необходимые для расчета данные указаны в пп. 2 и 3.

6. Пусть z₁ и z₂ — импедансы нижнего и верхнего полупространств. Если ультразвук 'падает на границу раздела, сверху, то коэффициент отражения

(10)

7. При измерениях .преобразователь не устанавливать вблизи края образца, чтобы не возникало мешающих отраженных импульсов от боковых стенок. Двигая преобразователь по образцу, добиваться максимального донного сигнала. Измерение амплитуды принятого сигнала производить, когда видеоимпульс дефектоскопа достигает линии на экране.

Измерение производить не менее трех раз и в расчетах брать среднее значение.

8. Слой масла увеличивают с помощью специальной прокладки с отверстием.

Контрольные вопросы

1. Как учитывается рабочая частота преобразователя при вычислении коэффициента затухания?

2. Как измерить коэффициент затухания поперечных волн наклонным преобразователем?

3. Как повлияет на определение коэффициента затухания замена воды в иммерсионной ванне другой жидкостью, воздухом?

4. Как изменяется затухание с увеличением частоты?