RU2464556C1 - Method of measuring speed of ultrasound - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: ultrasonic pulses are transmitted the inspected material, wherein the ultrasonic pulses are transmitted with filling frequency ν₁ through a sample of the analysed material initially without loading at a given temperature; the speed of ultrasound C is measured at the same temperature; a series of ultrasonic echo signals reflected by particles in any of two inner regions of the material are then obtained; said series is picked up by two receiving piezoelectric sensors which do not touch the outer surface of the material and lie in an immersion medium; that series is decomposed into a Fourier time series with repetition period T₂ of ultrasonic pulses; the pulse repetition frequency ν₂=1/T₂ is varied; a value ν₂ is achieved, where the amplitude values of even harmonics of the Fourier series are not equal to zero and phases of these harmonics undergo a jump of π radians; the speed of ultrasound C is then compared with that pulse repetition frequency ν₂; temperature of the analysed material is raised or lowered and the speed of ultrasound C is once more compared with the pulse repetition frequency ν₂; the dependency of pulse repetition frequency ν₂, where phases of even harmonics undergo a jump of π radians, on the speed of ultrasound S is determined, after which the speed of ultrasound S in the inner regions of the analysed material under a load is determined from the dependency of that pulse repetition frequency ν₂.

EFFECT: high accuracy of measuring speed of ultrasound in inner regions of material.

8 dwg

Description

Изобретение относится к области неразрушающего контроля физических характеристик конструкционных материалов и может быть использовано для определения внутренних локальных механических напряжений в различных конструкциях.The invention relates to the field of non-destructive testing of the physical characteristics of structural materials and can be used to determine internal local mechanical stresses in various designs.

Известен способ измерения скорости распространения поперечных волн в материалах, заключающийся в том, что в образце материала возбуждают упругие продольные колебания, принимают прошедшие образец поперечные упругие колебания преобразователем, расположенным на образце так, что ось его чувствительности перпендикулярна линии, соединяющей точки излучения и приема, измеряют время распространения поперечных колебаний, по которому рассчитывают скорость их распространения, причем измеряют в сигнале принятых колебаний разность импульсов поперечных волн, сдвинутых по фазе на 180°, а время распространения определяют по местоположению первой из трех последовательных точек, амплитуда разности в которой превышает среднеарифметическое значение амплитуд, регистрируемых в интервале, t_p - 1,4t_p, где t_p - время распространения продольной волны [А.с. СССР №1821733, МПК G01N 29/00, 1993 г.].A known method of measuring the propagation velocity of transverse waves in materials is that longitudinal longitudinal vibrations are excited in a material sample, transverse elastic vibrations passing through the sample are received by a transducer located on the sample so that its sensitivity axis is perpendicular to the line connecting the radiation and reception points, measure the propagation time of transverse vibrations, according to which they calculate the speed of their propagation, and the pulse difference is measured in the signal of the received vibrations of pepper waves shifted in phase by 180 °, and the propagation time is determined by the location of the first of three consecutive points, the amplitude of the difference in which exceeds the arithmetic average of the amplitudes recorded in the interval, t _p - 1,4t _p , where t _p is the propagation time of the longitudinal waves [A.S. USSR No. 1821733, IPC G01N 29/00, 1993].

Известный способ характеризуется пониженной точностью измерения времени распространения продольной волны ввиду значительных погрешностей измерения амплитуд ультразвуковых волн и момента времени, соответствующего среднеарифметическому значению амплитуд ультразвуковых волн.The known method is characterized by reduced accuracy of measuring the propagation time of a longitudinal wave due to significant errors in measuring the amplitudes of ultrasonic waves and the time corresponding to the arithmetic mean value of the amplitudes of ultrasonic waves.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения скорости ультразвука, заключающийся в том, что в контролируемом канале устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов, а в эталонном канале импульсный режим прохождения электроакустических импульсов при одновременном возбуждении обоих каналов образуют последовательность опорных электрических импульсов с частотой автоциркуляции и последовательность электрических импульсов той же частоты повторения, сформированных после прохождения акустическим сигналом эталонного канала, используют обе указанные последовательности для формирования эталонного интервала времени, равного времени распространения акустического импульса в эталонном канале, подсчитывают высокочастотные импульсы, заполняющие эталонные интервалы в течение измерительного интервала времени и по количеству высокочастотных импульсов, измеренных с помощью счетчика в сформированном интервале, определяют скорость ультразвука, причем перед подсчетом высокочастотных импульсов счетчик снабжают дополнительными n разрядами, аналогичными имеющимся, включенными перед младшими разрядами счетчика [патент РФ №2060474, МПК G01H 5/00, 1996 г.].Closest to the proposed invention is a method for determining the speed of ultrasound, which consists in the fact that in the controlled channel set the mode of auto-circulation of electro-acoustic pulses, and in the reference channel, the pulse mode of transmission of electro-acoustic pulses with simultaneous excitation of both channels form a sequence of reference electrical pulses with a frequency of auto-circulation and a sequence of electrical pulses of the same repetition rate formed after passing the akus with a natural signal of the reference channel, use both of these sequences to form a reference time interval equal to the propagation time of the acoustic pulse in the reference channel, count high-frequency pulses filling the reference intervals during the measuring time interval and the number of high-frequency pulses measured using the counter in the generated interval, determine the speed of ultrasound, and before counting high-frequency pulses, the counter is equipped with an additional and n bits similar to those included before the lower bits of the counter [RF patent No. 2060474, IPC G01H 5/00, 1996].

В известном способе устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов и формируют последовательность опорных электрических импульсов по их фронтам, положения которых на временной оси имеют неопределенности вследствие помех, возникающих от многократных отражений ультразвуковых импульсов от внутренних поверхностей изделия, нестабильности генератора импульсов и шумов в усилителе. Ввиду указанных факторов увеличивают погрешность измерения интервала времени между электроакустическими импульсами.In the known method, the mode of auto-circulation of electro-acoustic pulses is established and a sequence of reference electric pulses is formed along their fronts, the positions of which on the time axis have uncertainties due to interference arising from repeated reflections of ultrasonic pulses from the internal surfaces of the product, instability of the pulse and noise generator in the amplifier. In view of these factors, the error in measuring the time interval between electro-acoustic pulses is increased.

Задачей предлагаемого способа измерения скорости ультразвука является повышение точности измерения скорости ультразвука во внутренних областях материала.The objective of the proposed method for measuring the speed of ultrasound is to increase the accuracy of measuring the speed of ultrasound in the internal areas of the material.

Достигается это тем, что в способе измерения скорости ультразвука, заключающимся в пропускании импульсов ультразвуковых колебаний в контролируемом материале, согласно изобретению пропускают ультразвуковые импульсы с частотой заполнения ν₁ через образец исследуемого материала первоначально без нагрузки при заданной температуре, измеряют скорость ультразвука C при той же температуре, затем получают последовательность ультразвуковых сигналов эхо отраженными частицами, находящимися в любых двух внутренних областях материала, регистрируют двумя приемными пьезоэлектрическими датчиками, не соприкасающимися с внешней поверхностью материала и расположенными в иммерсионной среде, раскладывают эту последовательность во временной ряд Фурье по периоду повторения Т₂ ультразвуковых импульсов, изменяют частоту повторения импульсов ν₂=1/Т₂, достигают такой величины ν₂, при которой амплитуды четных гармоник ряда Фурье не равны нулю и фазы этих гармоник претерпевают скачок на π радиан, сопоставляют скорость C ультразвука с этой частотой повторения импульсов ν₂, повышают или понижают температуру исследуемого материала и снова сопоставляют скорость C ультразвука с частотой повторения импульсов ν₂, определяют зависимость частоты повторения импульсов ν₂, при которой фазы четных гармоник претерпевают скачок на π радиан, от скорости ультразвука C, после чего определяют скорость C ультразвука во внутренних областях исследуемого материала, находящегося под нагрузкой, по зависимости этой частоты повторения импульсов ν₂.This is achieved by the fact that in the method of measuring the speed of ultrasound, which consists in transmitting pulses of ultrasonic vibrations in a controlled material, according to the invention, ultrasonic pulses with a filling frequency of ν _{1 are} passed through a sample of the test material initially without load at a given temperature, and the speed of ultrasound C is measured at the same temperature , then receive a sequence of ultrasonic echo signals by reflected particles located in any two internal areas of the material, register two receiving piezoelectric sensors that are not in contact with the external surface of the material and located in the immersion medium, lay out this sequence in the Fourier time series over the repetition period T _{2 of} ultrasonic pulses, change the pulse repetition rate ν ₂ = 1 / T ₂ , reach such a value ν ₂ at which the amplitudes of the even harmonics of the Fourier series are not equal to zero and the phases of these harmonics undergo a jump by π radians, compare the ultrasound speed C with this pulse repetition frequency ν ₂ , increase or lower the temperature of the test material and again compare the ultrasound speed C with the pulse repetition frequency ν ₂ , determine the dependence of the pulse repetition frequency ν ₂ , at which the phases of even harmonics undergo a jump by π radian, on the ultrasound speed C, and then determine the ultrasound speed C in the inner regions of the studied material under load, according to the dependence of this pulse repetition frequency ν ₂ .

Разложение последовательности сигналов эхо во временной ряд Фурье по периоду повторения Т₂ ультразвуковых импульсов и измерение частоты повторения ν₂=1/Т₂, при которой фазы четных гармоник претерпевают скачок на π радиан, обеспечивает повышение точности измерения ультразвука C.The expansion of the sequence of echo signals in the Fourier time series for the repetition period T _{2 of} ultrasonic pulses and measuring the repetition frequency ν ₂ = 1 / T ₂ , at which the phases of even harmonics undergo a jump by π radians, provides an increase in the accuracy of measurement of ultrasound C.

Сущность способа поясняется графически.The essence of the method is illustrated graphically.

На фиг.1 представлена блок-схема электронного устройства для генерации ультразвуковых импульсов и определения частоты повторения импульсов; на фиг.2 показана зависимость фаз, второй гармоники ряда Фурье; на фиг.3 показана зависимость фаз, четвертой гармоники ряда Фурье; на фиг.4 - график зависимости скорости С продольных ультразвуковых волн от температуры t°C в сплаве Сталь 3; на фиг.5 - график зависимости частоты ν₂ повторения ультразвуковых импульсов, при которой фаза второй гармоники скачком изменяются на π радиан, от скорости C продольных ультразвуковых волн в сплаве Сталь 3; на фиг.6 - график зависимости частоты ν₂ повторения ультразвуковых импульсов, при которой фаза четвертой гармоники скачком изменяется на π радиан, от скорости C продольных ультразвуковых волн в сплаве Сталь 3; на фиг.7 - график зависимости амплитуды A, второй гармоники от частоты ν₂ повторения ультразвуковых импульсов, при которой фаза этой гармоники скачком изменяется на π радиан в сплаве Сталь 3; на фиг.8 - график зависимости амплитуды A, четвертой гармоники от частоты ν₂ повторения ультразвуковых импульсов, при которой фаза этой гармоники скачком изменяется на π радиан в сплаве Сталь 3.Figure 1 presents a block diagram of an electronic device for generating ultrasonic pulses and determining the pulse repetition rate; figure 2 shows the dependence of the phases, the second harmonic of the Fourier series; figure 3 shows the dependence of the phases, the fourth harmonic of the Fourier series; figure 4 is a graph of the dependence of the speed With longitudinal ultrasonic waves on temperature t ° C in the alloy Steel 3; figure 5 is a graph of the frequency ν _{2 of the} repetition of ultrasonic pulses, at which the phase of the second harmonic abruptly change by π radian, on the speed C of longitudinal ultrasonic waves in the alloy Steel 3; Fig.6 is a graph of the frequency ν _{2 of the} repetition of ultrasonic pulses, at which the phase of the fourth harmonic abruptly changes by π radian, on the speed C of longitudinal ultrasonic waves in the Steel 3 alloy; Fig. 7 is a graph of the amplitude A, the second harmonic versus the frequency ν _{2 of the} repetition of ultrasonic pulses, at which the phase of this harmonic jumps by π radian in the Steel 3 alloy; Fig. 8 is a graph of the amplitude A, the fourth harmonic versus the frequency ν _{2 of the} repetition of ultrasonic pulses, at which the phase of this harmonic abruptly changes to π radian in the Steel 3 alloy.

Электронное устройство для генерации ультразвуковых импульсов, измерения частоты повторения импульсов, амплитуд и фаз гармоник ряда Фурье последовательности ультразвуковых сигналов эхо состоит из генератора импульсов 1 (фиг.1), ультразвукового преобразователя 2, приемных пьезоэлектрических датчиков 3 и 4, широкополосных усилителей 5 и 6, ключа 7, резистора 8 в анализатор спектра 9, индуктивности 10, варикапа 11, узкополосного усилителя 12, детекторной цепочки 13, 14, 15, амплитудно-цифрового преобразователя 16, персонального компьютера 17, ключа 18, измерителя фазы 19 и амплитудно-цифрового преобразователя 20.An electronic device for generating ultrasonic pulses, measuring the pulse repetition rate, amplitudes and phases of harmonics of the Fourier series of an ultrasonic echo sequence consists of a pulse generator 1 (Fig. 1), an ultrasonic transducer 2, receiving piezoelectric sensors 3 and 4, broadband amplifiers 5 and 6, a key 7, a resistor 8 to a spectrum analyzer 9, an inductance 10, a varicap 11, a narrowband amplifier 12, a detector chain 13, 14, 15, an amplitude-to-digital converter 16, a personal computer 17, a key 18, from 19 eritelya phase and amplitude-to-digital converter 20.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Пропускают ультразвуковые импульсы с частотой заполнения ν₁ через образец исследуемого материала первоначально без нагрузки при заданной температуре, измеряют скорость ультразвука C при той же температуре, затем получают последовательность ультразвуковых сигналов эхо отраженными частицами, находящимися в любых двух внутренних областях материала, регистрируют двумя приемными пьезоэлектрическими датчиками 3, 4, не соприкасающимися с внешней поверхностью материала и расположенными в иммерсионной среде, раскладывают эту последовательность во временной ряд Фурье с помощью высокодобротного контура, включающего индуктивность 10 и варикап 11, по периоду повторения Т₂ ультразвуковых импульсов, изменяют частоту повторения импульсов ν₂=1/Т₂ с помощью генератора импульсов 1, достигают такой величины ν₂, при которой амплитуды четных гармоник ряда Фурье не равны нулю и фазы этих гармоник претерпевают скачок на π радиан, сопоставляют скорость C ультразвука с этой частотой повторения импульсов ν₂, повышают или понижают температуру исследуемого материала и снова сопоставляют скорость C ультразвука с частотой повторения импульсов ν₂, определяют зависимость частоты повторения импульсов ν₂, при которой фазы четных гармоник претерпевают скачок на π радиан, от скорости ультразвука C, после чего определяют скорость С ультразвука во внутренних областях исследуемого материала, находящегося под нагрузкой, по зависимости этой частоты повторения импульсов ν₂.Ultrasonic pulses with a filling frequency of ν _{1 are} passed through a sample of the test material initially without load at a given temperature, the speed of ultrasound C is measured at the same temperature, then a sequence of ultrasonic signals is echoed by reflected particles located in any two internal regions of the material, recorded by two receiving piezoelectric sensors 3, 4, not in contact with the external surface of the material and located in the immersion medium, lay out this follower the Fourier time series using a high-quality circuit, including inductance 10 and varicap 11, along the repetition period T _{2 of} ultrasonic pulses, change the pulse repetition rate ν ₂ = 1 / T ₂ using the pulse generator 1, reach a value of ν ₂ at which the amplitudes of the even harmonics of the Fourier series are not equal to zero and the phases of these harmonics undergo a jump by π radians, compare the ultrasound speed C with this pulse repetition frequency ν ₂ , increase or decrease the temperature of the material under study, and again compare the speed the ultrasound speed C with a pulse repetition frequency ν ₂ , determine the dependence of the pulse repetition frequency ν ₂ , at which the phases of even harmonics undergo a jump by π radian, on the speed of ultrasound C, and then determine the speed C of ultrasound in the inner regions of the test material under load, according to the dependence of this pulse repetition frequency ν ₂ .

Примеры конкретного выполнения.Examples of specific performance.

Образцом исследуемого материала служит конструкционный сплав Сталь 3. Диаметры рабочих поверхностей приемных пьезоэлектрических датчиков составляют 10 мм, расстояние между этими датчиками - 6 мм. Частота ν₁ заполнения генерируемых ультразвуковых импульсов продольных волн - 5000000 Гц.A sample of the material under study is the structural alloy Steel 3. The diameters of the working surfaces of the receiving piezoelectric sensors are 10 mm, the distance between these sensors is 6 mm. The frequency ν ₁ filling of the generated ultrasonic pulses of longitudinal waves is 5,000,000 Hz.

Проводим измерение зависимости фазы второй гармоники от частоты ν₂, повторения ультразвуковых импульсов при температуре 20°C. Результаты измерений представлены на фиг.2.We measure the dependence of the phase of the second harmonic on the frequency ν ₂ , repetition of ultrasonic pulses at a temperature of 20 ° C. The measurement results are presented in figure 2.

Проводим измерение зависимости фазы четвертой гармоники от частоты ν₂, повторения ультразвуковых импульсов при температуре 20°C. Результаты измерений представлены на фиг.3.We measure the dependence of the phase of the fourth harmonic on the frequency ν ₂ , the repetition of ultrasonic pulses at a temperature of 20 ° C. The measurement results are presented in figure 3.

Из этих зависимостей следует, что фазы второй и четвертой гармоник скачком изменяются на π радиан при частотах ν₂ соответственно 308729 и 294126 Гц.From these dependences it follows that the phases of the second and fourth harmonics change abruptly by π radians at frequencies ν ₂ respectively 308729 and 294126 Hz.

Измеряем одновременно скорость C продольных ультразвуковых волн, частоты ν₂ и амплитуды A второй и четвертой гармоник, при которых фаза этих гармоник скачком изменяется на π радиан, в сплаве Сталь 3 в температурном интервале от 20°C до -14°C. Получаем графики зависимостей: скорости С продольных ультразвуковых волн от температуры T°C в сплаве Сталь 3 (фиг.4); частот ν₂ повторения ультразвуковых импульсов, при которых фазы, соответственно, второй (фиг.5) и четвертой (фиг.6) гармоник скачком изменяются на π радиан, от скорости C продольных ультразвуковых волн в сплаве Сталь 3; амплитуд A соответственно второй (фиг.7) и четвертой (фиг.8) гармоник от частоты ν₂ повторения ультразвуковых импульсов, при которой фазы этих гармоник скачком изменяются на π радиан в сплаве Сталь 3.At the same time, we measure the speed C of longitudinal ultrasonic waves, frequency ν _2, and amplitude A of the second and fourth harmonics, at which the phase of these harmonics jumps by π radians in the Steel 3 alloy in the temperature range from 20 ° C to -14 ° C. We obtain graphs of the dependencies: speed C of longitudinal ultrasonic waves versus temperature T ° C in the Steel 3 alloy (figure 4); frequencies ν _{2 of the} repetition of ultrasonic pulses, at which the phases, respectively, of the second (Fig. 5) and fourth (Fig. 6) harmonics abruptly change by π radians, from the speed C of longitudinal ultrasonic waves in the Steel 3 alloy; amplitudes A, respectively, of the second (Fig. 7) and fourth (Fig. 8) harmonics of the frequency ν _{2 of the} repetition of ultrasonic pulses, at which the phases of these harmonics change abruptly by π radians in the Steel 3 alloy.

Предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения скорости прохождения ультразвукового импульса между двумя внутренними областями материала, находящегося как под нагрузкой так и без нее, посредством регистрации ультразвуковых сигналов эхо, что дает возможность определять внутренние, механические напряжения в исследуемом материале.The proposed method allows to increase the accuracy of measuring the speed of passage of an ultrasonic pulse between two internal regions of a material that is both under load and without it, by registering ultrasonic echo signals, which makes it possible to determine internal, mechanical stresses in the material under study.

Claims (1)

Способ измерения скорости ультразвука, заключающийся в пропускании импульсов ультразвуковых колебаний в контролируемом материале, отличающийся тем, что пропускают ультразвуковые импульсы с частотой заполнения ν₁ через образец исследуемого материала первоначально без нагрузки при заданной температуре, измеряют скорость ультразвука С при той же температуре, затем получают последовательность ультразвуковых сигналов эхо отраженными частицами, находящимися в любых двух внутренних областях материала, регистрируют двумя приемными пьезоэлектрическими датчиками, не соприкасающимися с внешней поверхностью материала и расположенными в иммерсионной среде, раскладывают эту последовательность во временной ряд Фурье по периоду повторения T₂ ультразвуковых импульсов, изменяют частоту повторения импульсов ν₂=1/T₂, достигают такой величины ν₂, при которой амплитуды четных гармоник ряда Фурье не равны нулю, и фазы этих гармоник претерпевают скачок на π радиан, сопоставляют скорость С ультразвука с этой частотой повторения импульсов ν₂, повышают или понижают температуру исследуемого материала и снова сопоставляют скорость С ультразвука с частотой повторения импульсов ν₂, определяют зависимость частоты повторения импульсов ν₂, при которой фазы четных гармоник претерпевают скачок на π радиан, от скорости ультразвука С, после чего определяют скорость С ультразвука во внутренних областях исследуемого материала, находящегося под нагрузкой, по зависимости этой частоты повторения импульсов ν₂. A method of measuring the speed of ultrasound, which consists in transmitting pulses of ultrasonic vibrations in a controlled material, characterized in that ultrasonic pulses with a filling frequency of ν _{1 are} passed through a sample of the material under investigation, initially without load at a given temperature, the speed of ultrasound C is measured at the same temperature, then a sequence is obtained ultrasonic echo signals by reflected particles located in any two internal areas of the material are recorded by two receiving pies electric sensors that are not in contact with the external surface of the material and located in an immersion medium, lay out this sequence in the Fourier time series for the repetition period T _{2 of} ultrasonic pulses, change the pulse repetition rate ν ₂ = 1 / T ₂ , reach a value ν ₂ at which the amplitude of the Fourier series of even harmonics are nonzero, and these harmonics undergo phase jump of π radians, is compared with the speed of ultrasound with this pulse repetition frequency ν _2, raise or lower the temperature issl under investigation material and again corresponded velocity C ultrasound pulse repetition frequency ν _2, determine the dependence of the pulse frequency ν ₂ of repetition at which the phase of the even harmonics undergo discontinuity at π radians from the ultrasonic velocity C, after which the velocity C of ultrasound in the interior regions of the material under load, according to the dependence of this pulse repetition frequency ν ₂ .

Images