Способ измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны

Авторы патента:

G01H5 - Измерение скорости распространения ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых колебаний

Владельцы патента RU 2490606:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ") (НИУ) (RU)

Использование: для измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны. Сущность: заключается в том, что возбуждают пьезопреобразователем поверхностную ультразвуковую волну, осуществляют прием прошедших по изделию ультразвуковых импульсов и определяют временные интервалы между этими импульсами, причем при прохождении волны по изделию регистрацию ультразвуковых импульсов осуществляют, по крайней мере, в трех точках, затем импульсы проходят на цифровой осциллограф и в оцифрованном виде ультразвуковые импульсы вводят в компьютер для определения зависимости амплитуд ультразвуковых импульсов от пройденного волной расстояния, далее нормируют амплитуды ультразвуковых импульсов, начиная со второго, до амплитуды первого, а после выравнивания определяют временные интервалы между этими импульсами. Технический результат: повышение точности измерения скорости волны. 3 ил.

Изобретение может найти применение в машиностроительной, металлургической и других отраслях, где необходимо осуществлять измерение скорости акустических волн в изделиях, например, при определении остаточных напряжений.

Основой для использования такого способа является связь между скоростью и внутренними напряжениями в изделии. Известен неразрушающий ультразвуковой способ с использованием прибора ИН-5101 А для измерения остаточных напряжений в ободьях железнодорожных колес диаметром 957 мм (А.В. Камышев, Н.Е. Никитина, В.А. Смирнов. Измерение остаточных напряжений в ободьях железнодорожных колес методом акустоупругости. - Дефектоскопия. 2010. №3. С.50-54). При осуществлении способа непосредственно измеряли время распространения (задержки) двух взаимно перпендикулярных поляризованных сдвиговых волн t₁ и t₂. Волны распространяются по нормали к плоскости обода. Измерения проводили в двух противоположных сечениях на внутренней боковой поверхности ободьев каждого колеса. Значения задержек сдвиговых волн использовали для вычисления окружного напряжения σ с использованием коэффициента упруго- акустической связи для стали. Результаты измерений показали, что остаточные напряжения во всех точках контроля являются сжимающими и по модулю возрастают от центра к периферии. Однако точность измерения величин остаточных напряжений по этому способу недостаточна.

Известен способ измерения временного интервала прохождения цуга волн между двумя фиксированными точками на изделии и основанные на интерферометрическом преобразовании акустических колебаний в электрические сигналы (А.П. Владимиров, Э.С. Горкунов, Л.С. Горулева и др. Спекл-интерферометрическая установка для определения скорости ультразвуковой волны Релея на участках миллимитрового размера. // Дефектоскопия. 2011. №3. С.3-9). Временной интервал измеряется между полуволнами с максимальными амплитудами. Однако при прохождении по поверхности изделия вследствие затухания волны изменяется амплитуда сигнала, сопровождающаяся изменением его формы. Уменьшение амплитуды волны с пройденным расстоянием по поверхности изделия происходит нелинейно, в основном, по экспоненциальной зависимости:

U=U₀ exp(-δx) cos(ωt-kx),

где U₀ - начальное смещение, ω - круговая частота, δ - коэффициент затухания, t - время, k - волновое число, х - координата, вдоль которой распространяется волна.

Это приводит к смещению положения максимума каждой полуволны и временной интервал между полуволнами с максимальными амплитудами зависит не только от пройденного расстояния, но и от затухания волны, вносящего не учитываемый вклад в погрешность измерения.

Известен также способ определения временного интервала, заключающийся в измерении временного промежутка между «центрами тяжести» двух сигналов (А.П. Владимиров, Э.С. Горкунов. П.С.Еремин и др. Спекл-интерферометрическая установка для бесконтактного измерения скорости ультразвуковой волны Релея // Приборы и техника эксперимента. 2010. №1. С.128-131). Однако затухание волны также приводит к дополнительным изменениям фазы колебаний, ведущей к смещению «центра тяжести». Поэтому из-за нелинейной зависимости амплитуды сигнала от пройденного волной расстояния временной интервал будет тоже содержать дополнительную погрешность измерения.

Задача изобретения - повышение точности измерения скорости волны за счет исключения погрешности, обусловленной затуханием волны.

Указанная задача решается тем, что предлагаемый способ измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны, включающий определение временного интервала между ультразвуковыми импульсами, при котором возбуждают пьезопреобразователем поверхностную ультразвуковую волну, осуществляют прием прошедших по изделию ультразвуковых импульсов и определяют временные интервалы между этими импульсами, характеризуется тем, что при прохождении волны по изделию регистрацию ультразвуковых импульсов осуществляют, по крайней мере, в трех точках, затем импульсы проходят на цифровой осциллограф и в оцифрованном виде ультразвуковые импульсы вводят в компьютер для определения зависимости амплитуд ультразвуковых импульсов от пройденного волной расстояния, далее нормируют амплитуды ультразвуковых импульсов, начиная со второго, до амплитуды первого, а после выравнивания определяют временные интервалы между этими импульсами.

Нормирование (выравнивание) амплитуд ультразвуковых импульсов в каждом цуге волн позволяет исключить влияние затухания волн при определении временного интервала между ультразвуковыми импульсами, что повышает точность измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны.

Сущность заявляемого способа поясняется чертежами, где на фиг.1 дана схема реализации способа измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны; на фиг.2 показаны ультразвуковые импульсы с поверхности изделия; на фиг.3 показаны скорректированные, согласно изобретению, ультразвуковые импульсы.

На фиг.1 изображены генератор импульсов 1, пьезопреобразователь 2, изделие 3, точки 4, 5, 6 - точки съема ультразвуковых импульсов спекл-интерферометрической установкой 7 и цифровой осциллограф 8. Способ измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны осуществляется следующим образом.

Генератор 1 подает электрический импульс на пьезопреобразователь 2. Пьезопреобразователь излучает поверхностную волну, которая движется по изделию 3 в направлении спекл-интерферометрической установки 7.

Регистрацию смещений поверхности при прохождении волны осуществляют по предлагаемому способу в трех точках (4, 5, 6), находящихся на равных расстояниях d друг от друга, спекл-интерферометрической установки 7. Эти ультразвуковые импульсы в виде цугов (фиг.2) принимаются цифровым осциллографом 8 и оцифрованные импульсы затем вводят в компьютер 9 для последующей обработки. Скорость поверхностной волны определяют из соотношения:

С=d/Δt,

где d - расстояние между точками съема ультразвукового импульса, Δt - временной интервал между полуволнами с максимальной амплитудой. Скорость волны в изделии постоянна, поэтому временные интервалы между полуволнами с максимальными амплитудами должны быть неизменными. Таким образом, временные интервалы: Δt₄ t₃-t₂ и Δt₅=t₂-t₁ (фиг.2) должны быть одинаковыми. Однако вследствие затухания смещается положение максимума полуволны в каждом цуге, приводящее к различным временным интервалам Δt₄ и Δt₅, свидетельствующие о погрешности измерения.

В компьютере по серии, по крайней мере, трех ультразвуковых цугов волн определяют зависимость амплитуды ультразвуковых импульсов от пройденного расстояния в виде: U=U₁exp(-δx), где U₁- амплитуда максимума первой полуволны. Затем каждый ультразвуковой импульс, начиная со второго, делят на экспоненциальный множитель exp(-δd). При этом амплитуды волн в каждом цуге (фиг.3) выравниваются с амплитудами волн первого цуга (нормируются) и временные интервалы между полуволнами с максимальными амплитудами в каждом цуге будут иметь равные значения: t₃-t₂=t₂-t₁. Это свидетельствует о том, что положение максимума полуволны не будет сдвинуто из-за затухания волны, и тем самым исключается погрешность измерения, вносимая затуханием волны.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения за счет устранения погрешности, связанная с затуханием волны и может найти применение для высокоточных измерений скорости поверхностной ультразвуковой волны при определении остаточных напряжений в изделиях. Изменения скорости от величины напряжений на практике происходит на доли процентов, следовательно точность измерения самой скорости обеспечивается, по крайней мере, на порядок выше.

Способ измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны, включающий определение временного интервала между ультразвуковыми импульсами, при котором возбуждают пьезопреобразователем поверхностную ультразвуковую волну, осуществляют прием прошедших по изделию ультразвуковых импульсов и определяют временные интервалы между этими импульсами, отличающийся тем, что при прохождении волны по изделию регистрацию ультразвуковых импульсов осуществляют, по крайней мере, в трех точках, затем импульсы проходят на цифровой осциллограф и в оцифрованном виде ультразвуковые импульсы вводят в компьютер для определения зависимости амплитуд ультразвуковых импульсов от пройденного волной расстояния, далее нормируют амплитуды ультразвуковых импульсов, начиная со второго, до амплитуды первого, а после выравнивания определяют временные интервалы между этими импульсами.

Изобретение относится к области акустических измерений и может быть использовано для измерения вертикального распределения скорости звука в естественных водоемах.

Способ определения скорости звука в жидких средах // 2436050

Изобретение относится к акустическим измерениям и предназначено для использования в ультразвуковой технике. .

Способ определения скорости звука в моно- и поликристаллах // 2354940

Изобретение относится к области испытания физических свойств материалов и предназначено для определения скорости звука в моно- и поликристаллах. .

Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах // 2330248

Изобретение относится к устройствам для акустических измерений и может быть использовано для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах.

Измеритель скорости звука в неоднородных средах // 2328706

Изобретение относится к области импульсной акустической измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости звука в неоднородных средах, преимущественно для томографии.

Измеритель скорости звука в жидких средах // 2326352

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к устройствам для измерения скорости звука в текущих жидкостях и в воде, и может быть размещено как на стационарных объектах, так и на подвижных объектах, движущихся с большими скоростями.

Устройство для измерения вертикального распределения скорости звука в жидких средах // 2319116

Изобретение относится к устройствам для акустических измерений. .

Способ измерения скорости распространения звука в морской воде на больших глубинах с подводного носителя // 2313769

Способ измерения скорости ультразвука в углеродных жгутах и нитях и устройство для его осуществления // 2281464

Изобретение относится к технике неразрушающего контроля и может быть использовано для определения скорости ультразвука в углеродных нитях и жгутах и других функционально зависящих от скорости параметров, например динамического модуля упругости.

Способ непрерывной регистрации положения, профиля и скорости движущейся поверхности // 2250434

Изобретение относится к технике регистрации быстропротекающих однократных процессов (быстрое горение, взрыв, высокоскоростное взаимодействие материалов, распространение ударных волн и т.п.).

Способ оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука // 2498354

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть применено при формировании оценки полного профиля вертикального распределения скорости звука (ВРСЗ) по его измеренному в некотором диапазоне глубин фрагменту. Сущность: в способе осуществляется достраивание полного профиля ВРСЗ на основе текущего замера ВРСЗ с привлечением априорной информации из базы данных многолетних измерений ВРСЗ, представленной в статистической форме. Для измеренного фрагмента ВРСЗ находится максимально правдоподобное априорное ВРСЗ из базы данных, после чего происходит достраивание точек ВРСЗ для глубин, лежащих выше и ниже границ замера ВРСЗ. При этом производится коррекция априорного профиля с учетом текущей глубины района плавания и, в случае необходимости, линейная интерполяция реперных точек на интересующие глубины. Технический результат: повышение достоверности гидрологических моделей, повышение точности решения прогнозных задач гидроакустики - расчета дальности действия гидроакустических систем, расчета оптимальной мощности излучения сонаров и т.п. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ определения скорости звука // 2515125

Изобретение относится к области гидроакустической метрологии и может быть использовано для построения современных многолучевых эхолотов. Производят ненаправленное излучение зондирующего сигнала в сторону дна, прием отраженного сигнала веером статических характеристик направленности (ХН), измерение скорости звука на глубине их излучения, сигнал, отраженный от дна, принимают двумя парциальными ХН под углами меньше, чем 40 градусов от нормали, а их оси разнесены на углы порядка 2 градуса, измеряют углы направленности выбранных парциальных ХН, измеряют времена прихода сигналов, отраженных от дна, в выбранные парциальные ХН, определяют отношение времен распространения принятых сигналов, производят последовательный перебор возможных значений скорости звука на глубине у дна в диапазоне 30% от скорости звука, измеренной на глубине излучения с шагом 0,5 м/сек, а за оценку скорости звука на глубине принимают то значение, которое обеспечивает минимум разности. Техническим результатом является повышение точности измерения глубины многолучевым эхолотом. 1 ил.

Времяпролетный способ определения скорости звука в жидкой среде и устройство для его осуществления // 2529734

Изобретения относятся к области гидроакустической метрологии. Процедура измерения скорости звука времяпролетным способом предполагает задание базы измерения с помощью специальной меры длины, выполненной в виде прямоугольного параллелепипеда с двумя полированными звукоотражающими поверхностями. Прямоугольный параллелепипед закрепляют вертикально на юстируемом основании рабочего измерительного объема, ограниченного крышкой в виде плоскопараллельной пластины. Напротив звукоотражающего торца прямоугольного параллелепипеда и звукоотражающего основания устанавливают приемно-передающие пьезопреобразователи, подключенные к генератору электрических импульсов и измерителю временных интервалов. Пьезопреобразователи закрепляют на наружной поверхности плоскопараллельной пластины, а юстировочные элементы располагают на основании, связанном с верхней частью устройства беличьим колесом. Процедура измерения предполагает многократное переотражение звуковых импульсов. Оценка скорости звука производится по интервалам времени от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых формирователем, до момента приема звуковых импульсов с учетом поправки на допускаемую недоюстировку. Технический результат - повышение точности измерения скорости звука. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Способ измерения скорости звука в воде // 2545065

Изобретение относится к области гидроакустических измерений и может быть использовано для измерения вертикального распределения скорости звука в естественных водоемах. Сущность: производят зондирование акустическим импульсным сигналом одиночного относительно сильного естественного акустического рассеивателя, находящегося в водном объеме, ограниченным характеристиками направленности акустических излучателя-приемника и двух приемников, оси характеристик направленности которых пересекаются на одном горизонте с осью характеристики направленности акустического излучателя-приемника. Последовательно изменяют углы наклона характеристик направленности первого и второго акустического приемников, которые расположены на фиксированных расстояниях от излучателя-приемника на одном горизонте с ним. Измеряют времена прихода принятых сигналов, определяют по их значениям, значению скорости звука на горизонте акустических источника и приемников, известным расстояниям между ними значения скорости звука в водоеме на заданных горизонтах. Излучают или монохроматический импульсный акустический сигнал малой длительности, или сложный импульсный акустический сигнал с гиперболической частотной модуляцией, при использовании которой времена прихода принятых сигналов определяют по временному положению максимумов взаимнокорреляционных функций излучаемого и принятых сигналов. Технический результат - повышение точности и глубины измерения скорости звука на заданных горизонтах в естественных водоемах дистанционным акустическим способом на ходу носителя аппаратуры. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство для измерения параметров срабатывания непервичного капсюля-детонатора в подрывном электродетонаторе // 2555742

Изобретение относится к области измерения параметров срабатывания средств инициирования детонации зарядов взрывчатых веществ при взрывных работах, а именно подрывных электродетонаторов (ЭД), имеющих в составе непервичный капсюль-детонатор (КД) на основе бризантных взрывчатых веществ (БВВ) и стандартный электровоспламенитель (ЭВ) с жестким или эластичным креплением мостика накаливания. Устройство для измерения параметров срабатывания непервичного капсюля-детонатора в подрывном электродетонаторе состоит из муфеля для подрыва электродетонатора на свинцовой пластине, узла задействования мостика накаливания постоянным или импульсным токами, измерителя времени срабатывания с запуском начала отсчета времени от момента задействования, ионизационного датчика фиксации детонации, ионизационного датчика фиксации момента срабатывания электровоспламенителя, узла регистрации сигналов от датчиков и выдачи сигнала на измеритель времени срабатывания. Приведенная конструкция устройства позволяет полностью обеспечить комплексное измерение всех параметров срабатывания КД как непервичного, так и первичного типов в составе подрывного ЭД, при этом впервые в рамках одного испытания. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.,1 табл.

Способ измерения скорости звука // 2581416

Настоящее изобретение относится к области гидроакустики и предназначено для определения скорости звука по трассе. Способ заключается в следующем. Неподвижный источник излучает через постоянные промежутки времени Т постоянные по длительности зондирующие сигналы. Сигналы распространяются в водной среде и поступают на приемное устройство, движущееся в направлении противоположном направлению распространения зондирующих сигналов. Далее определяют скорость движения приемника V, время приема первого зондирующего сигнала t1, а также время приема N-го зондирующего сигнала tN и вычисляют скорость звука по формуле: С=(N-1)VT/{t1-tN+(N-1)Т}. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности измерения скорости звука по трассе, полученное при приеме нескольких зондирующих сигналов с использованием одного гидроакустического канала измерения и без учета точности измерения дистанции. 1 ил.

Гидроакустический зонд для измерения скорости звука в море // 2599916

Изобретение относится к гидроакустическим измерениям и может быть использовано для измерения вертикального распределения скорости звука в море с передачей измерительной информации на судно по гидроакустическому каналу связи. Сущность: после сброса гидроакустического зонда в морскую воду специальная схема включает его автономный источник питания, по команде микроконтроллера импульсный генератор через переключатель ударно возбуждает видеоимпульсом цилиндрический пьезоэлектрический преобразователь по толщине стенки. Принятые радиоимпульсы, соответствующие многократно отраженным от поверхности заполненной водой внутренней полости цилиндрического пьезоэлемента акустическим импульсам, через переключатель, усилитель и аналого-цифровой преобразователь поступают в микроконтроллер, который определяет времена их прихода, вычисляет по ним измеренные значения скорости звука в воде и запоминает их. Микроконтроллер формирует соответствующий этим значениям цифровой электрический радиосигнал, который подается через усилитель мощности и переключатель на цилиндрический пьезоэлектрический преобразователь - гидроакустический излучатель зонда, радиально колеблющийся и передающий цифровую измерительную информацию на судно через водную среду. Технический результат состоит в упрощении по сравнению с аналогичными гидроакустическими зондами для измерения скорости звука в море конструкции зонда и уменьшении его стоимости. 1 ил.

Способ измерения вертикального распределения скорости звука в воде // 2613485

Изобретение относится к гидроакустической метрологии, в частности к способам измерения вертикального распределения скорости звука в воде. Способ предполагает излучение широкополосного импульса, прием отраженных сигналов на приемопередающую антенну с узкой характеристикой направленности, измерение скорости звука на горизонте приемопередающей антенны, измерение распределения по времени приращения фазы принятого сигнала. Затем, используя скорость звука на горизонте приемопередающей антенны, последовательно восстанавливают распределение по времени скорости звука в моменты времени, отстоящие друг от друга на время не более половины ширины автокорреляционной функции излучаемого сигнала, и по измеренному распределению по времени скорости звука в воде определяют распределение скорости звука по глубине. Технический результат - упрощение способа, снижение энергопотребления устройства.

Способ контроля посадочного натяга обода ротора электрической машины // 2624780

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способу контроля посадочного натяга обода ротора электрической машины. Способ содержит ввод до установки клиньев, после расклиновки и в процессе эксплуатации электрической машины с торцевой поверхности закладных клиньев упругих волн, измерение временных задержек упругих волн для каждого клина и расчет величины (P) - относительного изменения разности временных задержек распространения упругих волн в клине. В процессе эксплуатации электрической машины состояние натяга определяется по среднему значению величины P и значению дисперсии изменений величины P. Технический результат состоит в контроле посадочного натяга обода на остов без разборки ротора посредством оценки изменения напряженного состояния клиньев, обеспечивающих натяг. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ измерения скорости звука по трассе // 2625716

Изобретение относится к гидроакустике, в частности к средствам измерения скорости звука. Способ измерения скорости звука по трассе заключается в излучении зондирующего сигнала неподвижным источником через постоянные промежутки времени Т, сохраняя длительность сигнала постоянной. Осуществляют прием сигнала антенной приемного устройства, движущегося навстречу по траектории распространения сигнала. Определяют скорость V движения носителя приемного устройства, время прихода первого зондирующего сигнала t1, время прихода N-го зондирующего сигнала tN и скорость звука С. Прием сигнала осуществляют антенной со статическим веером характеристик направленности с шириной характеристики направленности пространственного канала Δβ°, определяют номер пространственного канала Ni, в котором обнаружен сигнал с максимальной амплитудой, измеряют амплитуду максимального сигнала Ai, определяют амплитуды сигналов в соседних пространственных каналах, выбирают соседний пространственный канал Nj с наибольшей амплитудой Aj, скорость звука определяют по формуле С=(N-1)TVcosКУ°/{t1-tN+(N-1)Т}, а курсовой угол КУ° источника зондирующего сигнала определяют по формуле при j<i и , если j>i, где Δβ° - ширина характеристики направленности пространственного канала. Технический результат – повышение точности измерений. 1 ил.