izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it-2024-12-55-62izmertech-2245Research ArticleАКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯACOUSTIC MEASUREMENTSПрецизионные измерения скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твёрдых средах резонансным методомPrecision measurements of the propagation velocity of longitudinal ultrasonic waves in solids by resonance methodБазылевП. В.BazylevP. V.

Петр Владимирович Базылев - yачальник лаборатории оптико-акустических измерений, ученый-хранитель государственного первичного эталона ГЭТ189-2014

Хабаровск

Petr V. Bazylev

Khabarovsk

bazylev@dfvniiftri.ruКрокошT. В.KrokoshT. V.

Татьяна Викторовна Крокош

Хабаровск

Tatiana V. Krokosh

Khabarovsk

krokosh@dfvniiftri.ruДальневосточный филиал Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измеренийРоссияFar Eastern Branch of the Russian Metrological Institute of Technical Physics and Radio EngineeringRussian Federation2024130120257312Юбилей ВНИИФТРИ - 70 лет5562Copyright © Базылев П.В., Крокош T.В., 20252025Базылев П.В., Крокош T.В.Bazylev P.V., Krokosh T.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/2245

Изучена возможность расширения частотного диапазона и функциональных возможностей Государственного первичного эталона единиц скоростей распространения и коэффициента затухания ультразвуковых волн в твёрдых средах ГЭТ 189-2014 при воспроизведении и передаче единицы скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твёрдых средах путём применения резонансного метода измерений. Данная характеристика твёрдых сред используется в толщинометрии, дефектоскопии и других научных и практических областях. Представлены результаты исследований резонансного метода измерений скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твёрдых средах. В эксперименте использованы меры скорости из оптического стекла и лейкосапфира, позволяющие измерять скорость в диапазоне 4000– 11200 м/с при её частотной дисперсии менее 10–4. Для возбуждения и регистрации продольных ультразвуковых волн в диапазоне частот 1–100 МГц применены бесконтактные широкополосные ёмкостные преобразователи. Проведён анализ точности результатов измерений, полученных резонансным методом, в сравнении с лазерным импульсным методом, применяемым на ГЭТ 189-2014. Установлено, что абсолютная погрешность измерений скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твёрдых средах резонансным методом, определяемая как отклонение от действительного значения величины, составляет не более 1 м/с в зависимости от материала меры, относительная погрешность – менее 10–4. В низкочастотном диапазоне при применении меры скорости из лейкосапфира отмечен монотонный рост измеренной скорости продольных ультразвуковых волн, что может быть обусловлено физическими свойствами этого материала. Полученные результаты подтверждают возможность расширения частотного диапазона и функциональных возможностей ГЭТ 189-2014 с применением резонансного метода измерений и ёмкостных преобразователей, не требующих высокого (оптического) качества поверхностей аттестуемых мер.

The possibility of extending the frequency range and functional capabilities of the State primary standard for the units of propagation velocities and damping coefficient of ultrasonic waves in solids GET 189-2014 at reproduction and transfer of the unit of propagation velocity of longitudinal ultrasonic waves in solids by using the resonance measurement method has been studied. This characteristic of solids is used in thickness measurement, flaw detection and other scientific and practical fields. The results of research of the resonance method of measuring the propagation velocity of longitudinal ultrasonic waves in solids are presented. In the experiment, velocity measures made of optical glasses and leucosapphire were used, which allow measuring the velocity in the range of 4000–11200 m/s with its frequency dispersion less than 10–4. Contactless broadband capacitive transducers are used to excitation and registration of the longitudinal ultrasonic waves in the frequency range from 1 to 100 MHz. The accuracy of the measurement results obtained by the resonance method was analyzed in comparison with the laser pulse method used in GET 189-2014. It is established that the absolute error of measurements of the propagation velocity of longitudinal ultrasonic waves in solids by the resonance method, defined as a deviation from conventional true value of a quantity, is not more than 1 m/s depending on the material of the measure, the relative error is less than 10 –4. In the low- frequency range, a monotonic increase in the measured velocity of longitudinal ultrasonic waves was observed when applying a velocity measure made of leucosapphire, which may be due to the physical properties of this material. The obtained results confirm the possibility of extending the frequency range and functional capabilities of GET 189-2014 by using the resonance method of measuring the propagation velocity of longitudinal ultrasonic waves and capacitive transducers, which do not require high (optical) quality of the surfaces of the certified measures.

продольные ультразвуковые волныскорость распространенияширокополосный ёмкостный преобразовательрезонансный метод измерениймера скоростиlongitudinal ultrasonic wavespropagation velocitybroadband capacitance transducerresonance methodvelocity measureReferencesБреховских Л. М., Годин О. А. Акустика слоистых сред. Наука, Москва (1989).Brekhovskikh L. M., Godin O. A. Acoustics of Layered Media I. Springer Berlin, Heidelberg (1990). https://doi.org/10.1007/978-3-642-52369-4Неразрушающий контроль. Справочник. В 7 т. Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 3. Ермолов И. Н., Ланге Ю. В. Ультразвуковой контроль. Машиностроение, Москва (2004).Ermolov I. N., Lange Yu. V. Ultrasonic testing. In Klyuev V. V. (ed.). Nondestructive Testing. Handbook. In 7 vol., vol. 3. Mashinostroenie Publ., Moscow (2004). (In Russ.)Алешин Н. П., Белый В. Е., Вопилкин А. Х., Вощанов А. К., Ермолов И. Н., Гурвич А. К. Методы акустического контроля металлов. Машиностроение, Москва (1989).Aleshin N. P., Belyj V. E., Vopilkin A. Kh., Voshhanov A. K., Ermolov I. N., Gurvich A. K. Acoustic monitoring techniques for metals. Mashinostroenie Publ., Moscow (1989). (In Russ.)Абреу Филью М. А., Морено К., Лусо Е. Применение скорости ультразвукового эхоимпульса в качестве метода неразрушающего контроля для прогнозирования прочности и однородности бетона. Дефектоскопия, (4), 44–55 (2022). https://doi.org/10.31857/S0130308222040054Abreu Filho M.A., Moreno C., Luso E. The use of ultrasonic echo pulse velocity as an NDT method to predict the concrete strength and uniformity. Russian Journal of Nondestructive Testing, 58(4), 277–288 (2022). https://doi.org/10.1134/S1061830922040039Agrawal M., Prasad A., Bellare J. R., Seshia A. A. Characterization of mechanical properties of materials using ultrasound broadband spectroscopy. Ultrasonics, 64(1), 186–195 (2016). https://doi.org/10.1016/j.ultras.2015.09.001Agrawal M., Prasad A., Bellare J. R., Seshia A. A. Characterization of mechanical properties of materials using ultrasound broadband spectroscopy. Ultrasonics, 64(1), 186–195 (2016). https://doi.org/10.1016/j.ultras.2015.09.001Кондратьев А. И. Прецизионные методы и средства измерения акустических величин твердых сред. Монография. Издательство ДВГУПС, Хабаровск (2006). https://elibrary.ru/qjriwhKondrat’ev A. I. Precision methods and instruments for measuring acoustic values of solid media. Monograph. DVGUPS Publ., Khabarovsk (2006). (In Russ.) https://elibrary.ru/qjriwhКондратьев А. И., Римлянд В. И., Драчев К. А. Применение резонансного метода для изучения акустических свойств тонких образцов. Дефектоскопия, (12), 3–10 (2015). https://elibrary.ru/vxlbspKondrat’ev A. I., Drachev K. A., Rimlyand V. I. Application of the resonance method for studying the acoustic properties of thin samples. Russian Journal of Nondestructive Testing, 51(12), 713–719 (2015). https://doi.org/10.1134/S1061830915120037Pialucha T., Guyott C. C. H., Cawley P. Amplitude spectrum method for the measurement of phase velocity. Ultrasonics, 27(5), 270–279 (1989). https://doi.org/10.1016/0041-624X(89)90068-1Pialucha T., Guyott C. C. H., Cawley P. Amplitude spectrum method for the measurement of phase velocity. Ultrasonics, 27(5), 270–279 (1989). https://doi.org/10.1016/0041-624X(89)90068-1Na Li, Zihao Chen, Jiejun Zhu, et al. Measuring sound velocity based on acoustic resonance using multiple narrow band transducers. Heliyon, 9(3), e14227 (2023). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e14227Na Li, Zihao Chen, Jiejun Zhu, et al. Measuring sound velocity based on acoustic resonance using multiple narrow band transducers. Heliyon, 9(3), e14227 (2023). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e14227Wright W. M. D., Hutchins D. A. Air-coupled ultrasonic testing of metals using broadband pulses in through-transmission. Ultrasonics, 37(1), 19–22 (1999). https://doi.org/10.1016/S0041-624X(98)00034-1Wright W. M. D., Hutchins D. A. Air-coupled ultrasonic testing of metals using broadband pulses in through-transmission. Ultrasonics, 37(1), 19–22 (1999). https://doi.org/10.1016/S0041-624X(98)00034-1Базылев П. В., Луговой В.А., Снытко С.Л., Андрианова Н. С., Рудаков В. К. Эталонная установка для комплексных измерений акустических параметров твёрдых сред. Измерительная техника, (2), 55–62 (2023). htt ps://doi.org/10.32446/0368-1025it-2023-2-55-62Bazylev P. V., Lugovoi V. A., Snytko S. L., Andrianova N. S., Rudakov V. K. Reference installation for complex measurements of the acoustic parameters of solids. Measurement Techniques, 66(4), 134–142 (2023). https://doi.org/10.1007/s11018-023-02201-0Базылев П. В., Доронин И. С., Крумгольц И. Я., Луговой В. А., Окишев К. Н. Государственный первичный эталон единиц скоростей распространения и коэффициента затухания ультразвуковых волн в твердых средах ГЭТ 189-2014. Измерительная техника, (5), 5–10 (2016). https://elibrary.ru/weganjBazylev P. V., Doronin I. S., Kondratiev A. I., Krumgol’ts I. Ya., Lugovoi V. A., Okishev K. N. National primary standard for the units of the propagation velocities and damping coeffi cient of ultrasonic waves in solids GET 189-2014. Measurement Techniques, 59(5), 451–459 (2016). https://doi.org/10.1007/s11018-016-0990-5Кондратьев А. И., Луговой В. А. Датчик акустических сигналов для высокоточных измерений. Дефектоскопия, (3), 30–38 (1990). https://elibrary.ru/zgmvyvKondrat’ev A. I., Lugovoj V. A. Acoustic transducer for high-precision measurements. Defektoskopija, (3), 30–38 (1990). (In Russ.) https://elibrary.ru/zgmvyvКондратьев А. И., Король А. А., Жукова М. С. Определение дифракционных поправок по коэффициенту затухания ультразвуковых волн для резонансного режима измерений. Измерительная техника, (4), 53–57 (2010). https://elibrary.ru/mvqnedKondratiev A. I., Korol A. A., Zhukova M. S. Determination of the diffraction corrections to the attenuation factor of ultrasonic waves for the resonance method of measurement. Measurement Techniques, 53(4), 431–438 (2010). https://doi.org/10.1007/s11018-010-9521-yБазылев П. В., Изотов А. В., Кондратьев А.И., Луговой В.А., Нигай В. П., Окишев К. Н. Государственный первичный эталон единицы скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твёрдых средах. Измерительная техника, (11), 7–10 (2011). https://elibrary.ru/ooqyvpBazylev P. V., Doronin I. S., Kondratiev A. I., Krumgol’ts I. Ya., Lugovoy V.A., Nigay V.P., Okishev K.N. National primary standard for the unit of the propagation velocity of ultrasonic waves in solids. Measurement Techniques, 54(11), 1219–1224 (2011). https://doi.org/10.1007/s11018-012-9884-3

The authors declare that there are no conflicts of interest present.