Прецизионные измерения скорости распространения продольных ультразвуковых волн в твёрдых средах резонансным методом

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.

1. Бреховских Л. М., Годин О. А. Акустика слоистых сред. Наука, Москва (1989).

2. Неразрушающий контроль. Справочник. В 7 т. Под общ. ред. В. В. Клюева. Т. 3. Ермолов И. Н., Ланге Ю. В. Ультразвуковой контроль. Машиностроение, Москва (2004).

3. 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).

4. 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/S0130308222040054

5. Agrawal 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.2015.09.001

6. Кондратьев А. И. Прецизионные методы и средства измерения акустических величин твердых сред. Монография. Издательство ДВГУПС, Хабаровск (2006). https://elibrary.ru/qjriwh

7. Кондратьев 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/vxlbsp

8. Pialucha 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)90068-1

9. Na 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.e14227

10. Wright 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)00034-1

11. Базылев 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-2023-2-55-62

12. Базылев 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/weganj

13. Кондратьев А. И., Луговой В. А. Датчик акустических сигналов для высокоточных измерений. Дефектоскопия, (3), 30–38 (1990). https://elibrary.ru/zgmvyv

14. Кондратьев 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/mvqned

15. Базылев 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/ooqyvp