Sb95702

статических методах. Поэтому точность определения модулей упругости в динамических методах выше, чем в статических (примерно на порядок).

Поскольку скорость упругих волн в материале и его физико-механичес- кие характеристики определяются в значительной степени микроструктурой материала, то динамические методы могут быть положены в основу неразрушающих методов контроля физико-механических свойств материалов, например, механической прочности.

1.2. Устройство и принцип работы испытательной установки

Функциональная схема прибора типа «Звук» изображена на рис. 1.6. Генератор непрерывных электрических колебаний с плавно изменяющейся частотой возбуждает пьезопластину излучающего преобразователя, которая совершает продольные (по толщине) колебания с заданной генератором частотой. Преобразователь связан с образцом, имеющим форму тонкого стержня, через специальную насадку и, в свою очередь, возбуждает продольные колебания в образце. С пьезопластины приемного преобразователя, аналогичного

Генератор

Излучающий преобразователь

Образец

Насадка

Приемный

преобразователь

Усилитель Индикатор

Рис. 1.6

излучающему, электрический сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний образца, через усилитель подается на стрелочный индикатор.

11

Плавно изменяя частоту генератора, фиксируют первый, самый низкочастотный резонанс образца по максимальному показанию индикатора.

Модуль Юнга определяется по (1.9). Если плотность материала считается известной, то относительная погрешность определяется следующим выражением:

где E, l, f1 – абсолютные погрешности.

1.3.Проведение эксперимента

1.Изучить описание работы.

2.Ознакомиться с конструкцией прибора и образцами.

3.С разрешения преподавателя тумблером «Сеть» включить прибор и дать ему прогреться в течение трех минут.

4.Измерить длину и диаметр образцов; результаты занести в таблицу.

5.Приняв vl = 2500 м/с, вычислить по (1.8) при n = 1 значение, f1 = f1*,

которое будет служить ориентировочной нижней границей частотного диапазона, содержащего искомую первую резонансную частоту.

6.Установить образец между насадками преобразователей (рис. 1.6).

7.Вращая ручку «Частота», установить на шкале частот значение f1*.

8.Плавно увеличивая частоту, добиться максимального отклонения стрелки индикатора; снять показание со шкалы частот и занести его в таблицу. Измерение произвести три раза.

Результаты измерений частоты, длины и диаметра образцов

9. Установить новый образец между насадками преобразователей и повторить пп. 7 и 8.

12

10. Вынуть образец и выключить прибор.

1.4. Обработка результатов эксперимента

1. По измеренной резонансной частоте и длине образцов, используя (1.9), вычислить модуль Юнга исследуемых материалов.

Принять следующие значения плотности материалов: сталь – 7800 кг/м3, латунь – 8900 кг/м3,

дюралюминий – 2700 кг/м3, керамика – 5400 кг/м3.

2. По (1.12) вычислить относительную погрешность измерения модулей Юнга. Погрешность l определяется точностью измерительного инструмента, погрешность f вычисляется по трем измеренным и среднему значениям f1.

3. Сравнить полученные значения модулей Юнга со справочными данными.

1.5. Требования к содержанию отчета

В отчете необходимо привести: 1) функциональную схему измерительного прибора с описанием назначения отдельных элементов; 2) расчетные формулы; 3) результаты измерений (таблица); 4) результаты расчетов, сведенные в таблицу; 5) выводы, содержащие анализ факторов, влияющих на точность определения модулей упругости.

1.6.Контрольные вопросы

1.На чем основан резонансный метод определения модулей упругости?

2.Каковы конструктивные особенности прибора «Звук»?

3.Какие факторы влияют на точность определения модулей упругости резонансным методом? Как повысить точность?

4.Каковы преимущества динамических методов определения модулей упругости по сравнению со статическими?

13

Лабораторная работа № 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЕЙ УПРУГОСТИ МАТЕРИАЛА

ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВЫМ МЕТОДОМ

Цель работы: ознакомление с методикой измерений и приобретение практических навыков определения модулей упругости (модуля нормальной упругости и коэффициента Пуассона) с помощью прибора УЗИС ЛЭТИ; определение относительной погрешности измерения.

2.1. Общие сведения

Смотри общие сведения к лабораторной работе № 1 (с. 3–11).

2.2. Описание установки

Измерение скорости упругих волн в образцах твердых тел прибором УЗИС ЛЭТИ основано на сравнении времени прохождения ультразвуковых импульсов в исследуемом образце и в эталонной жидкости с известной скоростью ультразвука.

Функциональная схема прибора и временная диаграмма электрических сигналов показаны на рис. 2.1.

Задающий мультивибратор генерирует прямоугольные импульсы переменной длительности с частотой повторения около 500 Гц. Передний фронт этих импульсов запускает генератор высокочастотных сигналов. Вырабатываемый генератором сигнал одновременно возбуждает ультразвуковые колебания излучающих пьезопластин жидкостной эталонной (ЭЛ) и измерительной (ИЛ) линий. Задний фронт прямоугольного импульса вызывает срабатывание ждущего мультивибратора. Последний формирует прямоугольный импульс, сдвинутый относительно исходного на некоторое время. Импульсы ждущего мультивибратора используются для запуска генератора развертки, пилообразные сигналы которого подаются на горизонтально отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), создавая при этом временную развертку.

Импульсы ультразвуковых колебаний, прошедшие через эталонную жидкость и исследуемый образец и преобразованные приемными пьезопластинами в электрические сигналы, подаются после соответствующего усиления на вертикально-отклоняющие пластины ЭЛТ. На экране трубки

14

можно наблюдать два импульса: импульс, прошедший через жидкостную эталонную линию, и импульс, прошедший через измерительную линию.

Импульс задающего мультивибратора

Импульс генератора высокой частоты

Импульс ждущего мультивибратора

–при длинной развертке

–при короткой развертке

Пилообразный импульс

– при длинной развертке

– при короткой развертке

Импульс от измерительной линии (а) и эталонной (б) линий

Благодаря тому, что длительность импульсов задающего мультивибратора регулируется, имеется возможность изменения момента запуска генератора развертки, а следовательно, и положения изображения на экране трубки. Для удобства наблюдения предусмотрена короткая развертка, позволяющая рассматривать импульсы высокочастотных колебаний в крупном масштабе.

Вращением микрометрического винта оператор может менять расстояние между пьезопластинами жидкостной эталонной линии, при этом имеется возможность совместить оба высокочастотных импульса на экране прибора. В момент совмещения, которое означает, что время прохождения сигнала через эталонную и измерительную линии одинаково, берется отсчет по шка-

15

ле микрометра. Таких отсчетов делают два: первый – без образца в измерительной линии (n1) , второй – с образцом (n2). Время прохождения ультразвукового импульса в образце будет равно времени прохождения импульса в

столбе эталонной жидкости высотой (n2 – n1): t l n2 n1 , v vж

где vж – скорость ультразвука в эталонной жидкости; l – длина образца; v – искомая скорость ультразвука в образце. Отсюда:

Конструктивно прибор УЗИС ЛЭТИ включает в себя: 1) блок электронной схемы; 2) измерительную линию; 3) жидкостную эталонную линию.

Все элементы прибора смонтированы на горизонтальном шасси, заключенном в кожух. На передней панели прибора имеются разъемы для подключения с помощью соединительных высокочастотных кабелей измерительной и жидкостной эталонной линий, а также выведены следующие элементы управления:

1.«Яркость» – регулирует яркость изображения на экране ЭЛТ.

2.«Фокус» – регулирует четкость изображения на экране трубки.

3.«Задержка»: «Грубо – плавно» – устанавливает момент запуска раз-

вертки.

4.«Развертка»: «Длинная – короткая» – переключает развертки.

5.«Сеть» – подает напряжение в прибор.

6.«ЭЛ» – включает жидкостную эталонную линию.

7.«Усиление ЭЛ» – плавно регулирует величину сигналов, прошедших через жидкостную эталонную линию.

8.«Усиление ИЛ»: «Грубо – плавно» – регулирует величину сигналов, прошедших через ИЛ.

На задней стенке прибора размещены:

1.Сетевая колодка.

2.Клемма заземления.

3.Колодка предохранителя.

4.Отверстия, под которыми находятся шлицы переменных резисторов, смещающих картину на экране электронно-лучевой трубки по вертикали и по горизонтали.

Измерительная линия (рис. 2.2) представляет собой два титановых цилин-

16

17

дующим образом:

Первые два члена в правой части (2.2) обычно много меньше третьего, поэтому можно считать, что

Совмещение импульсов на экране ЭЛТ можно производить двумя способами – в фазе и в противофазе. Более удобным и потому более точным является последний способ, в котором в момент совмещения импульсов амплитуда суммарного сигнала равна нулю (компенсация импульсов).

В приборе УЗИС погрешность скорости волны определяется, в основном, двумя факторами: 1) погрешностью отсчета по шкале микрометра; 2) наличием контактных слоев в измерительной линии (между образцом и стержнями; между стержнями – при отсутствии образца).

Для разности ( n2 n1) абсолютная погрешность равна сумме абсолютных погрешностей n2 n1. Если принять, что погрешности n1 n2 0,005 мм, т. е. составляют половину цены деления шкалы микрометра, получим:

(n2 n1) 0,01мм.

Пусть, например, (n2 n1) 25 мм, тогда v / v 0,04 % .

К значительно большей погрешности приводят контактные слои за счет наложения в них прямой и обратной волн. При малой длине образца погрешность может составить несколько процентов. Формула (2.3), определяющая относительную погрешность измерения скорости волны, не учитывает погрешность, связанную с наличием контактных слоев. Можно показать, что эта погрешность снижается с уменьшением толщины слоя. Минимальная толщина контактного слоя определяется шероховатостью соприкасающихся поверхностей, поэтому образцы и стержни измерительной линии должны быть хорошо обработаны (отшлифованы).

2.2. Проведение эксперимента

1.Изучить описание работы.

2.Ознакомиться с конструкцией прибора и измерительной и жидкостной эталонной линиями.

18

3.С разрешения преподавателя выключатель «Сеть» поставить в положение «Вкл.», при этом загорается сигнальная лампочка, и через некоторое время на экране прибора появляется развертка.

4.Вращая ручку «Яркость», установить желаемую яркость изображения на экране.

5.Ручкой «Фокус» добиться максимальной четкости изображения.

6.Осторожно ввести в соприкосновение стержни измерительной линии, нанеся предварительно контактную смазку на их торцевые поверхности.

7.Выключатель «ЭЛ» поставить в положение «Вкл.».

8.Вращая ручку «Усиление ЭЛ», установить амплитуду импульса жидкостной эталонной линии, равной 25…40 мм.

9.Установить ручку «Усиление ИЛ» в среднее положение. При этом на экране должны быть видны два высокочастотных импульса.

10.Выключатель «ЭЛ» поставить в положение «Выкл.». При этом на экране остается только импульс измерительной линии.

11.Вращая верхний стержень измерительной линии относительно нижнего, добиться наилучшего акустического контакта (критерий – максимум амплитуды). Для того чтобы контактный слой был минимальным, на верхний стержень желательно положить груз массой 3...5 кг.

12.Оперируя ручками «Усиление ИЛ», установить амплитуду импульса измерительной линии, примерно равной 25…40 мм.

13.Вращая ручки «Задержка», сместить импульс измерительной линии

клевому краю развертки на экране ЭЛТ.

14.Включить короткую развертку и ручками «Задержка» окончательно отрегулировать положение импульса ИЛ таким образом, чтобы пятая отрицательная полуволна совпала с вертикальной линией на шкале прибора (рис 2.4, а).

15.Установить ручки «Усиление ИЛ» в крайние левые положения.

16.Выключатель «ЭЛ» поставить в положение «Вкл.».

17.Вращая микрометрический винт, установить положение импульса эталонной линии в соответствии с рис. 2.4, б (пятая положительная полуволна совпадает с вертикальной линией).

18.Поочередно, каждый раз добиваясь уменьшения суммарного сигнала, плавно оперируя ручками «Усиление ИЛ» и микрометром, добиться компенсации импульса измерительной линии импульсом эталонной линии (рис.

2.4, в).

19

19.Взять отсчет по шкале микрометра (n1) и занести его в таблицу.

20.Вставить между стержнями измерительной линии образец, предварительно нанеся на него слой контактной смазки.

21.Повторить операции по пп.

9–18.

22.Взять отсчет по шкале микрометра (n2) и занести его в таблицу.

23.Вставить между стержнями ИЛ новый образец, предварительно нанеся на него слой смазки, и повторить пп. 9–18 и 22.

24.Выключить прибор и обезжирить образцы тампоном, смоченным в ацетоне.

25.Измерить длину l образцов и результаты занести в таблицу.

При измерении скорости продольных волн в качестве смазки можно пользоваться трансформаторным маслом, глицерином и т. п.

Рис.2.4

Результаты измерения

При измерении скорости поперечных волн для создания акустического контакта необходимо использовать вещества, обладающие сдвиговой упругостью. Хорошие результаты получаются с эпоксидной смолой без отвердителя.

2.3. Обработка результатов эксперимента

1. По измеренным величинам n1, n2, l и известной скорости vж, используя (2.1), вычислить скорости продольных и поперечных волн в образцах

(принять vж = 1500 м/с).

20