Эффективность применения способа неразрушающего ультразвукового испытания древесных изделий с неплоскими поверхностями, в частности по нашему патенту 2334984 на изобретение [1], во многом зависит от конусных насадок на датчики излучателя и приемника ультразвукового прибора. Предлагаемая в статье методика позволит выявить закономерности изменения показаний ультразвукового прибора «Пульсар-1.0», в зависимости от размеров конусных насадок различной формы и размеров, на стандартном образце ели 300×20×20 мм в тангенциальном направлении. В этом случае длина пути, проходимой ультразвуковыми колебаниями (УЗК) равна 20 мм.
Стандартный датчик от прибора «Пульсар-1.0» показан под № 0. Он имеет плоскую форму и угол 180°. Для неплоских поверхностей образца соприкосновение должно быть точечным. Поэтому была принята конусная насадка № 1 (рис. 1) с цилиндрическим переходом длиной 32,4 мм и углом 42° общей длиной 82,4 мм.
Затем в насадке № 2, для снижения погрешности у времени прохождения ультразвуковых колебаний (УЗК), цилиндрический участок был исключен с оставлением первоначального угла острия конусной насадки в 42°. При этом уменьшается длина самой насадки до 47,4 мм.
У конусной насадки № 3 сокращена длина до 34,9 мм с переходом острия на 4,0 мм от угла 57 град к начальному углу 42 град. Для дальнейшего уменьшения длины насадки № 4 до 22,9 мм, с сохранением угла 42 град, пришлось выполнить резкий переход от конуса длиной 4,0 мм на наконечнике насадки на угол 81 град. При этом глубина проникновения острия в испытываемый материал будет фиксированной, но такой переход приводит к преломлению УЗК. В попытках максимального снижения возможных потерь времени УЗК у конусной насадки принимается криволинейный переход к форме № 5.
Измерения проводились в тангенциальном направлении при трех повторах на ультра-звуковом приборе «Пульсар-1.0» и использовании набора конусных насадок на пьезоэлектрические датчики у излучателя и приемника (табл. 1 и рис. 1).
Таблица 1
Характеристики применяемых конусных насадок
|
Управляемые параметры |
Примечания по особенностям |
|
|
Длина насадки L, мм |
Угол конуса φ, град |
|
|
0,0 |
180 |
0. Стандартный от прибора Пульспр-1.0 |
|
82,4 |
42 |
1. Цилиндрический переход 32,4 мм |
|
47,4 |
42 |
2. Переход 0,0 мм |
|
34,9 |
42 |
3. Переход от конуса 4,0 мм на 57 град |
|
22,9 |
42 |
4. Переход от конуса 4,0 мм на 81 град |
|
22,9 |
42 |
5. Криволинейный переход до основания |
№0 №1 №2
№3 №4 №5
Рис. 1. Конусные насадки на излучателе и приемнике (№ конструкции по табл. 1)
Время t (микросекунды) прохождения УЗК через образец из древесины ели измерялось трижды. В табл. 2 представлены результаты измерений по всем 36 сочетаниям из шести пар конусных насадок у излучателя и приемника. На рис. 2 представлены двухфакторные изображения изменения времени прохождения УЗК.
График № 1 показывает влияние на время прохождения УЗК при постоянной плоской форме приемника при изменении параметров излучателя. Влияние на время прохождение УЗК при постоянной плоской форме приемника и при постоянном угле 42°, но разной формы у конусных насадок излучателя, показано на графике № 2. в сравнении с продольным направлением волокон влияние угла конуса малое.
На картинке № 3 показано влияния на время при плоской форме излучателя, но при изменении формы и угла насадки у приемного излучателя. Поверхность № 4 - влияние на время прохождения УЗК при постоянной плоской форме излучателя и постоянном угле 42°, но при разной форме у конусных насадок приемника.
Таблица 2
Время прохождения УЗК, мкс
|
Излучатель |
Приемник |
|||||
|
№ 0 |
№ 1 |
№ 2 |
№ 3 |
№ 4 |
№ 5 |
|
|
№ 0 |
23,0 |
34,2 |
28,1 |
25,8 |
24,4 |
24,4 |
|
22,9 |
34,1 |
28,1 |
25,9 |
24,3 |
24,4 |
|
|
22,9 |
34,2 |
28,2 |
25,8 |
24,4 |
24,4 |
|
|
№ 1 |
34,5 |
48,3 |
41,5 |
39,0 |
60,6 |
37,4 |
|
34,5 |
48,2 |
41,5 |
38,9 |
60,2 |
37,3 |
|
|
34,6 |
48,3 |
41,5 |
39,0 |
60,3 |
37,4 |
|
|
№ 2 |
28,8 |
41,4 |
34,6 |
33,2 |
32,2 |
31,1 |
|
28,9 |
41,3 |
34,6 |
33,1 |
32,1 |
31,0 |
|
|
28,8 |
41,3 |
34,6 |
33,2 |
32,2 |
31,0 |
|
|
№ 3 |
27,0 |
38,6 |
33,6 |
31,3 |
29,7 |
28,4 |
|
26,9 |
38,5 |
33,6 |
31,3 |
29,7 |
28,6 |
|
|
27,0 |
38,6 |
33,7 |
31,3 |
29,6 |
28,5 |
|
|
№ 4 |
26,2 |
38,1 |
31,9 |
29,7 |
32,2 |
27,9 |
|
26,1 |
38,0 |
32,0 |
29,6 |
32,2 |
28,0 |
|
|
26,2 |
38,1 |
31,9 |
29,7 |
32,0 |
27,9 |
|
|
№ 5 |
28,6 |
37,6 |
31,9 |
47,1 |
28,6 |
27,4 |
|
28,5 |
37,6 |
32,0 |
47,1 |
28,5 |
27,5 |
|
|
28,5 |
37,8 |
32,0 |
47,3 |
28,4 |
27,4 |
|
График № 5 на рис. 2 был построен при одинаковой форме и угле 42° конусных насадок на приемнике и излучателе. На графике № 6 представлено двухфакторное изображение влияния на показатель при одинаковой форме и углах конусных насадок на приемнике и излучателе, включая плоскую пару.
Таким образом, оказалось, что форма конусной поверхности почти не влияет на изменение времени прохождения УЗК через стандартный образец из древесины ели в тангенциальном направлении. Однако, здесь может быть влияние масштабного фактора. Поэтому нужны дополнительные эксперименты, Кроме того, следует учитывать, что в древесиноведении испытания в тангенциальном направлении вообще не поводятся. Новые эксперименты могут привести к интересным закономерностям прохождения УХК по годичным слоям древесины, в особенности в растущем состоянии.
В дальнейшем по данным из табл. 2 были получены формулы влияния каждого из учтенных факторов конусных наконечников (длины, угла, кода поверхностной формы в зависимости от расположения их на излучателе и приемнике) на изменение времени t прохождения УЗК по биотехническому закону [2] (рис. 3), мкс:
- от длины излучателя
t = 27,46402exp(0,003633LИ); (1)
- от длины приемника
t = 28,10758exp(0,011194LП); (2)
- от угла конуса, град, у излучателя
t = 37,46455exp(-0,0018974φИ); (3)
- от угла конуса, град, у приемника
t = 36,52453exp(-0,0014777φП); (4)
- от формы поверхности конуса у излучателя
t = 33,21667exp(0,00981951iИ); (5)
- от формы поверхности конуса у приемника
t = 34,036667exp(-0,14493 iП); (6)
№1 №2 №3
№4 №5 №6
Рис. 2. Пространственные графики влияния формы и параметров
насадки на время прохождения УЗК
Из рис. 3 по графикам видно, что изменение времени УЗК от длины конусных насадок самое большое и коэффициент корреляции при изменении длины конусных насадок у излучателя равен r = 0,651, а у приемника r = 0,456. Следовательно между этими параметрами имеется средняя теснота связи. При этом обращает на себя внимание достаточно высокая разница между насадками на изучателе и приемнике. Кроме того, на длинных насадках приемника УЗК меньше разброс точек по сравнению с излучателем.
От угла конусных насадок коэффициент корреляции равен у излучателя r = 0,394, у приемника r = 0,314, поэтому у этих показателей факторная связь слабее. Форма поверхности конусных насадок практически не дает влияния - коэффициент корреляции меньше 0,3. По данным рис. 3 (в правом верхнем углу) время прохождения УЗК в образце из древесины ели в тангенциальном направлении волокон имеет очень слабую связь: у излучателя r = 0,016, и у приемника - r = 0,228. Но здесь также заметна достаточно значимая разница между конусными насадками на излучателе и приемнике.
от длины излучателя от длины приемника
от угла конуса, град. у излучателя от угла конуса, град. у датчика
от формы поверхности конуса у датчика от формы поверхности конуса у приемника
Рис. 3. Графики влияния длины, угла и формы поверхности конусных насадок
на время УЗК (в правом верхнем углу графиков показаны
сумма квадратов отклонений и коэффициент корреляции)
Для сертификации древесины в виде образцов неплоской формы, например, поленьев по патенту № 2334984 [1], оказалось удобным угол конуса в 42°. При тупом угле не удается контактировать конусной насадкой в заданной точке бесформенного образца, а при меньшем угле заострения снижается прочность наконечника конуса.
Удобнее применять два одинаковых насадка на обоих датчиках (излучателе и приемнике). В табл. 3 приведены данные измерений времени УЗК.
Таблица 3
Время прохождения УЗК, мкс
|
Излучатель |
Приемник |
|||||
|
№ 0 |
№ 1 |
№ 2 |
№ 3 |
№ 4 |
№ 5 |
|
|
№ 0 |
23,0 |
|||||
|
22,9 |
||||||
|
22,9 |
||||||
|
№ 1 |
48,3 |
|||||
|
48,2 |
||||||
|
48,3 |
||||||
|
№ 2 |
34,6 |
|||||
|
34,6 |
||||||
|
34,6 |
||||||
|
№ 3 |
31,3 |
|||||
|
31,3 |
||||||
|
31,3 |
||||||
|
№ 4 |
32,2 |
|||||
|
32,2 |
||||||
|
32,0 |
||||||
|
№ 5 |
27,4 |
|||||
|
27,5 |
||||||
|
27,4 |
||||||
Сравнение пар по трем повторам показывает, что наибольшее время затрачивается при применении насадки № 1, а с изменением формы и размеров от формы № 2 до № 5 время УЗК уменьшается, получая сильное волновое возмущение. Этот факт снова указывает на то, что тангенциальное направление волокон древесины имеет масштабный фактор и поэтому следует установить минимальные длины образцов поленьев по ширине. В этой же табл. 3 выделены показания прибора «Пульсар-1.0» со стандартными датчиками № 0 и с конусными наконечниками на них второго ранга, то есть излучатель и приемник № 2. Эта конструкция, как видно из чертежей на рис. 1,
простая в изготовлении.
Среднее время УЗК будет равно для датчика № 0 (23,0 + 22,9 + 22,9)/3 = 22,93 мкс, а эти же датчики с насадками № 2 - (34,6 + 34,6 + 34,6)/3 = 34,60 мкс. Разница между ними составит 34,60 - 22,93 = 11,67 или округленно 11,7 мкс. Тогда потери времени на прохождение через две одинаковых конусные насадки № 2, при испытании древесины вдоль волокон, будет равно 11,7 мкс. Но в дальнейшем нужно будет еще учесть и масштабный фактор в зависимости от пути прохождения УЗК в тангенциальном направлении волокон древесины в различных состояниях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Пат. 2334984 Российская Федерация, МПК G01N33/46 (2006.01). Способ ультразвукового испытания поленьев резонансной древесины / Мазуркин П.М., Темнова Е.Б. (РФ); заявитель и патентообладатель Марийск. гос. тех. ун-т. - №2006126506/12; заявл. 20.07.2006; опубл. 27.09.2008.
- Мазуркин, П.М. Математическое моделирование. Идентификация однофакторных статистических закономерностей: Учебное пособие / П.М. Мазуркин, А.С. Филонов. - Йош-кар-Ола: МарГТУ, 2006. - 292 с.
Статья подготовлена и опубликована при поддержке гранта 3.2.3/4603 МОН РФ