Page 114 - 《应用声学》2021年第4期

598 2021 年 7 月

表 1 螺栓轴向应力超声测量系统自身延时误差 (环境温度 29.09 C)
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Table 1 Self delay error of ultrasonic measurement system for bolt axial stress (ambient
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temperature 29.09 C)
测试序号 短试件 T S /ns 长试件 T L /ns 计算声速 V / (m·s −1 ) 短试件 T Sth /ns 短试件 δT/ns 长试件 T Lth /ns 长试件 δT/ns
1 51589.7 70910.9 5937.5 50458.7 1130.9 69780.0 1131.0
2 51588.9 70911.0 5937.2 50461.1 1127.8 69783.2 1127.8
3 51589.8 70912.0 5937.2 50461.4 1128.4 69783.6 1128.4
4 51590.0 70911.3 5937.5 50459.0 1131.0 69780.3 1131.0
5 51589.7 70911.9 5937.2 50461.4 1128.3 69783.6 1128.3
平均值 51589.6 70911.4 5937.3 50460.4 1129.3 69782.2 1129.3

3.2 温度误差的标定 热至 80 C，测量温度对螺栓超声声时的影响，作为
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由公式 (4) 和公式 (6) 可知，超声波在固体内的 实际测量中温度误差修正的依据。实验选用10.9 级
传导速度与材料的弹性模量 E、密度 ρ、弹性参数 λ 42CrMoA 材质 M36 风电常用螺栓，测量了经退火
等有关。随着温度的变化，上述参数都将发生变化， 处理的螺栓在不受外力情形下纵波和横波声速随
因此根据公式(1)，温度对超声波传导速度有着不可 温度变化的数据，如表2和表3所示。
忽略的影响，必须对温度变化造成的声时影响进行 上述实验中，横波与纵波声时差与温度关系
标定和补偿。为此测量系统选用了高精度温度换能 如图 3 所示，实验以室温 20 C 为起点。从图 3 中
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器，设计了精度达 0.01 C 的高性能的温度采集电 可看出，温度与声时差的变化呈线性关系，与公
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路，进行了螺栓在不承受外部载荷状态下的温度标 式 (12)和公式(13)描述相符，但二者的斜率不一样，
定实验研究。实验制作了带加热和搅动功能的油槽， 说明温度对横波波速的影响大于纵波。实验测得
将装有超声换能器和温度传感器的螺栓 (完全退火 10.9 级 42CrMoA 螺栓温度对纵波影响系数 α L 为
处理) 置于油槽中，将油槽从环境温度 20 C缓慢加 1.049 × 10 −4 ，对横波影响系数α S 为1.398 × 10 −4 。
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表 2 42CrMoA 材质 M36 螺栓温度对纵波声速的影响
Table 2 Effect of temperature of 42CrMoA M36 bolt on longitudinal wave velocity

温度/ C 20.03 26.92 29.99 34.93 40.04 45.03 50.04 60.06 70.05 79.91
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声时值/ns 70968.1 71019.1 71041.8 71080.3 71116.8 71153.7 71190.4 71266.2 71348.6 71429.2

声时差值/ns 0 51 73.7 112.2 148.7 185.6 222.3 298.1 380.5 461.1
声速/(m·s −1 ) 5848.8 5844.6 5842.8 5839.6 5836.6 5833.6 5830.6 5824.4 5817.6 5811.1
0.000104 0.000104 0.000106 0.000104 0.000104 0.000104 0.000104 0.000107 0.000108
纵波影响系数 α L
表 3 42CrMoA 材质 M36 螺栓温度对横波声速的影响
Table 3 Effect of temperature of 42CrMoA M36 bolt on shear wave velocity

温度/ C 19.85 25.01 29.98 34.88 40.13 44.96 49.95 60.12 69.85 78.94
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声时值/ns 339385.7 339628.3 339872.4 340110.4 340341.4 340580.7 340826.0 341288.9 341781.6 342205.2
声时差值/ns 0 242.6 486.7 724.7 955.7 1195.0 1440.3 1903.2 2395.9 2819.5
声速/(m·s −1 ) 3196.1 3193.8 3191.5 3189.3 3187.1 3184.9 3182.6 3178.2 3173.7 3169.7
横波影响系数 α S 0.000138 0.000141 0.000142 0.000138 0.000140 0.000140 0.000138 0.000140 0.000139