АКУСТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР Российский патент 1996 года по МПК G10L3/02 G01H15/00 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при оценке акустических свойств материалов.

Известен акустический интерферометр, содержащий трубу Тума, громкоговоритель, подключенный к звуковому генератору, микрофон, перемещающийся в трубе и связанный с фильтром и отсчетным устройством, соединенным с ламповым вольтметром и осциллографом [1]
Недостатками этого устройства являются низкая точность, в особенности при измерении фазового скачка, сложность определения местоположения и уровня звукового давления точки минимума, в особенности в области низких частот, из-за сглаженности остроты пика точки минимума, что характерно для материалов, обладающих высокими звукопоглощающими свойствами, а также ручное измерение параметров для определения коэффициента звукопоглощения и импеданса.

Известен также прибор для измерения коэффициента звукопоглощения, реализованный посредством интерферометра, в котором второй приемник (микрофон) располагают на расстоянии четверти длины звуковой волны от первого, вдоль нормали к образцу, возбуждают звуковую волну в направлении нормали, принимают сигналы, пропорциональные звуковым давлениям, и преобразуют их значение мнимой функции пространственной корреляции, равное измеряемой величине [2]
Известно устройство, содержащее звуковой генератор, усилитель мощности, излучатель, например громкоговоритель, акустическую трубу интерферометра, звукопоглощающий образец, неподвижный микрофон, микрофонные усилители, логарифмические потенциометры, девяностоградусный широкополосный фазовращатель, интегратор, двухкоординационный регистратор [3]
Недостатком этих устройств является то, что они позволяют измерять только коэффициент звукопоглощения.

Наиболее близким по совокупности признаков к изобретению является акустический интерферометр, содержащий металлическую трубу, на одном конце которой установлены обойма с поршнем, а на другом ящик с громкоговорителем, головка которого подключена к выходу генератора звуковой частоты, а через отверстие, в керне которого установлен металлический щуп, соединенный через импедансный переходник с микрофоном, установленным на тележке, выполненной с возможностью перемещения от электропривода по направляющей вдоль продольной оси металлической трубы, входной блок, входом соединенный с микрофоном, блок управления, первым выходом подключенный к электроприводу, элемент ИЛИ, запоминающий блок, блок индикации [4]
Недостатками этого устройства являются невозможность измерения параметров импеданса и недостаточно высокая точность определения параметров коэффициента звукопоглощения.

Сущностью изобретения является повышение точности измерений коэффициента звукопоглощения и импеданса при ускорении процесса измерений.

Это достигается тем, что в устройство введены аналого-цифровой преобразователь, два блока сравнения, два оконечных выключателя, установленных по обе стороны тележки, датчик расстояния, блок расстояния, блок корректора, а запоминающий блок выполнен в виде регистра максимума и регистра минимума, при этом выход входного блока соединен через аналого-цифровой преобразователь, другой вход которого подключен к второму выходу блока управления, с одними входами регистров максимума и минимума, первого и второго блоков сравнения, первые выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам блока корректора, выход которого соединен с первым входом блока управления, второй и третий входы которого соединены с соответствующими оконечными выключателями, второй выход первого блока сравнения соединен с другим входом регистра минимума, второй выход второго блока сравнения соединен с другим входом регистра минимума и первым входом блока расстояния через элемент ИЛИ, другой вход которого подключен к первому выходу первого блока сравнения, выходы регистров максимума и минимума соединены с другими входами соответственно первого и второго блоков сравнения и с первым и вторым входами блока индикации, третий вход которого подключен к датчику расстояния через блок расстояния по его второму входу, соединенному с третьим входом блока корректора, выполненного в виде элемента И-НЕ и счетчика, выход которого является выходом блока корректора, первым, вторым и третьим входами которого являются соответственно два входа И-НЕ, выход которого подключен к входу сброса счетчика, и счетный вход счетчика.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 блок корректора.

Устройство содержит металлическую трубу 1, на одном конце которой закреплена обойма 2 с поршнем 3, а на другом конце ящик 4 с громкоговорителем 5, микрофоном 6, укрепленным на электроприводной тележке 7, перемещающейся по направляющим 8, металлическим щупом 9, пропущенным сквозь отверстие в керне громкоговорителя 5 и посредством импедансного переходника 10, соединенного с микрофоном 6 и блоком автоматики.

Блок автоматики включает входной блок 11, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12, запоминающий блок, выполненный в виде регистра 13 максимума и регистра 15 минимума, первую схему сравнения 14, вторую схему сравнения 16, блок 17 индикации, элемент ИЛИ 18, блок корректора 19, блок 20 расстояния 2, блок 21 управления, генератор 22 звуковой частоты, оконечные выключатели 23 и 24, приводной механизм 25 и датчик 26 расстояния, а исследуемый образец 27 установлен в обойме 2.

Блок корректора 19 содержит схему И-НЕ 28 и управляемый счетчик 29.

Интерферометр работает следующим образом.

Образец исследуемого материала 27 устанавливается в обойме 2 и прижимается поршнем 3 к торцу металлической трубы 1. Затем выбирается положение оконечного выключателя 23 (которое регулируемо) с таким расчетом, чтобы при возвратном движении тележки 7 конец щупа 9 устанавливалcя в непосредственной близости от поверхности образца. После включения блока автоматики в сеть и окончания переходных процессов, а также прогревания блока автоматики в течение 15 мин генератор 22 звуковой частоты устанавливается на требуемую для измерения частоту, а в блок корректора 19 автоматически устанавливается соответствующее принятой частоте число импульсов. Затем производится пуск прибора. При этом через 2 с тележка 7 начнет совершать поступательное движение, а блок автоматики войдет в режим накопления информации.

Распределение звукового давления в трубе 1, воспринимаемое микрофоном 6, поступает на входной блок 11, в котором электрический сигнал, пропорциональный уровню звукового давления в трубе, усиливается, фильтруется, детектируется и поступает на первый вход аналого-цифрового преобразователя 12, в котором сигнал преобразуется в двоично-десятичный код с частотой квантования, равной тактовой частоте прибора (200 кГц), причем тактовые импульсы поступают со второго выхода блока 1 управления на второй вход АЦП 12, на выходе которого формируются коды: К₁, К₂, К₃. Эти коды с выхода АЦП 12 поступают на первые входы регистров максимума 13, минимума 15 и первые входы первой 14 и второй 16 схем сравнения. Однако до появления в регистре 13 максимума максимального кода, который будет соответствовать максимальному уровню звукового давления в трубе 1, запись этих кодов в регистр 15 минимума происходить не будет.

В момент пуска блока автоматики на выходах АЦП 12 и регистра максимума 13 установится кулевой код К₀. Следующий за ним при первом такте Т₁ код К₁ с выхода АЦП 12 поступит на первые входы регистра максимума 13 и первой схемы сравнения 14. Так как код К₁ больше кода К₀, то на втором выходе первой схемы сравнения 14 появится сигнал высокого уровня, поступающий на второй вход регистра максимума 13. По фронту этого сигнала разрешится запись кода К₁ в регистр 13 максимума, поступающего с выхода АЦП 12, при этом на выходе регистра максимума появится код К₁, который поступит на второй вход первой схемы сравнения 14. При равенстве кодов на первом и втором входах первой схемы сравнения 14 на ее обоих выходах формируется сигнал низкого уровня.

При последующем такте Т₂ код К₂ с выхода АЦП 12 вновь поступит на первые входы регистра максимума 13 и первой схемы сравнения 14, в которой аналогичным образом сравнится с кодом К₂, записанным в регистре 13 максимума.

Запись в регистр максимума будет происходить в том случае, если вновь поступающий с выхода АЦП 12 код К_n+1 будет больше ранее записанного в регистр максимума 13 кода К_n.

Таким образом, запись в регистр максимума 13 прекратится в тот момент, когда код К_n+1 на выходе АЦП 12 станет равным или меньше ранее записанного в регистр максимума 13 кода К_n, тем самым код Кn будет соответствовать максимальному уровню звукового давления в трубе 1.

Когда код К_n+1 следующие за ним коды станут меньше кода Кn, записанного в регистр 13 максимума, то тогда на первом выходе первой схемы 14 сравнения установится сигнал высокого уровня, который поступит на первый вход элемента ИЛИ 18.

Элемент ИЛИ 18 содержит генератор короткого импульса и схему ИЛИ (эти элементы на чертеже не показаны), причем первый вход элемента ИЛИ 18 через генератор короткого импульса подключен к первому входу схемы ИЛИ, второй вход которой подключен к второму входу элемента ИЛИ 18, а выход схемы ИЛИ является выходом элемента ИЛИ 18.

Элемент ИЛИ 18 выполняет две функции. В том случае, когда с первого выхода первой схемы сравнения 14 на первый вход элемента ИЛИ 18 поступит сигнал высокого уровня, тогда на его выходе формируется короткий импульс, который даст разрешение на прохождение поступающего с выхода АЦП 12 кода К_n+1 в регистр минимума 15. Далее элемент ИЛИ 18 срабатывает от сигналов со второго выхода второй схемы сравнения 16, которые поступают на его второй вход, продолжая разрешения на прохождение кодов в регистр 15 минимума.

Для обеспечения выполнения элементом ИЛИ 18 требуемых функций нужно, чтобы после такта Т_n+1 с его выхода могли бы поступать самостоятельные импульсы, идущие со второго выхода второй схемы сравнения 16, на его второй вход. С этой целью сигнал, поступающий с первого выхода первой схемы сравнения 14, укорачивается генератором короткого импульса так, что его длительность становится меньше половины длительности тактового импульса.

Следующий за кодом К_n+1, при такте Т_n+1 код К_n+2 с выхода АЦП 12 поступит на первые входы регистра минимума 15 и второй схемы сравнения 16, в которой код К_n+2 сравнится с кодом К_n+1, поступающим с выхода регистра минимума 15 на второй вход второй схемы сравнения 16. Если код К_n+2 будет меньше кода К_n+1, то на втором выходе второй схемы сравнения 16 появится сигнал высокого уровня, который через элемент ИЛИ 18 поступит на второй вход регистра минимума 15. При этом на выходе регистра минимума 15 появится код К_n+2, который поступит на второй вход второй схемы сравнения 16. А равенство кодов на первом и втором входах второй схемы сравнения 16 даст на ее обоих выходах сигналы низкого уровня.

При следующем такте Т_n+3 код К_n+3 с выхода АЦП 12 вновь поступит на первые входы регистра 15 минимума и второй схемы сравнения 16, в которой аналогичным образом сравнится с кодом К_n+2, записанным в регистре минимума 15.

Запись в регистр 15 минимума будет происходить, если вновь поступающий код К_n+m+1 с выхода АЦП 12 будет меньше ранее записанного в регистр минимума 15 кода К_n+m.

Таким образом, запись в регистр минимума прекратится в тот момент, когда код К_n+m+1 на выходе АЦП 12 станет равным или больше кода К_n+m, записанного в регистр минимума 15, тем самым код К_n+m будет соответствовать минимальному уровню звукового давления в трубе 1.

В момент, когда код К_n+m+1 на выходе АЦП 12 больше когда К_n+m, записанного в регистр минимума 15, на первом выходе второй схемы сравнения 16 появится сигнал высокого уровня.

Сигналы высокого уровня в свою очередь с выхода элемента ИЛИ 18 поступают и на первый вход блока расстояния 20.

Блок 20 расстояния содержит счетчик и регистр памяти (эти элементы на чертеже не показаны). Причем второй вход блока расстояния через счетчик подключен к второму входу регистра памяти, первый вход которого является первым входом блока расстояния, а выход регистра памяти является выходом расстояния.

Датчик 26 расстояния, установленный на приводной тележке 7, выдает импульсы, соответствующие перемещению тележки. Эти импульсы с выхода датчика расстояния поступают на вход счетчика, в котором суммируются, начиная с момента начала движения тележки. Код суммы импульсов перемещения с выхода счетчика поступает на второй вход регистра памяти блока 20 расстояния. Запись этого кода в регистр памяти происходит одновременно с записью информации в регистр 15 минимума сигналами, поступающими с выхода схемы 18 объединения, через первый вход блока 20 расстояния, на первый вход его регистра памяти. Следовательно, в тот момент, когда в регистр минимума запишется код минимального уровня звукового давления в трубе, в регистр памяти блока расстояния запишется соответствующий этому минимуму код расстояния, пройденного щупом 9 от поверхности образца 27 до точки минимума.

В трубе 1 могут возникнуть помехи, воспринимаемые микрофоном 6, обусловленные вибрацией щупа 9 и внешними акустическими помехами, в результате чего нарушится возрастающая или убывающая последовательность кодов на выходе АЦП 12. Влияние помех особенно начинает сказываться в области точки минимума.

С целью уменьшения влияния указанных помех и соответствующего повышения точности акустического измерения параметров коэффициента звукопоглощения и импеданса интерферометр снабжен блоком корректора 19.

Блок корректора 19 содержит схему И-НЕ 28 и управляемый счетчик 29, причем первый вход схемы И-НЕ блока корректора 19 соединен с первым выходом первой схемы сравнения 14 и одновременно является первым входом блока корректора 19. Второй вход схемы И-НЕ 28 соединен с первым выходом второй схемы сравнения 16, причем второй вход схемы И-НЕ 28 одновременно является вторым входом блока корректора 19. Выход схемы И-НЕ 28 соединен с первым входом управляемого счетчика 29 блока корректора 19, третий вход которого подключен к выходу датчика 26 расстояния, причем третий вход управляемого счетчика 29 одновременно является третьим входом блока корректора 19. Управляющие входы 2, 4.6 управляемого счетчика 29 блока корректора 19 подключены к переключателю частоты, расположенному на генераторе 22 звуковой частоты.

В момент, когда на первый и второй входы схемы И-НЕ с первых выходов второй 16 и первой 14 схем сравнения одновременно поступят сигналы высокого уровня, на выходе схемы И-НЕ 28 появится сигнал низкого уровня, поступающий на первый вход управляемого счетчика 29. При этом управляемый счетчик 29 блока корректора 19 начнет счет импульсов длины, поступающих на его третий вход с выхода датчика 26 расстояния. В случае если число импульсов длины станет равным коду, установленному на входах 2, 4.6 управляемого счетчика 29 блока корректора 19, то на его выходе появится сигнал высокого уровня. В случае, если во время счета управляемого счетчика 29 блока корректора 19, на первый или второй входы схемы И-НЕ 28 того же блока поступают сигналы низкого уровня, то на ее выходе устанавливается сигнал логической единицы, сбрасывающей число, записанное в счетчике 29, и происходит его обнуление.

Считывание результатов измерений происходит только при поступательном движении тележки 7, когда тактовые импульсы с второго выхода блока 21 управления поступают на второй вход АЦП 12.

При подаче напряжения питания бок 21 управления производит установку микрофонной тележки 7 в исходное положение, когда щуп 9 располагается у поверхности образца 27, а оконечный выключатель 23 разомкнут.

При этом обнуляются все регистры: аналого-цифрового преобразователя 12, регистра 13 памяти, регистра 15 минимума, счетчика блока корректора 29, регистр памяти и счетчик блока 20 расстояния.

Таким образом, система приводится в исходное состояние, после чего она способна к дальнейшему проведению измерений.

Изобретение позволяет автоматизировать процесс определения энергетических и волновых параметров материалов. Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента звукопоглощения и импеданса при ускорении процесса измерений. Для этого на одном конце металлической трубы 1 закреплена обойма 2 с поршнем 3, а на другом конце - ящик 4 с громкоговорителем 5, микрофоном 6, укрепленным на электроприводной тележке 7, перемещающейся по направляющим 8. Металлический щуп 9 пропущен сквозь отверстие в керне громкоговорителя 5 и с помощью переходника 10 соединен с микрофоном 6, который соединен с блоком автоматики, содержащим входной блок, выполненный в виде регистров 13 максимума и минимума 15, схемы 14, 16 сравнения, блок 17 индикации, элемент ИЛИ 18, блок 19 корректора, блок 20 расстояния, блок 21 управления, генератор 22 звуковой частоты, оконечные выключатели 23, 24, приводной механизм 25 и датчик 26 расстояния. Исследуемый образец 27 установлен в обойме 2. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. АКУСТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР, содержащий металлическую трубу, на одном конце которой установлена обойма с поршнем, а на другом - ящик с громкоговорителем, головка которого подключена к выходу генератора звуковой частоты, а через отверстие в керне которого установлен металлический щуп, соединенный через импедансный переходник с микрофоном, установленным на тележке, выполненной с возможностью перемещения от электропривода по направляющей вдоль продольной оси металлической трубы, входной блок, входом соединенный с микрофоном, блок управления, первым выходом подключенный к электроприводу, элемент ИЛИ, запоминающий блок, блок индикации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений коэффициента звукопоглощения и импеданса при ускорении процесса измерений, в него введены аналого-цифровой преобразователь, два блока сравнения, два оконечных выключателя, установленных по обе стороны тележки, датчик расстояния, блок расстояния, блок корректора, а запоминающий блок выполнен в виде регистра максимума и регистра минимума, при этом выход входного блока соединен через аналого-цифровой преобразователь, другой вход которого подключен к второму выходу блока управления, с одними входами регистров максимума и минимума, первого и второго блоков сравнения, первые выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам блока корректора, выход которого соединен с первым входом блока управления, второй и третий входы которого соединены с соответствующими оконечными выключателями, второй выход первого блока сравнения соединен с другим входом регистра максимума, второй вход второго блока сравнения соединен с другим входом регистра минимума и первым входом блока расстояния через элемент ИЛИ, другой вход которого подключен к первому выходу первого блока сравнения, выходы регистров максимума и минимума соединены с другими входами соответственно первого и второго блоков сравнения и первым и вторым входами блока индикации, третий вход которого подключен к датчику расстояния через блок расстояния по его второму входу, соединенному с третьим входом блока корректора. 2. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что блок корректора выполнен в виде элемента И - НЕ и счетчика, выход которого является выходом блока корректора, первым, вторым и третьим входами которого являются соответственно два входа элемента И - НЕ, выход которого подключен к входу сброса счетчика, и счетный вход счетчика.