УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2013 года по МПК G01H15/00 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и может быть использовано при ультразвуковом исследовании и идентификации твердых материалов, например, в криминалистике.

Известно устройство, предназначенное для осуществления способа измерения акустического сопротивления сред с помощью ультразвуковых импульсов (SU 1504602 A1, опубл. 30.08.89, Бюл. №32). Устройство позволяет исследовать и идентифицировать акустическим методом различные газы.

Указанное устройство имеет ограниченную область применения, поскольку не позволяет исследовать и идентифицировать твердые материалы ввиду своей недостаточной чувствительности в таких случаях.

Кроме того, известно устройство для измерения акустического сопротивления газообразных сред (SU 1597716 A1, опубл. 07.10.90, Бюл. №37). Это устройство позволяет исследовать и идентифицировать разреженные газы, причем не только в статике, но и в динамике. Однако оно так же не позволяет исследовать и идентифицировать твердые материалы ввиду своей низкой чувствительности к величине их акустического сопротивления.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому устройству является «Устройство для измерения акустического сопротивления материалов» (SU 1589197 A1, опубл. 30.08.90, Бюл. №32). Это устройство содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, параллельно включенные ультразвуковой генератор и приемную часть устройства, состоящую из последовательно соединенных суммирующего каскада, делителя и блока функционального преобразования, причем первый и второй выходы генератора подключены соответственно к первому и второму ультразвуковым преобразователям, к ним же подключены и соответствующие входы приемной части устройства, первый вход делителя подключен к выходу суммирующего каскада, а второй его вход подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, вход блока функционального преобразования подключен к выходу делителя, а выход блока функционального преобразования является выходом устройства, причем функциональный преобразователь реализует зависимость

$$U_{вых}=U_0\left(\frac{2}{U_{вх}}-1\right),(1)$$

где U_вх и U_вых - уровни его входного и выходного сигналов соответственно,

U₀ - постоянный коэффициент, равный акустическому сопротивлению известной эталонной среды в выбранной физической системе координат.

Полученные после описанной последовательности измерительных процедур величины оказываются весьма чувствительными к величине акустического сопротивления исследуемого твердого материала, что позволяет отличать (и, следовательно, распознавать) различные твердые материалы, например чистые металлы и их сплавы, различные виды пластмасс или стекол и т.д.

Однако указанное устройство - прототип заявляемого - обладает недостаточными возможностями для исследования и идентификации твердых материалов с малыми отличиями по физико-химическим свойствам и не позволяет решить задачи идентификации твердых материалов в тех случаях, когда требуется дифференцировать подобные материалы с гораздо меньшими физико-химическими отличиями, чем те, на которые оно рассчитано. Это сужает возможности его применения, когда перед исследователями встают задачи идентификации, например, марок металлов или их сплавов; марок керамик; образцов тех же твердых материалов, но полученных при разных технологических условиях (на разных заводах или на одном заводе, но в разное время и т.п.). Можно привести достаточно убедительных примеров. Алюминий имеет акустическое сопротивление 16,9 МПа·с/м, магний 10,1 МПа·с/м, а дюралюминий (их сплав с малыми добавками) - 17,2-17,5 МПа·с/м в зависимости от марки (см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. Т.2. / Под ред. В.В. Клюева. // М.: Машиностроение, 1986. - С.193.). Пьезокерамический материал цирконат-титанат свинца марки ЦТС-19 имеет акустическое сопротивление 23 МПа·с/м, а марки ЦТБС-2 - 23,4 МПа·с/м (там же, с.205). Эти примеры наглядно доказывают необходимость расширения возможностей известного устройства на случаи малых отличий твердых материалов по своим физико-химическим свойствам.

Целью изобретения является расширение возможностей устройства для измерения акустического сопротивления твердых материалов за счет технического эффекта - повышения чувствительности устройства к величине акустического сопротивления исследуемого материала. Поставленная цель достигается за счет того, что заявляемое устройство для измерения акустического сопротивления твердых материалов содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, параллельно включенные ультразвуковой генератор и приемную часть устройства, состоящую из последовательно соединенных суммирующего каскада, делителя, блока вычисления обратной величины, аналогового инвертора, блока экспоненциального преобразования и блока функционального преобразования, причем первый и второй выходы генератора подключены соответственно к первому и второму ультразвуковым преобразователям, к ним же подключены и соответствующие входы суммирующего каскада, первый вход делителя подключен к выходу суммирующего каскада, а второй его вход подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, выход делителя подключен к цепи последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины, аналогового инвертирования, экспоненциального преобразования и функционального преобразования, причем выход блока экспоненциального преобразования является первым выходом устройства, выход блока функционального преобразования - вторым выходом устройства, а блок функционального преобразования реализует функцию в соответствии с выражением

$$U_{вых}=-U_0\left(2ln{U}_{вх}+1\right),(2)$$

обозначения прежние.

Таким образом, отличия заявляемого устройства для измерения акустического сопротивления твердых материалов от его прототипа состоят в том, что в первом:

1) добавлены последовательно соединенные блоки: вычисления обратной величины, инвертирования, экспоненциального преобразования;

2) модифицирован блок функционального преобразования путем изменения реализуемой функции в соответствии с выражением (2) взамен выражения (1).

Эти отличия в их совокупности позволяют достичь цели изобретения - существенного повышения чувствительности способа к вариациям величины акустического сопротивления исследуемого твердого материала.

Примечание. Блоки вычисления обратной величины и инвертирования можно поменять местами, т.к. изменение знака любой величины эквивалентно умножению ее на (-1), а от изменения порядка сомножителей произведение не меняется. Таким образом, указанное изменение позиции не является принципиальным с математической точки зрения и не может относиться к существенным признакам с патентоведческой точки зрения.

Вариантом заявляемого устройства для измерения акустического сопротивления твердых материалов является устройство, у которого исключено добавление к прототипу аналогового инвертора. Кроме того, в таком варианте функциональное преобразование осуществляют не по зависимости (2), а по зависимости:

$$U_{вых}=U_0\left(2ln{U}_{вх}-1\right),(3)$$

где все обозначения прежние. В этом случае чувствительность устройства к вариациям акустического сопротивления изменяет знак, оставаясь неизменной по абсолютной величине (модулю).

На чертеже фиг.1 представлена блок-схема заявляемого устройства, на чертеже фиг.2 - вариативная часть состава устройства (выносной фрагмент).

Устройство включает первый 1 и второй 2 ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду 3 с исследуемым материалом 4 и контрольной средой 5 соответственно. В качестве исследуемого материала используется твердый материал с высоким значением акустического сопротивления, в качестве контрольной среды - воздух (акустическое сопротивление равно нулю). Эталонной средой служит жидкость с известным значением акустического сопротивления, например, дистиллированная вода, поверхности которой касается фиксированный исследуемый материал 4. Ультразвуковые преобразователи 1 и 2 акустически связаны с эталонной средой 5, например, путем приклейки к дну камеры 6, которую среда заполняет. Устройство также содержит ультразвуковой генератор 7, выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, суммирующий каскад 8, входы которого подключены к соответствующим выходам ультразвукового генератора 7 и, следовательно, к первому и второму ультразвуковым преобразователям. В состав устройства также входит делитель 9, первый вход которого соединен с выходом суммирующего каскада 8, а второй вход соединен со вторым ультразвуковым преобразователем 2, выход делителя 9 соединен с цепочкой блоков: вычисления обратной величины 10, аналогового инвертирования 11, экспоненциального преобразования 12 и функционального преобразования 13, соединенных последовательно. Причем блок функционального преобразования реализует функцию (2). Устройство имеет два выхода, из которых первый выход 14 используется для регистрации измерительной функции, обладающей высокой чувствительностью к величине акустического сопротивления исследуемого материала 4, а второй выход 15 используется для воспроизведения высокоточного значения указанного акустического сопротивления.

Устройство для измерения акустического сопротивления твердых материалов работает следующим образом. Ультразвуковой генератор 7 генерирует на своих первом и втором выходах электрически развязанные, одинаковые по амплитуде электрические сигналы, которые преобразуются первым 1 и вторым 2 ультразвуковыми преобразователями в эквивалентные акустические сигналы. Последние после уравнивания и распространения в эталонной среде 3 достигают границ акустического контакта эталонной среды 3 с исследуемым материалом 4 и контрольной средой 5, отражаются в обратном направлении и, пройдя одинаковые акустические пути, поступают на те же ультразвуковые преобразователи, которые их излучили. После обратного преобразования в эквивалентные электрические сигналы, последние поступают на соответствующие входы суммирующего каскада 8, с выхода которого суммарный сигнал поступает на первый вход делителя 9, на второй вход последнего поступает сигнал со второго ультразвукового преобразователя 2. Сигнал с выхода делителя 9 проходит по цепочке последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины 10, аналогового инвертирования 11, экспоненциального преобразования 12 и функционального преобразования 13. На выходе блока 12 экспоненциального преобразования, который является одновременно и первым выходом 14 устройства, устанавливается напряжение, пропорциональное величине Q:

$$Q=exp\left(-\frac{A_0}{A_0+A_1}\right)$$

где A₁ и A₀ - соответственно амплитуды сигналов от исследуемого материала 4 и контрольной среды 5 соответственно.

Величина Q связана с величинами Z_x и Z₀ акустических сопротивлений соответственно исследуемого материала 4 и контрольной среды 5 зависимостью

$$Q=exp\left(-\frac{Z_x+Z_0}{2Z_0}\right).(4)$$

При этом величина дифференциальной чувствительности Е устройства при измерении сигнала Q определяется из соотношения

$$\frac{dQ}{Q}=E\frac{d{Z}_x}{Z_x}$$ ,

где $$E=-\frac{Z_x}{2Z_0}$$ . Таким образом, при исследовании и идентификации золота (Z_x=62,5 МПа·с/м) при посредстве эталонной среды - воды (Z₀=1,5 МПа·с/м) дифференциальная чувствительность заявляемого устройства составит Е=-20,8. То есть на вариацию акустического сопротивления золота в 1% придется изменение измерительной функции на 20,8%.

Блок функционального преобразования 13 формирует выходное напряжение по зависимости (2), где величина U_вх, очевидно, эквивалентна величине Q. Подставляя ее вместо U_вx и учитывая соотношение (4), мы придем к выводу, что на выходе блока 13 и одновременно на втором выходе 15 устройства формируется сигнал, пропорциональный измеряемому значению Z_x акустического сопротивления исследуемого материала 4. При этом роль Z₀, т.е. акустического сопротивления эталонной среды, играет коэффициент U₀, вводимый извне.

Для варианта заявляемого устройства (см. фиг.2) установлены два отличия от рассмотренного (см. фиг.1): ликвидация процедуры (и соответствующего блока) изменения знака дроби в показателе степени функции Q и изменение математической зависимости для оконечного блока функционального преобразования. Соответственно, в вариант заявляемого устройства для его осуществления необходимо внести изменения, касающиеся изъятия блока 11 аналогового инвертирования и замены блока 13 функционального преобразования на блок 16, реализующий функцию (3), что отображено на чертеже фиг.2. Изменение схемного решения заявляемого устройства (сравнить фиг.1 и фиг.2) отразится на его работе очевидным образом и не требует дополнительных пояснений, за исключением изменения вида выше приведенных математических зависимостей. А именно, для рассматриваемого варианта справедливы формулы:

$$Q=exp\left(\frac{A_0}{A_0+A_1}\right)$$ ; $$Q=exp\left(\frac{Z_x+Z_0}{2Z_0}\right)$$ ; $$E=\frac{Z_x}{2Z_0}$$

и физический аналог выражения (3).

Заявляемое устройство является промышленно применимым, т.к. промышленно применим его прототип, который не имеет от первого принципиальных отличий в промышленно-технологическом плане.

Использование: для измерения акустического сопротивления твердых материалов. Сущность: заключается в том, что устройство для измерения акустического сопротивления твердых материалов содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, ультразвуковой генератор, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, суммирующий каскад, первый вход которого подключен к первому ультразвуковому преобразователю, второй вход - ко второму ультразвуковому преобразователю, делитель, первый вход которого подключен к выходу суммирующего каскада, а второй вход, ко второму ультразвуковому преобразователю, а выход делителя связан с блоком функционального преобразования, при этом в него введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины, аналогового инвертирования и экспоненциального преобразования, включенных между выходом делителя и входом блока функционального преобразования, причем блок функционального преобразования реализует заданную функциональную зависимость или в устройство введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины и экспоненциального преобразования, включенных между выходом делителя и входом блока функционального преобразования, причем в этом случае блок функционального преобразования реализует другую заданную функциональную зависимость. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности устройства к величине акустического сопротивления исследуемого материала. 2 ил.

Устройство для измерения акустического сопротивления твердых материалов, содержащее первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, ультразвуковой генератор, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, суммирующий каскад, первый вход которого подключен к первому ультразвуковому преобразователю, второй вход - ко второму ультразвуковому преобразователю, делитель, первый вход которого подключен к выходу суммирующего каскада, а второй вход - ко второму ультразвуковому преобразователю, а выход делителя связан с блоком функционального преобразования, отличающееся тем, что в него введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины, аналогового инвертирования и экспоненциального преобразования, включенных между выходом делителя и входом блока функционального преобразования, причем блок функционального преобразования реализует функциональную зависимость
U_вых=-U₀(2 ln U_вх+1),
где U_вх и U_вых - уровни его входного и выходного сигналов соответственно,
U₀ - постоянный коэффициент, равный акустическому сопротивлению известной эталонной среды в выбранной физической системе координат, или в устройство введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины и экспоненциального преобразования, включенных между выходом делителя и входом блока функционального преобразования, причем блок функционального преобразования реализует функциональную зависимость
U_вых=U₀(2 ln U_вх-1),
обозначения те же.