Способ абсолютного определения амплитуды давления акустической волны Советский патент 1983 года по МПК G01H3/10 G01H3/00 

IND

со

01

4;аь Изобретение относится к акустйчвскмм и гидроакустическим измерениям и может быть использовано для .абсолютной калибровки акустических преобразователей. Известен способ абсолютного опр деления амплитуд давления акустической волны, заключающийся в том, что измеряют радиационное давлениес помощью радиометра выполненного, например, в виде легкого диска, ша{жка или конуса, размеры которых мн го больше длины звуковой волны, и на основании этих измерений определ ют амплитуду волны i. .Недостатком способа является его слабая помехозащищенность, пос.кольку на показания радаюметра влияют акустические течения, конвенционные и другие потоки. Кроме того, способ не может быть использован для измерения амплитуд в импульсном режиме излучения. Нгшбопее близким к изоефетенйю по технической суидаости и достигаемо результату является способ абсолютного определения амплитуды давления акустической волны, заключающийся в том, что в среде возбуждают плоскую акустическую волну, регистрируют с поьюпцью преобразователя информативный параметр на частоте I возбужденной волны в двух точках среды, находя1кихся на фиксированном расстоянии 1 одна от другой в цаправлении распространения волны, и по измереннш параметрам рпредел}пот амплитуду давления возбуждаемой акустической волны. В качестве информативного пгфаметра выбирают фазу колебаний и по величине дмплитуды колебаний разности фаз в двух точках приема, возникаюошх вследствие акустической модуляции времени распространения волны за счет возбуждения в среде низкочасто ных плоских волн большой амплитуды, определяют амплитуду Р давления t2 Недостатке способа является сравнительно узкий да1апазон измеряемых амплитуд давления. Этр обуслов лено, прежде всего, имеющей место неоднозначностью отсчета девигщии фаэы а именно существует такое значение гмппитуды давления Р| , при котором сшплитуда колебаний фазы одна и та же при амплитудах давления акустической волны Р, Р+Р, Р+2Р, и т.д., т.е. однозначное определение амплитуды давления возможно лишь в диапазоие, не превьшающем Р„. Кроме того, на результаты изме . , - . . рений оказывает влияние дополнитель ный набег фазы вследствие акустичес кого ветра. Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых амплитуд давле ния и повьшение точиости. Указанная цель достигается тем, что согласно способу абсолютного v определения амплитуды давления акустической волны, заключающемуся в том, что в среде возбуждают плоскую акустическую волну, регистрируют с помощью .прео азователя информативный параметр на частуэте возбужденной волны в двух точках среди, иаходшцйхся на фиксированно расстоянии } одна от в направлении распространения волны, и по измеренным параметрам определяют амплитуду давления возбуждаемой акустической волны, в качестве информативного паpewerpa выбирают амплитуды принятых преобразователем сигналов, измеряют их на удвоенной частоте 2 , а амплитуду Р давления акустической волны расчитывают по формуле 1Р11)Р.1-Раг1%1 ) р -плотность среды; с -скоростьзвука в среде; -у -параметр нелинейности среды/ Р и РП -измеренные значения ампли туд сигналов на частоте ( м- 1 ) и 2(и- 2) в первой и второй точках приема. На чертеже изображена блоК-схема устройства дпя реализации способа. УстрЬйство содержит электроакустически последовательно соединенные генератор 1 гармонических колебаний, излучающий 2 и широкополосный принимающий 3 преобразователи, помещенные в 4, акустические параметры f , сиу которой известны, широкополосный усилитель 5 и спектроанализатор 6., Сущность способа заключается в следующем. в среде возбуждают, например, с помощью пьезопреобразователя плоскую акустическую волну. В силу нелинейности среды в последней возбуждается акустическая волна на удвоенной частоте, амплитуда которой зависит от амплитуды Р возбуждаемой волиа частоты и расстояния от излучателя. Затем широкополосным акустическим приемником осуществляется прием акустического сигнала в двух точках на расстояниях 1 и 1 от центра излучающего преобразователя, при этом выделяют, например, с помощью спектроанализатора и измеряют амплитуда р сигналов на частотеЕ и на частоте 2f. , Истинные значения амплитуд Щ на частоте и на частоте 2 и измеренные величины сигналов Ру, в каждой точке I связаш: соотношениеиР 10 МРаГ- Рао(е,-),(1) где tC неизвестный коэффициент пре образования тракта. Поскольку в каждой из точек приема на частоте 2 регистрируется не только амплитуда давления, обусловленная нелинейностью среяы, но и амплитуда давления Рц, обусловлвн Нёш нелинейностью излунгиоцего трак.та, (, наличием сигнала на частоте 2f, KOTOptaR, щгактнчески, всегда присутствует в ф(ф «РУемом излучающем преобразователем сигнале в TO4Kieix приема амплитуда сигнала на частоте 2{ равны Р се V Hiliilb оЧр - ioc ; 1так как для плоской волныТюСе.) Р,(еа)-Р. П ;жнимая во внимакие соотношения (2) и (3), истинное значение амплит ал Р давления акустической волны мо нр определить из соотноиюния П1г iriie - В об&1ем случае, когда излучаемая волна не является плоской, амшшту1да Р измеряе юго давления может быт определена из соотношения failPn-PteiPn) е 1Cf(4.1 где А - параметр, хгфакт изунций тип волны, причем А 2 для плоской волны, А сферической вол №1 и А « 2V R/RO для цялиидрической волны, R - (Ц + 1д)/2, Re- радиус излучаюсцего п| еобраэователя. Способ с помсяцью устройства осуществляют следующим образсял, С помощью генератсж а 1 электцжческих- сигналов и взлучакшсего преоб разователя 2, например, пьезокерамического, в.среде 4 возбуждают аку гаческую волну частоты . Перемеща фиемный пьезощ еобразователь 3 в игшравлении растфостранения акустический волны, осув|ествлякгт прием акустического сигнала, уси ливается широкополосным усилятел«м обеспечившощим одинаковое уснлеяие аигнгшов на частотах {- к 2, и с помощью спектроаналяз1атора б вы|деля ют и измеряют амплитуду (жгналов на частоте i и 2{. Значения амплитуд подставляют в формулу (1) я рассчящвают истинное давление акустической волны. Необходимо отметить, что работо- , способность способа не зависит от конфигурации преобразователя 3, так как от этого зависит л(т1ь коэффициент преобразования тракта, знание которого не является необходимым. OwiaKO при реализации способа необходимо обеспечить режим чисто бегущей волны, так как при наличии даже небольшой по амплитуде стоячей волш, амплитуда принятого сигнала может меняться по мере перемещения пре образователя 3 и фсфмула (1) несправедлива. Поэтому изготовлении преобразователя 3 в виде полой сферы или трубчатого цилиндра размеры его могут бытЬ| в принципе, любыми по сравнению с длиной волны, а при изготовлении преобразователя 3 а виде пластины следует либо размеры его делать меньше длишл волш1, так, чтоба не ffono стоячих волн, либо работать в режиме длинных имхтульсов (длительностью порядка 10 периодов высокого частотного заполнения) и измерения проводить по первому прошеда1ему импульсу, исключая многократно отраженные, например, путем временного стробирования. Способ, практически, не содержит ограничений на диапазон измеряемых величин. Максимальная атлплитуда давления акустической волны, котсчрую можно измерить определяется вьцраже ниемИ в случае ти-, ) пичном для гидрофизически;с, медицинских исследований {f 1 Мгц, 1 « 10 см, У 7 (вода) составляет . 3-10 Па. Минимальная амп 1итуда давления определяется динамическим диапазоном и уровнем шумов приемного тракта устройства, реализующего способ и для приведенных выше параметров составляет около 100 Па. Основным достоинством способа является возможность проведения измерений с высокой точностью без предварительной калибровки приемного тракта, а также его высокая помехозащищенность, так как на результаты измерений не влияет акустический ветер в среде, и практически не сказываются флюктуации частоты генератора. Следует также указать на возможность проведения измерений в импульсном режиме, поскольку акустический высокочастотный импульс в нелинейной среде ведет себя так же, как непрерывная волна, если в импульсе

51021954

укладывается много длин яолн. Необ- я среду непрерывной волны достаточно, ходимость проведения таких иэмегре- большой амплитуды давления часто НИИ обусловлена тем, что излучение приводит к кавитации.

СПОСОБ АБСОЛЮТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ. Амплитуда ДАВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСЮЙ ЮЛНЫ, заключающийся в том, что в вде возбуждают плоскую акустическую волну, регистрируют с помощью преобразователя информативный параметр на частотеf возбужденной волны в двух точках среды, находящихся на фиксированном расстоянии В. одна от другой в направлении распространения волны, и по измеренным параметрам определяют амплитуду давления возбуждаемой акустической волны, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых амплитуд давления и повыиения точности, в качестве информативного параметра выбирают амплитуды принятых преобразователем сигналов, измеряют их на удвоенной частоте 25, а амплитуду давления акустической волны расчитывают по формуле УС iPa-t|Pii-P afPn Р--1 ftSCJ l) Е где р - плотность среды; С - скорость звука в среде, У - параметр нелинейности среды/ f Ру, мРу, - измеренные значения ампли туд сигналов на .частоте (W 1) и 2.(