Устройство для измерения скорости ультразвуковых волн Советский патент 1988 года по МПК G01H5/00 

00 00 4ik. СО

Од

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью ультразвуковых колебаний и может быть лрименено для измерения скорости акустических волн в средах с большим затуханием.

Цель изобретения - повьшение точности измерения скорости распространения ультразвуковых волн в средах Q с большим затуханием за счет повышения отношения сигнал-шум.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - эпюры напряжений и законы 15 изменения частот сигналов, поясняющие работу устройства..

Устройство содержит последовательно соединенные модулятор 1, высокочастотный генератор 2 перестраивае- 20 мой частоты, усилитель 3 мощности, излучающий преобразователь 4, измерительную камеру 5, приемный преобразователь 6, усилитель 7 напряжения, смеситель 8, фильтр 9 нижних частот, 25 аналого-цифровой преобразователь 10, вычислитель 11 и индикатор 12. Выход высокочастотного генератора 2 перестраиваемой частоты соединен с перплитуде режим работы смесителя 8, подается на второй вход смесителя 8 на первый вход которого поступает сигнал с выхода высокочастотного ге нератора 2 перестраиваемой частоты. Частота полезной компоненты сигнала

(f и f. на фиг. 2а), присутствующего на втором входе смесителя 8, и меняется по тому же закону, что и частота излучаемого сигнала (f, на фиг. 2а), присутствующего на первом входе смесителя 8, однако полезная компонента сигнала, присутствующего на втором входе смесителя 8, запаздьгаает на величину с (фиг.2а) отно

о сительно сигнала, присутствующего н

первом входе смесителя 8. В результ те перемножения этих сигналов на вы ходе смесителя 8 образуется преобра зованньй сигнал, частота которого fg. |fp-fc/ (фиг. 26) пропорциональна величине Г, . Различным временам распространения акустических волн будут соответствовать различные зна чения частот fj- . Амплитуда преобра зованного сигнала возрастает при ре зонансе в исследуемом веществе, ко- торьй наступает в том случае, когда

вым входом смесителя 8, а второй вход 30 длине измерительной камеры, затьм

13849612

плитуде режим работы смесителя 8, подается на второй вход смесителя 8, на первый вход которого поступает сигнал с выхода высокочастотного генератора 2 перестраиваемой частоты. Частота полезной компоненты сигнала

(f и f. на фиг. 2а), присутствующего на втором входе смесителя 8, изменяется по тому же закону, что и частота излучаемого сигнала (f, на фиг. 2а), присутствующего на первом входе смесителя 8, однако полезная компонента сигнала, присутствующего на втором входе смесителя 8, запаздьгаает на величину с (фиг.2а) отноосительно сигнала, присутствующего на

первом входе смесителя 8. В результате перемножения этих сигналов на выходе смесителя 8 образуется преобра- зованньй сигнал, частота которого fg. |fp-fc/ (фиг. 26) пропорциональна величине Г, . Различным временам распространения акустических волн будут соответствовать различные зна-. чения частот fj- . Амплитуда преобразованного сигнала возрастает при резонансе в исследуемом веществе, ко- торьй наступает в том случае, когда

Изобретение относится к области исследования материалов и предназначено для измерения скорости ультра- звуковьк волн в средах с большим затуханием. Цель изобретения - повыше ние точности измерения скорости ульт- развуковЬгх волн за счет повьшения отношения сигнал-шум. В устройстве кроме измерения скорости по интервалу времени между максимумами огибающей преобразованного сигнала, соответствующими резонансам излучаемых частотно-модулированных ультразвуковых волн, в измерительной камере с исследуемым материалом проводится измерение скорости по задержке распространения ультразвуковых волн, когерентное накопление реализаций квантованного по амплитуде и во времени преобразованного сигнала, повьпиающее отношение сигнал-шум, а также спектральный анализ усредненной реализа- ции преобразованного сигнала с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье. 2 ил. i (Л С

аналого-цифрового преобразователя 10 соединен со вторым выходом модулятора 1.

Устройство работает следующим образом.

В модуляторе 1 формируется аналоговый сигнал пилообразной формы, поступающий на высокочастотный генератор 2 перестраиваемой частоты и изменяющий его частоту по закону несим- метричной пилы (fp на фиг. 2а). ... Электрический сигнал с выхода .высокочастотного генератора 2 перестраиваемой частоты, усиленный усилителем 3 мощности, поступает на излучающий преобразователь 4, установленньй в измерительной камере 5. Излучающий преобразователь 4 Преобразует электрический сигнал в акустический, который распространяется в исследуемом веществе и воздействует на приемный преобразователь 6. На выходе приемного преобразователя 6 вьщеляется электрический сигнал, представляющий аддитивную смесь шумовой и полезной компонент. Выходной сигнал приемного преобразователя 6, усиленньй усилителем 7 напряжения до необходимой величины, обеспечивающей линейньй по ам5

0

5

0

5

полняемой исследуемым веществом, укладывается целое число ультразвуковых полуволн зондирующего сигнала. Сигнал, образующийся на выходе смесителя 8 (фиг. 2в - случай малого затухания акустических волн, фиг.2г - случай большого затухания акустических волн), фильтруется фильтром 9 нижних частот, полоса которого выбрана таким образом, чтобы пропустить преобразованньм сигнал с широким диапазоном fJ. (что соответствует широкому диапазону скоростей продольных волн исследуемых веществ), не искаженным по амплитуде, и не пропускать сигналы с частотами f, f, f f и другими комбинационными составляющими. С выхода фильтра 9 нижних частот преобразованный сигнал (фиг.2в и 2г) подается на аналого-цифровой преобразователь 10, на второй вход которого поступают импульсы тактовой частоты со второго выхода модулятора 1 (фиг. 2д), осуществляющие дискретизацию преобразованного сигнала во времени. В момент действия импульсов тактовой частоты происходит квантование преобразованного сигнала по амплитуде (фиг. 2е). Отсчеты сигнала

в цифровой форме поступают в вычислитель 11. В вычислителе 11 осуществляется цифровая обработка реализаций преобразованного сигнала биений, результаты которой отображаются на экране индикатора 12.

Цифровая обработка осуществляется следующим образом. На первом этапе делается когерентное накопление реализаций преобразованного сигнала по периодам модуляции для увеличения отношения сигнал/шум до уровня, обеспечивающего заданную точность измерения. На втором этапе осуществляется измерение продольных волн по временному интервалу между соседними максимумами огибающей квантованного преобразованного сигнала, которые соответствуют соседним акустическим ре- зонансам продольных волн в исследуемом веществе. Полученная при этом оценка скорости используется в дальнейшем для идентификации спектральной составляющей, которая соответствует пришедшей через исследуемое вещество продольной волне. На третьем этапе усредненньй квантованный во времени и по амплитуде преобразованный сигнал .подвергается спектральному анализу с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье с целью увеличения- точности оценки скорости продольных волн.. Результаты обработки отображаются на индикаторе 12.

Измерение дополнительного информационного параметра - задержки распространения упругих колебаний - осуществляется совместно с когерентной обработкой реализаций преобразованного сигнала, повышающей отношение сигнал-шум, и, следовательно, точность измерений. Кроме того, осуществляется измерение скорости продоль - ной волны по соседним максимумам огибающей преобразованного сигнала соответствующим резонансам продольной волны в исследуемом веществе или горной породе. Эта оценка скорости используется для идентификации информативной спектральной составляю - щей при спектральном анализе преобразованного сигнала, что обеспечивает высокую достоверность измерений.

Измерение дополнительного информационного параметра приводит к тому, что нестабильность коэффициентов уси ления и фазовых характеристик блоков (узлов) не влияют на точность изме

5

рений, так как информационный параметр связан с частотой преобразованного сигнала.

Частота преобразованного сигнала fJ связана со скоростью V акустических волн в исследуемом веществе соотношением

(1)

где у

uFi

йЬ крутизна изменения частоты излучаемого сигнала; геометрическая длина, расстояние между принимающим и излучающим преобразователями;девиация частоты зонди0

5

Т U

рующего сигнала, & F,

1

M

период модуляции зондирующего сигнала.

Потенциальная точность определения скорости акустических волн(5„от(У) с использованием дополнительного информационного параметра - времени Т, задержки распространения упругих колебаний, при большом индексе модуляции определяется соотношением

c..(v)V2

.(fr)4- « nor p-ITF Tq

(2)

5

0

5

0

5

где С- пот и (Г

Пот

Сгг)

(ff)

- соответственно точности определения частоты преобразованного сигнала и задержки Ci. Из (2) следует, что точность тем выше, чем больше отношение сигнал- шум и полоса частот излучаемого сигнала (при большом индексе модуляции полоса линейно-частотного модулированного сигнала равна его девиации). Величина ЛЕл ограничена полосой пропускания пьезопреобразователей. Поэтому в устройстве высокая точность измерения скорости обеспечивается наряду с использованием наиболее широкополосных пьезопреобразователей путем увеличения отношения сигнал- шум. Для этого осуществляется когерентное накопление реализаций преоб- ра зованного сигнала длительностью в один период модуляции излучаемого сигнала. Реализация сигнала на выхо- .де смесителя 8 (большое затухание уп-- ругих колебаний на фиг. 2г) представляет собой аддитивную сумму полезной составляющей преобразованного сигнала, повторяющуюся в каждом периоде модуляции и шумовой компоненты, источниками которой являются собственный тепловой шум приемного тракта (усилителя 7 напряжения и смесителя 8) и акустический шум исследуемой среды. Известно, что внут- риприемньш шум является стационарным нормальным белым шумом. Относительно акустического шума известно, что спектр его занимает диапазон частот от единиц герц до единиц мегагерц. Полоса пропускания по уровню 0,707 приемного преобразователя 6, который является совместно с излучающим преобразователем 4 самым узкополосным звеном в тракте формирования и приема высокочастотного частотно-модулированного сигнала, имеет в устройстве значение 500 кГц. Таким образом, акустический шум можно считать стационарным нормальным белым шумом с нулевым средним. При таких условиях обеспечивается эффективное накоплени преобразованного сигнала. Увеличение отношения сигнал-шум прямо пропорционально количеству усреднений преобразованного сигнала биений по периодам модуляции. Накопление уда- ется выполнить благодаря тому, что фазовая структура преобразованного сигнала жестко синхронизирована с пачками тактовых импульсов, постулаю пщх с модулятора 1 на.аналого-цифровой преобразователь 10.

В усредненной по периодам модуляции реализации преобразованного сиг- вала алгоритм находит два соседних максимума огибающей. По этим максимумам, соответствующим резонансам акустических волн в исследуемом веществе, определяют скорость продольных акустических волн. Вычисление осуществляют по формуле

,(3)

где Т - временной интервал между максимумами преобразованного сигнала, определяемый по формуле At,

где N - число точек между максимумами огибающей преобразованного сигнала;

ut - временной дискрет между отсчетами реализации преобразованного сигнала (определя- ется частотой тактовых импульсов) .

е-

849616

Произведя таким образом грубую оценку скорости продольных волн, далее преобразованный сигнал подвергают

с спектральному анализу с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье, в результате чего получают линейчатый спектр реализации преобразованного сигнала. При этом реальные час10 тоты fy; спектральных компонент преобразованного сигнала связаны с нормализованными частотами fj слектра соотношением

f5; fi/&t.(4)

15 Для обеспечения высокой точности рценки частоты с помощью быстрого преобразования Фурье увеличивается число точек в.анализируемой реализации преобразованного сигнала за счет

20 нулевых расчетов, что приводит к получению интерполированных оценок спектральных компонент и, кроме того, уменьшается интервал &t дискретизации во времени преобразованного сигнала

25 в аналого-цифровом преобразователе 10.

Поскольку преобразованный сигнал является многокомпонентным из-за того, что в исследуемой среде распространяются колебания различных типов

30 (продольные, поперечные и прочие колебания) , то в результате спектрального анализа получается набор оценок задержек распространения упругих колебаний:

г. f „ . --Й-(5)

I - Р Т1 Ч- /

О, йЪл

На следующем этапе используется оценка скорости продольной волны, полученная из анализа временного положения резонансных максимумов оги-.. бающего преобразованного сигнала, для идентификации спектральной составляющей, связанной с продольными упругими колебаниями. В случае резко 45 неоднородной среды (что характерно для горных пород) принимается во внимание тот факт, что продольная волна имеющая самую высокую скорость, об.о- значится в спектре преобразованного сигнала как первый спектральный мак-

по- ,

35

40

50

55

симум на частоте f. Вычислив с мощью соотношений (4) и (5) задержку , соответствующую данной частоте ff, скорость продольной волны определяю1Т по формуле

,, (6)

где Р - расстояние между излучающим и принимающим преобразователями, считается известным.

В спектре сигнала биений содержится также информация о скорости ультразвуковых волн других типов, идентификация этих волн связана с конкретным исследуемым веществом.

Результаты отображаются на индикаторном устройстве в виде графического изображения спектра преобразованного сигнала и числовых данных, соот- ветствующих измеренным значениям продольной скорости.

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости ультразвуковых волн, содержащее измерительную камеру, высокочастотный генератор перестраиваемой частоты, излучакнций и приемный преобразователи, установленные в измерительной камере, усилитель напряжения, вход которого подключен к выходу приемноп

5

0

го преобразователя, и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности измерений для сред с большим затуханием, оно снабжено модулятором, усилителем мощности, последовательно соединенными смесителем, фильтром нижних частот, аналого-цифровым преобразователем и вычислителем, выход высокочастотного генератора перестраиваемой частоты соединен с первым входом смесителя и с входом усилителя мощности, выход которого подключен к входу излучающего преобразователя, первый выход модулятора соединен с входом высокочастотного генератора перестраивае- мой частоты, второй выход - с вторым входом аналого-цифрового преобразователя, выход вычислителя подключен к входу индикатора, а выход усилителя напряжения - к второму входу смесителя .

- 7

11

12

Фиг.1