Устройство для определения частотной зависимости затухания акустических колебаний Советский патент 1990 года по МПК G01H1/06 

Изобретение относится к акустическим измерениям, может быть испопьзо- вано для регистрации частотных характеристик акустических трактов и оценки геометрических и физико-механических свойств материалов и сред по неравномерности их амплитудно-частотных характеристик при зондировании их акустическими колебаниями и является усовершенствованием изобретения по авт.св. № 1016692.

Целью изобретения является повышение точности измерения частотных отклонений коэффициента передачи акустического тракта путем измерения относительных частотных отклонений ко-

t

эффициента передачи тракта независимо от абсолютных напряжений фиксированной и переменной частот, коэффициентов преобразования звеньев электрических преобразовательных трактов и уровня акустических помех.

На чертеже представлена структурная схема устройства для определения частотной зависимости затухания акустических колебаний.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 фиксированной частоты, регулируемый усилитель 2 напряжения, автоматический переключатель 3, к второму входу которого подключен генератор 4 перемещенной частоты, акустический виброизлучатель 5, исследуемый акустический тракт 6, акустический преобразователь 7, усилитель 8, выполненный широкополосным, амплитудный детектор 9, усилитель 10 частоты переключений и синхронный детектор 11, выход которого через фильтр 12 нижних частот соединен с. управляющим входом регулируемого усилителя 2 напряжения.

Устройство содержит регулируемый аттенюатор 13, усилитель 14, амплитудный детектор 15, усилитель 16 частоты переключений, синхронный детектор 17, выход которого соединен с первым входом регистратора 18, второй вход которого соединен с генератором 4 переменной частоты. Выход амплитудного детектора 15 через фильтр 19 нижних частот соединен с первым входом дифференциального усилителя 20, второй вход которого соединен с источ ником 21 опорного напряжения, а выход - с управляющим входом регулируемого аттенюатора 13. Управляющие входы синхронных детекторов 11 и 17, а

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

также автоматического переключателя 3 соединены с выходом делителя 22 частоты, вход которого соединен с выходом генератора 1 фиксированной частоты. Второй акустический преобразователь 23 подключен к входу регулируемого аттенюатора 13.

Устройство работает следующим образом.

Выходное напряжение генератора 1 фиксированной частоты U4 Um4/1 + + У,/ cos /(x)0t уменьшается регулируемым усилителем 2 напряжения до уровня выходного напряжения генератора 4 переменной частоты Ux Um2/1 + + Сг/ cos /COt + Cf / . Коэффициент jp, учитывает относительные изменения амплитуды Um, под действием управляющего напряжения усилителя 2. а коэффициент относительные частотные изменения- амплитуды Umz. Фиксированная частота С00 генератора 1 является опорной, а переменная СО зондирующей, изменяющейся в диапазо- i не исследуемых: частот акустического

тракта 6. Выходное напряжение усилителя 2 напряжения и выходное напряжение генератора 4 подаются на входы автоматического переключателя 3, управляемого напряжением генератора 1 через делитель 22 частоты. Частота переключений переключателя 3 выбирается из условия Q «ОЭ . Пакеты электрических напряжений фиксированной частоты С00 и переменной частоты Сх) поочередно преобразуются в акус- i тические колебания излучателя 5, проходящие через исследуемый акустический тракт 6. Пакеты акустических колебаний фиксированной , cos(C00t+

+ ) ,(i+ p.(t-Ј,) + (&:) и

переменной tot+U)K,LU,rii(1 + fr )x (l+jf5 )cos (t-t|) + частот проходят акустический тракт 6. Коэффициент уз учитывает относительные частотные изменения коэффициента преобразования К( электрических колебаний в акустический сигнал, а параметр с, - временную задержку в процессе преобразования электрических колебаний в акустические. С помощью приемного акустического преобразователя 7 акустические колебания преобразуются в электрические

и,-К,(1 + р2 Кги„,( (t-V ) +

,|г(1-е)(1+)(1+у,жг(н

+ f4)tWcos a(t-ЈI-Јi) (2)

15520136

переменная составляющая стремится к нулю и устанавливается равенство

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для оценки свойств материалов по неравномерности их амплитудно-частотной характеристики при зондировании их акустическими колебаниями. Цель изобретения - повышение точности измерения путем измерения относительных частотных отклонений коэффициента передачи тракта независимо от абсолютных уровней напряжений фиксированной и переменной частот, коэффициентов преобразования элементов электрических преобразовательных трактов и уровня акустических помех. Среда зондируется акустическими пакетами фиксированной и переменной частот. Приемный сигнал усиливают, детектируют и подают на регистратор, где наблюдается также и зондирующая переменная частота. Цепи автоматического регулирования уровня пакетов и преобразований в каналах с первого 7 и второго 22 акустических преобразователей устраняют нестабильность зондирующих сигналов и уменьшают влияние акустических помех. 1 ил.

где { - коэффициент передачи акусти-

ческого тракта 6; К 2 - коэффициент обратного преоб- разования акустических колебаний в электрические; 6 - относительные частотные от- клонения коэффициента передачи акустического тракта 6; 4 коэффициент, учитывающий

относительные частотные изменения коэффициента акусто- электрического преобразования;

2 временная задержка акусто- электрического преобразования. Пакеты электрических напряжений U и U поочередно усиливаются широкополосным усилителем 8 и детектируются амплитудным детектором 9. При неравенстве пакетов напряжений на выходе детектора 9 образуется переменная составляющая напряжения частоты переключений Q. с амплитудой

Ut

30

К0 KoKlK(1 +

+fcHi+fJ(i+y4Ki+f5 i+e D,n2(ni,)(t),(3)

где KQ - коэффициент усиления уси- 35 лителя 8 на опорной частоте С00 ;

У5 - коэффициент, учитывающий неравномерн9сть амплитудно-частотной характеристи- 40 ки (АЧХ) усилителя 8; U(t) - случайное напряжение, учитывающее акустические помехи в зондируемом тракте 6.-45

Переменное напряжение И усиливается усилителем 10 частоты переключений и выпрямляется синхронным детектором 11. Фильтром,12 с большой 50 постоянной времени подавляются помехи U(t), выпрямленное напряжение поступает на управляющий вход регулиуемого усилителя напряжения о R результате автоматического регули- $5 рования коэффициента ( уравниваются амплитуды пакетов напряжений опорной и фиксированной частот на выходе амплитудного детектора 9. При этом

um, (1 + у,)ит2(1+)(1+у3)(ц- + p(n-fc)(i+6),(О

откуда

I (1 + РО+ Х1+дЧН1+ Н1+

Umz

+ Ј)

и

(5)

mi

Возбуждающие последующий тракт 6 акустические колебания а и аа преобразуются также в электрические колебанияt пропорциональные излучае-. мым акустическим колебаниям, и снимаются со второго электрода преобра- зователя 5, на выходе которого имеем

,(1 + y, )K2UM|cos Q, (t-C.-ti)

+ (6)

(1 + y2)(1+)Ka +

+ У) lWcos GO(t-fc,-c2)+(f. (7)

Пакеты электрических напряжениг U,- и U ослабляются аттенюатором 13 и усиливаются широкополосными усилителем 14. Начальное ослабление регулируемого аттенюатора 13 выбирается -примерно равным ослаблению акустических колебаний в тракте 6 на опорной частоте G50. Благодаря этому коэффициент усиления широкополосного усилителя 14 выбирается примерно равным коэффициенту усиления усилителя 8 и блоки электрических трактов 14-17 и 8-11 выполняются идентичными. Полагая частотные искажения в усилителях 8 и 14 одинаковыми, пакеты напряжений, детектируемые амплитудным детектором 15, имеют вид

, (1 + y,)K2K3K0 Um((t- (8)

,К2К3()(1+)(1 + )(1 + + (t-t)-Ј1)+, (9)

где К3 t - коэффициент передачи аттенюатора 13.

Постоянная составляющая продетек- тированного напряжения выделяется фильтром 19 нижних частот

Ua +Ui 1r.

uio22 ° 1 H-1

+гр(1+1Г5)(1+У4(1+у5)иго2+

+ (1 + У,)итГ.(Ю)

Напряжения U,0 и U0 источника 21 опорного напряжения сравниваются с помощью дифференциального усилителя 20, а разностное напряжение U,, К„(ио-U та) используется для регулировки коэффициента передачи аттенюа2U,

к0к, (Т+ У,) (

К

Переменная составляющая напряжения частоты Q на выходе амплитудного детектора 16

и ynUfi

и 2

U,

mi

(1+Ы(1+11Н1+1)()И| 1 1 1л1и

(Т+уГ) (1+г7) о) (Т+у7Титг+( 1+у, )и №;

Благодаря автоматическому регулированию коэффициента передачи дели-{

теля 2 и установившемуся значению ко- 30 эфициента у, получают

(1+Б)-1

U

о

(14)

«„ - -tt;ty7r и

е

2+6 «

(15)

оценивают частотную зависимость затухания акустических колебаний.

Из выражения (16) следует, что на результат измерения не влияет непостоянство выходного напряжения генератора перестраиваемой частоты ( уг), частотные изменения электро- В полосе пропускания акустического „ акустического ( jf}) и акустоэлектри- кта 6 относительные частотные ческого преобразований ()f4) и неравномерность частотной характеристики широкополосного усилителя (jfg)По сравнению с прототипом исключено влияние непостоянства уровней пакетов детектируемых напряжений ит,и итг, а также нестабильности коэффициентов усиления широкополосных усилителей и чувствительности

усиливается усилителем 15 часто- Д5 амплитудных детекторов и их частотных искажений на результат измерения. Это достигается благодаря введению в схему устройства дополнительного контура автоматического регулироватракта 6 относительные частотные изменения акустического коэффициента передачи невелики ( ). С учетом этого выражение (15) можно представить в виде

40

U

о

(16)

Переменная составляющая выражения

и,

ты Q. переключений и выпрямляется синхронным детектором 17. Выпрямленное напряжение поступает на один вход регистпатора 18, на другой вход которого подается выходное напряжение JQ генератора 4 переменной частоты. В результате этого регистрируются относительные частотные отклонения 6 коэффициента передачи Ч акустического

ния (блоки 13, 19, 20, 21).

При этом исключено влияние нестабильности коэффициента передачи введенного аттенюатора 13 (коэффициент Кэ) и нестабильности коэффитракта в функции частоты СО зондирую- циента передачи дифференциального

щих колебаний.

По зарегистрированным относительным частотным отклонениям коэффициента передачи акустического тракта

усилителя 20 (крэффициент К). Под ключение регулируемого усилителя напряжения через соответствующие электрические блоки (7-11)позволяет

тора 13. В результате автоматического регулирования коэффициента передачи аттенюатора 13 сравниваемые напряжения на входах дифференциального усилителя 20 уравниваются. В результате этого устанавливается равенство

1

- К.КЦП+У. +P(1 + y5 Umi+0 + f,)Um, U0. (11)

При этом коэффициент передачи аттенюатора 13 становится равным

(н

I

(12) + Уг)(И-у,)(1+)(1-)ит20

-d + fl,)um,

(13)

С учетом установившегося значения коэффициента передачи аттенюатора 13 имеют

i

U

о

(14)

ния (блоки 13, 19, 20, 21).

При этом исключено влияние нестабильности коэффициента передачи введенного аттенюатора 13 (коэффициент Кэ) и нестабильности коэффиусилителя 20 (крэффициент К). Подключение регулируемого усилителя 2 напряжения через соответствующие электрические блоки (7-11)позволяет

с помощью фильтра 12 нижних частот с большой постоянной времени снизить влияние акустических помех в исследуемом тракте 6, а регистрацию частотной зависимости затухания акустических колебаний осуществлять по возбуждающим электрическим колебаниям, в которых отсутствуют акустические помехи.

Формула изобретения

Устройство для определения частотной зависимости затухания акустических колебаний по авт.св. № 1016692, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабже0

c

но регулируемым аттенюатором, включенным между выходом второго приемного акустического преобразователя и входом усилителя, дифференциальным усилителем, подключенными к его входам выходами источником опорного напряжения и первым фильтром нижних частот, вход которого связан с входом второго усилителя частоты переключений, и вторым фильтром нижних частот, включенным между выходом первого синхронного детектора и управляющим входом регулируемого усилителя напряжения, а выход дифференциального усилителя подключен к управляющему входу регулируемого аттенюатора.