Установка для исследования нерезонансных взаимодействий акустических волн Советский патент 1990 года по МПК G01N29/04 

Фиг1

Изобретение относиггя к нелинейной акустике и может быть использовано для исследования физико-механических свойств материалов, например для измерения индекса фазовой модуляции звуковой волны при определении модулей упругости третьего порядка.

Цель изобретения состоит в расширении диапазона исследуемых веществ путем устранения влияния переотраженных от граней образна акустических волн на результаты измерении.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на Фиг. 2- схема блока фильтров , на фиг. 3 - временная диаграмма излучаемого и принимаемых ЛУМ сигналов , на, фиг.4- график спектров электрических сигна-1 лов, поясняющих, работу устройства.

Установка для исследования нере- зонйноных взаимодействий акустических волн содержит последовательно соединенные генератор 1 гармонического низкочастотного и излучающий акустический преобразователь 2, предназначенный для установки на поверхности прямоугольного образца 3 исследуемого материала, второй излучающий акустический преобразователь 4 и приемный преобразователь 5, предназначенные для установки на поверхность образца 3 на его противоположных гранях, перпендикулярных плоскости установки первого излучающего акустическо го преобразователя 2, вольтметр 6 и подключенной к выходу приемного преобразователя полосовой 4итьту 7, те- нератор 8 линейно-частотно-модулированного сигнала и последовательно соединенные перемножитель 9 и блок 1 и фильтров, выход которого подключен к входу вольтметра 6, первый выход генератора 8 линейно-частотно-модулй- ровэнного сигнала подключен к входу второго излучающего акустического преобразователя 4, второй выход - к первому входу перемножителя 9, второй вход которого подключен к выходу полосового Фильтра 7.

Блок 10 фильтров (фиг.2) содержит первый 11, второй 12 фильтры и ключ 13, причем выход первого фильтра 1 соединен с первым входом, а выход второго Фильтра 12 - с второым входом ключа 13, выход 14 КОТОРОГО служит выходом блока 10 фильтров, а входы первого 31 и ВТОРОГО 1 фильтров объединены и служат входом блока 10 фильтров.

Установка работает следующим образом.

Линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) импульсы вида

U0 U0cos(Q0t + l/2St)Ъ , Јu ,

(О

где U - амплитуда зондирующего импульса,

,, WB-WM

Центральная частота ЛЧМ-импульса,

H)G3B- нижняя и верхняя частоты ЛЧ -импульса, соответственно;

S - скорость изменения мгновенного значения частоты ЛЧМ-импульса.

со чскважностью Q 1 поступают с вьгкп- да генератора 8 ЛЧМ-сигнала на второй излучающий преобразователь 4, имеющий равномерную амплитудно-частотную характеристику в диапазоне частот ЛУМ игнала. Сигнал (J), преобразованный в упругое колебание, распространяется в исследуемом образце 3 в направлении приемного преобразователя 5 с параметрами, аналогичными параметрам излучаюшего преобразователя 4. С генератора 1 гармонического низкочастотного сигнала сигнал вида

1Ц U cosSlt

(2)

поступает на первый излучающий преобразователь 2, создаюший в исследуемом образце 9 стоячую волну, которая из- за нелинейности образца модулирует по фазе распространяющийся ЛЧМ-сигнал, который, к тому же, приобретает задержку на время L/C, обусловленное конечной скоростью (С) распространения ультразвуковых волн в исследуемом образце 3, и после преобразования приемным преобразователем 5 принимает вид

Hi U2cos uot + (t -fyt +

(ъ) + msin(,S2t + Ч)1Часть энергии акустической волны отражается от границ образца и преоб5 15696976

разуется приемным преобразователем 5г 1 . Л . . ,

в электрическое напряжение вида (3),tt UcosLWot + 2S (t 9 t +msin(nt +

но с другим временем задержки j г Л

(2,+1), индексом модуляции Ucos t S (t - Oj) tj + начальной фазой cfn , где п - номер

переотраженного сигнала.+ -U cos CO t + -S(t -Јi) t +

На фиг.З изображена временная диа-

грамма, иллюстрирующая изменение 1 г

времени частоты излучаемого 16, ин-JQ м 2 №COSL ° ,.

формационного 17 и переотраженных 18 с А - 4-1

и 19 сигналов. + (t )t -Jlt-q j

Таким образом, на выходе приемного преобразователя 5 имеет место сум-т.е. каждое слагаемое выражения (4) ма напряжений15 можно разложить на составляющие вида

оо(5). Для упрощения математических

U 11 U cosjcOot +выкладок берут из суммы напряжений

(4), кроме информационного сигнала

Изобретение относится к области нелинейной акустики и может быть использовано для исследования физико-механических свойств материалов, например для измерения индекса фазовой модуляции звуковой волны при определении модулей упругости третьего порядка. Цель изобретения состоит в расширении диапазона исследуемых веществ путем устранения влияния переотраженных от граней образца акустических волн на результат измерений. В устройстве с помощью преобразователя 4 осуществляется зондирование исследуемого образца 3 высокочастотными акустическими импульсами с линейной частотной модуляцией, которые модулируются по фазе низкочастотным акустическим полем, создаваемым преобразователем 1. На выходе приемного преобразователя 5 осуществляют фильтрацию низкочастотного сигнала, перемножение полученного сигнала с зондирующим сигналом и измерение величины низкочастотных колебаний, выделяемых блоком 10 фильтров, по которым судят об индексе фазовой модуляции акустической волны другой акустической волной при их нерезонансном взаимодействии. 4 ил.

+ As(t -)t + sinm(nt + tf) первь й переотраженный сигнал Т1„

zоЛ этот сигнал можно отфильтровать,,

сог-,остальные переотраженные сигналь

+ 51Tu2r,cos + о I fc +отфильтровываются аналогично:

+ mnsin(SZt Иг + U U,, +

1 Л1Г

и напряжение с частотой низкочастот- . +-S(t + С. ) tl + -U2mcos I Uc

нпй ГТПЯЧРЙ кппны О. Мгнгсярнный ГСТРКТПО

о t +

ной стоячей волны Ј2. Мгновенный спектр суммарного напряжения в произвольный

момент времени t изображен на фиг.4а.+ -S (t +ч) t +Qt+M - ( Это суммарное напряжение с выхода 30,, -, приемного преобразователя 5 доступа-- UЈmcos G)0t + nt J ет на вход полосового фильтра 7, имеющего равномерную амплитудно-частот-+ ц cos Ги t +-S(t -С )t + ную характеристику в диапазоне час--1 L 2, 3-1 тот принимаемого JIW-сигнала. 35Г 1 л 1

На выходе Фильтра 7 имеет местоиг. m icos woс +128 +nt

сумма напряжений (4) , а низкочастот-Г Г 1 л 1

ная составляющая с частотой Q отфилът-- .t с ровывается спектр изображен на

Фиг.4б). 40Напряжение (6) с выхода фильтра 7

Таким образом, на выходе Фильтрапоступает на первый вход перемножите7 имеется сумма ЛЧМ-сигналов, кото-ля 9 на второй вход которого постурые из-за разного времени задержки впает сигнал (J) с генератора 8 ЛЩобразце - Ц, 3tj, 5. . .имеют разные зна- сигнала (мгновенный спектр изображен

чения мгновенной часто ты, отличающй- 45на фиг.4в). Учитывая коэффициент пееся на 2п2§, где Qg 1/28 «,- час-ремножения K перемножителя 9, кототота биений, причем QJ Я.РЫЙ должен иметь равномерную амплиИспользуя то, что ЛЧМ-сигнал, име-тудно-частотную характеристику в диающий большую базупазоне ЛЧМ-сигнала, записьтают сигнал

л lf. 50на его выходе

в С-ц(со6-ан) юс,

1Ц К,,иои4со8 8 0 +

можно рассматривать в каждый момент

времени как гармонический сигнал,и, 551

учитьшая, что для большинства твер-+ K(U0Utcos (2Q0t + St - o t)

дых сред m 1, этот сигнал можно

представить в виде суммы трех спект-+-K1U0Uimcos Г( О. +

ральных составляющих c

о t +

+ 4K,U0Uafflcos(2co0t+S.t 2S cj t + + Q t +40 - KJ|U0U2iPCos (& +

fc)t + ( K,(2Q0t н

I.

+ st -Qt -ЦО

+ К,иоиг,совфСу:) +

(7) 15

+ -2К и0игсо8(2сЭ + StZ - ) +

С выходов фильтров 11 и 12 (фиг напряжения (8) и (9) поочередно поступают через ключ 13 на выход блок 30 фильтров, который подключен к вх ду вольтметра 6, с помощью которог производится измерение амплитуды напряжений 1Ц. и Ц.. Разделив напр жение U на Ug., получают для инд 25 са фазовой модуляции рабочую формул

20

9КЭ Uf

m к тТ Kz U5

(10)

+ jK U0Tjft1n.1cos(Q--|s)t + + ,,008( + S/ - |sty 4+ Qt +if,) - |K Li0U/2lm,cos(Q + + |s)t+ K,,x

/

cos(2(00t Stu-|s t -if,).

Спектр полученного напряжения показан на фиг.4г. Сумма напряжений

(7) с выхода перемножителя 9 посту- торые определяются при градуИрОВКе пает на вход блока 10 фильтров, один JJ няиягтпы „вм(априиЛ. ППТГ,ОП,ОР из которых П (фиг.2) настроен на частоту (Q - Q.J}) и имеет добротность, остаточную для подан 1енкя бл.уайших спектральных составляющих (Q+C2j) и (Si- 3Qg) более чем на 40 дБ. Тогда на выходе полосового фильтра 1 1, имеющего коэффициент передачи в полосе пропускания К2 имеют

тц |к,кйиаи0т.сов ш-ЯуН +ч

U4cos Q-Q§)t + tf ;(8)

Таким образом, для вычисления ин 30 декса фазовой модуляции необходимо измерить амплитуду напряжения Ц,, Ц на выходе блока 10 Фильтров пр разных положениях ключа 13 и коэфф циенты передачи фильтров 11 и 12, торые определяются при градуировке перед началом измерений. Погрешнос определения коэффициента передачи Фильтра равна

40

4А Аи6 , к uw

Д U

(П)

вых

45

где U6X и

U Вы)( - входное и выходное нап жения фильтра на рабоч частоте.

Общая аппаратурная погрешность измерения индекса модуляции равна

ди

Am UKg К2

&Кз

ДЦ.Г

где U4 -тК(Кги2и0т - амплитуда

напряжения на выходе фильтра И в блоке 10 фильтров. Спектр колебания (8) изображен ча фиг.4д.

Сумма напряжений (7) с выходаi перемножителя 9 поступает также на вход полосового фильтра 12, настроен

ного HO частоту С5Ји подавляющего остальные спектральные составляющие с кратными частотами 3QЈ, 597,..., более чем на 40 дБ. Тогда на выходе Фильтра 12 с учетом его коэффициента передачи К получают

U,5 -|K K3U0U cosS Јt (9)

,

где U,-- - амплитуда напряжения на выходе Фильтра 12 в блоке 10 фильтров. Спектр колебаний (9) изображен на фиг . 4е.

С выходов фильтров 11 и 12 (фиг.2) напряжения (8) и (9) поочередно поступают через ключ 13 на выход блока 30 фильтров, который подключен к входу вольтметра 6, с помощью которого производится измерение амплитуды напряжений 1Ц. и Ц.. Разделив напряжение U на Ug., получают для индек- са фазовой модуляции рабочую формулу

9КЭ Uf

m к тТ Kz U5

(10)

торые определяются при градуИрОВКе няиягтпы „вм(априиЛ. ППТГ,ОП,ОР

Таким образом, для вычисления ин- декса фазовой модуляции необходимо измерить амплитуду напряжения Ц,, и Ц на выходе блока 10 Фильтров при разных положениях ключа 13 и коэффициенты передачи фильтров 11 и 12, которые определяются при градуировке перед началом измерений. Погрешность определения коэффициента передачи Фильтра равна

торые определяются при градуИрОВКе няиягтпы „вм(априиЛ. ППТГ,ОП,ОР

4А Аи6 , к uw

Д U

(П)

вых

торые определяются при градуИрОВКе J няиягтпы „вм(априиЛ. ППТГ,ОП,ОР

5

где U6X и

U Вы)( - входное и выходное напряжения фильтра на рабочей частоте.

Общая аппаратурная погрешность измерения индекса модуляции равна

ди

0

Am UKg К2

m

&Кз

К3

U,

ДЦ.Г

Uc

(12)

При использовании для градуировки и измерений вольтметра типа ВЗ-24 общая аппаратурная погрешность сос- тавляет зв 2%, что не превышает погрешность прототипа.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство позволяет устранить влияние переотраженных от гра

ней образца сигналов на измеряемую величину индекса Фазовой модуляции, тем самым нет необходимости подбирать образцы с большим затуханием, уменьшающим величину переотраженных сигналов. Следовательно, диапазон используемых для измерений образцов расширяется.

Кроме того, обработка информаци-. о нного сигнала переносится в низкочастотную область, и аппаратурная реализация устройства упрощается.

Формула изобретения

Установка для исследования нерезонансных взаимодействий акустических волн, содержащая последовательно соединенные генератор гармонического низкочастотного сигнала и излучающий акустический преобразователь, предназначенный для установки на поверхности прямоугольного образца исследуемого материала, второй излучающий акустический преобразователь

0

5

и приемный преобразователь, предназначенные для установки на поверхности образца на его противоположных гранях, перпендикулярных плоскости установки первого излучающего акустичег ского преобразователя, вольтметр и подключенный к выходу приемного преобразователя полосовой фильтр, о т- лич ающаяся тем, что, с целью расширения диапазона исследуемых веществ путем устранения влияния переотраженных от граней образца акустических сигналов на результаты измерений, она снабжена генератором линейно-частотно-модулированного сигнала и последовательно соединенными перемножителем и блоком Фильтров, выход которого подключен к входу вольтметра, первый выход генератора линейно- частотно-модулированного сигнала подключен к входу второго излучающего акустического преобразователя, второй выход - к первому входу перемножителя, второй вход которого подключен к выходу полосового фильтра.

uH

й$

и),

«z

/5 77