Способ определения нелинейного акустического параметра среды Советский патент 1992 года по МПК G01N29/00 

жна пройти расстояние, превышающее длину низкочастотной волны.

Еще одним недостатком способа является его сложность, обусловленная необходимостью излучения в исследуемую среду трех акустических волн и приема двух акустических сигналов.

Другой способ определения параметра нелинейности основан на измерении уровня второй гармоники, генерируемой в среде при облучении ее плоской акустической волной частоты f. Нелинейный параметр определяют по соотношению амплитуд давлений на частотах f и 2f.

Недостатком этого способа является низкая точность, связанная с тем, что наряду с второй гармоникой, генерируемой исследуемой средой и определяемой ее нелинейным параметром, образуется также паразитная вторая гармоника в излучателе и приемнике. В измеренную амплитуду акустического давления на частоте входят как полезная, так и паразитная составляющая второй гармоники, что приводит к ошибке в измерениях и, следовательно, к снижению точности. Точность также снижается при уменьшении линейных размеров исследуемой среды, поскольку уменьшается уровень второй гармоники, генерируемой средой,и увеличивается относительный уровень паразитной второй гармоники.

Наиболее близким к изобретению является способ, включающий облучение исследуемой среды, сформированной в виде плоскопараллельного слоя и помещенного для акустического согласования в дополнительную жидкую среду, импульсом нормально падающей плоской акустической волны и измерение уровня второй гармоники в волне, распространяющейся от исследуемой среды в обратном направлении по отношению к излученной волне. Нелинейный параметр определяют по соотношению амплитуд акустических давлений на частоте f и 2f.

Недостатком этого способа является низкая точность, обусловленная тем, что несмотря на выполнение условий акустического согласования исследуемой и дополнительной сред, коэффициент отражения по второй гармонике от плоскопараллельного слоя оказывается хотя и малым, но конечным. Вследствие этого ослабления паразитная вторая гармоника, образовавшаяся в излучателе и дополнительной среде, отражаясь от слоя вместе с полезным сигналом также попадает на приемник, что приводит к ошибке измерения полезной составляющей, и. следовательно, к низкой

точности измерения нелинейного акустического параметра.

Цель изобретения - повышение точности.

5Поставленная цель достигается тем, что

согласно способу определения нелинейного акустического параметра среды, заключающемуся в том, что облучают исследуемую среду с параллельными противоположными

0 поверхностями импульсами нормально падающей плоской акустической волны через промежуточную среду, принимают переизлученные исследуемой средой акустические колебания и определяют искомый параметр

5 с учетом амплитуды излучаемых через промежуточную среду импульсов, в качестве промежуточной среды выбирают твердую среду с акустическим импедансом, большим акустического импеданса исследуемой среды, расстояние между поверхностями исс0 ледуемой среды выбирают кратным длине излучаемой волны в этой среде, расстояние LOT поверхности исследуемой среды до границы промежуточной среды выбирают из условия

5L GT/2(1)

где С - скорость звука в промежуточной среде;

Т - длительность импульса, а переизлученные колебания принимают на

0 частоте, равной половине частоты излучаемого сигнала.

Сущность изобретения заключается в создании условий в акустическом резонаторе, при которых возникает пороговая

5 генерация колебаний на частоте f/2 при возбуждении резонатора на частоте f.

Для этого исследуемую среду, сформированную в виде плоскопараллельного слоя, помещают в дополнительную твердую

0 среду, через которую облучают исследуемую среду нормально падающим на нее импульсом плоской акустической волны. Следует отметить, что принципиально необходимо отсутствие зазора между исследуемой

5 и дополнительной средами. Для исключения влияния отражений волны от границ системы (дополнительной среды), и тем самым устранения в ней резонатора с мягкими границами, где субгармоника не возбужда0 ется, длительность Т импульса облучаемой волны выбирают из условия Li,2 % СТ/2, где Li,2 расстояния от слоя до внешних границ дополнительной среды (внутренними границами являются границы дополнитель5 ной среды, прилегающие к плоскопараллельному слою). Импеданс дополнительной среды выбирают больше импеданса исследуемой, при этом плоскопараллельный слой представляет собой акустический резонатор с жесткими границами. При возбуждении такого резонатора на одной из его четных собственных частот

f f2n Co/d-n(2)

и превышении амплитуды волны накачки критической, так называемой пороговой амплитуды, в спектре его колебаний скачком (резко) появляется составляющая на частоте f/2 f2n/2 fn, которая также является собственной частотой резонатора. В спектре падающей на слой волны составляющая на этой частоте вообще отсутствует (в отличие от высших гармоник, обусловленных нелинейностью излучателя и дополнительной среды в прототипе).

Пороговая (минимальная) амплитуда деформации е0 волны накачки в дополнительной среде, при которой появляются колебания в слое на частоте f/2, определяется выражением

г- /г

(3)

Со/С

Со -

уяп22

-г PC

где Z -fy- , РО о

р- плотность промежуточной среды;

У,/ЭО,СО - параметр нелинейности, плотность и скорость звука исследуемой среды.

Поскольку в спектре излучаемого сигнала составляющая на частоте f/2 отсутствует, в дополнительной среде, где реализуется режим бегущей волны, она также родиться не может, то ее появление однозначно говорит, что она появилась в резонаторе - исследуемой среде - и обусловлена нелинейностью исследуемой среды. Следует отметить, что волна на частоте f/2 может приниматься приемником по любую сторону от слоя.

Из выражения (3) следует формула, позволяющая рассчитать нелинейный акустический параметр: . Со/С

Л П Бо Z

(4)

Достоинством способа является то, что в нем в отличие от прототипа, в котором необходимы измерения амплитуд на двух частотах f и 2f, проводится лишь одно измерение на частоте f накачки.

На чертеже изображена блок-схема одного из вариантов устройства, с помощью которого может быть реализован предложенный способ.

Исследуемая среда 1, представляющая собой плоскопараллельную пластину (слой), жестко закреплена в дополнительной твердой среде 2, изготовленной, например, в виде двух одинаковых стержней,

Для обеспечения акустических контактов твердой исследуемой и дополнительной сред они должны быть жестко скреплены. Это обеспечивается, например, склеивани5 ем или механическим креплением. При исследовании жидких сред исследуемой жидкостью заполняется пространство между дополнительной средой. При использовании в качестве дополнительной среды

10 указанных стержней жидкостью заполняют зазор между ними.

Для облучения исследуемой среды 1 предназначен излучатель 3, жестко прикрепленный к торцу одного из стержней 2.

15 Частота излучения f выбирается в соответствии с условием (2). Приемник 4 ультразвуковых волн закреплен на торце того же стержня 2, что и излучатель 3. В других вариантах исполнения приемник и излучатель

20 могут быть расположены на торцах разных стержней, т.е. по разные стороны от исследуемой среды.

Излучатель 3 электрически связан с последовательно соединенными генератором

25 5 и модулятором 6, предназначенным для формирования ультразвуковых импульсов длительностью Т. Для устранения влияния отражений импульса от торцов стержней их общую длину 1 о Ц+1-2 выбирают больше

30 длины импульса (Lp СТ). Приемник 4 под- . ключей к частотно-селективному измерительному прибору 7.

Способ осуществляют следующим образом.

35 Исследуемую среду 1 в виде плоскопараллельной пластинки жестко закрепляют между двумя стальными стержнями 2 одинаковой длины. С помощью излучателя 3 через стержень 2 облучают исследуемую

40 среду, сформированную в виде плоскопараллельного слоя 1 ультразвуковым импульсом на частоте f длительностью Т. Для точного выполнения условия (2) в небольших пределах подстраивают частоту излуче45 ния так, чтобы уровень сигнала, принимаемого приемником 4, был минимальным (если приемник и излучатель находятся по разные .стороны от исследуемой среды, то уровень принимаемого сигнала

50 должен быть максимальным). Это свидетельствует о том, что слой исследуемой среды является резонансным, т.е. выполняется условие (2). Выбор длительности импульса в соответствии с условием (1) позволяет уст55 ранить влияние отражений от торцов стержней 2 (границ системы) и тем самым не дать возможности для реализации во всей системе резонатора с мягкими границами, в котором субгармоника принципиально не возбуждается. Затем увеличивают ампли™ду деформации Ко импульса, осуществляя прием волны на частоте f/2. Измеренная пороговая амплитуда деформации fc 0. Нелинейный параметру определяют по формуле (4).

Формула изобретения Способ определения нелинейного акустического параметра среды,заключающийся в том, что облучают исследуемую среду с параллельными противоположными поверхностями импульсами нормально падающей плоской акустической волны через промежуточную среду, принимают переизлученные исследуемой средой акустические колебания и определяют искомый параметр

0

5

с учетом амплитуды излучаемых через промежуточную среду импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в качестве промежуточной среды выбирают твердую среду с акустическим импедансом, большим акустического импеданса исследуемой среды, расстояние между поверхностями исследуемой среды выбирают кратным длине излучаемой волны в этой среде, расстояние L от поверхности исследуемой среды до границы промежуточной среды выбирают из условия L CT/2, где С - скорость звука в промежуточной среде; Т -длительность импульса, а переизлученные колебания принимают на частоте равной половине частоты излучаемого сигнала.