Устройство для измерения коэффициента отражения акустических сигналов Советский патент 1992 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к устройствам исследования акустических характеристик материалов и предназначено для определения комплексного коэффициента отражения акустических сигналов от поверхности материалов, помещенных в акустически прозрачные среды. Устройство может быть использовано в гидроакустике, геофизике, дефектоскопии.

Известно устройство измерения частотных зависимостей коэффициента отражения,содержащеегенератор радиоимпульсов, соединенный с излучающим преобразователем, находящимся в акустическом контакте со средой, помещенной в акустическую трубу. На другом конце трубы помещен исследуемый материал. На оси трубы установлен приемник акустических сигналов, соединенный с механической координатной системой, которая перемещает приемник вдоль оси трубы с целью нахождения координат узлов и пучностей стоячей волны по максимуму и минимуму звукового давления. Выход приемника через фильтр соединен с измерителем амплитуды. Измеритель амплитуды регистрирует уровни звукового давления в узлах и пучностях стоячей волны, по их значениям и по координате первого узла определяется модуль и фаза коэффициента отражения для разных частот

, Л - Ртах Pmin

I 1Чотр I5i р . mm

2 kymin 7t - 4rcymin/A

где Ртах, Pmin - давление в пучностях и узXIСО СА)

ю ю

00

лах:

- координаты узла; А-длина волны.

Известно устройство, содержащее генератор радиоимпульсов с изменяемой частотой, соединенный с акустическим преобразователем, находящимся в акустическом контакте со средой, помещенной в измерительной трубе, на другом конце которой перпендикулярно оси трубы расположена плоская поверхность исследуемого материала. Между преобразователем и материалом на оси трубы расположен прием- ник акустических волн, соединенный через фильтр с измерителем амплитуды.

Известно также устройство для измерения коэффициента отражения образцов, содержащее генератор радиоимпульсов с изменяемой частотой, подключенный к нему акустический излучатель, гидроакустическую трубу, один конец которой сопряжен с акустическим излучателем, а другой предназначен для контактирования с образцом, установленный в трубе акустический приемник, блок регистрации, выполненный из п фильтров гармоник, входы которых соединены с акустическим приемником, п измерителей амплитуды и п-1 электрических цепей, состоящих из последовательно соединенных умножителей частоты, фазометра и индикатора, входы умножителей частоты подключены соответственно к выходам первых п-1 фильтров гармоник и измерителей амплитуды, а вторые входы фазометров подключены соответственно к выходам фильтров последующих гармоник.

Недостатками этого устройства являются ограниченность рабочего диапазона час- тот снизу значением резонансной частоты излучателя, невозможность использования в качестве рабочих сред сильновязких жидкостей из-за быстрого поглощения высокочастотных гармоник, невозможность получения непрерывной частотной зависимости коэффициента отражения в промежутках между частотами гармоник из-за узкой полосы пропускания излучающего преобразователя. Кроме того, недостатка- ми устройства являются ограниченность рабочего диапазона частот сверху частотой возбуждения в трубе второй нормальной волны, низкая точность результатов измерений, вызванная искажением звукового поля в трубе приемником конечных размеров.

Цель изобретения - повышение точности измерений, расширение диапазона рабочих частот и области применения.

Это достигается тем, устройство, содержащее генератор с изменяемой частотой, излучающий преобразователь, гидроакустическую трубу, один торец которой предназначен для контактирования с образцом,

а другой - с излучающим преобразователем, установленный в трубе приемный преобразователь, соединенные с ним два фильтра, измеритель амплитуды, умножитель частоты и последовательно соединенные фазометр, входы которого соединены с выходом первого фильтра и умножителя частоты, и индикатор, а входы измерителя амплитуды и умножителя частоты соединены с выходом второго фильтра С-Н-А-Б-Ж-Е- Н-0 высокочастотным генератором с амп- литудно-модулированным заполнением, входом соединенным с выходом генератора с изменяемой частотой, а выходом - с излучающим преобразователем, в качестве умножителя частоты использован умножитель на два, а в качестве приемного преобразователя - перекрывающий поперечное сечениегидроакустической трубы широкополосный приемник из звукочувст- вительной пленки.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - эпюры напряжений, поясняющих работу устройства.

Устройство содержит перестраиваемый по частоте генератор 1, высокочастотный генератор 2 радиоимпульсов с амплитудно- модулированным заполнением и излучающий акустический преобразователь 3, включенные последовательно. Преобразователь 3 контактирует со средой 4, размещенной в измерительной акустической трубе 5. На противоположном от излучающего преобразователя конце трубы помещен образец исследуемого материала 6. Внутри трубы между излучающим преобразователем и образцом помещен широкополосный приемник 7 акустических сигналов, выполненный в виде перекрывающей поперечное сечение трубы мембраны из звуко- чувствительной пленки. Приемник 7 нагружен на входы селективных фильтров 8 и 9, которые пропускают сигналы, частоты которых относятся как 1:2. Выход фильтра 8 соединен с измерителем 10 амплитуды и удвоителем 11 частоты, выход последнего соединен с одним из двух входов фазометра 12, второй вход фазометра соединен с выходом фильтра 9. К выходу фазометра подключен индикатор 13.

Устройство работает следующим обра1- зом.

Перестраиваемый по частоте генератор 1 вырабатывает гармонический сигнал V1 с частотой Q, поступающий на модулирующий вход высокочастотного генератора радиоимпульсов 2, который генерирует частоту й. С выхода генератора 2 на излучающий преобразователь 3 подаются радиоимпульсы с амплитудно-модулирован- ным (AM) заполнением V2 V0cos ut(1 + mcos Qt). Излученный преобразователем 3 AM сигнал благодаря квадратичной нелинейности среды генерирует две низкочастотные волны Q и 2 Q - первую и вторую волны разностной частоты (ВРЧ)

PSJ (t,x) Pnmcos( Qt- Q x/c);

(t,x)-P20cos(2Q 2Qx/c). После отражения от исследуемого образца с комплексным коэффициентом отражения V expQ р) обе ВРЧ претерпевают фазовый сдвиг

(t,x l) VPQncos( Qt- Q l/c + p ); p:U(t x ) (2 Qt-2 Q I / с + p)

где V и р - модуль и фаза коэффициента отражения; I - расстояние, прошедшее обеими РВЧ по пути излучатель (отражающая граница) приемник; С - скорость звука в среде. Падающие и отраженные сигналы принимаются широкополосным приемником 7 и поступают на селективные фильтры 8 и 9, настроенные соответственно на пропускание частот QH 2 Q Сигналы иЗпад и иЗотр с выхода фильтра 8 поступают на измеритель амплитуды, например, осциллограф, с помощью которого измеряются их аплитуды, а затем определяется отношение иЗотр/иЗпад, равное модулю коэффициента отражения. Для измерения фазы коэффициента отражения проводится сравнение фаз 1-й и 2-й ВРЧ, для чего частота 1-й ВРЧ умножается на два в умножителе частоты 11:

Ра (t,x l) VPQ mcos(2 Qt-2 Q l/c)+ ). Сигнал U4 с выхода фильтра 9 и сигнал U5 с выхода умножителя 11 поступают на фазометр 12, на выходе которого вырабатывается сигнал U6, амплитуда которого пропорциональна разности фаз сравниваемых сигналов

Pa() Полученная разность фаз равна величине

фазы коэффициента отражения. Выходное напряжение фазометра 12 U6 регистрируется индикатором 13.

В предлагаемом устройстве для измерения коэффициента отражения акустических сигналов достигается расширение

диапазона рабочих частот в область нижних частот посредством использования нелинейно генерируемых низкочастотных волн разностной частоты, а также - расширение

в область верхних частот посредством применения звукоприемника в виде мембраны, перекрывающей поперечное сечение акустической трубы, что исключает влияние многомодовой интерференции. Область

применения устройства расширена на сильновязкие среды, заполняющие трубу, и на измерение непрерывной частотной зависимости коэффициента отражения в широкой полосе частот благодаря использованию непрерывно перестраиваемых по частоте низкочастотных волн разностной частоты Использование звукопрозрачного пленочного приемника повышает точность измерений благодаря исключению искажений

звукового поля в трубе приемником конечных размеров.

Формула изобретения Устройство для измерения коэффициента отражения акустических сигналов, содержащее генератор с изменяемой частотой излучающий преобразователь, гидроакустическую трубу, один торец которой предназначен для контактирования с образцом а другой - с излучающим преобразователем, установленный в трубе приемный преобразователь, соединенные с ним два фильтра, измеритель амплитуды, умножитель частоты и последовательно соединенные фазометр, входы которого соединены с

выходами первого фильтра и умножителя частоты, и индикатор, а входы измерителя амплитуды и умножителя частоты соединены с выходом второго фильтра, отличающееся тем, что, с целью повышения

точности измерений, расширения диапазона рабочих частот и области применения, оно снабжено высокочастотным генератором с амплитудно-модулированным заполнением, входом соединенным с выходом

генератора с изменяемой частотой, а выходом - с излучающим преобразователем, в качестве умножителя частоты использован умножитель на два, а в качестве приемного преобразователя - перекрывающий поперечное сечение гидроакустической трубы широкополосный приемник из звукочувст- вительной пленки.

Фиг. 1

Изобретение относится к устройствам исследования акустических характеристик материалов и предназначено для измерения коэффициента отражения акустических сигналов от поверхности материалов, помещенных в акустически прозрачные среды, и может быть использовано в гидроакустике, геофизике, дефектоскопии. Целью изобретения является повышение точности измерений, расширение диапазона рабочих частот и области применения за счет реализации измерений в сильновязких средах. С этой целью устройство снабжено высокочастотным генератором с амплитудно-модули- рованным заполнением, включенным между генератором с измеряемой частотой и излучающим преобразователем. При этом в качестве умножителя частоты использован умножитель на два, а в качестве приемного преобразователя - перекрывающий поперечное сечение гидроакустической трубы широкополосный приемник из звукочувст- вительной пленки. 2 ил. (Л С

ш

л А

1J2 ,.К /, :/г

hrvrtr-

i

1 гз

- i

У4

i

гv I- V V V V

л О А л Л V У5яр

- . |/1/1//|г- vw

i/ и v I/ v Ь

J VBorrФж 2

1/6таа.

1/4.