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

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

Известно устройство для измерения частотных зависимостей коэффициента отражения. В основе этого решения лежит излучение в среду радиоимпульса, отражение его от исследуемого материала и измерения параметров образовавшейся в пределах радиоимпульса акустической стоячей волны. Оно содержит генератор 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 координат узлов и прочностей стоячей волны по максиму 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 координате первого узла определяется модуль и

00

о

4 Ы

фаза коэффициента отражения для разных

частот.

Недостатком этого устройства является низкая точность измерений комплексного коэффициента отражения в стоячей волне. Из-за конечных размеров приемника невозможно точно измерить звуковое давление в точке звукового поля - в узле или пучности стоячей волны Это снижает достоверность получаемой величины модуля коэффициен- та отражения. Так как протяженность областей, расположенных между узлами, сокращается пропорционально росту частоты, то и точность измерения звукового давления в узле и пучности приемником конечных размеров уменьшается с ростом частоты Таким образом, погрешность метода измерения коэффициента отражения в стоячей волне частотно-зависима и растет с увеличением частоты и размеров приемки- ка

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения коэффициента отражения образцов. Модуль коэф ициента отражения находится из отно- шения амплитуд отраженной и падающей волн, а фаза - как разность фаз между волнами с кратными частотами Известное устройство содержит генератор радиоим- пульсов с изменяемой частотой, подключенный к нему акустический излучатель гидроакустическую трубу, один конец которой сопряжен с акустическим излучатепем, а другой - предназначен для контактирования с образцом установленный в трубе акустический приемник блок регистрации выполненный из л 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 соответст- венно к выходам фильтров последующих гармоник

Недостаток прототипа - ограниченность рабочего диапазона частот т.е невозможность измерения коэффициента отражений на частотах ниже резонансной частоты излучателя так как в качестве информационных волн используются излученная волна и генерируемые ею гармоники.

Кроме того, известное устройство ха- рактеризуется невозможностью использования в качестве рабочих сред, заполняющих измерительную трубу сильновязких жидкостей (минеральные п растительные масла, нефть и др ) и материалов (коллоидные растворы, эмульсии, суспензии, жидкий ил, глину и другие). Большие значения коэффициента затухания звуковых волн и квадратичная зависимость от его частоты не позволяет эффективно генерировать в таких средах гармоники из-за их быстрого поглощения, что приводит к низкой точности измерения.

Использование высокочастотных гар- мочик, плавная перестройка которых в широких пределах невозможна из-за узкой полосы пропускания излучающего преобразователя, исключает возможность получения в прототипе непрерывной частотной зависимости коэффициента отражения в промежутках между частотами гармоник.

Измерение разности фаз между гармониками в прототипе не позволяет получить значение фазы коэффициента отражения акустической волны от образца исследуемого материала в том случае, когда ома зависит от частоты отражающейся волны.

Цель изобретения - расширение диапазона рабочих частот и повышение точности за счет реализации возможности измерения непрерывной частотной зависимости модуля и фазы коэффициента отражения в широкой полосе частот и реализация измерений в сильновязких средах,

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения коэффициента отражения образцов, содержащее акустический излучатель, гидроакустическую трубу, один конец которой сопряжен с акустическим излучателем подключенным к генератору э другой - предназначен для контактирования с образцом, установленный в гидроакустической трубе акустический приемник, фазометр и индикатор, два фильтра, входы которых подключены к выходу акустического приемника, к выходу первого фильтра подключены измеритель амплитуды и один из входов фазометра, к выходу которого подключен индикатор, в качестве генератора использован генератор амплитудно-модулированного сигнала с измеряемой частотой модуляции, снабжено последовательно соединенными амплитудным детектором и фильтром нижних частот, выход которого подключен к второму входу фазометра, а вход амплитудного детектора подключен к выходу первого фильтра,

При распространении в нелинейной среде, заполняющей гидроакустическую трубу, радиоимпульса с амплитудно-моду- лироааиным (AM) заполнением

+ mcos( (1)

где о m 1, - « 1 РО - амплитуда звукового

давления несущей AM сигнала происходит его акустическое детектирование т е ге нерация сигнала с частотой модуляции Q так называемой волны разностной частоты (ВРЧ), которую можно представить 8 виде

.

где Po - амплитуда давления ВРЧ Генери оуемая ВРЧ и огибающая АМ-сигнаЛа жест ко связаны между собой по фазе Принятые после отражения от образца исследуемого материала эхо-сигналы излученного AM- сигнала и ВРЧ будут иметь вид

P + mcos(Qt-§2f)x

e

(

P.-Vo-Poe-k1- Q.

где (.,, VQ- модули коэффициента отражения от образца на частотах а) и Q соответствен но

I - расстояние до объекта

( р„ - фазы коэффициентов отражения от образца на частотах а) и QCOOTBBTCT- венно.

Измеряя с помощью измерителя амплитуды отношения амплитуд падающей на образец ВРЧ РО и отраженной от него VQ РО, находим модуль коэффициента отражения образца на частоте Q.- Измеряя разность фаз между сигналами отраженной ВРЧ и огибающей отраженного от образца исследуемого материала АМ-рздиоимпульса получаем

Ay (Qt-f2) -(Qt-|2l)

фазу коэффициента отражения йот образца на частоте й,Изменением частоты модуляции излучаемого АМ-радиоимпульса можно непрерывно перестраивать частоту ВРЧ в широком диапазоне (0- ЈWe, где Оиакс определяется шириной полосы пропускания излучающего преобразователя, а следовательно, и диапазон измерений ком- плексного коэффициента отражения будет равен (0- Оиакс)

Как известно, затухание акустических волн в поглощающих средах пропорцио

10

15

20

25

зо

35 40

45

gQgg

нально квадрату, поэтому использование в качестве рабочих более низкочастотных волн (ВРЧ и излучаемая АМ-волна), чем в прототипе (гармоники исходной волны) позволяет проводить измерения в сильнопоглощающих средах

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

Устройство для измерения коэффициента отражения акустических сигналов состоит из генератора 1 амплитудно-модулиро- ванного радиоимпульса с Изменяемой частотой модуляции, выход которого соединен с акустическим излучателем 2, сопряженным с одним из торцов гидроакустической трубы 3, заполненной средой 4 распространения акустических волн образца 5 иссле дуемого материала сопряженного с вторым торцом трубы, акустического приемника 6 установленного в трубе 3 блока регистрации состоящего из двух фильтров - резо нансного 7 и полосового 8 входы которых подключены к выходу приемника 6 выход фильтра 7 подключен к входу амплитудного детектора 9 последовательно соединенного С ним фильтра 10 нижних частот выход которого подключен к одному из входов фазометра 12 измерителя 11 амплитуды,вход которого подклюиен к выходу полосового фильтра 8, выход фильтра 8 подключен также к второму входу фазометра 12 к выходу которого подключен индикатор 13

Устройство работает следующим образом

Генератор 1 вырабатывает радиоимпульс амплитудно-модулированного сигнала (частота заполнения ы, частота модуляции С, поступающий на вход акустического излучателя 2, который излучает его в среду распространения За счет нелинейности в среде распространения происходит генерация волны с частотой огибающей излученного АМ-сигнала (ВРЧ) АМ-волна и ВРЧ отражаются от образца 5 исследуемого материала Падающие нга образец 5 и отраженные от его поверхности радиоимпульсы ВРЧ и АМ-волны принимаются акустическим приемником 6, с выхода которого они поступают на входы фильтров 7 и 8, Фильтр 7 предназначен для выделения из принятого сигнала амплитудно-модулированного радиоимпульса с несущей частотой частотой модуляции QUa) Далее сигнал IJ2 пбСтупает на последовательно соединенные амплитудный детектор 9 и фильтр 10 нижних частот, где происходит его детектированйе и выделение огибающей частоты. С выхода фильтра 10 сигнал U4 пЬстуНаёт на один из входов фазометра 12. Фильтр 8 предназначен для выделения из принятого приемником сигнала радиоимпульса ВРЧ (Оз). С выхода фильтра 8 сигнал Оз поступает на вход измерителя 11 амплитуды, где происходит измерение отношения амплиту; ды. отраженной от образца ВРЧ к амплитуU

де ВРЧ, падающей на образец:., р(фиг. 2),

ипод

т.е. модуля коэффициента отражения ВРЧ от образца исследуемого материала. С выхода фильтра 8 сигнал Ua поступает также на второй вход фазометра 12. где происходит измерение разности фаз между сигналами отраженной от образца ВРЧ и огибающей отраженного от образца АМ-ра- диоимпульса, равной согласно формуле (5) описания фазе коэффициента отражения (рл ВРЧ. С выхода фазометра 12 видеоимпульс напряжения Us. амплитуда которого пропорциональна фазе коэффициента отражения р , поступает на индикатор 13,

Фор мула изобретения Устройство для измерения коэффициента отражения акустических сигналов, содержащее последовательно соединенные генератор и акустический излучатель, гидроакустическую трубу, один торец которой сопряжен с акустическим излучателем, а другой предназначен для контактирования с образцом, установленный в гидроакустической

трубе акустический приемник, подключенные к нему первый и второй фильтры, последовательно соединенные фазометр и индикатор и измеритель амплитуды, подключенный к выходу второго фильтра, отличающееся

тем, -что, с целью повышения точности и расширения частотного диапазона, оно снабжено последовательно соединенными амплитудным детектором, вход которого связан с выходом первого фильтра, и фильтром

нижних частот, выход которого подключен к первому входу фазометра, соединенного вторым входом с выходом второго фильтра, а в качестве генератора использован генератор амТшитудно-модулированного сигналов,

Изобретение относится к устройствам для исследования акустических характеристик материалов и предназначено для опре- деления комплексного коэффициента отражения акустических сигналов от повер2 хности материалов, помещенных в акустически прозрачные среды Устройство может быть использовано в гидроакустике, геофизике, дефектоскопии Цель - расширение диапазона рабочих частот и повышение точности за счет реализации измерения непрерывной частотной зависимости модуля и фазы коэффициента отражения в широкой полосе частот и реализации измерений в сильновязких средах в устройство В среду излучают амплитудно-модулированный сигнал Приемник принимает излученный сигнал и сигнал отражения от образца В среде образуется сигнал разностной частоты Фипьтрами, подключенными к приемнику выделяют сигнал, и фазометр измеряют фазу коэффициента отражения Измеритель амплитуды определяют модуль коэффициента отражения 2 ил

ryz i

(риг, 2

L.V .у jj. „