Способ измерения акустических параметров вещества Советский патент 1992 года по МПК G01N29/02 

Изобретение касается акустических измерений и может быть использовано для измерения акустических параметров веществ. Цель изобретения - повышение точности измерения путем управления радиусом кривизны формы фронта волны. Формирование формы фронта волны осуществляют сдвигом фаз излучаемого и принимаемого сигналов до совпадения фаз излучаемой и всех отражённых волн. При этом образуется конфокальная система измерения, уменьшающая дифракционные погрешности. 4 ил.

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использован для измерения акустических параметров веществ, в основном жидкостей, в научно-исследовательских и заводских лабораториях.

Известен способ измерения акустических параметров вещества, заключающийся в том, что исследуемое вещество помещают в камеру ультразвукового интерферометра, формируют вогнутые фронты волн посредством деформации пьезоизлучателя и пье- зоприемника путем избыточного давления, изменяют частоту ультразвука и измеряют частоты особых точек принятого сигнала, по которым определяют скорость распространения и коэффициент поглощения ультразвука.

Наиболее близким к изобретению является известный способ измерения акустических параметров аещества. заключающийся в том. что исследуемое вещество помещают

в камеру ультразвукового интерферометра, формируют в ней вогнутую форму фронта ультразвуковой волны, изменяют частоту возбуждаемой волны или базу ультразвукового интерферометра и измеряют частоты локальных максимумов принятого сигнала, по которым определяют скорость распространения ультразвуковой волны и коэффициент поглощения,

Технология изготовления современных преобразователей позволяет изготовить, например, керамические преобразователи с радиусом кривизны порядка нескольких сантиметров и выстроить их в камере так, чтобы совпали фокусы приемника и излучателя, т.е. образовать конфокальную систему, которая эффективно уменьшает дифракционные погрешности,

К недостатку способа следует отнести то обстоятельство, что он не позволяет управлять вогнутостью фронтов. Это исключаSI

ю

00

ю ся

ет их применение для систем с переменной длиной для устранения дифракционных погрешностей и подстройку вогнутости на основе теоретических или экспериментальных данных в системах с постоянной длиной.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем управления радиусом кривизны формы фронта волны,

Указанная цель достигается тем, что в способе измерения акустических парамет- ров вещества, заключающимся в том, что исследуемое вещество помещают в камеру ультразвукового интерферометра, формируют а ней вогнутую форму фронта ультразвуковой волны, изменяют частоту возбуждаемой волны или базу ультразвукового интерферометра и измеряют частоты локальных максимумов принятого сигнала, по которым определяют скорость распространения ультразвуковой волны и коэффици- ент поглощения, формирование формы фронта волны осуществляют сдвигом фаз излучаемого и принимаемого сигналов до совладения фаз излучаемой и всех отраженных воли.

На фиг. 1 изображена структурная схема, с помощью которой реализуется способ; на фиг. 2 - образование фронта волны при излучении и приеме и расположение кольцевых электродов; на фиг. 3 - выходной сигнал камеры с обозначением характерных значений (А, В, С - максимумов, Е - минимума, О-в 0,707 раза меньше максимума); на фиг. 4 - зависимость приращения 5R радиуса фронта волны для льезоизлучателя (кривая I) и пьезоприемника (кривая И) от количества m пробегов волны вперед и назад (а) и зависимость поправочного коэффициента Km к Rn,m от относительного уменьшения амплитуды волны А/А0 ввиду поглощения (б).

Графики 4 (а и б) получены моделированием на персональном компьютере.

Способ осуществляют с помощью измерительной системы, содержащей диапазон- ный генератор 1, регулируемый фэзофращатель 2 многоканальный, излучающий 3 и приемный 4 пьезопреобразователи, камеру 5 интерферометра, в которую вмонтированы преобразователи 3 и 4, блок 6 перемещения преобразователя, регулируемый фазовращатель 7, измеритель 8 амплитуды, формирователь 9 меток перемещения, компьютер 10. Заполняют камеру 5 исследуемым веществом, о котором известны при- ближенные значения скорости ультразвука и с коэффициента поглощения а. Загружают в память компьютера программы, позво

0 0 5

0 5 0

ляющие провести расчеты по следующим формулам:

2 я х ,jsi-2- „ у

- (VKn.m - П - Rn.m),

.l :

Rn.m Rn,m - 1 0 n,tn Km).

g lm Rl.m + Ra.m R, Km e2 ;

2f(fb-U).

AN c-2Kfb-fa).

c дм .

с

с

2tf0

N ki

(1)

(2) (3,4) (5)

(6) (7)

5 Т (arsh tsfn «k ( e

„Kz „rtK Umax

(X -г- artn Tis,

iUmln

(8)

(9)

где Дуъ,| - фазовый сдвиг напряжения, подаваемого на 1-й электрод пьезоизлучателя или снимаемого с 1-го электрода пьезоприемника (они задаются фазовращателями 2 и 7):

п - средний диаметр 1-го электрода;

Im 2,5 I m, m 1, 2, 3, 4 - количество пробегов волны в камере вперед и назад;

Rn.o I/2 п 1 для пьезоприемника, 2 - для пьезоизлучателя;

ARi.m 0,18; 0,085; 0,045; 0,026;

ARz.m - 0,08:0.052; 0.03; 0,02;

I - расстояние между преобразователями;

Rn,m - радиус фронта волны;

с, f - скорость и частота ультразвука;

а- коэффициент поглощения ультразвука;

KL Кг - коэффициенты;

А- длина волны ультразвука в среде, 1, fa, ь - значения длины;

f, fa, fb - значения частоты;

Umax, Umin - максимальное и минимальное значения напряжения (локальные);

N, AN - полное количество полуволн ультразвука в камере и изменения его между точками А и В;

Ј - приборная константа, отражающая потери энергии в преобразователях.

Формула (1) выражает геометрию сферического фронта, формула (2) - изменение радиуса кривизны суммарной волны по сравнению с исходной, формула (3) означает, что фокусы обоих волн совпадают. Формулы (5)- (9)- известны из интерферометрии и служат для определения с и а, Значения 3Rn.m получены моделированием и загружены в виде таблицы. Также загружают ряд зависимостей для управления фазовыми сдвигами вида Д pn.i Ay,i(s), где s - управляющий сигнал, подаваемый на фазовращатель с компьютера. Если измерения проводятся в режиме переменной длины, то применяют формулы (5), (8), (9), если в режиме переменной частоты - формулы (6), (7) и (8). Здесь К 2 ж/К 2 за /с, т.е. kl может изменяться изменением f или I. Индексы а-е соответствуют точкам А-Е на фиг.

На основе этих данных компьютер вычисляет фазовые углы . по формулам (1) - (4) и устанавливает их в блоках 2 и 7 посредством подачи сигналов.

Напряжение генератора 1 через фазовращатель 2 подают на кольцевые электроды излучателя 3. Фазовые углы каналов фазовращателей 2 и 7 выбраны так, что фронты излучаемой и принимаемой волн вогнутые (линии I и IV, фиг. 2а). Это соответствует максимальному отстаиванию по фазе канала центрального кругового электрода и все меньшему отставанию по фазе для каналов каждого более периферийного электрода. Количество каналов в фазовращателях равно количеству электродов. Однако волны отражаются от преобразователей как от плоских поверхностей, образуя, например, слегка выпуклый фронт (пунктир на фиг. 2а). Волна II, однократно прошедшая до приемника и обратно (m t). Волну, движущуюся в направлении приемного преобразователя

4,составляет сумма излучаемой и отраженной волн (линия III, фиг. 2а).

Колебания частиц среды в точке FI можно получить суммируя два вектора Л/1 и Л/2, каждый из которых пропорционален амплитуде соответствующей волны и направлен перпендикулярно фронту. Расчет суммарных векторов Л/э по формулам сложения векторов позволяет построить суммарный фронт III. Радиус кривизны этой волны OiFi больше, чем излучаемой волны OaFi. Волна III проходит еще раз вперед, назад и отражается от излучателя, таким образом удли- няя еще раз радиус суммарной волны (излучаемой и однократно прошедший) и т.д. Зависимость относительного удлинения радиуса dR OiFi/QaF - 1 от количества пробегов волны впереди назад изображено на фиг. 4а, I.

Также рассчитан фронт принимаемой волны VI из фронтов излучаемой IV и однократно прошедшей среду V волн. Зависимость dR дана на фиг. 4а, 1. Здесь 6 R OiFi/02 Fj -1. Однако амплитуда волны с каждым пробегом уменьшается ввиду поглощения, это уменьшает ее влияние и dR

получается меньше, чем в незатухающей среде. Уменьшение dR в процентах Кт как функция относительного уменьшения амплитуды волны А/До, изображено на фиг. 46.

Графики (фиг. 4} получены моделированием на персональном компьютере как обобщение расчетов распространения волн и dR для большого количества случаев. Из графиков (фиг. 4) получены значения Кт и dRn.m,

подставляемые.в формулы (1) - (4). Учет количества пробегов при m 4 не целесообразен.

Это моделирование проведено в процессе разработки и наладки измерительной

системы, а в компьютере измерительной системы хранятся только зависимости dR от m и Km от А/До, или что равносильно, от сА (4). С началом измерения начинают изменять I (режим переменной длины) или f (режим постоянной длины). Информация о текущей длине или частоте поступает в компьютер, где для каждого их значения подсчитываются .i, обеспечивающие овладения точек Ot обеих волн III и VI.

-Таким образом, волны III и IV образуют конфокальную систему, если введены правильные значения си а. Если так. то в определенные моменты времени совпадают фазы излучаемой и всех отраженных

волн и конфокальная система резонирует. Случай резонанса повторяются и выходной сигнал имеет форму, изображенную на фиг.

точные значения с и а служат; получение тех же значений при повторной подстановке и симметричная правильная форма сигнала каждого резонанса (фиг. 3).

Положительный эффект заключается в

том, что конфокальный режим измерения и связанное с этим устранение дифракционных погрешностей обеспечивается как в случае постоянной длины, так и переменной.

Формула изобретения

Способ измерения акустических параметров вещества, заключающийся в том, что исследуемое вещество помещают в камеру ультразвукового интерферометра,

формируют в ней вогнутую форму фронта ультразвуковой волны, изменяют частоту возбуждаемой волны или базу ультразвукового интерферометра и измеряют частоты локальных максимумов принятого сигнала.

по которым определяют скорость распрост-формы фронта волны, формирование формы

ранения ультразвуковой волны и коэффици-фронте волны осуществляют сдвигом фаз

ентпоглощения,отличающийся тем.излучаемого и принимаемого сигналов до

что, с целью повышения точности измере-совпадения фаз излучаемой и всех отраженния путем управления радиусом кривизны5 ных волн.

JSs& iT

/ У, -/ fe

/ / У / / Ј /

Фиг. 1

/i Л / / / j

а) V- «/ / V

Фиг. г.

а)

ill(а

(«Ль

«

ftWfc

(/;

Фиг.З

Редактор М.Бланар

,

Составитель В.Сукацкас (/г Техред М.МоргенталКорректор Д.0сауленко

/

kl

а)

12

4 т