Способ определения акустического сопротивления переходного слоя Советский патент 1993 года по МПК G01H15/00 

Изобретение относится к акустике, в частности к методам определения акустических сопротивлений с помощью зондирующих акустических импульсов, и может быть использовано в приборостроении..

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет регистрации временных параметров отраженных сигналов и измерения бесконтактным методом. Под переходным слоем на поверхности объекта мы понимаем переходной слой за счет неровностей (шероховатостей) поверхности, различные покрытия на поверхности, контактный слой между двумя поверхностями или средами (например, слой или на грунте в водоемах) и т.д.

На фиг. 1 представлена схема отражения импульсов от поверхности с переходным слоем; на фиг. 2 - картина отраженных импульсов; на фиг. 3 - блок-схема устройства для осуществления способа.

Устройство содержит генератор 1 частоты Йэ; формирователь 2 колоколообразного импульса, генератор 3 прямоугольного импульса, излучатель 4, отражающую поверхность 5, приемник 6, измеритель 7 времени задержки прямоугольного импульса в переходном слое, измеритель 8 временного интервала между моментом приема первого отраженного прямоугольного импульса и моментом приема максимума амплитуды отраженного колоколообразного импульса, блок 9 обработки.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

КолокОлообразный импульс имеет вид

СО

с

оо

го

Ю

|К ICO IGJ

f(t)AoexP -()2

0)

где О - частота модуляции колокол;., пря- . моугольный импульс подается в момент времени t 0, отмечая тем самым центр колоколообразного импульса.

Отражающая поверхность в общем случае представляет собой тонкий плоский слой толщины d, лежащий на отражающей среде, т.к. граница раздела содержит некоторый переходной слой. Пусть Zi /э Vi. , 2. 3 - акустические сопротивления трех сред;/} - их плотность, Vi - скорость звука в них.

С помощью высокочастотного импульса определяем время задержки в тонком слое

2 тз

2d V2

, измеряемое между двумя приходами отраженного высокочастотного импульса, отразившегося от передней и задней стенки переходного слоя. При этом длительность Т0 высокочастотного импульса выбирается такой, что То « тз. Тогда спектральный состав колоколообразного сигнала

f (а,) А жГехр ( - оМ Ј&)

ьео

дает концентрацию частот в малом интервале ширины порядка Q/относительно нулевой частоты и коэффициент отражения от слоя может быть взят в виде разложения около точки

R(w) R(o)/w 0 + + 0,/0, 0+0 (о/)

д(0

35 ta

- Со + V eg + 8 О{

4Ci

Здесь 0 (fjf) - величина порядка о и отбрасываемая в дальнейшем.жак дающая незначительный вклад порядка (О, гз)2 в - Отсюда следует, что Ita Ц,1 интересующем нас случае. После использования общего выражения для R(co) получают приближенную формулу:

40 следовательно, этот максимум учетом последующих членов ра . коэффициента отражения. М

R(eo)Ro + lo T33Ri,

где

Ro

. 2Z3(ZT-Zg) 5) Z1+Z3 R1 Z2(Zi+Z3r

После отражения колоколообразнйго импульса с коэффициентом отражения, взятом в виде (4), получают импульс вида

где Г

fi(t) (Со + 2Ci Q, t )expK Qb tf (6) 2di.

t - . di - расстояние от излучателя-приемника до отражающей поверхноп j

сти. Таким образом,.-- - время задержки импульса при распространении его в первой среде до отражающей поверхности и обратно. Коэффициенты Со, Ci в выражении для fi(t) выражаются через А0 в следующем виде:

Со RoAo

Ci - Q,T3 RiA0

(7)

Такая связь вытекает из спектрального разложения сигналов f(t) и fi(t) и использования разложения (4) коэффициента отражения R(co) для преобразования коэффициентов спектрального разложения.

Исследуя на экстремум амплитуду отраженного колоколообразного сигнала fi(t), получают два значения максимума этой функции

20

25

„ -с срш:- (8)

Так как О,Гз « 1, то Ci/Co « 1 и можно записать

- 1 -Co+VCo-b8d 1 Ц,4Ci

1

Ob С,

Ci T3JRL

Ro

(9)

(3)

Для второго экстремума получают:

5 ta

- Со + V eg + 8 О{ 1

4Ci

- Отсюда следует, что Ita Ц,1

О,

Со 2Ci

2Ci

(Ю) 1 и,

- Отсюда следует, что Ita Ц,1

40 следовательно, этот максимум исчезает с учетом последующих членов разложения (3) . коэффициента отражения. Максимум же

Ri при ti - сохраняется и при учете

Ко

45 последующих приближений в (3), так как Iti Q « 1. Таким образом получают, что центральный максимум отраженного колоколообразного сигнала сдвигается при отражении от значения t 0 к значению

ti - Гз -тгт-. Когда значения коэффициенКо

тов Ri, Ro совпадают по знаку (см.фиг.2), получаем ti 0, когда они различны по знаку, получают ti 0. Таким образом, что мак- 55 симум амплитуды отраженного сигнала сдвигается по времени в ту или другую сторону в зависимости от соотношения величин акустических сопротивлений Zi, Zz и 2з. В связи с тем, что временной сдвиг максимума амплитуды отраженного колоколеобразного сигнала ti сравним с временем задержки 2 гз прямоугольного сигнала в переходном слое, необходимо отличать прямоугольные импульсы, отраженные от передней и задней поверхности переходного слоя. При этом считаем, что время сдвига максимума колоколообразного сигнала берется относительно прямоугольного импульса, отразившегося от передней границы переходного слоя, т.е. относительно первого пришедшего прямоугольного импульса (см.фиг.2).

Итак, мы имеем ti - тз

Ri Ro

откуда

Ri Ro

ti гз

(11)

С другой стороны, из (5) получаем для данного отношения следующее выражение

Ri 2Z3()

RoZ2(Zi-Z§)

(12)

Rn

Приравнивая оба значения для отноше- 25 ния - (11) и (12), получаем в результате

2Z3(Z2;-Z2-) ti Z2() W

(13) 30

Относительно 2.1 - неизвестного акустического сопротивления переходного слоя - имеется здесь квадратное уравнение с коэффициентами, выражающимися через ZL 7.3 - акустические сопротивления сред 1 и 3, которые предполагаются известными.

В случае, когда Zi « Za, Zi « Za без решения квадратного уравнения приближенно:

ZG ti

2 гз

04)

В качестве примера реализации предложенного способа рассмотрим измерение акустического сопротивления в переходном слое ила, расположенном на скальном грунте на дне водоема. Акустическое сопротивление воды Zi 1,485 106 кг/м2 с, акустическое сопротивление скальной породы из гранита 2з 1,106 107 кг/м2 с. Сначала определялось время задержки в переходном слое, оно оказалось равным 2,5 10 4 с, при этом длительность прямоугольного импульса составляет То 1 с. Длительность его выбиралась постепенным уменьшением от То 1 с до той величины. r0 1 10 с.

10

5

0

5

0

5

0

5

0

5

пока не были различимы четко два отражения импульса, соответственно от нижней и верхней границ переходного слоя. Далее была выбрана частота Оз - 1 Ю2 Гц, тзкчто выполнялось условия QO тз « 1. После прихода отраженного от дна сигнала по засечке времени прихода прямоугольного импульса и по максимуму амплитуды колоколообраэ- ного сигнала измеряется временной сдвиг максимума амплитуды колоколообразной кривой, который составляет ti 1,0 с. Отсюда, пользуясь формулой (13), известными величинами Ц, Гз , Zi. Zz и решая квадратное относительно величины Z уравнение, получаем Zi 2г 2з, Ъ. 3 10 кг/м2 с. Таким образом, акустическое сопротивление слоя ила на дне водоема составляет 3 106 кг/м2 -с.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально формируется формирователем 2 колоколообразный импульс, для чего используется сигнал частоты О от генератора 1. Далее колоколообразный сигнал комбинируется с прямоугольным импульсом от генератора 3 таким образом, чтобы он совпал с максимумом колоколообразного импульса. После этого полученные импульсы излучаются излучателем 4 в направлении отражающей поверхности 5, отраженные звуковые импульсы попадают в приемник 6. Полученные импульсы далее следуют в измеритель времени задержки поступления максимума амплитуды в отраженном колоколообразном импульсе 8. Измеренные величины используются для определения акустического сопротивления переходного слоя, результат получается в блоке 9 обработки.

Описанный способизмерения акустического сопротивления по сравнению с прототипом не предполагает измерения амплитуд отраженных сигналов, а также определения коэффициентов отражения ультразвука от границы контакта, в нем нет необходимости изменять акустическое сопротивление эталонного материала. Способ требует измерения только времени задержки импульсов в отражающем переходном слое, что повышает точность при определении искомого параметра.

Формула изобретения

Способ определения акустического сопротивления переходного слоя, заключающийся в том, что на отражающую поверхность с переходным слоем излучают акустический сигнал, принимают отраженные сигналы, по которым судят о контролируемом параметре, отличающийся тем,

что, с целью повышения точности, излучение осуществляют двумя импульсами - ко- локолообразным и узким прямоугольным, который излучают в момент времени, соответствующий максимальному значению амплитуды колоколообразного импульса, измеряют время задержки прямоугольного импульса в переходном слое и время между

первым отраженным прямоугольным импульсом и максимумом отраженного колоколообразного импульса, по соотношению которых с учетом акустических сопротивлений отражающей поверхности и среды прохождения акустических импульсов до переходного слоя определяют искомый параметр.

Изобретение относится к акустике и может быть использовано в измерительных акустических приборах. Цель изобретения - повышение точности при определении акустического сопротивления переходного слоя. В процессе измерений регистрируют время задержки прямоугольного импульса в переходном слое, временной интервал между моментом приема первого отраженного прямоугольного импульса и моментом приема максимума амплитуды отраженного ко- локолообразного импульса. Полученные величину наряду с известными акустическими сопротивлениями среды прохождения и отражающей среды используют для определения акустического сопротивления переходного слоя. 3 ил.

, 3

F

Фи.2