Устройство для измерения акустического сопротивления Советский патент 1980 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к технике мощного ультразвука и может быть использовано при измерениях полного акустического сопротивления для оценки свойств материалов и элементов конструкций в производстве строительнБК материалов, в машиностроении, приборостроении, химической, легкой и других отраслях промышленности. Известны устройства для измерения акустического сопротивления по методу длинных линий. Эти устройства включают в себя трубу, к одному торцу которой подсоединен источник звуковой энергии, подключенный к электронному генератору, к другому торцу присоединяется испытуемый образец. Внутри трубы перемещается микрофон, соединенный с измерительной схемой. Измерения сводятся к определению разности уровней звукового давления в узле и пучности стоячей волны, установившейся в трубе 1J . Недостатком известного устройств работающего по методу длинных линий является ограниченность частотного диапазона измерений, вследствие того что присоединительный диаметр испытуемых образцов материалов и эл ментов конструкций для верхнего звукового и ультразвукового диапазона частот получается неприемлемо малым, так как он лимитируется верхним пределом fj,частотного диапазона измерений установки 1,11 f где с - скорость звука в воздухе; D - диаметр трубы, а следовательно, и испытуемого образца. Наиболее близким по технической сущности к предлага;емому является известное устройство для измерения акустического сопротивления, содержащее измерительную камеру, с одной сторойы которой присоединен источник звука, а с противоположной - размещено приспособление для крепления испытуемых образцов, электронный генератор, подключенный к источнику звука, акустический зонд, установленный внутри измерительной камеры, и измерительную схему, подключенную к выходу акустического зонда f2j. Недостатком известного -устройства является ограниченность частотного диапазона измерений, вызванная тем, что на высоких звуковых и ультразвуновых частотах размеры испытуемых образцов материалов и элементов конструкций -становятся неприемлемо малыми В известном устройстве верхняя граничная частота диапазона измерений акустического сопротивления ограничивает размер камеры, поскольку размеры полости камеры долх{ны быть меньше, чем длина волны звука ;a частоте измерений.Так для диапазона частот 2000 - 5000 Гц объем камеры должен быть не более 7 см-. Дальнейшее увеличение частоты измерений ведет к необходимости уменьшения габаритов камеры и на верхних звуковых и ультразвуковых частотах размеры камеры малого объема должны быть настолько малыми (например, для частоты 11 кГц объем камеры долженбыть не более 1 см), что использовать известное устройство практически нёЬозможно.

Целью изобретения является расширение частотного диапазон измерений устройства.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном устройстве для измерения акустического сопротивления, содержащем измерительную камеру, с одной стороны которой присоединен источник звука, а с противоположной - размещено приспособление для крепления испытуемых образцов, электронный генератор, подключенный к источнику звука, акустический зонд установленный внутри измерительной камеры, и измерительную схему, подключенную к выходу акустического зонда, измерительная камера выполнена в виде полого рупора, ко входу которого присоединен источник звука, при этом отношение площади устья рупора к площади его выхода соответствует величине, при которой критическая частота рупора или превышает верхн1сно граничную частоту диапазона измерений, а акустический зонд установлен -на расстоянии, превышающем половину длины рупора от его входа.

На фиг. 1 приведена схема предложенного устройства.

Устройство содержит измерительную камеру в виде рупора 1, размещенное со стороны устья приспособление 2 для присоединения испытуемых образцов 3 материалов и элементов конструкций или эталонных акустических сопротивлений. Со стороны входа рупор 1 через кольцевую щель 4 и звукопровод 5 соединен с излучателем б звука с дополнительным рупором 7. ВДель 4 и звукопровод 5 заполнены отрезками стальной проволоки. Излучатель 6 звука подключен к электронному генератору 8. Акустический зонд 9, представляющий собой трубку соединяет полость измерительного рупора 1 с измерительным микрофоном 10, подключенным к усилителю 11 и электронному вольтметру 12. К выходу

усилителя 11 и входу вольтметра 12 подключен электронный фазометр 13 и фазовращатель 14 для определения угла сдвига ч-азы звукового давления в измерительном рупоре. При этом рупор может быть выполнен экспоненциальным , катеноидальным и других форм.

При выполнении камеры предлагаемого устройства в виде экспоненциального рупора отношение площади S нормального сечения устья ру гГора к площади So нормального сечения его входа выбирается из соотношения:

Ирер

л

(1)

- длина рупора;

- основание натуральных логарифмов ; - показатель экспоненты;

д 2ffg

Г- (2) - верхняя граничная частота

диапазона измерений; - скорость звука в воздухе. ыполнении амеры в виде каьного рупора отношение плонормального сечения устья к площади S,, нормального сего входа выбирается из соотно ch- (L-),

(3)

где Е - длина рупора;

,

(4)

с - скорость звука в воздтухе; fg - верхняя граничная частота диапазона измерений.

На фиг. 2а изображена эквивалент.ная схема рупора с акустическим сопротивлением Zp, нагруженным со стороны входа на источник звукового давления с внутренним сопротивлением . Z/ , Ру - уровень звукового давления внутри рупора. Со стороны устья (в схеме, изображенной на фиг.2а) рупор нагружен на эталонное сопротивление, в качестве которого взята бесконечно жесткая стенка с бесконечно большим сопротивлением, подключенным параллельно сопротивлению рупора Т.р.

На фиг. 2 изображена эквивалентная схема,рупора с акустическим сопротивлением ZPI нагруженным со стороны устья испытуемым образцом с искомым акустическим сопротивлением Zj(. Со стороны входа рупор нагружен на источник звукового давления Р с внутренним сопротивлением 1 . РЛ уровень звукового давления в рупоре при нагрузке его на испытуемый образец.

На фиг. 3 приведена зависимость сопротивления экспоненциального рупора от расстояния вдоль него от входа к устью для четырех частот измереиий - 4;8;12;16 кГц. По оси орди нат отложено безразмерное сопротивление рупора - отношение Zp где 2р - сопротивление рупораJ jO, - акустическое сопротивление воздуха. По оси абсцисс отложено расстояние вдоль рупора от его входа, ip - длина рупора. Для расчета взяты следующие параметры: 3,88; f 0,6 см; -- 21 кГц; диаметр входа - 0,8 см; устья - 7 см, где f,- критическая частота, определяемая из формулы: т 55 W (5) Устройство работает следующим об разом. Устье рупора 1 с помощью приспособления 2 закрывают эталонным образцом 3, в качестве которого испол зуют жесткую металлическую стенку достаточной толщины (например, толще 1 см) . От излучателя 6 в измерительный рупор 1 подается звуковой сигнал за данной частоты f. По вольтметру 12 определяют значение звукового давле ния Р в рупоре. Одновременно с по мощью фазовращателя 14 стрелка фазо метра 13 выводится в нулевое положе Zo. где - круговая частота; f - частота измерений; -с - скорость звука в воздухе - постоянная характеризующая форму образующей рупора. В случае невыполнения условия . Zy Zp J внутреннее сопротивление исто ника звука определяется из равенства Z р/ /RZ -1 -р -i ч где Z - известное акустическое соп ротивление . Из выражения (б) видно, что чем больше значение 1р , тем больше изме ряемая величина отношения - . Как видно из составления кривых фиг. 3 и формулы (6), акустическое сопроти ление рупора и связанное с ним отно р. шение повышается в направлении г от входа к устью, т.е. чем ближе к

(в) . .. Р ,/.,z;..r.,z;. (. ние, это упрощает отсчет фазы. Затем эталонный образец заменяется испытуемым (режим генератора при этом но меняется) и измеряется с помощью вольтметра 12 звуковое давление Р, ; с помощью фазометра 13 измеряется изменение фазы Р на величину 1 по отношению к Р/ . Искомое акустическое сопротивление определяют по формуле: 7 „ .Р. . ..Гй1 где ZP - акустическое сопротивление рупора, нагруженного со стороны устья на бесконечную жесткую стенку, а со стороны входа на источник звуковой энергии с внутренним сопротивлением Z/ 1р. Для акустического сопротивления соответственно экспоненциального и катеноидального рупоров используют формулы: рэ (,J3Sl7flt } устью рупора установлен акустический зонд, тем выше чувствительность и точность предлагаемого устройства для измерения полного акустического сопротивления образцов материалов и элементов конструкций. Использование предложенного уст- ройства для измерения сопротивления по сравнению с известным позволяет получить следукяцие преимущества: расширение технологических возможностей за счет увеличения номенклатуры испытуемых образцов материалов и элементов конструкций при измерениях в верхнем звуковом и ультразвуковом диапазоне частот; упрощение измерений в указанном выше диапазоне частот за счет увеличения объема камеры в сравнении с объемом полости трубки воздуха в Трубке акустического зонда; повышение чувствительности и точности измерений за счет оптимально11хэ размещения трубки акустического зонда в рупоре.

Формула изобретения Устройство для измерения акустического сопротивления, содержащее измерительную камеру, с одной стороны которой присоединен источник звука, а с противоположной - размещено приспособление для крепления испытуемых образцов, электронный генератор, подключенный к источнику звука, акустический зонд, установленный внутри измерительной камеры, И измерительную схему, подключенную к выходу акустического зонда, отличающееся тем, что, с целью расширения частотного диапазона измерений, измерительная камера выполнена в виде полого рупора, ко входу которого присоединен источник звука, при этом

отношение площади устья рупора к площади его входа соответствует величине, при которой критическая частота рупора равна или превышает верхнюю граничную частоту диапазона измерений, а акустический зонд установлен на расстоянии, превышающем половину длины рупора от его входа.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Блинова Л.П. и др. Акустические измерения. М., Изд-во стандартов, 1971 с. 108.

2.Крупнин Б.Н. Измерение полных акустических сопротивлений в камере малого объема. Труды ВНИИФТРИ. М./ Изд-во стандартов,1966, вып. 83 (143) (прототип) .,