Установка для исследования нерезонансных взаимодействий акустических волн

 

Изобретение относится к области нелинейной акустики и может быть использовано для исследования физико-механических свойств материалов, например для измерения индекса фазовой модуляции звуковой волны при определении модулей упругости третьего порядка. Цель изобретения состоит в расширении диапазона исследуемых веществ путем устранения влияния переотраженных от граней образца акустических волн на результат измерений. В устройстве с помощью преобразователя 4 осуществляется зондирование исследуемого образца 3 высокочастотными акустическими импульсами с линейной частотной модуляцией, которые модулируются по фазе низкочастотным акустическим полем, создаваемым преобразователем 1. На выходе приемного преобразователя 5 осуществляют фильтрацию низкочастотного сигнала, перемножение полученного сигнала с зондирующим сигналом и измерение величины низкочастотных колебаний, выделяемых блоком 10 фильтров, по которым судят об индексе фазовой модуляции акустической волны другой акустической волной при их нерезонансном взаимодействии. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1569697 A 1 (g1)g G 01 N 29/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

МСЕС

ИЦЯЩ", К д ВТОРСКОЬ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 модуляции звуковой волны при определении модулей упругости третьего порядка. Цель изобретения состоит в расширении диапазона исследуемых веществ путем устранения влияния переотраженных от граней образца акустических волн на результат измерений. В устройстве с помощью преобразователя 4 осуществляется зондирование исследуемого образца 3 высокочастотными акустическими импульсами с линейной частотной модуляцией, которые модулируются по

Фазе низкочастотным акустическим полем, создаваемым преобразователем 1.

На выходе приемного преобразователя 5 осуществляют фильтрацию низкочастотного сигнала, перемножение полученного сигнала с зондирующим сигналом и измерение величины низкочастотных колебаний, выделяемых блоком 1 0 фильтров, по которым судят об индексе

Фазовой модуляции акустической волны другой акустической волной при их нерезонансном взаимодействии. 4 ил.

1 (21) 4372967/25-"8 (22) 01 . 02.88 (46) 07.06.90. Бюл. - 21 (71) Свердловский горный институт им. В.В.Вахрушева и Западно-Сибирский научно-исследовательский геологоразведочный нефтяной институт (72) Э.Э. Артма, Г.П. Зиновьева, В.А. Саперов и В.P.Êèéêî (53) 620.1 79.1 6 (088. 8) (56) ГМФТ, 1974, вып.5, с.154-156.

Шалашов Г.М. Модуляционные методы измерения нелинейных упругих параметров твердых тел. Канд.дисс .

Физ- мат. наук, Горький, 1 977, с . 82-84. (54) УСТАНОВКА PJIH ИССЛЕДОВАНИЯ НЕРЕЗОНАНСНЪ1Х ВЗАИМОДЕЙСТВИИ АКУСТИЧЕСКИХ

ВОЛН (57) Изобретение относится к области нелинейной акустики и может быть использовано для исследования физикомеханических свойств материалов, на пример для измерения индекса фазовой

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1569697

Изобретение относится к нелинейной акустике и может быть использовано для исследования Физико-механических свойств материалов, например для измерения индекса Фазовой модуляции звуковой волны при определении модулей упругости третьего порядка, Цель изобретения состоит в расширении диапазона исследуемых веществ путем устранения влияния переотраженных от граней образца акустических волн на результаты измерений.

На Фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройствами на Фиг. 2— схема блока фильтров, на фиг. 3— временная диаграмма излучаемого и принимаемых ЛЧИ сигналов, на, фиг.4— график спектров электрических сигнаl лов, поясняющих работу устройства.

Установка для исследования нерезонИноиых взаимодействий акустических волн содержит последователъно соединенные генератор 1 гармонического низкочастотного сиги::.ла и излучающий 25 акустический преобразователь 2, предназначенный для установки на поверхности прямоугольного образца 3 исследуемого материала, второй излучающий акустический преобразователь 4 и приемный преобразователь 5, предназначенные для установки на поверхность образца 3 на его противоположных гранях, перпендикулярных плоскости установки первого излучающего акустического преобразователя 2, вольтметр 6 и подключенный к выходу приемного преобразователя полосовой фильтр 7, 1 енератор 8 линейно-частотно-модулированного сигнала и последовательно 40 соединенные перемножитель 9 и блок фильтров, выход которого подключен к входу вольтметра 6, первый выход генератора 8 линейно-частотно-модулированного сигнала подключен к входу 45 второго излучающего акустического преобразователя 4, второй выход — к первому входу перемножителя 9, второй вход которого подключен к выходу полосового Фильтра 7.

Блок 10 Фильтров (фиг.2) содержит первый 11, второй 12 Фильтры и ключ

13, причем выход первого фильтра 11 соединен с первым входом, а выход

55 второго фильтра 12 — с второым входом ключа 13, выход 14 которого служит выходом блока 10 фильтров, а входы первого 1 1 и нтопого, 2 филь трон объединены и служат входом блока 10 фильтров.

Установка работает следующим образом.

Линейно-частотно-модулированные (ЛЧИ) импульсы нида

U cos(,t + I 2St

Ьц

w t — ) где U — амплитуда зондирующего имо пуль са, в - н

И—

0 2 центральная частота ЛЧИ-импульса;

<р 1(дн — нижняя и верхняя частоты

ЛЧМ-имг ульса, соответственна, $ — скорость изменения мгновенного значения частоты

ЛЧМ-импульса. со скважностью Q = 1 поступают с вы -. да генератора 8 ЛЧИ-сигнала на второй излучающий преобразователь 4, имеющий равномерную амплитудно-частотную характеристику в диапазоне частот ЛЧИсигнала. Сигнал (1), преобразованный в упругое колебание, распространяется в исследуемом образце 3 н направлении приемного преобразователя 5 с параметрами, аналогичными параметрам излучающего преобразователя 4. С генератора 1 тармонического низкочастотного сигнала сигнал вида (2) K< = U< cosg.t

Ц Ц2 нjaоt + $ (t 3)t +

1 л

+ msin(72t+ g)$. (3) Часть энергии акустической волны отражается от границ образца и преобпоступает на первый излучающий преобразователь 2, создающий в исследуемом образце 9 стоячую волну, которая изsa нелинейности образца моделирует по

Фазе распространяющийся ЛЧМ-сигнал, который, к тому же, приобретает задержку на время а = Ь/С, обусловленное конечной скоростью (С) распространения ультразвуковых волн в исследуемом образце 3, и после преобразования приемным преобразователем 5 принимает вид

+ 2Я(t — о ) t + s nm(Qt +(1))1+

СЮ

++U cos (Ц t +-S t-(2 +1)t) J t К) и=(+ m„sin(g t + g„) (4) (f

H =K +U., =U соя Я и +

1 л 1 1

+ — S(t +(. ) t +-U шсоя„(д t +, о и напряжение с частотой низкочастотной стоячей волны Я. Мгновенный спектр суммарного напряжения в произвольный момент времени t изображен на,фиг.4а.

Это суммарное напряжение с выхода 30

+ -S (t. +o ) t. + S2t + (2)—

2 (К)

1 Л

Ц mcoeÐ t + -S(t -e)) t -Qt .-q)e о приемного преобразователя 5 поступает на вход полосового фильтра 7, име- ющего равномерную амплитудно-частотную характеристику в диапазоне частот принимаемого ЛЧМ-сигнала. 35

На выходе Фильтра 7 имеет место сумма напряжений (4), а низкочастотная составляющая с частотой Q отфильтровывается (спектр изображен на

Фиг.4б). 40

Таким образом, на выходе Фильтра

7 имеется сумма ЛЧМ-сигналов, которые из-за разного времени задержки в образце - к 3ь 1, 5 (....имеют разные зйаК чения мгновенной частоты,, отличающй- 45 еся на 2пЯр где Qg= 1/2SΠ— частота биений, причем Qg + 52.

Используя то, что ЛЧМ-сигнал, имеющий большую базу

U сас(ы t s(t -t )с) +

1 л

З! 0 2, ) Ug, m,ñîs о + 2S(е -3("d1) t ++t +1

1 л и

-Ц m oosl(S t + -S (t -Зс )t —.12t 1 ), 2 -" 2

Напряжение (6) с выхода фильтра 7 поступает на первый вход перемножителя 9, на второй вход которого поступает сигнал (1) с генератора 8 ЛЧМсигнала (мгновенный спектр изображен на фиг.4в). Учитывая коэффициент перемножения К перемножителя 9, который должен иметь равномерную амплитудно-частотную характеристику в диапазоне ЛЧМ-сигнала, записывают сигнал на его выходе

В = (, „(g -u„) / è 100, 5 1569697. 6 разуется приемным преобразователем 5 1

Ц, = Ucos1 Я t + -S (t- (, ) t +msin(gt + в электрическое напряжение вида (3), ыо о2 (3) но с другим временем задержки 11 1 л 1

Л (2„+1) (2, индексом модуляции m „и (1 Ц Ы, начальной Фазой (., где и — номер

1, г 1 л переотраженного сигнала. +-U cos)y t +-S(t -(, ) t +

2" 1 о 2

На Фиг.3 изображена временная диаграмма, иллюстрирующая изменение во 1 1

+(t + Ч) — -Б соя Я t + времени частоты излучаемого 1 6 ин- 10 (5) формационного 17 и переотраженных 18

+ — j(t — (, ) t — Л. — (. и 19 сигналов.

Таким образом, на выходе приемного преобразователя 5 имеет место сум- т.е. каждое слагаемое выражения (4) ма напряжений 15 можно разложить на составляющие вида

ОО (5) . Для упрощения математических

u = u,+ u, = icos(g + выкладок берут из суммы напряжений

))=1 (4), кроме инФормационного сигнала

Ц, первый переотраженный сигнал Ц этот сигнал можно отФильтровать,, остальные переотраженные сигналй отфильтровывак тся аналогично. можно рассматривать в каждый момент времени как гармонический сигнал,и, учитывая, что для большинства твердых сред ш « 1, этот сигнал можно представить в виде суммы трех спектральных составляющих

Ц = КЦ Ц = — К U U соя(— S& t)+ ((1 1 (2 () 2- 2

55 1

+ -К U U cos(2g t + St — -$(t) +

Л

2 2

1 Г

+ К Ц U moos (((2 Б ))t +if$e

4 "о 2"

1569697

I где П5- = --K1K UoU — амплитуда напряжения на выходе фильтра 12 в блоке 10 фильтров.

Спектр колебаний (9) изображен на

15 фиг, 4е.

С выходов Фильтров 11 и 12 (фиг.2) напряжения (8) и (9) пооч ередно поступают через ключ 13 на выход блока

10 Фильтров, который подключен к входу вольтметра 6, с помощьк которого производится измерение амплитуды напряжений U,4 и ц . Разделив напряжение U4 íà U<, получают для индекса фазовой модуляции рабочую Формулу

+ 2К1 "о""þ со (7) Кэ Uq

m = 2 ——

К U5 (1 О) 30

) соз (263рС + St -«2S bg.

Спектр полученного напряжения показан на Фиг .4г . Сумма напряжений (7) с выхода перемножителя 9 поступает на вход блока 10 Фильтров, один из которых 11 (фиг.2) настроен на частоту (Q — Qg) и имеет добротность, остаточную для подавления б",)1æàéøèõ спектральных составляющих (Q+Qg) и (Q.— ЗЯ ) более чем на 40 дБ. Тогда

40 на выходе полосового Фильтра 1 1, имеющего коэффициент передачи в полосе пропускания К имеют

Ц„ = -К, K

1 г ) 45

4 1 2 О Пьх Л Пьых

Пвх "е) )х (8) 50

1 где U4 = — 4K1K Uðîø - а литуда напряжения на выходе Фильтра

11 в блоке 10 Фильтров.

Слектр Колебания (8) изображен «а

Фиг . 4д.

Сумма напряжений (7) с выхода ) перемножителя 9 поступает также на вход полосового Фильтра 1 2, настроен1

+ 2 1 л

4K„UîU mcos(2Mоt+St — S ) t +

+ Pc + 1) — -к,коii mccc ((2+

° 2 ) t +93- -K,U., (2а, +

+ St --S), t -Qt -Ч))+ л г

+-KU U cos(2C3t + St --S> t) +

1 3

1 0 о 2" ) 1

+ — K V V m cos)(Q--Sь )t +ф (+

1 2. 3

+ -К U U m cos(2+t + St — -S b t + о 2 ) +pc +g ) К.iLi В m ccc((g

+ -8 ) + Ф вЂ” — K) Ug U n x б, - U

U.5 K1K UoU cos Qgt = U cos >gt (9) Таким образом, для вычисления индекса фазовой модуляции необходимо измерить амплитуду напряжения 11 и

11 на выходе блока 10 Фильтров при разных положениях ключа 13 и коэффициенты передачи фильтров 11 и 12, которые определяются при градуировке перед началом измерений. Погрешность определения коэффициента передачи

Фильтра равна где U> и

П ык — вхоДное и выхоДное напРЯжения фильтра на рабочей частоте.

Общая аппаратурная погрешность измерения индекса модуляции равна

Аш ЬКа 1 АК ЬП4- 611 (12) К2 Кз U4 05

При использовании для градуировки и измерений вольтметра типа ВЗ-24 общая аппаратурная погрешность составляет 2%, что не превышает погрешность прототипа.

По сравнению с прототипом предла.— гаемое устройство позволяет устранить влияние переотраженных от гра1 569697

Раг.2 ней образца сигналов на измеряемую величину индек с а фа з ов ой модуляции, тем самым нет необходимости. подби.— рать образцы с большим затуханием, уменьшающим величину переотраженных сигналов, Следовательно, диапазон используемых для измерений образцов расширяется.

1О

Кроме того, обработка информаци-. онного сигнала переносится в низкочастотную область, и аппаратурная реализация устройства упрощается.

Формула изобретения

Ус та нов к а для ис следов ания нерезонансных взаимодействий акустических волн, содержащая последователь- > но соединенные генератор гармоническ ог о низк оч ас то тног о сигнала и излучающий акустический преобразователь, предназначенный для установки на поверхности прямоугольного образ- 35 ца исследуемого материала, второй излучающий акустический преобразователь и приемный преобразователь, предназначенные для установки на поверхности образца на его противоположных гранях, перпендикулярных плоскости установки первого излучающего акустиче-. ского преобразователя, вольтметр и подключенный к выходу приемного преобразователя полосовой филътр, о тличающаяся тем,что,сцелью расширения диапазона исследуемых веществ путем устранения влияния переотраженных от граней образца акустических сигналов на результаты измерений, она снабжена генератором линейно-частотно-модулированного сигнала и последовательно соединенными перемножителем и блоком филътров, выход которого подключен к входу вольтметра, первый выход генератора линейно- частотно-модулированного сигнала подключен к входу второго излучающего акустического преобразователя, второй выход — к первому входу перемножителя, второй вход которого подключен к выходу полосового Фильтра.

1569697

Составитель Г. Максимочкин

Редактор А. Шандор Техред д.Сердюкова Корректор О.Кравцова! произ-,.-., ".-;ае : г-:: = т - кс -, ".:":..-"т Патент, !

Г=:. ари .sа 101

Закаэ 1443 Тираж 5ОБ Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5