Устройство для измерения акустического сопротивления

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик н1,792128

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву(22) Заявлено 100778 (21) 2б42408/18-10 с присоединением заявки ¹-. (23) Приоритет—

Опубликовано 30.12,80, Бюллетень ¹ 48

Дата опубликования описания 30,1280 (51)М. Кл.

G 01 N 29/00

Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открытий (53) УДК543.22 (088.8) О.К. Келлер, Г.Д. Лубяницкий, М.Ф. Никольская, Т.С. Никольская и С.В. Петухова (72) Авторы изобретения. (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Изобретение относится к технике мощного ультразвука и может быть использовано при измерениях полного акустического сопротивления для оценки свойств материалов и элементов конструкций в производстве строительных 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 устройства, работающего по методу длинчых линий, является ограниченность частотного диапазона измерений, вследствие того что присоадинительный диаметр испытуемых образцов материалов и элементов конструкций для верхнего эву кового и ультразвукового диапазона частот получается неприемлемо малым, так как он лимитируется верхним пре5 делом (ачастотного диапазона измерений установки

О(1ф 11 f

10 где с — скорость звука в воздухе;

D — диаметр трубы, а следовательно, и испытуемого образца.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является

15 известное устройство для измерения акустического сопротивления, содержащее измерительную камеру, с одной стороны которой присоединен источник звука, а с противоположной — разме2О щено приспособление для крепления испытуемых образцов, электронный генератор, подключенный к источнику звука, акустический зонд, установлен" ный внутри измерительной камеры, и

25 измерительную схему, подключенную к выходу акустического зонда f2 .

Недостатком известного устройства является ограниченность частотного диапазона измерений, вызванная тем, что на высоких звуковых и ультразву792128 ковых частотах размеры испытуемых образцов материалов и элементов конструкций становятся неприемлемо малыми, В известном устройстве верхняя гианичная частота диапазона измерений акустического сопротивления ограничивает размер каг<еры, поскольку размеры полости камеры должны быть меньше, чем длина волны звука на частоте измерений. Так для диапазона частот

2000 — 5000 Гц объем каглеры 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 должен быть не более

1 см ), что использовать из:рестное устройство практически неЬозможно.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона 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 верхнюю граничную частоту диапазона измерений, а акустический зонд установлен .на расстоянии, превышающем половину длины рупора от erо 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.

Щель 4 и звукопровод 5 заполнены отрезками стальной проволоки. Излучатель б звука подключен к электронному генератору 8. Акустический зонд

9, представлягощий собой трубку соединяет полость измерительного рупора 1 с измерительным микрофоном 10, подключенным к усилителю 11 и электронному вольтметру 12. К выходу

5 Ф

15 5о

° где f — длина рупора; основание натуральных логарифмов; ,8 — показатель экспоненты;

20 2 1 (2) где f — верхняя граничная частота диапазона измерений; с — скорость звука в воздухе.

g5 При выполнении <камеры в виде катеноидального рупора отношение площади S нормального сечения устья рупора к площади S нормального сечения его входа выбирается из соотноЗР (3) — ch (f,8), о где (— длина рупора, 2 7f с (4) с — скорость звука в воздухе; верхняя граничная частота в диапазона измерений.

На фиг. 2а изображена эквивалент4О .ная схема рупора с акустическим сопротивлением Zð, нагруженным со стороны входа на источник звукового давления с внутренним сопротивлением . 1 Р— уровень звукового давления к

4 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 2р.

На фиг. 2 изображена эквивалентная схема рупора с акустическим соп. ротивлением Zpг нагруженным со стороны устья испытуемым образцом с искомым акустическим сопротивлением 2в.

Со стороны входа рупор нагружен на источник звукового давления P с внутренним сопротивлением 2 . P> уровень звукового давления в рупоре е0 при нагрузке его на испытуемый образец.

На фиг. 3 приведена зависимость сопротивления экспоненциального рупора от расстояния вдоль него от

65 входа к устью для четырех частот изусилителя 11 и входу вольтметра 12 подключен электронный фазометр 13 и фазовращатель 14 для определения угла сдвига азы звукового давления в измерительном рупоре. При этогл рупор может быть выполнен экспоненциальным, катеноидальным и других форм.

При выполнении камеры предлагаемого устройства в виде экспоненциального рупора отношение площади SHop10 мального сечения устья рупора к площади S нормального сечения его входа выбирается из соотношения:

792128 ние, это упрощает отсчет фазы. Затем эталонный образец заменяется испытуемым (режим генератора при этом не меняется) и измеряется с помощью вольтметра 12 звуковое давление Р>, с помощью фазометра 13 измеряется изменение Фазы Р> на величину И по отношению к P .

Искомое акустическое сопротивление определяют по формуле:

10 г = — —, (б)

Рх

Р2,ф-к

yp - zг р Я,О

,р(7,7 иà —,г гггг-и

Я =ЖР рэ рри и „ z

30 р- грг- s z

- Е бр*=ййгЕ„) с и-иг, Р— dy

2р „ л г ир г б Р (Й-к Шэг рбрр ) (р - - pthpZj.l — -к +дйв ) Е (I -и с6Р р РбггР() где cd=2jr7 — круговая частота;

k=—

Я частота измерений;

45 с — скорость звука в воздухе;

) — постоянная характеризующая форму образующей рупора.

В случае невыполнения условия

Z >> Ер, Внутреннее сопротивление источ-5 1 ника звука определяется из равенства: г ги м Z 2 P /Pg -1 где 2, — известное акустическое сопротивление.

Из ьыражения (6) видно, что чем больше значение Z>, тем больше измеP ряемая величина отношения — - . Как

Р видно иэ составления кривых фиг. 3 и формулы (6), акустическое сопротивление рупора и связанное с ним отно

P шение — - повышается в направлении

Р от входа к устью, т.е. чем ближе к у мере ий — 4;8;12;16 кГц. По оси ординат отложено безразмерное сопротивление рупора — отношение 7.р

> с где 2Р— сопротивление рупора, акустическое сопротивленис с воздуха.

По оси абсцисс отложено расстояние вдоль рупора от его входа, длина рупора. Для расчета взятй следующие параметры:,8 = 3,88;

0,6 см; Г„,р -- 21 кГц; диаметр входа — 0,8 см; устья — 7 см, где критическая частота, определяеФормулы: 2 Е я = — ии (5) с

Устройство работает следующим образом.

Устье рупора 1 с помощью приспособления 2 закрывают эталонным образцом 3, в качестве которого исноль-. зуют. жесткую металлическую стенку достаточной толщины (например, толще 1 см).

От излучателя 6 в измерительный рупор 1 подается звуковой сигнал заданной частоты f. По вольтметру 12 определяют значение звукового давления Р„ в рупоре. Одновременно с помощью фазовращателя 14 стрелка фазометра 13 выводится в нулевое положегде Z р — акустическое сопротивление рупора, нагруженного со стороны устья бесконечную жесткую cTeHKQ, а со стороны входа на источник звуковой энергии с внутренним сопротивлением

Р

Для акустического сопротивле ни я соответственно экспоненциального и катеноидального рупоров используют фОРМУл61: устью рупора установлен акустический зонд, тем выше чувствительность и точность предлагаемого устройства для измерения полного акустического сопротивления образцов материалов и элементов конструкций.

Использование предложенного устройства для измерения сопротивления по сравнению с известным позволяет получить следующие преимущества: расширение технологических воэможностей за счет увеличения номенклатуры испытуемых образцов материалов и элементов конструкций при измерениях в верхнем звуковом и ультразвуковом диапазоне частот; упрощение измерений в укаэанном 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 оптимально о размещения трубки акустического зонда в рупоре.

792128 формула изобретения

Устройство для измерения акустического сопротивления, содержащее измерительную камеру, с одной стороны которой присоединен источник звука, а с противоположной — размещено приспособление для крепления испыту=-мых образцов, электронный генератор, подключенный к источнику звука, акустический зонд, установленный внутри измерительной камеры, и измерительную схему, подключенную к выходу акустического зонда, о т л и ч а ю щ е е с я 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).

792128

Фас. г

Ь

Ъ

Ь

1 4

O м ь

Ъ

М

:3 С ь

Ь

O

%.

М Ф

12к Гц

ИкГц

0,$ О бб O,d3

Раеслтеммис ВВела рупора ою юе Вахеда, доли

+cue, 3

Тирам 1019 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, й-35, Раушская нар., д. 4/5

Заказ 9431/42

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель Е. Литвинов

Редактор Т. Горячева Техред:С.Мигунова Корректор О. Билак