CH634922A5

CH634922A5 - Einrichtung zum messen der akustischen eigenschaften und deren aenderungen einer probe.

Info

Publication number: CH634922A5
Application number: CH1012578A
Authority: CH
Inventors: Joseph S Heyman
Original assignee: Nasa
Priority date: 1977-12-08
Filing date: 1978-09-28
Publication date: 1983-02-28
Also published as: DE2835703A1; FR2411407B1; CA1103311A; DE2835703C2; GB2009932A; US4117731A; JPH0120366B2; FR2411407A1; JPS5480172A; GB2009932B

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der akustischen Eigenschaften und deren Änderungen einer Probe. Die Probe kann flüssig, gasförmig oder fest sein.

Es sind allgemein zwei Klassen von Ultraschallmesseinrichtungen bekannt, die einen arbeiten mit dem Impulsecho und die anderen mit ungedämpften Wellen. Die Nachteile der bekannten Impulsecho-Einrichtungen sind, dass die akustischen Überlagerungen nicht monochromatisch und nicht kohärent sind, dass die Bandbreite, in welcher die Messungen durchgeführt werden, gross ist, wobei die Messwerte von dem Arbeitszyklus abhängig sind, und dass diese Einrichtungen eine sehr schnell ansprechende Elektronik mit hohen Spitzenleistungen benötigen, weshalb derartige Einrichtungen kompliziert und teuer sind.

Der wesentlichste Nachteil der bekannten Einrichtungen, die mit ungedämpften Wellen arbeiten, ist der «Nebensprech-effekt», der die Auswertung der Messergebnisse erschwert. Aus diesem Grund ist der Empfangs-Wandler vom Sende-Wandler sorgfältig zu trennen um das Nebensprechen zu reduzieren. Zum teilsweisen Beseitigen der auftretenden Schwierigkeiten wird ein komplizierter Wandler benötigt, der eine gute akustische Kopplung ergibt und dazu noch eine gute elektrische Isolation aufweist. Derartige Wandler sind kompliziert im Aufbau und störanfällig, sowie teuer in der Herstellung.

Eine bekannte Einrichtung, die ungedämpfte Wellen abtastet, ist in einem Artikel «Sampled-Continuous Wave» Ultrasonic Technique and Spectrometer von J.G. Miller und D.I. Bolef beschrieben und wurde in der Zeitschrift «The Review of Scientific Instruments» auf den Seiten 915 bis 920 in der Ausgabe Nr. 7 vom Juli 1969 veröffentlicht. In dieser Einrichtung wird die Quelle der ungedämpften Wellen ausgeschaltet, um die abklingende akustische Schwingung abtasten zu können. Auf diese Weise erhält man angenähert eine Einrichtung zum Messen des Ultraschalles, in welcher Einrichtung das Nebensprechen ausgeschaltet ist. Diese bekannte Einrichtung besitzt jedoch immer noch den Nachteil, dass die Messwerte durch den Arbeitszyklus begrenzt sind, d.h. das Verhältnis der Signalzeit zur gesamten Zykluszeit ist relativ niedrig.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, in welcher keine störende Einflüsse durch Nebensprechen oder den Arbeitszyklus auftreten.

Die erfindungsgemässe Einrichtung ist gekennzeichnet durch einen Oszillator zum Erzeugen einer Wechselspannung mit einstellbarer Frequenz, einen elektromechanischen Wandler zum Anregen der Probe mit der genannten Wechselspannung, erste Mittel zum periodischen Unterbrechen der Anregung der Probe während einer kurzen Dauer, zweite an den Wandler angeschlossene Mittel zum Empfangen der während den genannten Unterbrechungen in der Probe erzeugten akustischen Signale und zum Erzeugen eines von des Differenz der vom Oszillator erzeugten Frequenz und der mechanischen Resonanzfrequenz der Probe abhängigen Steuersignals, und dritte Mittel zum Anlegen des Steuersignals an den steuerbaren Oszillator, damit der Oszillator eine Frequenz erzeugt, die wenigstens angenähert gleich der mechanischen Resonanzfrequenz der Probe ist. Der Erfindungsgegenstand ist nachstehend mit Bezugnahme auf die Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschema einer Ausführungsform der erfin-dungsgemässen Einrichtung zum Messen der akustischen Eigenschaften einer Probe und

Fig. 2 die graphische Darstellung einer mechanischen Resonanzkurve einer Probe zum Zwecke der Erklärung der Betriebsweise der Einrichtung gemäss der Fig. 1.

In dem in der Fig. 1 dargestellten Blockschema einer Einrichtung zum Messen der akustischen Eigenschaften und deren Änderungen einer Probe ist ein Oszillator 11 zum Erzeugen einer Hochfrequenz von beispielsweise 5.106 Hz vorhanden. Der Oszillator 11 besitzt einen Varaktor, der ermöglicht, dass die vom Oszillator 11 erzeugte Frequenz durch Anlegen einer Spannung steuerbar ist. Die vom Oszillator 11 erzeugte Wechselspannung wird einem austastbaren Verstärker 12 zugeführt, wobei das Signalverhältnis im ungetasteten Zustand zum getasteten Zustand des Empfängers grösser als 70 db ist. Das vom Verstärker 12 verstärkte Wechselstromsignal gelangt zu einer Treiberstufe 13 mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz um einen elektrischen Wandler 14 zu speisen, welcher das elektrische HF-Signal in akustische Wellen umsetzt und mit diesen eine Probe, beispielsweise eine Schraube 15, anregt. Obwohl in der

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Fig. 1 eine Schraube 15 dargestellt ist, können mit der erfin-dungsgemässen Einrichtung auch flüssige, gasförmige, plasma-förmige oder feste Proben untersucht werden. Das Ausgangssignal des Oszillators 11 ist mit einer Frequenz von 1 kHz Frequenz moduliert. Diese Frequenz von einem kHz wird durch einen Oszillator 16 erzeugt, der eine Rechteckspannung abgibt, die über ein Bandpassfilter 17 und einen Summierverstärker 18 dem Steuereingang des Oszillators 11 als Sinusspannung zugeführt wird.

Das Ausgangssignal eines 10 kHz-Oszillators 19 wird in einer Pufferstufe 20 verstärkt und dem Austasteingang des Verstärkers 12 zugeführt, um den Verstärker 12 während einer kurzen Zeit, z.B. 10 Mikrosekunden, während jeder Schwingung des Oszillators 19 auszutasten. Während derjenigen Zeit, in welcher der Verstärker 12 ausgetastet ist, wird ein Teil der in der Probe, d.h. der Schraube 15, enthaltenen akustischen Energie durch den Wandler 14 in elektrische Signale umgesetzt, die einer Mischstufe 21 zugeführt werden. Das Ausgangssignal des Oszillators 19 gelangt über einen Inwerter 22 ebenfalls zur Mischstufe 21 während der Zeit in welcher der Verstärker 12 ausgetastet ist. Das Ausgangssignal der Mischstufe 21 wird mittels einem Detektorverstärker 23 detektiert und verstärkt und einer Abtast- und Halteschaltung 24 zugeführt. Das Ausgangssignal des Oszillators 19 wird auch über einen Verzögerungskreis 25 der Abtast- und Halteschaltung 24 zugeführt, um sicher zu sein, dass jene Signale, die beim Austasten des Verstärkers 12 auftreten, nicht abgetastet werden. Jedes von der Abtast-und Halteschaltung 24 abgetastete Signal wird bis zum Erscheinen des nächsten Signals gespeichert. Das Ausgangssignal der Abtast- und Halteschaltung 24 wird einem Bandpassfilter 26 zugeführt, und am Ausgang des Bandpassfilters 26 erscheint eine einer Gleichspannung überlagerte Sinusspannung. Dieses Signal wird über einen variablen Phasenschieber 27 einem Phasendetektor 28 zugeführt.

Das Ausgangssignal des Oszillators 16 wird über eine Pufferstufe 29 dem Phasendetektor 28 zugeführt. Wenn die Phase des Signals am Ausgang des variablen Phasenschiebers 27 mit der Phase des Signals am Ausgang der Pufferstufe 29 übereinstimmt, so erzeugt der Phasendetektor 28 eine positive Gleichspannung, die über einen geschlossenen Schalter 35 einem Integrator 30 zugeführt wird, welcher die Gleichspannung integriert. Wenn die beiden vorgenannten Signale nicht in Phase sind, so erzeugt der Phasendetektor 28 eine negative Gleichspannung, die zum Integrator 30 gelangt. Dementsprechend erzeugt der Integrator 30 eine Gleichspannung, deren Amplitude sich periodisch ändert. Dieser Gleichspannung ist sozusagen eine ungedämpfte Welle überlagert. Die vom Integrator 30 erzeugte Gleichspannung wird im Summierverstärker 18 zur vom Bandpassfilter 17 abgegebenen Ausgangsspannung addiert und danach dem Steuereingang des Oszillators 11 zugeführt. Die Ausgangssspannung des Integrators 30 gelangt über ein Tiefpassfilter 31 zu einem Gleichspannungsvoltmeter 32, um die von der mechanischen Belastung der zu untersuchenden Schraube 15 abhängigen Frequenzverschiebung der mechanischen Resonanzfrequenz anzuzeigen. Die Ausgangsspannung der Abtast- und Halteschaltung 24 wird durch ein Gleichspan-nungsVoltmeter 33 gemessen und ermöglicht die Anzeige der von der mechanischen Belastung der zu untersuchenden Schraube 15 abhängigen Dämpfung. Die Frequenzverschiebung und/oder die mechanische Resonanzfrequenz kann auch an einem Frequenzzähler 34 abgelesen werden, welcher mit dem Ausgang des Oszillators 11 verbunden ist.

Zu Beginn der Messung wird der Schalter 35 geöffnet und die zu untersuchende Schraube 15 ist nicht festgezogen, d.h. unbelastet. Danach wird die Frequenz des Oszillators 11 so eingestellt, dass am Voltmeter 33 ein maximaler Ausschlag abgelesen werden kann. Dies ist dann der Fall, wenn die Frequenz des Ausgangssignales des Oszillators 11 gleich der mechanischen Resonanzfrequenz der unbelasteten Schraube 15 ist. Danach wird der Schalter 35 geschlossen, was bewirkt, dass die Fre-5 quenz des Ausgangssignales des Oszillators 11 automatisch der mechanischen Resonanzfrequenz der Schraube 15 nachgeführt wird. Wenn danach die Schraube 15 angezogen wird, so dass sie mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, wird dadurch die mechanische Resonanzfrequenz verschoben. Wenn die Fre-io quenzverschiebung derart ist, dass die in der Fig. 2 durch die Kurve A angedeutete Sinuswelle des Ausgangssignals des Bandpassfilters 17 sich auf der ansteigenden Flanke der in der Fig. 2 dargestellten Resonanzkurve befindet, so erzeugt der Phasendetektor 27 eine Sinuswelle, die durch die Kurve B in der Fig. 2 15 angedeutet ist. Wie festgestellt werden kann, ist die Kurve B in Phase mit der Kurve A. Deshalb wird der Phasendetektor 28 eine positive Gleichspannung an den Integrator 30 abgeben, wodurch die Gleichspannung am Ausgang des Integrators 30 ansteigt. Die ansteigende Gleichspannung, die dem Oszillator 2011 zugeführt wird bewirkt, dass die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators 11 zunimmt, so dass sich die vom Oszillator 11 erzeugte Frequenz der Resonanzfrequenz nähert. Wenn andererseits die Sinuswelle des Ausgangssignals des Bandpassfilters 17 im Bereich der absteigenden Flanke der in der Fig. 2 25 dargestellten Resonanzkurve einwirkt, wie dies durch die Kurve C in der Fig. 2 angedeutet ist, so wird am Ausgang des Phasenschiebers 27 eine Sinuswelle erzeugt, welche durch die Kurve D angedeutet ist. Es sei vermekrt, dass die Kurve D gegenüber der Kurve C um 180 ° verschoben ist. Deshalb wird der Phasende-30 tektor 17 eine negative Gleichspannung dem Integrator 30 zuführen, was bewirkt, dass die Gleichspannung am Ausgang des Integrators 30 abnimmt. Dadurch wird dem Oszillator 11 eine kleinere Gleichspannung zugeführt, was bewirkt, dass die Frequenz des vom Oszillators 11 erzeugten Ausgangssignal sich der 35 Resonanzfrequenz nähert. Aus den oben angeführten Gründen wird die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators 11 automatisch der mechanischen Resonanzfrequenz der zu prüfenden Schraube nachgeführt. Die von der Belastung der zu prüfenden Schraube 15 abhängige Frequenzverschiebung kann am Volt-40 meter 32 oder am Frequenzzähler 34 abgelesen werden, wobei diese Frequenzverschiebung ein Mass für die mechanische Beanspruchung der Schraube 15 darstellt.

Alle in der Fig. 1 dargestellten elektrischen Komponenten sind bekannt und auf dem Markt erhältlich. Es wird daher auf 45 die Beschreibung der Einzelheiten dieser Komponenten verzichtet. Die oben beschriebene Einrichtung besitzt gegenüber den bekannten Ultraschallmesseinrichtungen zahlreiche Vorteile. Die erfindungsgemässe Einrichtung führt keine breitbandi-gen Messungen aus, in denen viele Frequenzanteile und phasen-50 verschobene Signale erfasst werden, wie dies bei den bekannten Impulsechoeinrichtungen der Fall ist. Die Betriebsweise der er-findungsgemässen Einrichtungen wird nicht durch den Abtastzyklus begrenzt, wie dies bei den bekannten Einrichtungen, die ungedämpfte Wellen abtastet, der Fall ist, und das Verhältnis 55 zwischen dem Nutzsignal und den Geräuschsignalen ist besser als jenes der zuletzt genannten Einrichtung, weil die Abtastfrequenz des Signals höher ist.

Die Vorteile die die erfindungsgemässe Einrichtung gegenüber den bekannten Einrichtungen, die eine ungedämpfte Welle 60 abtasten, aufweist, sind in erster Linie darauf zurückzuführen, dass in der zuletzt genannten bekannten Einrichtung die akustische Antwort in der Probe jedesmal nach dem Einschalten der Erregung von Null an aufgebaut werden muss. Bei der erfin-dungsgemässen Einrichtung sinkt die akustische Antwort in der 65 Probe nach jedem Abschalten der Erregung nur leicht unter den angeregten Wert.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Enrichtung zum Messen der akustischen Eigenschaften und deren Änderungen einer Probe, gekennzeichnet durch einen Oszillator (11) zum Erzeugen einer Wechselspannung mit einstellbarer Frequenz, einen elektromechanischen Wandler (14) zum Anregen der Probe mit der genannten Wechselspannung, erste Mittel (12,19,20) zum periodischen Unterbrechen der Anregung der Probe während einer kurzen Dauer, zweite an den Wandler angeschlossene Mittel (21-28,30) zum Empfangen der während den genannten Unterbrechungen in der Probe erzeugten akustischen Signale und zum Erzeugen eines von der Differenz der vom Oszillator erzeugten Frequenz und der mechanischen Resonanzfrequenz der Probe abhängigen Steuersignals und dritte Mittel (16,17,18) zum Anlegen des Steuersignals an den steuerbaren Oszillator, damit der Oszillator eine Frequenz erzeugt, die wenigstens angenähert gleich der mechanischen Resonanzfrequenz der Probe ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anzeigemittel (34) zum Feststellen der Änderung der vom Oszillator erzeugten Frequenz vorhanden ist, welches Anzeigemittel das Bestimmen der Verschiebung der mechanischen Resonanzfrequenz in der Probe gestattet.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Mittel (31,32) zum Messen der Amplitude des Steuersignals vorhanden sind, welche weiteren Mittel das Bestimmen der Verschiebung der mechanischen Resonanzfrequenz in der Probe gestatten.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Mittel (33) zum Messen der Amplitude des akustischen Signals vorhanden ist, welches weitere Mittel die Dämpfung des akustischen Signals in der Probe anzeigt.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Mittel zum Frequenzmodulieren des steuerbaren Oszillators einen weiteren Oszillator (16) mit einer Frequenz, die ein mehrfaches kleiner als die Frequenz der genannten Unterbrechungen ist, und einen Summierverstärker (18) umfassen, dass die zweiten Mittel einen Detektorverstärker (23), eine Mischstufe (21), die derart gesteuert ist, dass sie den Detektorverstärker nur während den genannten Unterbrechungen an den Wandler anschaltet, eine Abtast- und Halteschaltung (24) zum Bilden des demodulierten FM-Signals, und einen Phasendetektor (28) zum Vergleichen der Phasen des vom weiteren Oszillator erzeugten FM-Signals und des demodulierten FM-Signals und zum Erzeugen eines positiven Signals, wenn die genannten Signale die gleiche Phase aufweisen und zum Erzeugen eines negativen Signals, wenn die beiden Signale zu einander phasenverschoben sind, enthalten, und dass der Ausgang des Phasendetektors (28) und der Ausgang des weiteren Oszillators (16) mit dem Summierverstärker zum Bilden des Steuersignals für den steuerbaren Oszillator verbunden sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Phasendetektor und dem Summierverstärker ein Integrator (30) eingeschaltet ist, damit die vom Phasendetektor erzeugten Signale integriert werden bevor sie zum FM-Signal addiert werden.