DE2835703A1

DE2835703A1 - Messvorrichtung zur messung akustischer eigenschaften

Info

Publication number: DE2835703A1
Application number: DE19782835703
Authority: DE
Inventors: Joseph S Heyman
Original assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1977-12-08
Filing date: 1978-08-16
Publication date: 1979-06-13
Also published as: FR2411407B1; FR2411407A1; JPH0120366B2; GB2009932A; DE2835703C2; GB2009932B; US4117731A; CA1103311A; JPS5480172A; CH634922A5

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Ultraschalltechnik und bezieht sich insbesondere auf die Messung von akustischen Eigenschaften und von Änderungen derselben bei Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern.

Die beiden Hauptklassen bekannter Ultraschall-Meßvorrichtungen sind Impulsecho-Vorrichtungen und Vorrichtungen, die mit ungedämpften Wellen bzw. Dauersignalen oder Dauerton arbeiten (CW). Die Nachteile der Impulsecho-Vorrichtungen liegen darin, daß die akustischen Wellen nicht monochromatisch und nicht kohärent sind, die Messungen durch Einwirkungen der Bandbreite und des Einschaltverhältnisses bzw. Tastverhältnisses beeinträchtigt sind und bei den Vorrichtungen gewöhnlich elektronische Einrichtungen mit sehr schneller Anstiegszeit und hohen Spitzenleistungen erforderlich sind, was zu einer komplizierten und teuren Meßgeräteausstattung führt.

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Der primäre Nachteil der Dauersignal-Vorrichtungen ist das "übersprechen" (elektrischer Nebenschluß), das die Messungsauswertung kompliziert macht. Diese Schwierigkeit macht eine sorgfältige Isolierung eines Empfangs-Wandlers von einem Sendewandler notwendig, um damit das übersprechen auf ein Mindestmaß herabzusetzen. Zu einer Teillösung dieser Schwierigkeit ist ein zusammengesetzter Wandler notwendig, der starke akustische Kopplung hat, jedoch zugleich stark elektrisch isoliert. Ein derartiger zusammengesetzter Wandler ist teuer und empfindlich bzw. zerbrechlich.

In der Veröffentlichung "A"Sampled-Continuous Wave" Ultrasonic Technique and Spectrometer" von J.G. Miller und D.I. Bolef, die in der Review of Scientific Instruments, Band 40, No. 7, Seiten 915-920, Juli 1969 veröffentlicht.· ist, ist eine Abtast-Dauersignal.-Vorrich.tung (SCW) beschrieben, bei der eine Dauersignalquelle ausgeschaltet wird und nach Belieben eine Abtastung bzw. Abfrage der akustischen Dämpfung abgewartet wird. Dies kommt einer Dauersignal-Ultraschall-Meßvorrichtung ohne Übersprechen nahe; die Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, daß eine Festlegung hinsichtlich des Tastverhältnisses bzw. Einschaltverhältnisses besteht. Das heißt, das Verhältnis von Signalzeit zur Zeit für einen vollständigen Zyklus ist gering.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschall-Meßvorrichtung zu schaffen, bei der kein Übersprechen auftritt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Figur 1 ist ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels der Meßvorrichtung.

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Figur 2 zeigt zur Erläuterung der Funktion der Meßvorrichtung ^eine Frequenzkurve bei mechanischer Resonanz.

In Figur 1 bezeichnet 11 einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) mit Heaktanzdiodenabstiiranung, der eine Ausgangs-Hochfrequenz von beispielsweise 5 χ 10 Hz abgibt. Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerte* Oszillators wird in einem geschalteten bzw. Schaltverstärker 12 hochverstärkt, der ein Ein/Aus-Verstärkungsverhältni3 von mehr als 70 db hat. Das Ausgangssignal des Schaltverstärkers 12 wird über eine Pufferstufe 13 für die Ansteuerung einer niedrigen Impedanz geführt und dann einem Wandler 14 zugeführt, der die elektrischen Hochfrequenzsignale in akustische Wellen umsetzt, die in eine Schraube 15 geleitet werden. Obgleich zwar in Figur 1 die Schraube 15 gezeigt ist, kann die Meßvorrichtung selbstverständlich auch bei irgendeiner Probe von Flüssigkeiten, Gasen, Plasmas oder Festkörpern eingesetzt werden. Der spannungsgesteuerte Oszillator 11 ist mittels eines 1 kHz-Oszillators 16 frequenzmoduliert, dessen Rechteckwellen-Ausgangssignal mittels eines Bandpassverstärkers 17 in eine Sinuswelle umgesetzt wird und danach über einen Summierverstärker 18 an den Oszillator 11 angelegt wird. Das Ausgangssignal aus einem 10 kHz-Oszillator 19 wird über eine Pufferstufe 20 verstärkt und dem Schaltverstärker 12 zugeführt, um diesen bei jeder Periode des 10 kHz-Oszillators 19 für eine kurze Zeitdauer von beispielsweise 10 ms auszuschalten bzw. zu sperren. Während der Ausschaltzeiten des Schaltverstärkers 12 wird etwas von der akustischen Energie in der Probe bzw. der Schraube 15 mittels des Wandlers 14 in elektrische Signale rückgewandelt und gelangt über eine Mischstufe 21. Das Ausgangssignal des 10 kHz-Oszillators 19 wird auch ausschließlich während der Ausschaltzeit des Schaltverstärkers 12 über einen Inverter 22 an die Mischstufe 21 angelegt. Die über die Mischstufe 21 geführten Signale werden mittels eines Detektorverstärkers 23 gleichgerichtet und verstärkt und da-

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nach an eine Abfrage/Halteschaltung 24 angelegt. An diese wird ferner das Ausgangssignal des 10 kHz-Oszillators 19 über eine logische Verzögerungsschaltung 25 angelegt, um sicher zu stellen, daß die Signale nicht während des Ausschwingens bzw. der Übergangszeit nach dem Sperren des Schaltverstärkers 12 abgefragt werden. Jedes mittels der Abfrage/Halteschaltung 24 abgefragte Signal wird bis zur Abfrage des nächsten·,·Signals gespeichert. Das Ausgangssignal der Abfrage/Halteschaltung 24 wird über einen Bandpassverstärker 26 geführt und ergibt eine Sinuswelle über einer Gleichspannung. Dieses Signal wird über einen Phasenschieber 27 mit veränderbarer Phasenverschiebung an einen Phasendetektor 28 angelegt.

An den Phasendetektor 28 wird ferner über eine Pufferstufe 29 das Ausgangssignal des 1 kHz-Oszillators 16 angelegt. Wenn das Signal am Ausgang des Phasenschiebers 27 mit dem Signal am Ausgang der Pufferstufe 29 gleichphasig ist, gibt der Phasendetektor 28 über einen Schalter 35 eine positive Gleichspannung an einen Integrator 30 ab, der die Gleichspannung integriert. Wenn die beiden Signale phasenverschoben bzw. gegenphasig sind, gibt der Phasendetektor 28 eine negative Gleichspannung an den Integrator 30 ab. Folglich erzeugt der Integrator 30 einen sich ständig ändernden Gleichspannungspegel. Der Gleichspannungspegel stellt ein Pseudo-Dauersignal (PCW) dar. Diese Gleichspannung wird mittels des Summierverstärkers 18 dem Ausgangssi'gnal aus dem Bandpassverstärker 17 hinzugefügt und dann an den spannungsgesteuerten Oszillator 11 angelegt. Das Ausgangssignal des Integrators 30 wird auch über einen Tiefpassfilter 31 geführt und dann mit einem Gleichspannungs-Voltmeter 32 gemessen, um damit eine Anzeige von Frequenzverschiebungen einer mechanischen Resonanzspitze der als Probe dienenden Schraube 15 zu erzielen.

Das Ausgangssignal der Abfrage/Halte-Schaltung 24 wird mittels eines Gleichspannungsvoltmeters 33 gemessen, das eine

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Anzeige über die Dämpfung an der Schraube 15 ergibt. Die Frequenzverschiebungen der mechanischen Resonanzspitze können auch unter Verwendung einer Frequenzanzeigeeinrichtung 34 gemessen werden, die an den Ausgang des spannungsgesteuerten Oszillators 11 angeschlossen ist.

Bei Betrieb der Meßvorrichtung wird bei

nicht angezogener und spannungsloser Probe-Schraube 15 das System in Betrieb genommen und der Phasenschieber 27 mit der veränderbaren Phasenverschiebung so eingestellt, daß sich an dem Voltmeter 33 eine maximale Ablesung ergibt. Dies stellt sicher, daß die Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 11 gleich der Frequenz der mechanischen Resonanzspitze der Probe-Schraube 15 ist. Danach wird der Schalter 35 geschlossen, wodurch sichergestellt wird, daß das Pseudo-Dauersignal mit der Resonanfrequenz starr gekoppelt bzw. verriegelt wird. Wenn danach die Probe-Schraube 15 angezogen wird und einer Spannung ausgesetzt wird, verschiebt sich die Frequenz der mechanischen Resonanzspitze. Wenn die Verschiebung dermaßen ist, daß gemäß der Darstellung durch die Kurve A in Figur 2 die Sinuswelle am Ausgang des Bandpassverstärkers 17 an dem ansteigenden Teil der Frequenzaangkurve liegt, dann entspricht die am Ausgang des Phasenschiebers 27 erzeugte Sinuswelle der Kurve B. Wie ersichtlieh ist, ist die Sinuswelle gemäß der Kurve B gleichphasig mit der Sinuswelle gemäß der Kurve A. Daher legt der Phasendetektor 28 eine positive Gleichspannung an den Integrator 30 an, die die Gleichspannung am Ausgang des Integrators 30 anhebt. Diese Anhebung der an den spannungsgesteuerten Oszillator 11 angelegten Gleichspannung erhöht die Frequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators 11 in der Weise, daß sich die Frequenz der Frequenz bei der Spitze der Frequenzgangkurve nähert. Wenn im Gegensatz dazu gemäß der Darstellung durch die Kurve C in Figur 2 die Sinuswelle am Ausgang des Bandpassverstärkers 17 an dem abfallenden Teil bzw. Zweig der mechanischen Resonanzspitzenkurve der Probe-

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Schraube 15 liegt/ entspricht die am Ausgang des Phasenschiebers 27 erzeugte Sinuswelle der Darstellung durch die Kurve D. Wie ersichtlich ist, ist die Sinuswelle gemäß der Kurve D gegenüber derjenigen gemäß der Kurve C in der Phase um 180° verschoben. Daher legt der Phasendetektor 29 eine negative Gleichspannung an den Integrator 30 an, die den Gleichspannungspegel am Ausgang des Integrators 30 herabsetzt. Diese Verminderung der an den spannungsgesteuerten Oszillator 11 angelegten Gleichspannung verringert die Ausgangsfrequenz in Richtung auf die Frequenz der Spitze der Frequenzgangkurve zu. Auf diese Weise liegt das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 11 immer annähernd auf einer Frequenz, die der Frequenz der mechanischen Resonanzspitze der Probe-Schraube 15 entspricht.

Die Frequenzverschiebung, die mittels des Voltmeters 32 · oder der Frequenzanzeigeeinrichtung 34 gemessen wird, ergibt eine Anzeige über die Spannung an der Schraube 15.

Alle in Figur 1 gezeigten elektrischen Komponenten sind seit langem bekannt und im Handel erhältlich. Daher werden hier keine Einzelheiten dieser Komponenten beschrieben.

Gegenüber bekannten Ultraschall-Meßvorrichtungen hat die Meßvorrichtung zahlreiche Vorteile. Einmal ist sie nicht dadurch beeinträchtigt, daß bei ihr wie bei den Impulsechovorrichtungen eine Breitbandmessung mit viele» Frequenzen und Phasen erfolgt. Ferner besteht kein übersprechen wie bei den meisten Dauersignalvorrichtungen. Gegenüber der vorangehend genannten Tastdauersignal-Vorrichtung (SCW) besteht keinerlei Einschränkung hinsichtlich des Tastverhältnisses, sodaß sich ein höheres Signal/Störungs-Verhältnis als bei der Tastdauersignal-Vorrichtung ergibt, da das Signal häufiger abgefragt wird.

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Die Vorteile der Meßvorrichtung gegenüber der Tastdauersignalvorrichtung beruhen in erster Linie auf dem Umstand, daß bei der Tastdauersignalvorrichtung das akustische Ansprechen in der Probe bei jedem Einschalten des Senders von 0 her aufgebaut werden muß. Dem gegenüber fällt bei der Meßvorrichtung das akustische Ansprechen bei jedem Ausschalten des Senders nur geringfügig gegenüber dem Dauersignal-Gleichgewichtszustand bzw. Einschwingzustand

ab.
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Mit der Erfindung ist eine Meßvorrichtung zur Messung von akustischen Eigenschaften und Änderungen derselben bei einer Probe einer Flüssigkeit, eines Gases, eines Plasmas oder eines Feststoffes bzw. Festkörpers geschaffen. Zur Erzeugung von Schallwellen innerhalb der Probe wird mit Hilfe eines Wandlers ein Signal einer Signalquelle veränderbarer Frequenz an die Probe angelegt. Das Anlegen des Signales veränderbarer Frequenz an die Probe wird periodisch für kurze Dauer unterbrochen. An den Wandler ist eine Empfangseinrichtung zum Empfang der sich ergebenden akustischen Signale während der Unterbrechungen angeschlossen, die" ein Steuersignal erzeugt, da?· eine Anzeige für den Unterschied zwischen der Frequenz des Ausgangssignals der Signalquelle veränderbarer Frequenz und der Frequenz einer mechanischen Resonanzspitze in der Probe ergibt. Das Steuersignal wird an die Signalquelle veränderbarer Frequenz angelegt, um damit die Ausgangsfrequenz derselben auf der Frequenz der mechanischen Resonanzspitze zu halten. Die Frequenzänderung der Signalquelle veränderbarer Frequenz ergibt die Frequenzverschiebung der mechanischen Resonanzspitze, während die Amplitude der akustischen Signale eine Anzeige für die Dämpfung der akustischen Signale in der Probe ergibt.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Meßvorrichtung zur Messung von akustischen Eigenschaften und von Änderungen derselben bei einer Probe, gekennzeichnet durch eine Signalquelle (11) veränderbarer Frequenz, eine Wandlereinrichtung (14) zum Anlegen des Ausgangssignals der Signalquelle an die Probe (15), eine Schalteinrichtung (12, 19, 20), die periodisch für kurze Dauer die Verbindung der Signalquelle mit der Probe unterbricht, eine mit der Wandlereinrichtung verbundene Empfangseinrichtung (21, 23, 24, 25, 27, 28), die die sich ergebenden akustischen Signale während den Unterbrechungen zur Erzeugung eines Steuersignals empfängt, das für einen Frequenzunterschied zwischen der Frequenz des Ausgangssignals der Signalquelle und der Frequenz einer mechanischen Resonanzspitze der Probe bezeichnend ist, und eine Einrichtung (30, 18) zum Anlegen des Steuersignals an die Signalquelle in der Weise, daß die Frequenz des Ausgangssignals der Signalquelle auf der Frequenz der mechanischen Resonanzspitze gehalten wird.

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2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gegekennzeichnet, daß die Signalquelle veränderbarer Frequenz

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ein spannungsgesteuerter Oszillator (11) ist.

3. Meßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (32; 34), die die Änderung der Frequenz der Signalquelle (11) veränderbarer Frequenz mißt, um dadurch eine Anzeige der Frequenzverschiebung bei der mechanischen Resonanzspitze abzugeben.

4. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden

Ansprür^ö, gekennzeichnet durch eine Steuersignal-Meßeinrichtung _KJ2), die die Amplitude mißt, um dadurch eine Anzeige der Frequenzverschiebung der mechanischen Resonanzspitze abzugeben.

5. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Arolituden-Meßeinrichtung (33), die die Amplitude der akustischen Signale mißt, um dadurch eine Anzeige über die Dämpfung der akustischen Signale in der Probe (15) abzugeben.

6. Meßvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung für die Erzeugung des Steuersignals eine zur Steuerung der Ausgangsfrequenz mit dem Eingang der Signalquelle

(11) veränderbarer Frequenz verbundene Frequenzmodulationssignalquelle (16), die ein Frequenzmodulationssignal mit einer Frequenz erzeugt, die um ein mehrfaches niedriger als die Frequenz der Unterbrechungen ist, eine Detektoreinrichtung (21, 23) zum Erfassen der akustischen Signale während jeder der Unterbrechungen, eine Abfrage/Halte-Einrichtung (24), die die erfassten Signale abfragt und speichert, um dadurch eine Dauersignal mit einer Frequenz zu bilden, die gleich der Frequenz des Frequenzmodulationssignals ist, eine Phasenvergleichseinrichtung (27, 28), die die Phase des Dauersignals mit der Phase des Frequenzmodulationssignals vergleicht und eine positive Gleichspannung bei Phasen-

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gleichheit der beiden Signale sowie eine negative Gleichspannung bei Phasenverschiebung der beiden Signale erzeugt, und eine Summiereinrichtung (18) aufweist, die zur Bildung des Steuersignals die erzeugte Gleichspannung dem Frequenzmodulationssignal hinzufügt.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Gleichspannung vor dem Hinzufügen zu dem Frequenzmodulationssignal integriert wird.

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