PL54477B1 - - Google Patents

Description

Pierwszenstwo: Opublikowano: 25. I. 1968 54477 KI. 42 g, l/Ol MKP G Ol h s/M UKD Twórca wynalazku: prof. dr inz. Zenon Jagodzinski Wlasciciel patentu: Politechnika Gdanska (Katedra Radionawigacji), Gdansk (Polska) Sposób pomiaru rozkladu pola ultradzwiekowego lub akustycznego metoda modulacji czestotliwosci i urzadzenie do stosowania tego sposobu Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru rozkladu pola ultradzwiekowego lub akustycznego metoda modulacji czestotliwosci oraz urzadzenie do stosowania tego sposobu.Sposób ten pozwala na pomiar charakterystyk 5 kierunkowych przetworników ultradzwiekowych w zwyklym zbiorniku o sciankach niepochlaniaja- cych, a takze na pomiar wzglednego natezenia fali odbitej w zbiorniku sztucznym lub naturalnym (morze, jezioro, itp.), pomiar wspólczynnika odbi- io cia i inne pomiary, w których istotnym wymaga¬ niem jest wyodrebnienie fali, dochodzacej do prze¬ twornika odbiorczego po okreslonej drodze. Umo¬ zliwia to rozwiazanie znanych trudnosci, jakie nastrecza konstrukcja scian zbiornika, gdy wykla- is dziny tlumiace musza zapewnic dostatecznie silne tlumienie odbic. Umozliwia takze pomiary propa¬ gacji fal w zbiornikach naturalnych, takich jak morza, jeziora i rzeki, oraz pomiary na fali ciaglej akustycznej wlasciwosci wnetrz. 20 Pomiarów rozkladu pola ultradzwiekowego do¬ tychczas dokonywano w zbiornikach o bezodbicio- wych sciankach przy pomocy urzadzen skladaja¬ cych sie z przetwornika nadawczego zasilanego z generatora o niemodulowanej czestotliwosci 25 i przetwornika odbiorczego, do którego dolaczono wzmacniacz odbiorczy z wskaznikiem poziomu od¬ bieranego sygnalu. Clówna wada stosowanych spo¬ sobów pomiaru i urzadzen do pomiaru rozkladu pola ultradzwiekowego jest koniecznosc stosowania 30 zbiornika o bezodbiciowych sciankach. Wykonanie takiego zbiornika jest sprawa trudna i kosztowna.Poza tym dotychczasowe urzadzenia nie umozli¬ wiaja pomiaru rozkladu pola w zbiornikach o nie pochlaniajacych sciankach (zbiornikach natural¬ nych) ze wzgledu na istnienie odbic. Celem wyna¬ lazku jest opracowanie sposobu pomiaru rozkladu pola ultradzwiekowego lub akustycznego metoda modulacji czestotliwosci, umozliwiajacego dokony¬ wanie pomiarów w zbiornikach o nie pochlaniaja¬ cych sciankach, oraz urzadzenia do stosowania tego sposobu.Cel ten zostal osiagniety przez porównanie w mie- szaczu sygnalu promieniowanego, z sygnalem ode¬ branym przez przetwornik odbiorczy i wzmocnio¬ nym we wzmacniaczu. Sygnal o czestotliwosci dudnien odpowiadajacej zadanej drodze fali bez¬ posredniej lub odbitej zostaje podany na wskaznik poziomu.Wynalazek zostanie blizej objasniony na przykla-^ dzie wykonania przedstawionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zasade pomiaru, fig. 2 ilu¬ struje powstawanie stalej czestotliwosci dudnien fd, fig. 3 przedstawia wzajemne usytuowanie w zbior¬ niku przetwornika nadawczego N, przeslony P i przetwornika odbiorczego R, fig. 4 ilustruje po¬ wstawanie odbic w zbiorniku, fig. 5 przedstawia schemat blokowy uproszczonego urzadzenia do po- :niaru rozkladu pola ultradzwiekowego, fig. 6 przed¬ stawia schemat jednego stopnia dwukrotnego po- 5447754477 wielacza, fig. 7 przedstawia przykladowo charakte¬ rystyke kierunkowa przetwornika pomierzona przy pomocy ukladu przedstawionego na fig. 5, fig. 8 przedstawia schemat blokowy urzadzenia wedlug wynalazku.Urzadzenie przedstawione na ftff 1 sklada sie z dwóch przetworników ultradzwiekowych — na¬ dawczego N i odbiorczego R umieszczonych w od¬ leglosci do w zbiorniku Z posiadajacym nie wytlu¬ miajace scianki. Przetwornik nadawczy N jest za¬ silany z generatora G sygnalem, którego czestotli¬ wosc jest zmodulowana przebiegiem liniowym, na przyklad piloksztaltnym lub trójkatnym. Zmiany czestotliwosci ilustruje fig. 2, na której fQ oznacza czestotliwosc nosna generatora, fN — chwilowa czestotliwosc nadawana, fR — chwilowa czestotli¬ wosc odbierana. Przy takiej modulacji chwilowa wartosc czestotliwosci odbieranej przez przetwornik odbiorczy R jest opózniona w stosunku do czesto¬ tliwosci promieniowanej fN o £zas td odpowiada¬ jacy przebytej przez fale drodze d, co wyraza sie wzorem ; gdzie c — predkosc fali.Po wzmocnieniu we wzmacniaczu W sygnal o czestotliwosci fR zostaje zmieszany w mieszaczu Mx z sygnalem o czestotliwosci promieniowanej fN.W wyniku mieszania powstaje sygnal o czestotli¬ wosci dudnien fd wyrazajacej sie wzorem M et gdzie M — odchylka czestotliwosci generatora, spo¬ wodowana modulacja, tm — okres modulacji czestotliwosci, k — wspólczynnik zalezny od ksztaltu prze¬ biegu modulujacego, c — predkosc fali, d — droga przebyta przez fale.Przy stalych parametrach modulacji k, M, i tm czestotliwosc dudnien fd jest liniowa funkcja ooV leglosci d. Czestotliwosc ta jest wyodrebniona dla zadanej drogi za pomoca filtru (najlepiej wasko¬ pasmowego) Fd. Wtedy sygnal na wyjsciu filtru odpowiada wylacznie fali dochodzacej po wybranej drodze, a wplyw innych fal, którym odpowiadaja inne drogi, zostaje wyeliminowany. Z powyzszej zasady wynika szereg mozliwosci pomiarowych.Jezeli wybrana droga d jest droga najkrótsza — bezposrednia dQ, to uklad umozliwia pomiar cha¬ rakterystyki kierunkowej. Gdy jeden z przetworni¬ ków jest obracany, wielkosc sygnalu na wyjsciu filtru jest proporcjonalna do wartosci charaktery¬ styki kierunkowej w funkcji kata obrotu. Jezeli w tych warunkach miedzy przetworniki zostanie wlozona przeslona P (fig, 3), stosunek sygnalu z przeslona do sygnalu bezposredniego jest miara tlumienia wprowadzanego przez przeslone. W ten sposób mozna mierzyc wplyw, na przyklad, obu¬ dowy przetwornika na wielkosc i charakterystyke kierunkowa sygnalu.Przez odpowiednie dobranie parametrów modu¬ lacji M i tm lub przez dostrojenie filtru mozna mierzyc wzgledne natezenie sygnalu po dowolnej innej drodze, s Na przyklad, w przypadku pomiaru fali odbitej przedstawionego na fig. 4 parametry ukladu musza byc dopasowane do czestotliwosci fd odpowiada¬ jacej drodze d = d' + d" 10 Przedstawiona na fig. 4 zasada umozliwia po¬ miary fal odbitych w zbiornikach sztucznych lub naturalnych (morze, jeziora itp.), a takze moze byc wykorzystana w akustyce dla pomiaru aku- is stycznych wlasciwosci pomieszczen. Opisana me¬ toda pomiaru posiada pewne ograniczenia. Czesto¬ tliwosc modulacji musi byc znacznie nizsza od czestotliwosci dudnien 45 1 xd Zmiana czestotliwosci M musi byc dostatecznie mala ze wzgledu na pasmo przenoszenia przetwor¬ nika, a ponadto zmiana ta nie moze wprowadzac 25 wyraznej zmiany dlugosci fali, gdyz spowoduje to bledy przy pomiarze charakterystyki kierunkowej.Szerokosc pasma filtru Fd, odleglosc dQ oraz geometria zbiornika powinny byc tak dobrane, aby uzyskac dogodna dla pomiaru czestotliwosc dudnien, 30 przy równoczesnej mozliwosci wyodrebnienia cze¬ stotliwosci dudnien, odpowiadajacej zadanej dro¬ dze d.Spelnienie powyzszych warunków nastrecza pew¬ ne trudnosci, zwlaszcza na czestotliwosciach aku- 35 stycznych i czestotliwosciach ultradzwiekowych ponizej ok. 50 kHz. Trudnosci te usuwa uklad przedstawiony na fig. 5.Uklad pokazany na fig. 5 rózni sie tym od ukladu pokazanego na fig. 1, ze czestotliwosci z genera- 40 tora G i wzmacniacza WK sa przed zmieszaniem w mieszaczu Mx powielone n-krotnie w powiela¬ czu Pn. Wzór na czestotliwosc dudnien przyjmuje postac ' U = k M m nd; gdzie n-krotnosc powielenia.W tym ukladzie dobranie odpowiednich parame¬ trów modulacji nie nastrecza trudnosci.Ze wzgledu na nieliniowosc charakterystyk po- so wielaczy Pn, dogodniejszy jest tutaj pomiar wzgled¬ nego natezenia pola za pomoca wzmacniacza kali¬ browanego WK przy stalym poziomie sygnalu na wyjsciu filtru Fd. W powielaczach nie mozna oczy¬ wiscie wprowadzac obcinania sygnalu, gdyz po- 55 woduje to znaczne bledy. Odpowiednimi sa kaska¬ dowe uklady powielaczy dwu-krotnych, oparte na prostowaniu dwupolówkowym. Pojedynczy stopien takiego powielacza zostal przedstawiony na fig. 6, na której przez f oznaczono obwód rezonansowy 60 nastrojony na czestotliwosc podstawowa a przez 2f obwód nastrojony na druga harmoniczna.Fig. 7 przedstawia przykladowo charakterystyke kierunkowa przetwornika ultradzwiekowego o cze¬ stotliwosci rezonansowej 63 kHz, zmierzona przy 65 pomocy ukladu przedstawionego na fig. 5, w zbiór-54477 niku o gladkich betonowych scianach H oznacza znormalizowane natezenie pola a v kat miedzy normalna do powierzchni przetwornika a linia laczaca przetwornik nadawczy z odbiorczym.Uklad przedstawiony na fig. 6 nadaje sie do po¬ miarów na pojedynczej czestotliwosci, do której sa dostrojone powielacze Pn. Przestrajanie powie- 5 laczy jest niedogodne ze wzgledu na dosc duza ilosc obwodów. Prace w okreslonym zakresie cze¬ stotliwosci umozliwia uklad przedstawiony na fig. 8.W ukladzie tym zastosowano przemiane czestotli- io wosci. Sygnal z oscylatora 0 jest mieszany w mie- szaczach Mx2 i Mx3 z sygnalem promieniowanym i odbieranym. W wyniku przemiany powstaje stala czestotliwosc pomiarowa, która po powieleniu w po- is wielaczach Pn zostaje doprowadzona do mieszacza Mxx i filtru Fd, do którego jest dolaczony wskaznik poziomu I.Jezeli przelacznikiem Wi zewrzemy mieszacze Mx2 i Mx3 otrzymamy uklad z fig. 5, jezeli dodat¬ kowo zewrzemy przelacznikiem W2 powielacze Pn otrzymany uklad nie bedzie sie róznic od ukladu przedstawionego na fig. 1. Zastosowanie przemiany czestotliwosci ulatwia wykorzystanie omawianej 25 metody w zakresie czestotliwosci akustycznych. PL PL

Claims (1)

1.