RU1820233C - Способ определени акустического сопротивлени переходного сло - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к акустике и может быть использовано в измерительных акустических приборах. Цель изобретени  - повышение точности при определении акустического сопротивлени  переходного сло . В процессе измерений регистрируют врем  задержки пр моугольного импульса в переходном слое, временной интервал между моментом приема первого отраженного пр моугольного импульса и моментом приема максимума амплитуды отраженного ко- локолообразного импульса. Полученные величину нар ду с известными акустическими сопротивлени ми среды прохождени  и отражающей среды используют дл  определени  акустического сопротивлени  переходного сло . 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к акустике, в частности к методам определени  акустических сопротивлений с помощью зондирующих акустических импульсов, и может быть использовано в приборостроении ..

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  за счет регистрации временных параметров отраженных сигналов и измерени  бесконтактным методом . Под переходным слоем на поверхности объекта мы понимаем переходной слой за счет неровностей (шероховатостей) поверхности , различные покрыти  на поверхности, контактный слой между двум  поверхност ми или средами (например, слой или на грунте в водоемах) и т.д.

На фиг. 1 представлена схема отражени  импульсов от поверхности с переходным слоем; на фиг. 2 - картина отраженных импульсов; на фиг. 3 - блок-схема устройства дл  осуществлени  способа.

Устройство содержит генератор 1 частоты Йэ; формирователь 2 колоколообразного импульса, генератор 3 пр моугольного импульса , излучатель 4, отражающую поверхность 5, приемник 6, измеритель 7 времени задержки пр моугольного импульса в переходном слое, измеритель 8 временного интервала между моментом приема первого отраженного пр моугольного импульса и моментом приема максимума амплитуды отраженного колоколообразного импульса, блок 9 обработки.

Предлагаемый способ осуществл ют следующим образом.

КолокОлообразный импульс имеет вид

СО

с

оо

го

Ю

|К ICO IGJ

f(t)AoexP -()2

0)

где О - частота модул ции колокол;., пр - . моугольный импульс подаетс  в момент времени t 0, отмеча  тем самым центр колоколообразного импульса.

Отражающа  поверхность в общем случае представл ет собой тонкий плоский слой толщины d, лежащий на отражающей среде, т.к. граница раздела содержит некоторый переходной слой. Пусть Zi /э Vi. , 2. 3 - акустические сопротивлени  трех сред;/} - их плотность, Vi - скорость звука в них.

С помощью высокочастотного импульса определ ем врем  задержки в тонком слое

2 тз

2d V2

, измер емое между двум  приходами отраженного высокочастотного импульса , отразившегос  от передней и задней стенки переходного сло . При этом длительность Т0 высокочастотного импульса выбираетс  такой, что То « тз. Тогда спектральный состав колоколообразного сигнала

f (а,) А жГехр ( - оМ Ј&)

ьео

дает концентрацию частот в малом интервале ширины пор дка Q/относительно нулевой частоты и коэффициент отражени  от сло  может быть вз т в виде разложени  около точки

R(w) R(o)/w 0 + + 0,/0, 0+0 (о/)

д(0

35 ta

- Со + V eg + 8 О{

4Ci

Здесь 0 (fjf) - величина пор дка о и отбрасываема  в дальнейшем.жак дающа  незначительный вклад пор дка (О, гз)2 в - Отсюда следует, что Ita Ц,1 интересующем нас случае. После использовани  общего выражени  дл  R(co) получают приближенную формулу:

40 следовательно, этот максимум учетом последующих членов ра . коэффициента отражени . М

R(eo)Ro + lo T33Ri,

где

Ro

. 2Z3(ZT-Zg) 5) Z1+Z3 R1 Z2(Zi+Z3r

После отражени  колоколообразнйго импульса с коэффициентом отражени , вз том в виде (4), получают импульс вида

где Г

fi(t) (Со + 2Ci Q, t )expK Qb tf (6) 2di.

t - . di - рассто ние от излучател -приемника до отражающей поверхноп j

сти. Таким образом,.-- - врем  задержки импульса при распространении его в первой среде до отражающей поверхности и обратно. Коэффициенты Со, Ci в выражении дл  fi(t) выражаютс  через А0 в следующем виде:

Со RoAo

Ci - Q,T3 RiA0

(7)

Така  св зь вытекает из спектрального разложени  сигналов f(t) и fi(t) и использовани  разложени  (4) коэффициента отражени  R(co) дл  преобразовани  коэффициентов спектрального разложени .

Исследу  на экстремум амплитуду отраженного колоколообразного сигнала fi(t), получают два значени  максимума этой функции

20

25

„ -с срш:- (8)

Так как О,Гз « 1, то Ci/Co « 1 и можно записать

- 1 -Co+VCo-b8d 1 Ц,4Ci

1

Ob С,

Ci T3JRL

Ro

(9)

(3)

Дл  второго экстремума получают:

5 ta

- Со + V eg + 8 О{ 1

4Ci

- Отсюда следует, что Ita Ц,1

О,

Со 2Ci

2Ci

(Ю) 1 и,

- Отсюда следует, что Ita Ц,1

40 следовательно, этот максимум исчезает с учетом последующих членов разложени  (3) . коэффициента отражени . Максимум же

Ri при ti - сохран етс  и при учете

Ко

45 последующих приближений в (3), так как Iti Q « 1. Таким образом получают, что центральный максимум отраженного колоколообразного сигнала сдвигаетс  при отражении от значени  t 0 к значению

ti - Гз -тгт-. Когда значени  коэффициенКо

тов Ri, Ro совпадают по знаку (см.фиг.2), получаем ti 0, когда они различны по знаку , получают ti 0. Таким образом, что мак- 55 симум амплитуды отраженного сигнала сдвигаетс  по времени в ту или другую сторону в зависимости от соотношени  величин акустических сопротивлений Zi, Zz и 2з. В св зи с тем, что временной сдвиг максимума амплитуды отраженного колоколеобразного сигнала ti сравним с временем задержки 2 гз пр моугольного сигнала в переходном слое, необходимо отличать пр моугольные импульсы, отраженные от передней и задней поверхности переходного сло . При этом считаем, что врем  сдвига максимума колоколообразного сигнала беретс  относительно пр моугольного импульса , отразившегос  от передней границы переходного сло , т.е. относительно первого пришедшего пр моугольного импульса (см.фиг.2).

Итак, мы имеем ti - тз

Ri Ro

откуда

Ri Ro

ti гз

(11)

С другой стороны, из (5) получаем дл  данного отношени  следующее выражение

Ri 2Z3()

RoZ2(Zi-Z§)

(12)

Rn

Приравнива  оба значени  дл  отноше- 25 ни  - (11) и (12), получаем в результате

2Z3(Z2;-Z2-) ti Z2() W

(13) 30

Относительно 2.1 - неизвестного акустического сопротивлени  переходного сло  - имеетс  здесь квадратное уравнение с коэффициентами , выражающимис  через ZL 7.3 - акустические сопротивлени  сред 1 и 3, которые предполагаютс  известными.

В случае, когда Zi « Za, Zi « Za без решени  квадратного уравнени  приближенно:

ZG ti

2 гз

04)

В качестве примера реализации предложенного способа рассмотрим измерение акустического сопротивлени  в переходном слое ила, расположенном на скальном грунте на дне водоема. Акустическое сопротивление воды Zi 1,485 106 кг/м2 с, акустическое сопротивление скальной породы из гранита 2з 1,106 107 кг/м2 с. Сначала определ лось врем  задержки в переходном слое, оно оказалось равным 2,5 10 4 с, при этом длительность пр моугольного импульса составл ет То 1 с. Длительность его выбиралась постепенным уменьшением от То 1 с до той величины. r0 1 10 с.

10

5

0

5

0

5

0

5

0

5

пока не были различимы четко два отражени  импульса, соответственно от нижней и верхней границ переходного сло . Далее была выбрана частота Оз - 1 Ю2 Гц, тзкчто выполн лось услови  QO тз « 1. После прихода отраженного от дна сигнала по засечке времени прихода пр моугольного импульса и по максимуму амплитуды колоколообраэ- ного сигнала измер етс  временной сдвиг максимума амплитуды колоколообразной кривой, который составл ет ti 1,0 с. Отсюда, пользу сь формулой (13), известными величинами Ц, Гз , Zi. Zz и реша  квадратное относительно величины Z уравнение, получаем Zi 2г 2з, Ъ. 3 10 кг/м2 с. Таким образом, акустическое сопротивление сло  ила на дне водоема составл ет 3 106 кг/м2 -с.

Устройство работает следующим образом .

Первоначально формируетс  формирователем 2 колоколообразный импульс, дл  чего используетс  сигнал частоты О от генератора 1. Далее колоколообразный сигнал комбинируетс  с пр моугольным импульсом от генератора 3 таким образом, чтобы он совпал с максимумом колоколообразного импульса. После этого полученные импульсы излучаютс  излучателем 4 в направлении отражающей поверхности 5, отраженные звуковые импульсы попадают в приемник 6. Полученные импульсы далее следуют в измеритель времени задержки поступлени  максимума амплитуды в отраженном колоколообразном импульсе 8. Измеренные величины используютс  дл  определени  акустического сопротивлени  переходного сло , результат получаетс  в блоке 9 обработки.

Описанный способизмерени  акустического сопротивлени  по сравнению с прототипом не предполагает измерени  амплитуд отраженных сигналов, а также определени  коэффициентов отражени  ультразвука от границы контакта, в нем нет необходимости измен ть акустическое сопротивление эталонного материала. Способ требует измерени  только времени задержки импульсов в отражающем переходном слое, что повышает точность при определении искомого параметра.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ определени  акустического сопротивлени  переходного сло , заключающийс  в том, что на отражающую поверхность с переходным слоем излучают акустический сигнал, принимают отраженные сигналы, по которым суд т о контролируемом параметре, отличающийс  тем,

   что, с целью повышени  точности, излучение осуществл ют двум  импульсами - ко- локолообразным и узким пр моугольным, который излучают в момент времени, соответствующий максимальному значению амплитуды колоколообразного импульса, измер ют врем  задержки пр моугольного импульса в переходном слое и врем  между

   первым отраженным пр моугольным импульсом и максимумом отраженного колоколообразного импульса, по соотношению которых с учетом акустических сопротивлений отражающей поверхности и среды прохождени  акустических импульсов до переходного сло  определ ют искомый параметр .

   , 3

   F

   Фи.2