RU2020477C1

RU2020477C1 - Method of measurement of acoustic signal reflection factor

Info

Publication number: RU2020477C1
Authority: RU
Inventors: А.М. Гаврилов
Original assignee: Таганрогский Радиотехнический Институт
Priority date: 1991-08-05
Filing date: 1991-08-05
Publication date: 1994-09-30

Abstract

FIELD: determination of complex factor of reflection of acoustic signals from surface of materials under examination. SUBSTANCE: simultaneous radiation of a.f. and r.f. amplitude-modulated radio pulses by an acoustic radiator positioned at the end of hydroacoustic tube, the phases and frequencies of a. f. filling and envelope of the pulses coincide, reception by hydrophone, located in the middle of the tube, of radio pulses propagating from the radiator and reflected from specimen placed at the end of the tube opposite to the radiator, measurement of amplitude of a.f. radio pulse propagating from the radiator, measurement of amplitude of a.f. radio pulse reflected from specimen, determination of the ratio of amplitudes of ratio pulses reflected from specimen and propagating from the radiator equal to the modulus of deflection factor, detection of amplitude-modulated radio pulses reflected from specimen and received by receiver, separation of modulation-frequency signal from detected radio pulse, measurement of difference of phase between sinusoidal filling of reflected a.f. radio pulse and sinusoidal filling of detected amplitude-modulated radio pulse reflected from specimen, equal to the phase of reflection factor. EFFECT: enhanced accuracy of measurement of reflection factor phase. 2 dwg

Description

Изобретение относится к способам измерения акустических характеристик материалов и предназначено для определения комплексного коэффициента отражения акустических сигналов от поверхности исследуемых материалов. Способ может быть использован в гидроакустике, машиностроении, строительстве, неразрушающем контроле. The invention relates to methods for measuring the acoustic characteristics of materials and is intended to determine the complex reflection coefficient of acoustic signals from the surface of the investigated materials. The method can be used in sonar, engineering, construction, non-destructive testing.

Известен способ измерения коэффициента отражения акустических сигналов от образцов материалов, построенный на раздельном приеме падающей и отраженной волн, в основе которого лежит излучение в среду, заполняющую гидроакустическую трубу, непрерывного гармонического сигнала, раздельный прием звуковых колебаний двумя точечными гидрофонами, разнесенными на расстояние, меньшее четверти длины звуковой волны, фазовый сдвиг принятых гидрофонами сигналов на величину пространственного набега фазы, раздельное суммирование в двух каналах сигналов непосредственно с гидрофонов и сдвинутых по фазе. В результате на выходе одного канала образуется сигнал, амплитуда которого пропорциональна амплитуде падающей волны, а на выходе другого канала - сигнал, амплитуда которого пропорциональна амплитуде отраженной волны. Измеряется отношение амплитуд сигналов с выходов различных каналов суммирования, равное модулю коэффициента отражения. A known method of measuring the reflection coefficient of acoustic signals from samples of materials, built on the separate reception of the incident and reflected waves, which is based on radiation into the medium filling the sonar tube, a continuous harmonic signal, separate reception of sound vibrations by two point hydrophones spaced at a distance less than a quarter sound wavelengths, phase shift of signals received by hydrophones by the amount of spatial phase incursion, separate summation in two signal channels alov directly from hydrophones and shifted in phase. As a result, at the output of one channel, a signal is formed whose amplitude is proportional to the amplitude of the incident wave, and at the output of another channel, a signal whose amplitude is proportional to the amplitude of the reflected wave. The ratio of the amplitudes of the signals from the outputs of various summation channels is measured, which is equal to the modulus of the reflection coefficient.

Также известен способ измерения коэффициента отражения акустических сигналов от образцов материалов в стоячей волне, в основе которого лежит размещение излучателя и образца на противоположных концах гидроакустической трубы, возбуждение излучателя синусоидальными колебаниями, в результате чего из-за суперпозиции распространяющейся от излучателя и отраженной от образца звуковых волн вдоль трубы устанавливается стоячая волна с чередующимися через половину длины звуковой волны максимумами и минимумами звукового давления, измерение звукового давления в пучностях (Р_max) и узлах (Р_min) стоячей волны, измерение расстояния первого узла давления (Y_min) стоячей волны от поверхности образца и вычисление модуля (К_отр) и фазы (φ_o) коэффициента отражения согласно выражениям:

K

=

; φ_o= Π-2KY_min.Also known is a method of measuring the reflection coefficient of acoustic signals from samples of materials in a standing wave, which is based on the placement of the emitter and the sample at opposite ends of the sonar tube, excitation of the emitter by sinusoidal oscillations, resulting in a superposition of sound waves propagating from the emitter and reflected from the sample a standing wave is established along the pipe with alternating maxima and minima of sound pressure alternating through half the length of the sound wave, measuring sonic pressure in antinodes (P _max) and nodes (P _min ) of the standing wave, measuring the distance of the first pressure node (Y _min ) of the standing wave from the surface of the sample and calculating the modulus (K _neg ) and phase (φ _o ) of the reflection coefficient according to the expressions:

K

=

; φ _o = Π-2KY _min .

В качестве прототипа выбран эхо-импульсный способ измерения модуля и фазы коэффициента отражения путем сравнения с эталонной границей вода/воздух, в основу которого положено излучение акустическим излучателем, размещенным в нижней части гидроакустической трубы, радиоимпульсов; прием расположенным в середине трубы гидрофоном двух импульсов распространяющегося от излучателя и отразившегося от помещенного в верхней части трубы образца; измерение амплитуды падающего на образец импульса (Р_пад); измерение амплитуды отразившегося от образца импульса (Р_отр); нахождение отношения амплитуд отразившегося и падающего импульсов (Р_отр/Р_пад), равного модулю коэффициента отражения; измерение фазы отраженной от поверхности вода/воздух волны ( φ_в/в); измерение фазы отраженной от образца волны ( φ_обр); нахождение фазы коэффициента отражения исследуемого образца (φ _о) согласно выражению:
φ_o = (π-φ_в/в) + φ_обр. (1)
Недостаток прототипа - низкая точность измерения фазы коэффициента отражения, связанная с невозможностью точной установки отражающей границы образца в место, где располагалась эталонная граница вода/воздух. Поскольку измеряемые значения фаз волн, отразившихся от границ вода/воздух ( φ_в/в) и вода/образец (φ_обр), содержат пространственные набеги фаз:

;
(2) где K =

- волновое число; L₁ - расстояние излучатель/образец/приемник; L₂ - расстояние излучатель/воздух/приемник, что при L₁ ≠ L₂ фаза коэффициента отражения образца согласно (1) и (2) содержит ошибку Δφ:
φ = φ_o+K(L₁-L₂) = φ_o+KΔL = φ_o+Δφ. (3)
Величина ошибки Δφ увеличивается с ростом погрешности установки образца Δ L и ростом частоты ω. Помимо неточной установки образца рассмотренная погрешность имеет место в случае измерения коэффициента отражения, когда жидкость в трубе находится под избыточным гидростатическим давлением. Под действием гидростатического давления увеличивается в небольших пределах диаметр трубы, что уменьшает длину столба жидкости в трубе на величину ΔL и приводит к появлению ошибки Δφ = 2k ΔL. Изменение скорости звука в жидкости под действием гидростатического давления вносит дополнительную погрешность. Аналогичная ошибка возникает при исследовании пористых материалов, у которых акустическая граница не совпадает с физической границей образца.As a prototype, an echo-pulse method for measuring the module and phase of the reflection coefficient was selected by comparing with the reference water / air boundary, which is based on radiation from an acoustic emitter located at the bottom of the sonar tube, radio pulses; receiving, in the middle of the pipe, a hydrophone of two pulses propagating from the emitter and reflected from the sample placed in the upper part of the pipe; measuring the amplitude of the pulse incident on the sample (P _pad ); measurement of the amplitude of the pulse reflected from the sample (P _Otr ); finding the ratio of the amplitudes of the reflected and incident pulses (P _Otr / P _pad ) equal to the modulus of the reflection coefficient; measurement of the phase of the wave reflected from the surface of the water / air (φ _{in / in} ); phase measurement of the wave reflected from the sample (φ _arr ); finding the phase of the reflection coefficient of the test sample (φ _about ) according to the expression:
φ _o = (π-φ _{in / in} ) + φ _arr. (1)
The disadvantage of the prototype is the low accuracy of measuring the phase of the reflection coefficient, due to the inability to accurately install the reflective border of the sample in the place where the reference water / air border was located. Since the measured values of the phases of the waves reflected from the boundaries of water / air (φ _{in / in} ) and water / sample (φ _arr ) contain spatial phase incursions:

;
(2) where K =

- wave number; L ₁ - distance emitter / sample / receiver; L ₂ is the distance of the emitter / air / receiver, which for L ₁ ≠ L _{2 the} phase of the reflection coefficient of the sample according to (1) and (2) contains the error Δφ:
φ = φ _o + K (L ₁ -L ₂ ) = φ _o + KΔL = φ _o + Δφ. (3)
The error Δφ increases with increasing sample installation error Δ L and increasing frequency ω. In addition to the inaccurate installation of the sample, the considered error occurs in the case of measuring the reflection coefficient, when the liquid in the pipe is under excessive hydrostatic pressure. Under the influence of hydrostatic pressure, the pipe diameter increases within small limits, which reduces the length of the liquid column in the pipe by ΔL and leads to the appearance of an error Δφ = 2k ΔL. A change in the speed of sound in a liquid under the influence of hydrostatic pressure introduces an additional error. A similar error arises in the study of porous materials in which the acoustic boundary does not coincide with the physical boundary of the sample.

Цель изобретения - повышение точности измерения фазы коэффициента отражения. Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения коэффициента отражения акустических сигналов, включающем излучение акустическим излучателем, размещенным в конце гидроакустической трубы, низкочастотных радиоимпульсов, прием расположенным в середине трубы гидрофоном двух радиоимпульсов - распространяющегося от излучателя и отразившегося от образца, помещенного в противоположном относительно излучателя конце трубы, измерение амплитуды распространяющегося от излучателя низкочастотного радиоимпульса, измерение амплитуды отразившегося от образца низкочастотного радиоимпульса, нахождение отношения амплитуд отразившегося и распространяющегося от излучателя низкочастотных радиоимпульсов, по которому определяют модуль коэффициента отpажения, дополнительно предусмотрено излучение в направлении образца одновременно с низкочастотным радиоимпульсом высокочастотного амплитудно-модулированного радиоимпульса, фаза и частота огибающей которого равна фазе и частоте заполнения низкочастотного радиоимпульса, прием отраженного от образца амплитудно-модулированного радиоимпульса, детектирование отразившегося амплитудно-модулированного радиоимпульса и выделение из продетектированного радиоимпульса сигнала с частотой модуляции, измерение разности фаз между синусоидальным заполнением отразившегося низкочастотного и продетектированного амплитудно-модулированного радиоимпульса и по фазе и модулю определяют комплексный коэффициент отражения акустического сигнала. The purpose of the invention is to improve the accuracy of measuring the phase of the reflection coefficient. This goal is achieved by the fact that in the method of measuring the reflection coefficient of acoustic signals, including radiation by an acoustic emitter located at the end of a sonar tube, low-frequency radio pulses, the reception located in the middle of the tube by a hydrophone of two radio pulses - propagating from the emitter and reflected from the sample placed in the opposite relative to the emitter the end of the pipe, measuring the amplitude of the low-frequency radio pulse propagating from the emitter, measuring the amplitude the low-frequency radio pulse reflected from the sample, finding the ratio of the amplitudes of the low-frequency radio waves reflected and propagating from the emitter, by which the reflection coefficient module is determined, radiation is additionally provided in the direction of the sample simultaneously with the low-frequency radio pulse of the high-frequency amplitude-modulated radio pulse, the phase and envelope frequency of which is equal to the phase and filling frequency low-frequency radio pulse, receiving reflected from the sample amplitude-modulator A specified radio pulse, the detection of the reflected amplitude-modulated radio pulse and the extraction of a signal with a modulation frequency from the detected radio pulse, the measurement of the phase difference between the sinusoidal filling of the reflected low-frequency and detected amplitude-modulated radio pulse and the complex reflection coefficient of the acoustic signal is determined from the phase and module.

На фиг.1 показана структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг.2 - эпюры напряжения. Figure 1 shows a structural diagram of a device that implements the method; figure 2 - plot voltage.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит последовательно соединенные генератор низкой частоты 1, амплитудный модулятор 2, сумматор 3, соединенный вторым входом с генератором 1, ключ 4, усилитель 5 и излучатель 6, помещенный в гидроакустическую трубу 7, генератор высокой частоты 8, соединенный со вторым входом модулятора 2, импульсный генератор 9, соединенный с управляющим входом ключа 4, образец материала 10, помещенный в противоположном от излучателя 6 конце трубы 7, последовательно соединенные гидрофон 11, избирательный фильтр 12, амплитудный детектор 13, фильтр нижних частот 14, фазовый детектор 15 и индикатор 16, включенный между гидрофоном 11 и вторым входом фазового детектора 15 второй избирательный фильтр 17 и подключенный к его выходу измеритель амплитуды 18. A device that implements the proposed method contains a series-connected low-frequency generator 1, an amplitude modulator 2, an adder 3 connected to a second input with a generator 1, a key 4, an amplifier 5 and an emitter 6 placed in a sonar pipe 7, a high-frequency generator 8 connected to the second input of the modulator 2, a pulse generator 9 connected to the control input of the key 4, a sample of material 10, placed at the opposite end of the pipe 7 from the emitter 6, a hydrophone 11 connected in series, a selective filter 12, am litudny detector 13, lowpass filter 14, a phase detector 15 and an indicator 16 connected between the hydrophone 11 and the second input of the phase detector 15 of the second selective filter 17 and connected to its output amplitude meter 18.

Устройство на фиг.1 работает следующим образом. Генератор низкой частоты 1 вырабатывает непрерывный гармонический сигнал U1, который поступает на модулирующий вход амплитудного модулятора 2. На второй вход модулятора 2 поступает непрерывный гармонический сигнал U2 с генератора высокой частоты 8. Амплитудно-модулированный (АМ) сигнал U3 с выхода модулятора 2 суммируется с низкочастотным сигналом в сумматоре 3, после чего поступает на ключ 4, который формирует радиоимпульс, в заполнение которого входит низкочастотный (НЧ) и высокочастотный амплитудно-модулированный сигналы. Управляется ключ 4 от импульсного генератора напряжением U4, которое задает период следования Т_сл и длительность τ_и и радиоимпульсов. С выхода ключа 4 радиоимпульсы поступают на усилитель 5 и после усиления в нем подаются на акустический излучатель 6. Падающие на образец 10 и отраженные от его поверхности радиоимпульсы НЧ- и АМ-волн принимаются гидрофоном 11, с которого они поступают на входы избирательных фильтров 12 и 17. Фильтр 12 настроен на пропускание АМ-волны, фильтр 17 настроен на пропускание НЧ-волны. С выхода фильтра 12 АМ-сигнал U5 детектируется в амплитудном детекторе 13, после чего фильтром нижних частот 14 из него выделяется сигнал U6 c частотой модуляции и подается на один из входов фазового детектора 15. НЧ-сигнал U7 с выхода фильтра 17 поступает одновременно на измеритель амплитуды 18 и второй вход фазового детектора 15. С помощью измерителя 18 измеряются амплитуды подающей и отразившейся от образца НЧ-волн U7_пад и U7_отр, по отношению которых определяют модуль коэффициента отражения. На выходе фазового детектора 15 вырабатывается видеоимпульс U8, амплитуда которого пропорциональна разности фаз между огибающей отразившейся от образца АМ-волны и отразившейся НЧ-волной. Измеряемая индикатором 16 амплитуда U8 соответствует фазе коэффициента отражения.The device in figure 1 works as follows. The low-frequency generator 1 produces a continuous harmonic signal U1, which is fed to the modulating input of the amplitude modulator 2. The second input of the modulator 2 receives a continuous harmonic signal U2 from the high-frequency generator 8. The amplitude-modulated (AM) signal U3 from the output of the modulator 2 is summed with the low-frequency the signal in the adder 3, after which it enters the key 4, which generates a radio pulse, the filling of which includes low-frequency (LF) and high-frequency amplitude-modulated signals. Key 4 is controlled by the pulse voltage generator U4, which specifies the repetition period T and duration τ _ff _u and RF pulse. From the output of the key 4, the radio pulses are fed to the amplifier 5 and, after amplification, are fed to the acoustic emitter 6. The radio pulses of the LF and AM waves incident on the sample 10 and reflected from its surface are received by the hydrophone 11, from which they are fed to the inputs of the selective filters 12 and 17. The filter 12 is configured to transmit AM waves, the filter 17 is configured to transmit low-frequency waves. From the output of the filter 12, the AM signal U5 is detected in the amplitude detector 13, after which the low-pass filter 14 extracts the signal U6 with a modulation frequency from it and feeds it to one of the inputs of the phase detector 15. The low-frequency signal U7 from the output of the filter 17 is fed simultaneously to the meter amplitudes 18 and the second input of the phase detector 15. Using a meter 18, the amplitudes of the feed and reflected from the sample low-frequency waves U7 _pad and U7 _neg are measured, from which the reflection coefficient modulus is determined. At the output of the phase detector 15, a video pulse U8 is generated whose amplitude is proportional to the phase difference between the envelope of the AM wave reflected from the sample and the reflected LF wave. The amplitude U8 measured by indicator 16 corresponds to the phase of the reflection coefficient.

Использование предлагаемого способа измерения коэффициента отражения акустических сигналов позволяет по сравнению с существующими способами повысить точность измерения фазы коэффициента отражения посредством исключения источников случайных и систематических ошибок, связанных с изменением протяженности измерительной базы. Using the proposed method for measuring the reflection coefficient of acoustic signals, in comparison with existing methods, it is possible to increase the accuracy of measuring the phase of the reflection coefficient by eliminating sources of random and systematic errors associated with a change in the length of the measuring base.

Claims

METHOD FOR MEASURING THE REFLECTING ACOUSTIC SIGNALS REFLECTOR, including radiation by an acoustic emitter located at the end of a sonar tube, low-frequency radio pulses, receiving in the middle of a tube by a hydrophone two radio pulses - propagating from a radiator and reflected from a sample placed in opposite to the radiator end of the tube, radiator of a low-frequency radio pulse, measuring the amplitude of the low-frequency reflected from the sample radio pulse determining the ratio of the amplitudes of the reflected and propagating from the emitter of low-frequency radio pulses, which determine the reflection coefficient module, characterized in that they emit in the direction of the sample simultaneously with low-frequency high-frequency amplitude-modulated radio pulse, the phase and envelope frequency of which are equal to the phase and filling frequency of the low-frequency radio pulse, take amplitude-modulated radio pulse reflected from the sample, detect and select it t of the detected pulse signal having a modulation frequency, is determined by the phase of the reflection coefficient of the phase difference between sinusoidal filling reflect low frequency sinusoidal and filling the detected amplitude-modulated rf pulse and the phase module and determine a complex reflection coefficient of the acoustic signal.