RU2034241C1

RU2034241C1 - Method for measuring speed of sound

Info

Publication number: RU2034241C1
Authority: RU
Inventors: А.Г. Гликман; И.А. Симанский; А.А. Стародубцев
Original assignee: Гликман Адам Григорьевич
Priority date: 1990-03-11
Filing date: 1990-03-11
Publication date: 1995-04-30

Abstract

FIELD: instruments. SUBSTANCE: method involves additional measuring characteristics of signal which runs through investigated object in the direction that is perpendicular to direction of sound emission. Then, frequency f₁ which corresponds to maximum of amplitude of harmonic signal in two perpendicular directions is measured. Later on, frequency f₂ corresponding to maximal amplitude of signal which run through investigated object in direction that is perpendicular to emission direction is also measured. Speed of longitudinal waves v_l.w is computed according to equation v_l.w = 2·h·f₁, and speed of lateral waves v_shift is computed according to equation v_shift = f₂·h, where h is width of object in the direction of emission. EFFECT: increased range of investigated objects and simplified method. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технической физике, а именно к способам измерения акустических свойств звукопроводящих сред, в частности к измерению скорости звука. The invention relates to technical physics, and in particular to methods of measuring the acoustic properties of sound-conducting media, in particular to measuring the speed of sound.

Известен способ измерения скорости звука, выбранный за прототип, заключающийся в прозвучивании плоскопараллельного образца импульсно-гармоническим сигналом с изменяющейся частотой заполнения, анализе параметров прошедшего и отраженного сигналов, определении частот, соответствующих продольным и поперечным волнам, и, зная толщину образца, вычислении продольной и поперечной скоростей звука. A known method of measuring the speed of sound, selected as a prototype, which consists in sounding a plane-parallel sample with a pulse-harmonic signal with a changing filling frequency, analyzing the parameters of transmitted and reflected signals, determining the frequencies corresponding to longitudinal and transverse waves, and, knowing the thickness of the sample, calculating longitudinal and transverse sound speeds.

Однако этот способ нельзя использовать для всех сред (например, трещинноватых, слабых, пористых горных пород). Кроме того, имеем место некоторая сложность реализации метода за счет юстировки измерительной установки при высокой точности измерений. However, this method cannot be used for all environments (for example, fractured, weak, porous rocks). In addition, there is some difficulty in implementing the method due to the alignment of the measuring setup with high measurement accuracy.

Цель изобретения расширение диапазона исследуемых объектов и упрощение способа. The purpose of the invention is the expansion of the range of studied objects and the simplification of the method.

Поставленная цель достигается тем, что дополнительно измеряют параметры сигнала, прошедшего через объект в направлении, перпендикулярном направлению излучения, фиксируют частоту f₁, соответствующую максимуму амплитуды гармонического сигнала в двух взаимно перпендикулярных направлениях, фиксируют частоту f₂, соответствующую максимальной амплитуде сигнала, прошедшего через объект в направлении, перпендикулярном излучению, и минимальной амплитуде сигнала в направлении излучения, и определяют скорость продольных волн V_пр из соотношения V_пр=2 ˙ h ˙ f₁ и скорость поперечных волн V_сдв из соотношения V_сдв= h ˙ f₂, где h толщина объекта в направлении излучения.This goal is achieved by the fact that additionally measure the parameters of the signal transmitted through the object in the direction perpendicular to the radiation direction, fix the frequency f ₁ corresponding to the maximum amplitude of the harmonic signal in two mutually perpendicular directions, fix the frequency f ₂ corresponding to the maximum amplitude of the signal passed through the object in a direction perpendicular to the radiation, and the minimum amplitude of signal in the radiation direction, and determine the longitudinal wave velocity V of _direct relation Ia V _ave = 2 ˙ h ˙ f ₁ and shear velocity V _sh of the ratio V _sh = h ˙ f _2, wherein the thickness h of the object in the radiation direction.

Способ поясняется блок-схемой, приведенной на чертеже. Она содержит образец 1, излучающий электроакустический преобразователь 2, соосный излучающему приемный пьезокерамический преобразователь 3, ортогональный излучающему приемный пьезокерамический преобразователь 4, генератор 5 гармонических сигналов, двухканальный осциллограф 6, частотомер 7. The method is illustrated in the flowchart shown in the drawing. It contains a sample 1 emitting an electroacoustic transducer 2, coaxial to a radiating receiving piezoceramic transducer 3, orthogonal to a radiating receiving piezoceramic transducer 4, a harmonic signal generator 5, a two-channel oscilloscope 6, a frequency meter 7.

Физические основы предлагаемого способа заключаются в следующем. The physical basis of the proposed method are as follows.

Частота f₁, являющаяся частотой продольных звуковых колебаний, соответствует известному эффекту монохроматора. Объясняется эффект монохроматора тем, что за счет интерференции происходит увеличение прохождения поля через образец по сравнению с прохождением поля на других частотах.The frequency f ₁ , which is the frequency of longitudinal sound vibrations, corresponds to the well-known monochromator effect. The effect of the monochromator is explained by the fact that due to interference there is an increase in the field passage through the sample in comparison with the field passage at other frequencies.

Частота f₂, являющаяся частотой поперечных звуковых колебаний, соответствует режиму стоячих волн, однако в отличие от режима монохроматора собственное поле в пластине находится с внешним полем в противофазе. Противофазность собственного поля возбуждающему объясняется дифференцирующим действием приповерхностных низкоскоростных зон слоя-резонатора. Для идеального плоскопараллельного образца на частоте f₂ отсутствует прохождение поля (наблюдается только ортогональный процесс), в чем и заключается эффект резонансного акустического поглощения. Так как в предлагаемом изобретении образец не является идеально плоскопараллельным, то на соосном приемнике наблюдается неполное уменьшение амплитуды сигнала.The frequency f ₂ , which is the frequency of transverse sound vibrations, corresponds to the standing wave mode, however, unlike the monochromator mode, the intrinsic field in the plate is in antiphase with the external field. The antiphase of the intrinsic field to the exciting field is explained by the differentiating effect of the near-surface low-speed zones of the resonator layer. For an ideal plane-parallel sample at a frequency f _{2 there is} no field passage (only an orthogonal process is observed), which is the effect of resonant acoustic absorption. Since in the present invention the sample is not perfectly plane-parallel, an incomplete decrease in the signal amplitude is observed at the coaxial receiver.

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

Образец 1, имеющий толщину h, прозвучивается с помощью излучающего преобразователя 2 2 (например, пьезокерамический диск из ЦТС-19 с собственной частотой 1,15 МГц). Приемные преобразователи, например, аналогичные излучающему преобразователю, расположены соосно и ортогонально излучающему преобразователю 2. Генератор 5 (например, типа ГЗ-117) возбуждает излучающий преобразователь 2 гармоническим сигналом изменяющейся частоты. С приемных преобразователей 3 и 4 принимаемые сигналы поступают на двухканальный осциллограф 6. Плавно увеличивая частоту гармонического сигнала, с помощью частотомера 7 фиксируют частоту f₁, на которой амплитуда сигналов на преобразователях 3 и 4 максимальна. Увеличивая с помощью генератора 5 частоту гармонического сигнала, по частотомеру 7 определяют частоту f₂, на которой амплитуда сигнала на преобразователе 3 минимальна, а амплитуда сигнала на преобразователе 4 максимальна. Определив толщину образца h, вычисляют величины продольной V_пр и поперечной V_сдв фазовых скоростей звука в образце из выражений
V_пр=2 ˙ h ˙ f₁;
V_сдв=h ˙ f₂.Sample 1, having a thickness h, is sounded using a radiating transducer 2 2 (for example, a piezoceramic disc from TsTS-19 with a natural frequency of 1.15 MHz). The receiving transducers, for example, similar to the radiating transducer, are located coaxially and orthogonally to the radiating transducer 2. The generator 5 (for example, type GZ-117) excites the radiating transducer 2 with a harmonic signal of varying frequency. From the receiving transducers 3 and 4, the received signals are fed to a two-channel oscilloscope 6. By gradually increasing the frequency of the harmonic signal, frequency f _{1 is} fixed with the help of a frequency counter 7, at which the signal amplitude on the transducers 3 and 4 is maximum. By increasing the frequency of the harmonic signal with a generator 5, the frequency f ₂ is determined from the frequency counter 7, at which the signal amplitude at the converter 3 is minimum, and the signal amplitude at the converter 4 is maximum. After determining the thickness h of sample, calculated values of longitudinal and transverse _straight V V _sh phase velocity of sound in the sample from the expressions
V _ol = 2 ˙ h ˙ f ₁ ;
V _sdv = h ˙ f ₂ .

В качестве примера в таблице приведены результаты определения V_пр и V_сдв в отдельных горных породах.As an example, the table shows the results of determination of V _etc. and V _sh in individual rocks.

Использование предлагаемого способа позволяет упростить определение продольной и поперечной скоростей звука в широком диапазоне исследуемых сред, а особенно в хрупких, трещинноватых, пористых средах, к которым относятся большие классы горных пород. Using the proposed method allows to simplify the determination of the longitudinal and transverse velocities of sound in a wide range of media, and especially in fragile, fractured, porous media, which include large classes of rocks.

Claims

The method for determining the velocity of longitudinal and transverse sound waves in plane-parallel objects, which consists in the fact that on one side of the object they emit harmonic ultrasonic vibrations perpendicular to its surface, smoothly change the frequency of the emitted vibrations and measure the parameters of the vibrations transmitted through the object in the radiation direction, characterized in that, in order to expand the range of the studied objects and simplify the method, additionally measure the parameters of the vibrations that passed through the object in the direction of perp ikulyarnom radiation direction, fixed frequency f ₁ corresponding to the maximum amplitudes of harmonic vibrations in two mutually perpendicular directions, and fixed frequency f ₂ corresponding to the maximum amplitude of the oscillations passed through the object in a direction perpendicular to the radiation, and the minimum vibration amplitude in the radiation direction, and determining longitudinal wave velocity (v _p _n from the relation v _n _p 2 · h · f ₁ and the velocity of transverse waves _with v _d v _in the relation _with _d _to h · f _2, wherein the thickness h of the object in the radiation direction.