RU2193760C2 - Procedure determining ultrasound velocity in liquid media - Google Patents

Procedure determining ultrasound velocity in liquid media Download PDF

Info

Publication number
RU2193760C2
RU2193760C2 RU99115956/28A RU99115956A RU2193760C2 RU 2193760 C2 RU2193760 C2 RU 2193760C2 RU 99115956/28 A RU99115956/28 A RU 99115956/28A RU 99115956 A RU99115956 A RU 99115956A RU 2193760 C2 RU2193760 C2 RU 2193760C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ultrasonic wave
piston
reflector
reflected
liquid
Prior art date
Application number
RU99115956/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU99115956A (en
Inventor
Е.П. Тетерин
И.Е. Тарасов
Д.С. Потехин
Original Assignee
Ковровская государственная технологическая академия
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ковровская государственная технологическая академия filed Critical Ковровская государственная технологическая академия
Priority to RU99115956/28A priority Critical patent/RU2193760C2/en
Publication of RU99115956A publication Critical patent/RU99115956A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2193760C2 publication Critical patent/RU2193760C2/en

Links

Landscapes

  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: ultrasonic equipment. SUBSTANCE: ultrasonic wave is emitted into liquid medium by piezoconverter. Ultrasonic wave reflected from piston-reflector nonuniformly moving in liquid over fixed distance is received. Envelope of electric beats corresponding to reflected ultrasonic wave is distinguished in the course of entire time of piston travel. Value of frequency of envelope of beats corresponding to Doppler shift of frequency of reflected ultrasonic wave is found uninterruptedly and ultrasound velocity is established by formula given in description of invention. EFFECT: raised accuracy of determination of ultrasound velocity in liquid media in interferometers of variable base with uninterruptedly traveling reflector. 1 dwg

Description

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в тех областях науки и техники, где необходимо знание скорости ультразвука в жидких средах. The invention relates to ultrasonic engineering and can be used in those fields of science and technology where knowledge of the speed of ultrasound in liquid media is necessary.

Известен также способ определения скорости ультразвука (см. Носов В.А. "Проектирование ультразвуковой измерительной аппаратуры", М.: Машиностроение, 1972 г. , с. 83-84), заключающийся в том, что между пьезопреобразователем и отражателем, находящимися на расстоянии l1, устанавливают стоячую ультразвуковую волну в жидкости на частоте f, после чего перемещают отражатель по отношению к пьезопреобразователю па расстояние l1 и отсчитывают при этом n максимумов или минимумов стоячей волны, а скорость ультразвука С определяют по формуле:

Figure 00000002

Недостатком этого способа является необходимость поиска и установки отражателя в положение, при котором наблюдается максимум или минимум стоячей ультразвуковой волны при каждом измерении, что снижает производительность процесса измерения.There is also a method of determining the speed of ultrasound (see Nosov V.A. "Design of ultrasonic measuring equipment", Moscow: Mashinostroenie, 1972, p. 83-84), which consists in the fact that between the piezoelectric transducer and the reflector are at a distance l 1 , a standing ultrasonic wave is established in the liquid at a frequency f, after which the reflector is moved with respect to the piezoelectric transducer at a distance l 1, and n maxima or minima of the standing wave are counted, and the ultrasound speed C is determined by the formula:
Figure 00000002

The disadvantage of this method is the need to search and install the reflector in a position in which there is a maximum or minimum of a standing ultrasonic wave during each measurement, which reduces the performance of the measurement process.

Известно также устройство для осуществления способа определения скорости ультразвука в жидких средах (см. А.с. SU 1797038 А1, 23.02.1993 г.), заключающегося в том, что в жидкость пьезопреобразователем излучают и принимают ультразвуковую волну, отраженную от торца поршня-отражателя. Этим создают стоячую ультразвуковую волну на частоте f и равномерно перемещают поршень-отражатель на известном фиксированном расстоянии l0, отсчитывают при этом n максимумов стоячей ультразвуковой волны и скорость ультразвука С определяют по формуле:

Figure 00000003

Недостатком известного способа является низкая точность определения скорости ультразвука, так как на фиксированном расстоянии движение поршня-отражателя является равномерным и число максимумов стоячей ультразвуковой волны отсчитывают с точностью до Δn=±1, поскольку фаза стоячей ультразвуковой волны у поверхности пьезопреобразователя при крайнем верхнем и крайнем нижнем положении поршня-отражателя в жидкости произвольна из-за постоянства частоты ультразвуковой волны и фиксированности расстояния, проходимого поршнем-отражателем.It is also known a device for implementing the method for determining the speed of ultrasound in liquid media (see A.S. SU 1797038 A1, 02/23/1993), which consists in the fact that an ultrasonic wave is reflected and received from the end face of the piston-reflector into the liquid with a piezoelectric transducer. . This creates a standing ultrasonic wave at a frequency f and uniformly moves the reflector piston at a known fixed distance l 0 , counts n maximums of the standing ultrasonic wave and the ultrasound speed C is determined by the formula:
Figure 00000003

The disadvantage of this method is the low accuracy of determining the speed of ultrasound, since at a fixed distance the movement of the piston-reflector is uniform and the number of maxima of the standing ultrasonic wave is counted to the accuracy Δn = ± 1, since the phase of the standing ultrasonic wave at the surface of the piezoelectric transducer at the extreme upper and extreme lower the position of the piston-reflector in the liquid is arbitrary due to the constancy of the frequency of the ultrasonic wave and the fixed distance traveled by the piston-reflector.

Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении точности определения скорости звука в жидких средах. The objective of the invention is to improve the accuracy of determining the speed of sound in liquid media.

Это достигается тем, что в способе, заключающемся в том, что в жидкую среду с помощью пьезопреобразователя излучают и принимают ультразвуковую волну, отраженную от торца поршня-отражателя, движущегося в жидкости на фиксированном расстоянии L, поршнь-отражатель неравномерно перемещают на фиксированном расстоянии L и в течение всего времени его движения непрерывно определяют величину доплеровского смещения частоты F(t) отраженной ультразвуковой волны, излучаемой пьезопреобразователем в жидкую среду, а скорость ультразвука С находят из выражения:

Figure 00000004

где
Figure 00000005
- площадь фигуры, ограниченной кривой F(t) и осью времени t на временном интервале от нуля до t движения поршня-отражателя на фиксированном расстоянии L.This is achieved by the fact that in the method consisting in the fact that an ultrasonic wave is reflected and received into the liquid medium using a piezoelectric transducer reflected from the end face of the reflector piston moving in the liquid at a fixed distance L, the reflector piston is non-uniformly moved at a fixed distance L and during the whole time of its movement, the magnitude of the Doppler frequency shift F (t) of the reflected ultrasonic wave emitted by the piezoelectric transducer emitted into the liquid medium is continuously determined, and the ultrasound speed C is found from CONTROL:
Figure 00000004

Where
Figure 00000005
is the area of the figure bounded by the curve F (t) and the time axis t over a time interval from zero to t of the movement of the reflector piston at a fixed distance L.

В предлагаемом способе с помощью пьезопреобразователя излучают падающую ультразвуковую волну в жидкую среду, которая, дойдя до торца поршня-отражателя, отражается и возвращается на пьезопреобразователь. При неподвижном поршне-отражателе частоты падающей и отраженной ультразвуковых волн равны. В результате между пьезопреобразователем и торцем поршня-отражателя образуется стоячая ультразвуковая волна с произвольной фазой у поверхности пьезопреобразователя. При движении поршня-отражателя из одного крайнего положения в другое на фиксированном расстоянии L частота отраженной ультразвуковой волны изменяется на величину доплеровского смещения, которое связано со скоростью v движения поршня-отражателя выражением:

Figure 00000006

где f - частота падающей ультразвуковой волны;
F - доплеровское смещение частоты отраженной ультразвуковой волны.In the proposed method, using an piezoelectric transducer, an incident ultrasonic wave is emitted into a liquid medium, which, having reached the end of the reflector piston, is reflected and returned to the piezoelectric transducer. With a stationary piston-reflector, the frequencies of the incident and reflected ultrasonic waves are equal. As a result, a standing ultrasonic wave with an arbitrary phase near the surface of the piezoelectric transducer is formed between the piezoelectric transducer and the end face of the piston-reflector. When the piston-reflector moves from one extreme position to another at a fixed distance L, the frequency of the reflected ultrasonic wave changes by the value of the Doppler shift, which is associated with the speed v of the piston-reflector by the expression:
Figure 00000006

where f is the frequency of the incident ultrasonic wave;
F is the Doppler frequency shift of the reflected ultrasonic wave.

Так как скорость движения поршня-отражателя на фиксированном расстоянии L неравномерна, то величина доплеровского смещения частоты F оказывается функцией времени. В связи с этим осуществляют непрерывное измерение доплеровского смещения частоты F(t) с использованием какого-либо метода спектрального анализа, в результате чего получают непрерывную функцию F(t) и производят ее численное интегрирование на интервале от 0 до t движения поршня-отражателя на фиксированном расстоянии L. При этом начальная и конечная фаза стоячей волны между пьезопреобразователем и поршнем-отражателем в его начальном и конечном положениях не оказывает влияния на величину интеграла

Figure 00000007
, за счет чего и повышается точность определения скорости ультразвука. В то время как в известном способе число максимумов стоячей ультразвуковой волны отсчитывают с точностью до Δn=±1, поскольку поршень-отражатель движется равномерно и фаза стоячей ультразвуковой волны у поверхности пьезопреобразователя при крайнем верхнем и крайнем нижнем положении поршня-отражателя в жидкости произвольна из-зa постоянства частоты ультразвуковой волны и фиксированности расстояния, равномерно проходимого поршнем-отражателей, что ограничивает точность определения скорости ультразвука.Since the speed of the piston-reflector at a fixed distance L is uneven, the magnitude of the Doppler frequency shift F is a function of time. In this regard, a continuous measurement of the Doppler frequency shift F (t) is carried out using some method of spectral analysis, as a result of which a continuous function F (t) is obtained and its numerical integration is performed over a range from 0 to t of the motion of the reflector piston on a fixed distance L. In this case, the initial and final phase of the standing wave between the piezoelectric transducer and the reflector piston in its initial and final positions does not affect the value of the integral
Figure 00000007
, due to which the accuracy of determining the speed of ultrasound increases. While in the known method, the number of maxima of the standing ultrasonic wave is counted to an accuracy of Δn = ± 1, since the reflector piston moves uniformly and the phase of the standing ultrasonic wave at the surface of the piezoelectric transducer with the upper and the lowermost positions of the reflector piston in the liquid is arbitrary for the constancy of the frequency of the ultrasonic wave and the fixed distance uniformly traveled by the piston-reflectors, which limits the accuracy of determining the speed of ultrasound.

На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ. The drawing shows a block diagram of a device that implements the proposed method.

Устройство содержит пьезопреобразователь 1, цилиндр 2, заполненный жидкостью, и поршень-отражатель 3, помещенный в жидкость, расположенный коаксиально цилиндру 2 соленоид 4, связанный с выходом источника питания 5, управляющий вход которого соединен с управляющим выходом ЭВМ 6, вход которой соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 7, вход которого соединен с выходом усилителя 8, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора 9, вход которого соединен с пьезопреобразователем 1 и выходом генератора высокой частоты 10. The device comprises a piezoelectric transducer 1, a cylinder 2 filled with a liquid, and a piston-reflector 3 placed in a liquid located coaxially to the cylinder 2, a solenoid 4 connected to the output of the power source 5, the control input of which is connected to the control output of the computer 6, the input of which is connected to the output analog-to-digital Converter 7, the input of which is connected to the output of the amplifier 8, the input of which is connected to the output of the amplitude detector 9, the input of which is connected to the piezoelectric transducer 1 and the output of the high-frequency generator 10.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Поршень-отражатель 3 находится в крайнем нижнем положении в цилиндре 2, заполненном жидкостью. Генератор высокой частоты 10 вырабатывает непрерывные высокочастотные колебания, которые подаются на пьезопреобразователь 1, который преобразует эти колебания в падающую ультразвуковую волну в жидкости, которая, дойдя до торца поршня-отражателя 3, отражается и возвращается на пьезопреобразователь 1. Таким образом, между пьезопреобразователем 1 и поршнем-отражателем 3 устанавливается стоячая ультразвуковая волна с произвольной фазой у поверхности пьезопреобразователя 1. При запуске измерений ЭВМ 6 выдает на управляющий выход сигнал включения источника питания 5, который создает ток в соленоиде 4, который создает магнитное поле, под действием которого поршень-отражатель 3 приходит в движение вверх. При этом в соответствии с эффектом Доплера отраженная ультразвуковая волна приобретает доплеровское смещение частоты по отношению к частоте падающей ультразвуковой волны. В результате сложения падающей и отраженной ультразвуковых волн создаются биения, огибающая которых имеет частоту, равную доплеровскому смещению частоты отраженной ультразвуковой волны относительно падающей ультразвуковой волны. С выхода пьезопреобразователя 1 биения поступают на вход амплитудного детектора 9, на выходе которого формируется сигнал, соответствующий огибающей биений, который усиливается усилителем 8 и поступает на вход аналого-цифровото преобразователя 7, с выхода которого цифровая последовательность, соответствующая этому сигналу, поступает в ЭВМ 6, где обрабатывается в соответствии с программой, осуществляющей определение функции F(t) каким-либо методом спектрального анализа, численное интегрирование полученной зависимости и определение скорости ультразвука по приведенной выше формуле (3), в которой f - частота, задаваемая генератором высокой частоты 10, L - расстояние, пройденное поршнем-отражателем 3 из крайнего нижнего в крайнее верхнее положение в цилиндре 2. The proposed method is implemented as follows. The reflector piston 3 is in its lowest position in the cylinder 2 filled with liquid. The high-frequency generator 10 generates continuous high-frequency oscillations, which are fed to the piezoelectric transducer 1, which converts these vibrations into an incident ultrasonic wave in a liquid, which, reaching the end of the piston-reflector 3, is reflected and returned to the piezoelectric transducer 1. Thus, between the piezoelectric transducer 1 and a standing ultrasonic wave with an arbitrary phase near the surface of the piezoelectric transducer 1 is installed by the piston-reflector 3. When the measurements are started, the computer 6 gives a signal to the control output eniya power source 5, which produces a current in the solenoid 4 which generates a magnetic field under the influence of which the piston-reflector 3 begins to move upward. Moreover, in accordance with the Doppler effect, the reflected ultrasonic wave acquires a Doppler frequency offset with respect to the frequency of the incident ultrasonic wave. The addition of the incident and reflected ultrasonic waves creates beats, the envelope of which has a frequency equal to the Doppler frequency shift of the reflected ultrasonic wave relative to the incident ultrasonic wave. From the output of the piezoelectric transducer 1, the beats go to the input of the amplitude detector 9, the output of which forms a signal corresponding to the envelope of the beats, which is amplified by the amplifier 8 and fed to the input of the analog-to-digital converter 7, from which the digital sequence corresponding to this signal is sent to the computer 6 , where it is processed in accordance with a program that determines the function F (t) by any spectral analysis method, numerically integrates the obtained dependence and determines the velocity ultrasound according to the above formula (3), in which f is the frequency specified by the high-frequency generator 10, L is the distance traveled by the reflector piston 3 from the lowest to the highest position in cylinder 2.

Пример. Предлагаемый способ реализован с использованием цилиндра диаметром 10 мм и высотой 60 мм, поршня диаметром 9,5 мм и высотой 40 мм, помещенного в дистиллированную воду при температуре 20oC, пьезопреобразователя из пьезокерамики ЦТС- 19, который был соединен с выходом генератора высокой частоты Г4-158 и с входом амплитудного детектора, выполненного па диоде Д9А, выход которого соединен с входом усилителя, выполненного на микросхеме КР140УД6А, включенной по инвертирующей схеме с коэффициентом усиления К=10, выход которого соединен с входом АЦП 1113ПВ1, выход которого соединен с шиной ЭВМ типа IBM PC AT 386, управляющий выход которой соединен с управляющим входом управляемого блока питания Б5-47, выход которого соединен с соленоидом, имеющим 2000 витков провода ПЭВ-II-0,6. Измерения проводились на частоте 10,3 МГц. В результате было получено значение скорости ультразвука, равное 1481,9 м/с с относительной погрешностью 0,06%. В то время как в известном способе при этих же условиях скорость ультразвука определяется с погрешностью не менее 0,36%, т.к. число импульсов, регистрируемых на ходе поршня отражателя в 20 мм, составляет 278.Example. The proposed method is implemented using a cylinder with a diameter of 10 mm and a height of 60 mm, a piston with a diameter of 9.5 mm and a height of 40 mm, placed in distilled water at a temperature of 20 o C, a piezoelectric transducer from PZT-19 piezoceramics, which was connected to the output of a high-frequency generator G4-158 and with the input of the amplitude detector made on the D9A diode, the output of which is connected to the input of the amplifier made on the KR140UD6A microcircuit, turned on by an inverting circuit with a gain of K = 10, the output of which is connected to the input of the ADC 1113PV1, output One of which is connected to an IBM PC AT 386 type computer bus, the control output of which is connected to the control input of the B5-47 controlled power supply unit, the output of which is connected to a solenoid with 2000 turns of PEV-II-0.6 wire. The measurements were carried out at a frequency of 10.3 MHz. As a result, an ultrasound velocity value of 1481.9 m / s was obtained with a relative error of 0.06%. While in the known method under the same conditions, the speed of ultrasound is determined with an error of at least 0.36%, because the number of pulses recorded during the course of the reflector piston of 20 mm is 278.

Claims (1)

Способ определения скорости ультразвука в жидких средах, заключающийся в том, что в жидкую среду с помощью пьезопреобразователя излучают и принимают ультразвуковую волну, отраженную от торца поршня-отражателя, движущегося в жидкости на фиксированном расстоянии L, отличающийся тем, что поршню-отражателю сообщают неравномерное движение на фиксированном расстоянии L и в течение всего времени движения поршня-отражателя непрерывно определяют величину доплеровского смещения частоты F(t) отраженной ультразвуковой волны, излучаемой пьезопреобразователем в жидкую среду, а скорость ультразвука С определяют из выражения
Figure 00000008

где
Figure 00000009
- площадь фигуры, ограниченной кривой F(t) и осью времени t на временном интервале от нуля до t движения поршня-отражетеля на фиксированном расстоянии L;
f - частота излучаемой ультразвуковой волны.A method for determining the speed of ultrasound in liquid media, which consists in the fact that an ultrasonic wave is reflected and received from the end face of the reflecting piston moving in the liquid at a fixed distance L, characterized in that the irregular movement of the reflecting piston is transmitted to the liquid medium using a piezoelectric transducer at a fixed distance L and throughout the entire time the piston-reflector moves continuously, the magnitude of the Doppler frequency shift F (t) of the reflected ultrasonic wave emitted by the piezoelectric transducer is continuously determined browser in a liquid medium, and the speed of ultrasound C is determined from the expression
Figure 00000008

Where
Figure 00000009
- the area of the figure bounded by the curve F (t) and the time axis t over a time interval from zero to t of the movement of the piston-diffuser at a fixed distance L;
f is the frequency of the emitted ultrasonic wave.
RU99115956/28A 1999-07-21 1999-07-21 Procedure determining ultrasound velocity in liquid media RU2193760C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99115956/28A RU2193760C2 (en) 1999-07-21 1999-07-21 Procedure determining ultrasound velocity in liquid media

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99115956/28A RU2193760C2 (en) 1999-07-21 1999-07-21 Procedure determining ultrasound velocity in liquid media

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU99115956A RU99115956A (en) 2001-05-20
RU2193760C2 true RU2193760C2 (en) 2002-11-27

Family

ID=20222992

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99115956/28A RU2193760C2 (en) 1999-07-21 1999-07-21 Procedure determining ultrasound velocity in liquid media

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2193760C2 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4541281A (en) Ultrasonic microscope system
Cai et al. Accurate digital time-of-flight measurement using self-interference
US4231260A (en) Position determining system
RU2193760C2 (en) Procedure determining ultrasound velocity in liquid media
Royer et al. Optical probing of pulsed, focused ultrasonic fields using a heterodyne interferometer
US4637727A (en) Procedure for analyzing reciprocating motion
CN115508448B (en) High-spatial-resolution ultrasonic field detection method based on optical fiber common-path interference
JPS56155847A (en) Ultrasonic wave image pickup device
RU2436050C1 (en) Method of defining sound velocity in fluids
Aoyagi et al. Numerical analysis of ultrasonic beam of variable-line-focus-beam film transducer
SU1492383A1 (en) Method and apparatus for calibration of hydrophysical converters
SU1180708A1 (en) Method of measuring ultrasound phase velocity
FR2593909B1 (en) COATING THICKNESS MEASUREMENT BY ULTRASONIC INTERFEROMETRY
RU2808100C1 (en) Sound velocimeter for liquid medium
SU727989A1 (en) Ultrasonic method of checking dimensions of an object and monitoring its displacements
RU2124210C1 (en) Linear speed measuring method
SU917074A1 (en) Method of sound reflection factor determination
Djelouah et al. Pulsed calibration technique of miniature ultrasonic receivers using a wideband laser interferometer
RU2016406C1 (en) Acoustoelectronic method of determining displacements of objects
SU1659717A1 (en) Method of measuring flow rate of liquid media
SU436985A1 (en) The method for determining the effective radius of the ultrasonic radiator
RU2212631C1 (en) Ultrasonic transmitter of deviation angle from vertical with frequency output
SU469084A1 (en) The method of measuring the diameter of cylindrical products
SU1763969A1 (en) Device for acoustic properties measuring in transverse direction of filamentous object cross-section
JPS6251421B2 (en)

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees