RU2564046C1 - Устройство для измерения акустического сопротивления материалов - Google Patents
Устройство для измерения акустического сопротивления материалов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2564046C1 RU2564046C1 RU2014111689/28A RU2014111689A RU2564046C1 RU 2564046 C1 RU2564046 C1 RU 2564046C1 RU 2014111689/28 A RU2014111689/28 A RU 2014111689/28A RU 2014111689 A RU2014111689 A RU 2014111689A RU 2564046 C1 RU2564046 C1 RU 2564046C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- divider
- functional
- input
- transformation
- output
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Использование: для измерения акустического сопротивления материалов. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения акустического сопротивления твердых материалов, содержащее первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, ультразвуковой генератор, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, делитель и блок функционального преобразования, при этом второй вход делителя подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, а выход делителя связан с блоком функционального преобразования, при этом первый вход делителя подключен к первому ультразвуковому преобразователю, между выходом делителя и входом блока функционального преобразования введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины и экспоненциального преобразования, а блок функционального преобразования реализует заданную функциональную зависимость или в устройство введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины, аналогового инвертирования и экспоненциального преобразования, причем блок функционального преобразования в этом случае реализует другую заданную функциональную зависимость. Технический результат: повышение чувствительности к акустическому сопротивлению исследуемого материала. 2 ил.
Description
Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и может быть использовано при ультразвуковом контроле физико-химических характеристик твердых и жидких сред, например, в криминалистике.
Известно устройство, предназначенное для осуществления способа измерения акустического сопротивления сред с помощью ультразвуковых импульсов (SU 1504602 A1, МПК G01N 29/00, опубл. 30.08.89. Бюл. №32). Устройство позволяет исследовать и идентифицировать акустическим методом различные газы. Указанное устройство имеет ограниченную область применения, поскольку не позволяет исследовать и идентифицировать твердые материалы ввиду своей недостаточной чувствительности в таких случаях.
Кроме того известно устройство для измерения акустического сопротивления газообразных сред (SU 1597716 A1, МПК G01N 29/02, опубл. 07.10.90. Бюл. №37). Это устройство позволяет исследовать и идентифицировать разреженные газы, причем не только в статике, но и в динамике, за счет повышенной чувствительности в таких случаях. Однако оно также не позволяет исследовать и идентифицировать твердые материалы ввиду своей низкой чувствительности к величине их акустического сопротивления.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому устройству является «Устройство для измерения акустического сопротивления материалов» (SU 1589197 A1, МПК G01N 29/00, опубл. 30.08.90. Бюл. №32). Это устройство содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, параллельно включенные ультразвуковой генератор и приемную часть устройства, состоящую из последовательно соединенных суммирующего каскада, делителя и блока функционального преобразования, причем первый и второй выходы генератора подключены соответственно к первому и второму ультразвуковым преобразователям, к ним же подключены и соответствующие входы приемной части устройства, первый вход делителя подключен к выходу суммирующего каскада, а второй его вход подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, вход блока функционального преобразования подключен к выходу делителя, а выход блока функционального преобразования является выходом устройства, причем функциональный преобразователь реализует зависимость
где Uвх и Uвых - уровни его входного и выходного сигналов соответственно,
U0 - постоянный коэффициент, равный акустическому сопротивлению известной эталонной среды в выбранной физической системе координат. Полученные после описанной последовательности измерительных процедур величины оказываются весьма чувствительными к величине акустического сопротивления исследуемого твердого материала, что позволяет отличать (и, следовательно, распознавать) различные твердые материалы, например, чистые металлы и их сплавы, различные виды пластмасс или стекол и т.д.
Однако указанное устройство-прототип заявляемого позволяет реализовать свое преимущество в чувствительности только в условиях, когда акустическое сопротивление исследуемого материала заметно превосходит по своей величине акустическое сопротивление эталонной среды. Например, при идентификации металла вольфрама, акустическое сопротивление которого равно 100 МПа·с/м, иммерсионным методом с дистиллированной водой (акустическое сопротивление 1,50 МПа·с/м) дифференциальная чувствительность D устройства имеет расчетное значение
(см. описание устройства-прототипа SU 1589197). То есть изменение акустического сопротивления вольфрама на 1% вызовет изменение измерительной функции P примерно на ту же величину (см. там же). Если же акустические сопротивления исследуемого материала и эталонной среды близки (например, у полистирола акустическое сопротивление равно 2,42 МПа·с/м), то чувствительность устройства-прототипа падает
Между тем в практике ультразвукового контроля могут встретиться случаи, когда при заданной исследуемой среде выбор эталонной среды предопределен, и значение акустического сопротивления последней близко к соответствующему значению первой. Например, при исследовании приработки поверхности технической резины (акустическое сопротивление 1,65 МПа·с/м) в морской воде. В этом случае применение устройства-прототипа с дистиллированной водой в качестве эталона позволит достичь чувствительности
Эта величина может оказаться недостаточной, и потребуется увеличение чувствительности. В заявляемом устройстве при аналогичных условиях измерения обеспечивается чувствительность
(расчеты приводятся ниже).
Целью изобретения является расширение возможностей устройства при измерении акустического сопротивления материалов в условиях, когда акустические сопротивления исследуемого материала и эталонной среды близки друг к другу. Техническим эффектом выступает повышение чувствительности устройства к величине акустического сопротивления исследуемого материала.
Поставленная цель достигается за счет того, что заявляемое устройство для измерения акустического сопротивления материалов содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, параллельно включенные ультразвуковой генератор и приемную часть устройства, состоящую из последовательно соединенных делителя, блока вычисления обратной величины, блока экспоненциального преобразования и блока функционального преобразования, причем первый и второй выходы генератора подключены соответственно к первому и второму ультразвуковым преобразователям, к ним же подключены и соответствующие входы делителя, причем его первый вход (канал делимого) подключен к первому ультразвуковому преобразователю, а второй его вход (канал делителя) подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, выход делителя подключен к цепи последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины, экспоненциального преобразования и функционального преобразования, причем выход блока экспоненциального преобразования является первым выходом устройства, выход блока функционального преобразования - вторым выходом устройства, а блок функционального преобразования реализует функцию в соответствии с выражением
обозначения те же, что и в выражении (1).
Таким образом, отличия заявляемого устройства для измерения акустического сопротивления материалов от его прототипа состоят в том, что в первом:
1) исключен суммирующий блок,
2) первый вход делителя подключен не к выходу суммирующего блока, а к первому ультразвуковому преобразователю,
3) между выходом делителя и входом блока функционального преобразования добавлены последовательно соединенные блоки: вычисления обратной величины, экспоненциального преобразования;
4) модифицирован блок функционального преобразования путем изменения реализуемой функции в соответствии с выражением (6) взамен выражения (1).
Эти отличительные признаки заявляемого устройства от устройства-прототипа в сочетании с общими признаками двух рассматриваемых устройств позволяют достичь цели изобретения - существенного повышения чувствительности устройства к вариациям величины акустического сопротивления исследуемого материала в условиях близости акустических сопротивлений исследуемого материала и эталонной среды.
Вариативным решением для заявляемого устройства измерения акустического сопротивления материалов является устройство, у которого в цепочку последовательно соединенных блоков между выходом делителя и входом блока функционального преобразования добавлен аналоговый инвентор, размещенный между блоком вычисления обратной величины и блоком экспоненциального преобразования. Кроме того, в таком решении функциональное преобразование осуществляют не по зависимости (6), а по зависимости
где все обозначения прежние. В этом случае чувствительность устройства к вариациям акустического сопротивления изменяет знак, оставаясь неизменной по абсолютной величине (модулю).
На фиг.1 представлена блок-схема заявляемого устройства, на чертеже фиг.2 - вариативная часть устройства (выносной фрагмент).
Устройство включает первый 1 и второй 2 ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду 3 с исследуемым материалом 4 и контрольной средой 5 соответственно. В качестве исследуемого материала 4 используется, например, техническая резина, в качестве эталонной среды - жидкость с известным значением акустического сопротивления, например дистиллированная вода, поверхности которой касается фиксированный исследуемый материал 4. Контрольной средой 5 служит воздух. Ультразвуковые преобразователи 1 и 2 акустически связаны с эталонной средой 3, например, путем приклейки к дну камеры 6, которую эта среда заполняет. Устройство также содержит ультразвуковой генератор 7, выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям. В состав устройства также входит делитель 8, первый вход которого (канал делимого) соединен с первым ультразвуковым преобразователем 1, а второй вход (канал делителя) соединен со вторым ультразвуковым преобразователем 2, выход делителя 8 соединен с цепочкой блоков: вычисления обратной величины 9, экспоненциального преобразования 10 и функционального преобразования 11, соединенных последовательно. Причем блок функционального преобразования реализует функцию (6). Устройство имеет два выхода, из которых первый выход 12 используется для регистрации измерительной функции Т, обладающей высокой чувствительностью к величине акустического сопротивления исследуемого материала 4, а второй выход 13 используется для воспроизведения высокоточного значения указанного акустического сопротивления.
Устройство для измерения акустического сопротивления материалов работает следующим образом. Ультразвуковой генератор 7 генерирует на своих первом и втором выходах электрически развязанные, одинаковые по амплитуде электрические сигналы, которые преобразуются первым 1 и вторым 2 ультразвуковыми преобразователями в эквивалентные акустические сигналы. Последние после исходного уравнивания и последующего распространения в эталонной среде 3 достигают границ акустического контакта эталонной среды 3 с исследуемым материалом 4 и контрольной средой 5, отражаются в обратном направлении и, пройдя одинаковые акустические пути, поступают на те же ультразвуковые преобразователи, которые их излучили. После обратного преобразования в эквивалентные электрические сигналы последние поступают на соответствующие входы делителя, электрически развязанные от выходов генератора. С выхода делителя результирующий электрический сигнал поступает на цепь последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины 9, экспоненциального преобразования 10 и функционального преобразования 11. На выходе блока 10 экспоненциального преобразования, который является одновременно и первым выходом 12 устройства, устанавливается напряжение, пропорциональное величине Т
где A1 и A0 - соответственно амплитуды сигналов от исследуемого материала 4 и контрольной среды 5 соответственно.
Величина Т связана с величинами Zx и Z0 акустических сопротивлений соответственно исследуемого материала 4 и эталонной среды 3 зависимостью
При этом величина дифференциальной чувствительности F устройства при измерении сигнала T определяется из соотношения
где 
. Таким образом, при исследовании технической резины (Zx=1,65 МПа·с/м) с помощью эталонной среды - дистиллированной воды (Z0=1,50 МПа·с/м) дифференциальная чувствительность F заявляемого устройства составит F=220. То есть на вариацию акустического сопротивления резины в 0,1% придется изменение измерительной функции на 22% (сравнить значения (2), (3) и (4) для прототипа и (5) - для заявляемого устройства).
Блок функционального преобразования 11 формирует выходное напряжение по зависимости (6), где величина Uвх, очевидно, эквивалентна величине Т. Подставляя ее вместо Uвх и учитывая соотношение (8), мы придем к выводу, что на выходе блока 11 и одновременно на втором выходе 13 устройства формируется сигнал, пропорциональный измеряемому значению Zx акустического сопротивления исследуемого материала 4. При этом коэффициент U0, вводимый извне, играет роль Z0, т.е. акустического сопротивления эталонной среды.
Для варианта заявляемого устройства (см. фиг.2) установлены два отличия от рассмотренного (ср. с фиг.1): добавлен блок аналогового инвертирования 14, включаемый между выходом 9 блока вычисления обратной величины и входом блока 10 экспоненциального преобразования, и изменена математическая зависимость, реализуемая блоком 11 функционального преобразования. Соответственно, в вариант заявляемого устройства для его осуществления необходимо внести изменения, касающиеся добавления блока 14 аналогового инвертирования и замены блока 11 функционального преобразования на блок 15, реализующий функцию (7), что отображено на фиг.2. Изменение схемного решения заявляемого устройства (сравнить фиг.1 и 2) отразится на его работе очевидным образом и не требует дополнительных пояснений, за исключением изменения вида вышеприведенных математических зависимостей. А именно для рассматриваемого случая справедливы формулы
Поскольку условия функционирования заявляемого устройства предусматривают близость акустических сопротивлений исследуемого материала и эталонной среды, эти среды можно поменять местами, т.е. выбрать эталонную среду твердой, а исследуемый материал - жидким. При этом необходимо изменить акустическую часть устройства (см. а.с. СССР №№ SU 1504602 и SU 1597716), сохранив в неизменном виде электрическую часть устройства.
Заявляемое устройство является промышленно применимым, т.к. промышленно применим его прототип, который не имеет от первого принципиальных отличий в промышленно-технологическом плане.
Claims (1)
- Устройство для измерения акустического сопротивления твердых материалов, содержащее первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, ультразвуковой генератор, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, делитель и блок функционального преобразования, при этом второй вход делителя подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, а выход делителя связан с блоком функционального преобразования, отличающееся тем, что первый вход делителя подключен к первому ультразвуковому преобразователю, между выходом делителя и входом блока функционального преобразования введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины и экспоненциального преобразования, а блок функционального преобразования реализует функциональную зависимость
где Uвх и Uвых - уровни его входного и выходного сигналов соответственно,
U0 - постоянный коэффициент, равный акустическому сопротивлению известной эталонной среды в выбранной физической системе координат,
или в устройство введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины, аналогового инвертирования и экспоненциального преобразования, причем блок функционального преобразования реализует функциональную зависимость
обозначения те же.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014111689/28A RU2564046C1 (ru) | 2014-03-26 | 2014-03-26 | Устройство для измерения акустического сопротивления материалов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014111689/28A RU2564046C1 (ru) | 2014-03-26 | 2014-03-26 | Устройство для измерения акустического сопротивления материалов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2564046C1 true RU2564046C1 (ru) | 2015-09-27 |
Family
ID=54250921
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014111689/28A RU2564046C1 (ru) | 2014-03-26 | 2014-03-26 | Устройство для измерения акустического сопротивления материалов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2564046C1 (ru) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1460623A1 (ru) * | 1987-03-23 | 1989-02-23 | Ростовский научно-исследовательский онкологический институт | Способ определени акустического сопротивлени материалов с неровной поверхностью |
| SU1589197A1 (ru) * | 1988-07-05 | 1990-08-30 | Ростовский государственный университет им.М.А.Суслова | Устройство дл измерени акустического сопротивлени материалов |
| JP2007124187A (ja) * | 2005-10-27 | 2007-05-17 | Audio Technica Corp | 音響抵抗測定装置およびこれを用いた音響管の音響抵抗調整方法 |
| JP2007194768A (ja) * | 2006-01-18 | 2007-08-02 | Audio Technica Corp | 音響抵抗材の音響抵抗測定装置およびその測定方法 |
| RU2362128C1 (ru) * | 2007-11-28 | 2009-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" | Способ измерения акустического сопротивления однородных сред и устройство для его осуществления |
| RU2489687C1 (ru) * | 2012-01-11 | 2013-08-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" | Устройство для измерения акустического сопротивления твердых материалов |
-
2014
- 2014-03-26 RU RU2014111689/28A patent/RU2564046C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1460623A1 (ru) * | 1987-03-23 | 1989-02-23 | Ростовский научно-исследовательский онкологический институт | Способ определени акустического сопротивлени материалов с неровной поверхностью |
| SU1589197A1 (ru) * | 1988-07-05 | 1990-08-30 | Ростовский государственный университет им.М.А.Суслова | Устройство дл измерени акустического сопротивлени материалов |
| JP2007124187A (ja) * | 2005-10-27 | 2007-05-17 | Audio Technica Corp | 音響抵抗測定装置およびこれを用いた音響管の音響抵抗調整方法 |
| JP2007194768A (ja) * | 2006-01-18 | 2007-08-02 | Audio Technica Corp | 音響抵抗材の音響抵抗測定装置およびその測定方法 |
| RU2362128C1 (ru) * | 2007-11-28 | 2009-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" | Способ измерения акустического сопротивления однородных сред и устройство для его осуществления |
| RU2489687C1 (ru) * | 2012-01-11 | 2013-08-10 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" | Устройство для измерения акустического сопротивления твердых материалов |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3056874B1 (en) | Use of transducers with a piezo ceramic array to improve the accuracy of ultra sonic meters | |
| US9791413B2 (en) | Analyte sensor and analyte sensing method | |
| CN103075981A (zh) | 一种超声波测厚方法 | |
| RU2564046C1 (ru) | Устройство для измерения акустического сопротивления материалов | |
| RU2489687C1 (ru) | Устройство для измерения акустического сопротивления твердых материалов | |
| Koturbash et al. | New instrument for measuring the velocity of sound in gases and quantitative characterization of binary gas mixtures | |
| RU2564045C1 (ru) | Устройство для измерения акустического сопротивления однородных сред | |
| Volkova et al. | Qualitative theory and identification of dynamic system with one degree of freedom | |
| Kober et al. | In situ calibration of acoustic emission transducers by time reversal method | |
| CN104181040B (zh) | 一种古建筑木构件的剩余抗压承载力测定方法 | |
| RU2548735C2 (ru) | Устройство для экспресс-оценки качества продуктов питания | |
| JP5154304B2 (ja) | 被測定物特性測定装置 | |
| RU2566417C1 (ru) | Способ градуировки датчиков давления воздушных ударных волн | |
| RU2548131C1 (ru) | СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ pН ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | |
| Xiao et al. | Calibration principle for acoustic emission sensor sensitivity | |
| JP2014190815A (ja) | 弾性表面波デバイス及びこれを用いた物理量検出装置 | |
| RU2771969C1 (ru) | Лабораторная установка для измерения длины звуковой волны и определения скорости звука в воздухе | |
| Rautenberg et al. | A6. 1-Guided Acoustic Waves for Liquid Property Measurement | |
| RU2532143C1 (ru) | Метод определения нелинейного акустического параметра жидкостей и устройство для его осуществления | |
| US9080952B2 (en) | Method and a device of phased array inspection with pulse rate optimization | |
| Berberkic | Measurement of small signal variations using one-dimensional chaotic maps | |
| Antlinger et al. | A differential pressure wave-based sensor setup for the acoustic viscosity of liquids | |
| RU132539U1 (ru) | Тензопреобразователь давления мостового типа | |
| RU2498293C2 (ru) | Способ определения координат источника акустической эмиссии | |
| Hefft et al. | Using transient energy release measurements for the in‐line characterization of non‐Newtonian fluids and fluid state in pipe flow |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160327 |