SU1748043A1 - Устройство дл измерени коэффициента отражени акустических сигналов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к устройствам дл  исследовани  акустических характеристик материалов и предназначено дл  опре- делени  комплексного коэффициента отражени  акустических сигналов от повер2 хности материалов, помещенных в акустически прозрачные среды Устройство может быть использовано в гидроакустике, геофизике , дефектоскопии Цель - расширение диапазона рабочих частот и повышение точности за счет реализации измерени  непрерывной частотной зависимости модул  и фазы коэффициента отражени  в широкой полосе частот и реализации измерений в сильнов зких средах в устройство В среду излучают амплитудно-модулированный сигнал Приемник принимает излученный сигнал и сигнал отражени  от образца В среде образуетс  сигнал разностной частоты Фипьтрами, подключенными к приемнику выдел ют сигнал, и фазометр измер ют фазу коэффициента отражени  Измеритель амплитуды определ ют модуль коэффициента отражени  2 ил

Description

Изобретение относитс  к устройствам дл  исследовани  акустических характеристик материалов, предназначено дл  определени  комплексного коэффициента отражени  акустических сигналов от поверхности материалов, помещенных в акустически прозрачные среды, и может быть использовано в гидроакустике, геофизике, дефектоскопии.

Известно устройство дл  измерени  частотных зависимостей коэффициента отражени . В основе этого решени  лежит излучение в среду радиоимпульса, отражение его от исследуемого материала и измерени  параметров образовавшейс  в пределах радиоимпульса акустической сто чей волны. Оно содержит генератор радиоимпульсов , соединенный с излучающим преобразователем, наход щимс  в акустическом контакте со средой, помещенной в акустическую трубу На другом конце трубы помещен исследуемый материал На оси трубы установлен приемник акустических сигналов, соединенный с механической координатной системой, котора  перемещает приемник вдоль оси трубы с целью координат узлов и прочностей сто чей волны по максиму и минимуму звукового давлени . Выход приемника через фильтр соединен с измерителем амплитуды,

Измеритель амплитуды регистрирует уровни звукового давлени  в узлах и пучност х сто чей волны, по их значени м и координате первого узла определ етс  модуль и

00

о

4 Ы

фаза коэффициента отражени  дл  разных

частот.

Недостатком этого устройства  вл етс  низка  точность измерений комплексного коэффициента отражени  в сто чей волне. Из-за конечных размеров приемника невозможно точно измерить звуковое давление в точке звукового пол  - в узле или пучности сто чей волны Это снижает достоверность получаемой величины модул  коэффициен- та отражени . Так как прот женность областей , расположенных между узлами, сокращаетс  пропорционально росту частоты , то и точность измерени  звукового давлени  в узле и пучности приемником конечных размеров уменьшаетс  с ростом частоты Таким образом, погрешность метода измерени  коэффициента отражени  в сто чей волне частотно-зависима и растет с увеличением частоты и размеров приемки- ка

Наиболее близким к изобретению  вл етс  устройство дл  измерени  коэффициента отражени  образцов. Модуль коэф ициента отражени  находитс  из отно- шени  амплитуд отраженной и падающей волн, а фаза - как разность фаз между волнами с кратными частотами Известное устройство содержит генератор радиоим- пульсов с измен емой частотой, подключенный к нему акустический излучатель гидроакустическую трубу, один конец которой сопр жен с акустическим излучатепем, а другой - предназначен дл  контактировани  с образцом установленный в трубе акустический приемник блок регистрации выполненный из л фильтров гармоник входы которых соединены с акустическим приемником п измерителей амплитуды и (п-1) электрических цепей состо щих из последовательно соединенных умножителей частоты, фазометра и индикатора, входы умножителей частоты подключены соответственно к выходам первых (п-1) фильтров гармоник и измерителей амплитуды, а вторые входы фазометров подключены соответст- венно к выходам фильтров последующих гармоник

Недостаток прототипа - ограниченность рабочего диапазона частот т.е невозможность измерени  коэффициента отражений на частотах ниже резонансной частоты излучател  так как в качестве информационных волн используютс  излученна  волна и генерируемые ею гармоники.

Кроме того, известное устройство ха- рактеризуетс  невозможностью использовани  в качестве рабочих сред, заполн ющих измерительную трубу сильнов зких жидкостей (минеральные п растительные масла, нефть и др ) и материалов (коллоидные растворы, эмульсии, суспензии, жидкий ил, глину и другие). Большие значени  коэффициента затухани  звуковых волн и квадратична  зависимость от его частоты не позвол ет эффективно генерировать в таких средах гармоники из-за их быстрого поглощени , что приводит к низкой точности измерени .

Использование высокочастотных гар- мочик, плавна  перестройка которых в широких пределах невозможна из-за узкой полосы пропускани  излучающего преобразовател , исключает возможность получени  в прототипе непрерывной частотной зависимости коэффициента отражени  в промежутках между частотами гармоник.

Измерение разности фаз между гармониками в прототипе не позвол ет получить значение фазы коэффициента отражени  акустической волны от образца исследуемого материала в том случае, когда ома зависит от частоты отражающейс  волны.

Цель изобретени  - расширение диапазона рабочих частот и повышение точности за счет реализации возможности измерени  непрерывной частотной зависимости модул  и фазы коэффициента отражени  в широкой полосе частот и реализаци  измерений в сильнов зких средах,

Поставленна  цель достигаетс  тем, что устройство дл  измерени  коэффициента отражени  образцов, содержащее акустический излучатель, гидроакустическую трубу, один конец которой сопр жен с акустическим излучателем подключенным к генератору э другой - предназначен дл  контактировани  с образцом, установленный в гидроакустической трубе акустический приемник, фазометр и индикатор, два фильтра, входы которых подключены к выходу акустического приемника, к выходу первого фильтра подключены измеритель амплитуды и один из входов фазометра, к выходу которого подключен индикатор, в качестве генератора использован генератор амплитудно-модулированного сигнала с измер емой частотой модул ции, снабжено последовательно соединенными амплитудным детектором и фильтром нижних частот, выход которого подключен к второму входу фазометра, а вход амплитудного детектора подключен к выходу первого фильтра,

При распространении в нелинейной среде, заполн ющей гидроакустическую трубу, радиоимпульса с амплитудно-моду- лироааиным (AM) заполнением

+ mcos( (1)

где о m 1, - « 1 РО - амплитуда звукового

давлени  несущей AM сигнала происходит его акустическое детектирование т е ге нераци  сигнала с частотой модул ции Q так называемой волны разностной частоты (ВРЧ), которую можно представить 8 виде

.

где Po - амплитуда давлени  ВРЧ Генери оуема  ВРЧ и огибающа  АМ-сигнаЛа жест ко св заны между собой по фазе Прин тые после отражени  от образца исследуемого материала эхо-сигналы излученного AM- сигнала и ВРЧ будут иметь вид

P + mcos(Qt-§2f)x

e

(

P.-Vo-Poe-k1- Q .

где (.,, VQ- модули коэффициента отражени  от образца на частотах а) и Q соответствен но

I - рассто ние до объекта

( р„ - фазы коэффициентов отражени  от образца на частотах а) и QCOOTBBTCT- венно.

Измер   с помощью измерител  амплитуды отношени  амплитуд падающей на образец ВРЧ РО и отраженной от него VQ РО, находим модуль коэффициента отражени  образца на частоте Q.- Измер   разность фаз между сигналами отраженной ВРЧ и огибающей отраженного от образца исследуемого материала АМ-рздиоимпульса получаем

Ay (Qt-f2) -(Qt-|2l)

фазу коэффициента отражени  йот образца на частоте й,Изменением частоты модул ции излучаемого АМ-радиоимпульса можно непрерывно перестраивать частоту ВРЧ в широком диапазоне (0- ЈWe, где Оиакс определ етс  шириной полосы пропускани  излучающего преобразовател , а следовательно, и диапазон измерений ком- плексного коэффициента отражени  будет равен (0- Оиакс)

Как известно, затухание акустических волн в поглощающих средах пропорцио

10

15

20

25

зо

35 40

45

gQ gg

нально квадрату, поэтому использование в качестве рабочих более низкочастотных волн (ВРЧ и излучаема  АМ-волна), чем в прототипе (гармоники исходной волны) позвол ет проводить измерени  в сильнопоглощающих средах

На фиг 1 приведена структурна  схема устройства на фиг 2 - эпюры напр жений по сн ющих работу устройства

Устройство дл  измерени  коэффициента отражени  акустических сигналов состоит из генератора 1 амплитудно-модулиро- ванного радиоимпульса с Измен емой частотой модул ции, выход которого соединен с акустическим излучателем 2, сопр женным с одним из торцов гидроакустической трубы 3, заполненной средой 4 распространени  акустических волн образца 5 иссле дуемого материала сопр женного с вторым торцом трубы, акустического приемника 6 установленного в трубе 3 блока регистрации состо щего из двух фильтров - резо нансного 7 и полосового 8 входы которых подключены к выходу приемника 6 выход фильтра 7 подключен к входу амплитудного детектора 9 последовательно соединенного С ним фильтра 10 нижних частот выход которого подключен к одному из входов фазометра 12 измерител  11 амплитуды,вход которого подклюиен к выходу полосового фильтра 8, выход фильтра 8 подключен также к второму входу фазометра 12 к выходу которого подключен индикатор 13

Устройство работает следующим образом

Генератор 1 вырабатывает радиоимпульс амплитудно-модулированного сигнала (частота заполнени  ы, частота модул ции С, поступающий на вход акустического излучател  2, который излучает его в среду распространени  За счет нелинейности в среде распространени  происходит генераци  волны с частотой огибающей излученного АМ-сигнала (ВРЧ) АМ-волна и ВРЧ отражаютс  от образца 5 исследуемого материала Падающие нга образец 5 и отраженные от его поверхности радиоимпульсы ВРЧ и АМ-волны принимаютс  акустическим приемником 6, с выхода которого они поступают на входы фильтров 7 и 8, Фильтр 7 предназначен дл  выделени  из прин того сигнала амплитудно-модулированного радиоимпульса с несущей частотой частотой модул ции QUa) Далее сигнал IJ2 пбСтупает на последовательно соединенные амплитудный детектор 9 и фильтр 10 нижних частот, где происходит его детектированйе и выделение огибающей частоты. С выхода фильтра 10 сигнал U4 пЬстуНаёт на один из входов фазометра 12. Фильтр 8 предназначен дл  выделени  из прин того приемником сигнала радиоимпульса ВРЧ (Оз). С выхода фильтра 8 сигнал Оз поступает на вход измерител  11 амплитуды, где происходит измерение отношени  амплиту; ды. отраженной от образца ВРЧ к амплитуU

де ВРЧ, падающей на образец:., р(фиг. 2),

ипод

т.е. модул  коэффициента отражени  ВРЧ от образца исследуемого материала. С выхода фильтра 8 сигнал Ua поступает также на второй вход фазометра 12. где происходит измерение разности фаз между сигналами отраженной от образца ВРЧ и огибающей отраженного от образца АМ-ра- диоимпульса, равной согласно формуле (5) описани  фазе коэффициента отражени  (рл ВРЧ. С выхода фазометра 12 видеоимпульс напр жени  Us. амплитуда которого пропорциональна фазе коэффициента отражени  р , поступает на индикатор 13,

Фор мула изобретени  Устройство дл  измерени  коэффициента отражени  акустических сигналов, содержащее последовательно соединенные генератор и акустический излучатель, гидроакустическую трубу, один торец которой сопр жен с акустическим излучателем, а другой предназначен дл  контактировани  с образцом , установленный в гидроакустической

трубе акустический приемник, подключенные к нему первый и второй фильтры, последовательно соединенные фазометр и индикатор и измеритель амплитуды, подключенный к выходу второго фильтра, отличающеес 

тем, -что, с целью повышени  точности и расширени  частотного диапазона, оно снабжено последовательно соединенными амплитудным детектором, вход которого св зан с выходом первого фильтра, и фильтром

нижних частот, выход которого подключен к первому входу фазометра, соединенного вторым входом с выходом второго фильтра, а в качестве генератора использован генератор амТшитудно-модулированного сигналов,

ryz i

(риг, 2

L.V .у jj. „

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Устройство для измерения коэффициента отражения акустических сигналов, содержащее последовательно соединенные генератор и акустический излучатель, гидроакустическую трубу, один торец которой сопряжён с акустическим излучателем, а другой предназначен для контактирования с образцом, установленный в гидроакустической трубе акустйчёский приемник, подключенные к нему первый и второй фильтры, последовательно соединенные фазометр и индикатор и измеритель амплитуды, подключенный к выходу второго фильтра, от ли чаю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности и расширения частотного диапазона, оно снабжено последовательно соединёнными амплитудным детектором, вход которого связан с выходом первого фильтра, и фильтром ' нижних частот, выход которого подключен к первому входу фазометра, соединенного вто- рым входом if выходом второго фильтра, а в качестве генератора использован генератор ёМпД'йЪудй0-1йддулйрОваг1нбгр сигналов.