SU436985A1

SU436985A1 - The method for determining the effective radius of the ultrasonic radiator

Info

Publication number: SU436985A1
Application number: SU1725728A
Authority: SU
Inventors: Андрей Сергеевич Химунин
Original assignee: Предприятие П/Я А-3602
Priority date: 1971-12-20
Filing date: 1971-12-20
Publication date: 1974-07-25

Description

1one

Изобретение относитс к экспериментальной акустике и может быть применено при точных измерени х скорости распределени и коэффициента поглощени ультразвука в жидкост х и газах, в ультразвуковой дефектоскопии и т. п.The invention relates to experimental acoustics and can be applied with accurate measurements of the velocity of distribution and the absorption coefficient of ultrasound in liquids and gases, in ultrasonic flaw detection, etc.

Один из способов определени эффективного радиуса ультразвукового излучател может быть основан, например, на измерении распределени звукового давлени или фазы на поверхности излучател . Это распределение снимаетс измерительным щупом малого размера при сканировании им по поверхности исследуемого излучател . Возникающее при этом электрическое высокочастотное напр жение на обкладках щупа пропорционально звуковому давлению.One method of determining the effective radius of an ultrasonic transducer can be based, for example, on measuring the distribution of sound pressure or phase on the surface of the transducer. This distribution is removed by a small probe when it is scanned over the surface of the radiator under study. The resulting high-frequency electrical voltage on the plates of the probe is proportional to the sound pressure.

Однако известный способ характеризуетс значительной погрешностью из-за нестабильности акустического контакта между преобразователем и измерительным щупом. Дополнительные погрещности возникают также из-за неконтролируемого вли ни самого измерительного щупа на распределение амплитуд колебательной скорости на поверхности исследуемого излучател . Кроме того, решение необходимой в этом случае обратной задачи о неизвестном радиусе преобразовател по известному распределению давлений на его поверхности сопр жено с большими математическими трудност ми и может быть осуществлено только численными методами на быстродействующих ЭЦВМ.However, the known method is characterized by a considerable error due to the instability of the acoustic contact between the transducer and the probe. Additional errors also arise due to the uncontrollable influence of the probe itself on the distribution of the amplitudes of the oscillatory velocity on the surface of the radiator under study. In addition, the solution of the inverse problem of the unknown radius of the transducer, which is necessary in this case, according to the known distribution of pressures on its surface is associated with great mathematical difficulties and can be carried out only by numerical methods on high-speed digital computers.

Цель изобретени - повышение точностиThe purpose of the invention is to improve the accuracy

измерени .measurements.

Дл этого по предлагаемому способу определ ют длину волны ультразвуковых колебаний в контролируемой среде (скорость звука ), фиксируют распределение звукового давлени на акустической оси излучател в режиме бегущей волны, возбуждаемого синусоидальным напр жением рабочей частоты, измер ют рассто ни между плоскостью излучател и экстремумами давлени на оси и поTo do this, according to the proposed method, the wavelength of ultrasonic oscillations in a controlled medium (sound speed) is determined, the distribution of sound pressure on the acoustic axis of the radiator is recorded in the traveling wave mode excited by a sinusoidal voltage of the operating frequency, the distances between the radiator plane and pressure extremes are measured axis and

этим рассто ни м и длине волны суд т о величине эффективного радиуса.at these distances and wavelengths, the effective radius is judged.

Относительно звуковое давление вдоль акустической оси Z круглого поршнеобразного излучател радиуса а, совершающего гармонические колебани с частотой ( определ етс известной зависимостьюRegarding the sound pressure along the acoustic axis Z of a circular piston-shaped radiator of radius a, performing harmonic oscillations with a frequency (determined by the known dependence of

Р/Р, 1 - ехр - 4 ( 2), (1)R / R, 1 - exp - 4 (2), (1)

где К 2л/К;where K 2n / K;

Я - длина волны ультразвуковых колебаний в контролируемой среде со скоростью звука С.I - the wavelength of ultrasonic vibrations in a controlled environment with the speed of sound C.

При изменении рассто ни Z в пределах ближней зоны излучател относительное звуковое давление будет многократно измен тьс от нул до двойного значений давлени в плоской волне. Рассто ни от экстремумов давлени до плоскости излучател однозначно св заны с его радиусам, длиной волны и пор дковым номером экстремума . Измер рассто ни от точек экстремального давлени на оси до плоскости излучател и определив длину волны (скорость звука ), можно найти значение эффективного радиуса излучател дл каждого измеренного рассто ни . Уточненное значение эффективного радиуса определ етс как среднее арифметическое из всех вычисленных значений эффективного радиуса дл всех измеренных рассто ний , соответствующих экстремумам ззукового давлени на оси.When the distance Z is changed within the near zone of the radiator, the relative sound pressure will change from zero to multiple times the pressure in a flat wave. The distances from the extremes of pressure to the plane of the radiator are unambiguously related to its radii, wavelength, and the order number of the extremum. By measuring the distance from the extreme pressure points on the axis to the radiator plane and determining the wavelength (sound velocity), you can find the effective radius of the radiator for each measured distance. The refined effective radius value is determined as the arithmetic average of all calculated effective radius values for all measured distances corresponding to the extremes of the zooch pressure on the axis.

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

Генератор 1 радиоимпульсов соединен с излучателем 2, эффективный радиус которого подлежит определению. Излучатель помещен Б измерительную кювету 3 со средой, скорость звука в которой заранее известна или определ етс в ходе эксперимента. Измерительный гидрофон 4 соединен с входом усилител 5, выход которого подключен к регистратору (электроннолучевому осциллоскопу) 6. Развертка регистратора синхронизована импульсами генератора радиоимпульсов.The generator 1 radio pulses connected to the emitter 2, the effective radius of which is to be determined. The emitter is placed B measuring cell 3 with the medium, the speed of sound in which is known in advance or determined in the course of the experiment. The measuring hydrophone 4 is connected to the input of amplifier 5, the output of which is connected to a recorder (electron-beam oscilloscope) 6. The scanner sweep is synchronized by pulses of a radio pulse generator.

Способ осуществл етс следующим образом .The method is carried out as follows.

Генератор радиоимпульсов возбуждает излучатель на рабочей частоте так, чтобы в измерительной кювете осуществл лс режим бегущих волн. Длительность радиоимпульса должна удовлетвор ть услови м стационарности режима возбуждени и отсутстви сто чих волн между излучателем и измерительным гидрофоном. Измерительный гидрофон перемещают вдоль акустической оси излучател и регистрируют (фиксируют) зависимость звукового давлени на оси в функции от рассто ни между излучателем и гидрофоном , измер при этом рассто ни между излучателем и точками экстремумов (максимумов и минимумов) акустического давлени , Если скорость звука в рабочей среде заранее не известна, то ее определ ют в ходе этогоThe generator of radio pulses excites the emitter at the operating frequency so that the traveling wave mode is implemented in the measuring cell. The duration of a radio pulse must satisfy the conditions of stationarity of the excitation mode and the absence of standing waves between the transmitter and the measuring hydrophone. The measuring hydrophone is moved along the acoustic axis of the emitter and the dependence of the sound pressure on the axis as a function of the distance between the emitter and the hydrophone is recorded (recorded), while measuring the distance between the emitter and the extremum points (maxima and minima) of the acoustic pressure. environment is not known in advance, it is determined during this

ж® эксперимента, например, фазовым методом (при увеличении длительности радиоимпульса или путем смешени регистрируемого гидрофоном сигнала с синусоидальным напр жением рабочей частоты, служащим дл формировани радиоимпульса). Зна скорость звука (длину волны) и рассто ние Z,u между излучателем и экстремумами давлени , определ ют эффективный радиус излучател по 0 формулеg® experiment, for example, by phase method (by increasing the duration of the radio pulse or by mixing the signal registered by the hydrophone with a sinusoidal voltage of the operating frequency used to form the radio pulse). Knowing the speed of sound (wavelength) and the distance Z, u between the emitter and extremes of pressure, determine the effective radius of the emitter using the formula 0

а,ф YmU + ,(2)a, f YmU +, (2)

непосредственно получаемой из формулы (1); здесь т 2п-}-1 дл максимумов; т 2п дл directly derived from formula (1); here m 2n -} - 1 for maxima; m 2n dl

5 минимумов; /г 0, 1,2, 3,...- пор дковый номер экстремума (счита от ).5 lows; / g 0, 1,2, 3, ... is the serial number of the extremum (counting from).

Эта формула вл етс наиболее удобной дл определени эффективного радиуса круглого порщнеобразного излучател и позвол ет повысить точность и упростить обработку результатов измерени .This formula is the most convenient for determining the effective radius of a round powder-like emitter and allows to increase the accuracy and simplify the processing of measurement results.

Дополнительным преимуществом использовани свойств акустического пол излучател на его оси вл етс возможность одновременной юстировки акустической системы по экстремальным значени м относительного давлени , которые только на акустической оси могут быть равны или нулю или удвоенной величине давлени идеально плоской волны.An additional advantage of using the properties of the acoustic field of the radiator on its axis is the possibility of simultaneously adjusting the speaker system according to extreme values of the relative pressure, which can either be equal to zero or double the pressure of an ideally plane wave only on the acoustic axis.

предмет изобретени subject matter

Способ определени эффективного радиуса ультразвукового излучател , основанный наThe method for determining the effective radius of an ultrasonic emitter, based on

5 измерении распределени звукового давлени ближнего акустического пол порщнеобразного излучател , возбуждаемого синусоидальным напр жением рабочей частоты, отличающийс тем, что, с целью повышени 5 measuring the distribution of the sound pressure of the near acoustic field of a piezoelectric radiator excited by a sinusoidal voltage of the operating frequency, characterized in that, in order to increase

0 точности измерени , определ ют длину волны ультразвуковых колебаний в контролируемой среде, измерение распределени звукового давлени осуществл ют на акустической оси излучател в режиме бегущей волны, определ ют рассто ни между плоскостью излучател и экстремумами давлени на оси, а по этим рассто ни м и длине волны суд т о величине эффективного радиуса.0 measurement accuracy, determine the wavelength of ultrasonic oscillations in a controlled environment, measure the sound pressure distribution on the acoustic axis of the radiator in the traveling wave mode, determine the distances between the radiator plane and extremums of pressure on the axis, and on these distances and waves judge the magnitude of the effective radius.