Двочастотний спосіб вимірювання швидкості звуку в матеріалах

УКРАЇНА (19) UA (11) 40118 (13) U (51) МПК (2009) G01N 29/12 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДЕРЖАВНИЙ ДЕПАРТАМЕНТ ІНТЕЛЕКТУАЛЬНОЇ ВЛАСНОСТІ ОПИС видається під відповідальність власника патенту ДО ПАТЕНТУ НА КОРИСНУ МОДЕЛЬ (54) ДВОЧАСТОТНИЙ СПОСІБ ВИМІРЮВАННЯ ШВИДКОСТІ ЗВУКУ В МАТЕРІАЛАХ 1 2 (13) 40118 (11) На Фіг.1 зображено структурну схему пристрою, що реалізує пропонований спосіб. Генератор 1 задає частоту коливань, що перетворюються випромінювачем 2 в акустичні коливання, і передається в досліджуваний зразок 3. Частотоміром 4 вимірюють частоту цих коливань. Приймач 5 перетворює коливання, що пройшли через зразок 3 в електричний сигнал, що узгоджується підсилювачем 6 зі входом фазометра 7. Останній вимірює зсув фаз коливань під час проходження їх через зразок 3. Просторові діаграми розподілу звукового тиску по довжині зразка 8 для першої (пунктирна лінія) та другої (суцільна лінія) частот показують зсув фаз коливань першої 9 та другої частоти 10. Можливість визначення швидкості звуку пропонованим способом доводиться наступними розрахунками. Зсув фаз коливань першої частоти у зразку можна знайти за виразом: L * f1 y1 = = 2* p* n+ j, (1) c де y 1 - зсув фаз коливань першої частоти у зразку; L - довжина зразку (база прозвучування); f 1 - значення першої частоти; С - швидкість звуку в матеріалі зразку; 2*p - зсув фази на довжині хвилі коливання; n - кількість повних довжин хвиль першої частоти, що містилися на довжині зразку; j - зсув фаз коливань у зразку по модулю 2*p, величина, відповідна до показів фазометра. UA Корисна модель належить до матеріалознавства й може бути використана для дослідження методом неруйнівного контролю фізикомеханічних параметрів матеріалів. Відомий фазовий спосіб вимірювання швидкості звуку [1], при якому в одному перерізі зразка матеріалу збуджують зондуючий акустичний сигнал, а в другому на відомій відстані (базі прозвучування), приймають, вимірюють частоту й різницю фаз коливань у точках збудження й прийому, а швидкість звуку знаходять по результатам вимірювань. Завдяки можливості точного вимірювання частоти й фази коливань, цей спосіб дозволяє з великою точністю визначити швидкість звуку у зразках, менших за довжину хвилі в матеріалі. На практиці часто зустрічається задача контролю якості матеріалів (ультра) звуковим методом великих у порівнянні з довжиною хвилі виробах. До таких випадків можна віднести контроль якості опори мосту або дошки. Фазовий спосіб для контролю таких виробів не може бути використаним через невизначеність зсуву фази коливань поза межами довжини хвилі. Задачею корисної моделі є знаходження швидкості звуку з малими похибками, притаманними фазовому способу, на базі прозвучування значно більшій за довжину хвилі. Поставлена мета досягається тим, що після вимірювання частоти та зсуву фаз коливань, знаходять другу частоту, найближчу до першої, з таким самим зсувом фаз, а швидкість звуку знаходять множенням різниці отриманих частот на відстань між перерізами. U (57) Двочастотний спосіб вимірювання швидкості звуку в матеріалах, при якому в одному перерізі зразка матеріалу збуджують зондуючий акустичний сигнал, а в другому, на відомій відстані, приймають і вимірюють частоту та зсув фаз коливань у цих перерізах, який відрізняється тим, що знаходять другу частоту, найближчу до першої, з таким самим зсувом фаз, а швидкість звуку знаходять множенням різниці частот на відстань між перерізами. (19) (21) u200812572 (22) 27.10.2008 (24) 25.03.2009 (46) 25.03.2009, Бюл.№ 6, 2009 р. (72) СОКОЛОВСЬКИЙ ЯРОСЛАВ ІВАНОВИЧ, UA, СТОРОЖУК ОЛЕКСАНДР ЛЕОНІДОВИЧ, UA, БОРИСОВ ВІКТОР МИХАЙЛОВИЧ, UA (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ ЛІСОТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ, UA 3 40118 Для другої частоти, знайденої за умови рівності показам фазометра на першій частоті, можна записати: L * f2 (2) y2 = 2 * p * = 2* p* m+ j , c де y 2 - зсув фаз коливань другої частоти у зразку; L - довжина зразку (база прозвучування); f 2 - значення другої частоти; С - швидкість звуку в матеріалі зразку; 2*p - зсув фази на довжині хвилі коливання; y2 = 2 * p * m - кількість повних довжин хвиль другої частоти, що містилися на довжині зразку; j - зсув фаз коливань у зразку по модулю 2*p, величина, відповідна до показів фазометра. З умови максимальної близькості першої та другої частот випливає: m=n±1; (3) де m та n - цілі числа, що відповідають кількості повних довжин хвиль першої та другої частот на базі прозвучування. Виконаємо перетворення: L * f1 L * f2 = 2 * p * m + j = 2 * p * (n ± 1) + j = (2 * p * n + j ) ± 2 * p = ±2*p ; c c L * f2 L * f1 -2* p * = ±2 * p ; c c L * ( f2 - f1) = ±1 ; c 2* p * (5) (6) c = L * f2 - f1 ; (7) де y 1 - зсув фаз коливань першої частоти у зразку; y 2 - зсув фаз коливань другої частоти у зразку; L - довжина зразка (база прозвучування); f 1 - значення першої частоти коливань; f 2 - значення другої частоти коливань; С - швидкість звуку в матеріалі зразку; (4) 2*p - зсув фази на довжині хвилі коливання; n - кількість повних довжин хвиль першої частоти, що містилися на довжині зразку; m - кількість повних довжин хвиль другої частоти, що містилися на довжині зразку; j - зсув фаз коливань у зразку по модулю 2*p, величина, відповідна до показів фазометра. Додатково, як видно з (7), у пропонованому способі похибка швидкості звуку не залежить від показів фазометра та систематичної похибки цього приладу [2]: ( f * df + f * df2 ) L L ; dc = dL + d( f1 - f2 ) = dL + 1 1 2 = dL + df1 * + df2 * l1 l2 f1 - f2 де dc - відносна похибка визначення швидкості звуку; dL - відносна похибка бази прозвучування; d(f 1-f 2) - відносна похибка різниці частот; f 1 - значення першої частоти; df 1 - відносна похибка першої частоти; f 2 - значення другої частоти; df 2 - відносна похибка другої частоти; L - база прозвучування; l 1 - довжина хвилі коливання першої частоти; l 2 - довжина хвилі коливання другої частоти. Відносна похибка визначення частоти пропонованим способом, відповідно до (8), складається з відносної похибки бази прозвучування й відносних похибок першої та другої частот, помножених на довжину бази прозвучування виражену в довжині відповідної хвилі. Розглянемо похибки вимірювання швидкості звуку на прикладі. Для бази прозвучування L=6м виміряної з похибкою 1мм відносна похибка становить: 10-3 (9) dL = = 0,166 * 10 - 3 6 де dL - відносна похибка бази прозвучування. Якщо для вимірювання частоти застосувати прилад АХ4105, то відносна похибка вимірювання частоти становитиме df=7*10-9 [3]. Використаємо запас точності вимірювання частоти для збіль 4 (8) шення бази прозвучування, до такої межі, щоб відносна похибка частотоміра впливала на точність визначення швидкості звуку в 10 разів менше за похибку бази прозвучування: L 10 * df * = dL ; (10) l де: df - відносна похибка частоти; L - база прозвучування; l - довжина хвилі коливання; dL - відносна похибка бази прозвучування. Знайдемо найменшу довжину хвилі, для якої виконується поставлена умова величини похибки: dL L 0,166 * 10-3 (11) = = 23714,29 ; = l 10 * df 10 * 7 * 10- 9 L 6 l= = = 0,000253(м) ; (12) 23714,29 23714,29 де: L - база прозвучування; l - довжина хвилі коливання; dL - відносна похибка бази прозвучування; df - відносна похибка частоти. Таким чином, вимірювання пропонованим способом на метрових, сантиметрових та міліметрових хвилях зразка розміром 6 метрів може дати похибку вимірювання швидкості звуку у межах десятих часток відсотків, що є достатнім для задач неруйнівного контролю матеріалів. 5 40118 Джерела інформації: 1. Фазовий спосіб вимірювання швидкості звуку, патент №31823. Комп’ютерна верстка М. Ломалова 6 2. Мейзда Ф., Электронные измерительные приборы и методы измерений, - М.: Мир, 1990. 3. www.guidobadaloni.com. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601