Спосіб оцінки нелінійності акустичного тракту і пристрій для його здійснення

Изобретение относится к области контроля материалов и фаз акустическими средствами и может быть использовано при исследовании состава, структуры и свойств материалов и фаз. Затухание акустических колебаний в трактах с газовыми и жидкими фазами обуславливается вязкостью среды распространения и ее теплопроводностью. В твердых фазах затухание определяется собственно поглощением, аналогичным наблюдаемому в жидкостях и газах, и рассеиванием. Последнее вызывается многократным отражением на неоднородностях структуры среды распространения. В неоднородном материале проявляются нелинейные эффекты, в частности, в зоне границ неоднородностей, обусловленные нелинейной связью между сближением двух упругих тел и силой, вызывающей такое сближение, если неоднородности имеют криволинейную поверхность контакта. Связь перемещения и силы можно считать линейной только при малых динамических перемещениях, что имеет место при малых интенсивностях амплитуды акустических колебаний. Нелинейные эффекты могут вызываться и амплитудной зависимостью внутреннего трения материала образца, когда амплитуда возбуждающей силы увеличивается. В вязко-упругих средах наблюдается увеличение затухания по мере роста частоты и амплитуды акустических колебаний. Известен способ оценки нелинейности акустического тракта (Баранов В.М. Акустические измерения в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1990. - С.157 - 158), основанный на изменении частоты возбуждающих колебаний, достижении максимальной амплитуды акустических колебаний в исследуемой среде и регистрации периодических изменений амплитуды колебаний при неизменной частоте вынуждающей силы. Этот способ позволяет только качественно оценивать характеристику нелинейности исследуемой среды, поскольку количественная оценка нелинейных эффектов затруднена нестабильностью результатов резонансных измерений. Известен способ оценки нелинейности акустического тракта (А.с. СССР №911320, кл. G01N29/04, 1980, Бюл. №9, 1982), заключающийся в том, что в нем возбуждают акустические колебания электрическими колебаниями двух близких частот в области резонанса частотной характеристики пьезокерамического преобразователя, принимают акустические колебания на разностной частоте и о нелинейности акустического тракта судят, сравнивая амплитуду разностных колебаний с эталонным значением. Нелинейность акустического тракта большинства материалов (в том числе и пьезокерамических) невелика, составляет десятые и даже сотые доли процента и зависит от амплитуды (интенсивности) возбуждающих колебаний, распространяющихся в исследуемом материале или среде. Поэтому амплитуда колебаний разностной частоты весьма мала. Кроме того, чувствительность самого пьезокерамического преобразователя к колебаниям разностной частоты многим меньше чувствительности на основной резонансной частоте. Поэтому точность оценки нелинейности акустического тракта получается низкой. Известен также способ оценки нелинейности акустического тракта (А.с. СССР №406154, кл. G01N29/04, 05.11.73), заключающийся в том, что в акустическом тракте возбуждают акустические колебания электрическими колебаниями в области резонанса частотной характеристики электроакустического преобразователя, преобразуют акустические колебания, прошедшие через тракт, в принятые электрические колебания, которые измеряют. Измерение заключается в анализе спектрального состава принятых электрических колебаний, по результатам которого судят о нелинейности акустического тракта. Возбуждение и прием акустических колебаний на одной резонансной частоте обеспечивают высокую чувствительность к нелинейностям акустического тракта, которая проявляется в появлении в частном спектре принятых электрических колебаний субгармонических (f p/n) и гармонических (n × f p) составляющих при резонансной частоте fp возбуждающих электрических колебаний. Однако, информативные гармонические составляющие, в частности, составляющая с удвоенной частотой возбуждающих электрических колебаний, соизмеримы с гармоническими помехами, которые имеют место из-за неизбежных гармоник источника электрических колебаний и нелинейных искажений в электрических преобразовательных звеньях (усилителях, фильтрах, трансформаторах и т.п.). С увеличением амплитуды (мощности) электрических колебаний резко возрастают указанные помехи, что затрудняет достоверную оценку малых значений нелинейности акустического тракта. Известно устройство для оценки нелинейности акустического тракта (Патент США №3538753, кл. G01N29/04, 1970), содержащее генератор коротких импульсов, подключенный к нему обратимый пьезокерамический преобразователь, соединенные последовательно первый широкополосный фильтр, временной селектор, анализатор спектра, а также осциллограф, входами подключенный ко второму широкополосному фильтру и анализатору спектра. Однако это устройство не обеспечивает оценку малых нелинейностей акустического тракта из-за неравномерности спектрального состава возбуждающего импульса и неравномерности частотной характеристики обратимого преобразователя. Известно также устройство для оценки нелинейности акустического тракта (А.с. СССР №1201750, кл. G01N29/04, 1985), содержащее генератор электрических колебаний, к выходу которого подключен регулируемый делитель напряжения, электроакустический тракт, фильтр нижних частот и измеритель напряжения. Кроме того, устройство содержит второй генератор электрических колебаний и сумматор, входы которого соединены с выходами генераторов, а выход соединен со входом электроакустического тракта. В качестве измерителя напряжения применен анализатор спектра, подключенный через фильтр нижних частот к виходу электроакустического тракта. Однако это устройство не обеспечивает высокой точности измерения, так как измеряемая амплитуда колебаний разностной частоты зависит не только от степени нелинейности акустического тракта, но и от непостоянства амплитуд и частот двух независимых генераторов. На результат измерения также влияет нестабильность коэффициента передачи фильтра и спектральной чувствительности анализатора спектра. Таким образом, в основу изобретения положена задача создать такие способ и устройство для оценки нелинейности акустического тракта, в которых введение новых операций и нового критерия оценки акустического тракта в способе, введение новых элементов в их связи между собой и с известными в устройстве позволило бы исключить влияние гармонических помех в спектре измеряемого напряжения и нестабильностей амплитуды и частоты источника возбуждающих колебаний, а также проводить автоматическую регистрацию характеристики нелинейности, благодаря чему повысилась бы точность оценки нелинейности акустического тракта. Поставленная задача решается тем, что в известном способе оценки нелинейности акустического тракта, заключающемся в том, что в нем возбуждают акустические колебания электрическими колебаниями в области резонанса частотной характеристики электроакустического преобразователя, преобразуют акустические колебания, прошедшие через тракт, в принятые электрические колебания, которые измеряют, согласно изобретению, амплитуду возбуждающих электрических колебаний периодически увеличивают в заданное число раз, принятые электрические колебания периодически уменьшают в то же число раз, при этом изменения амплитуд возбуждающих и принятых электрических колебаний осуществляют синхронно, но противофазно, детектируют модулированный по амплитуде электрический сигнал, выделяют переменную и постоянную составляющие напряжения, а оценку нелинейности акустического тракта осуществляют по значению отношения переменной составляющей напряжения к постоянной составляющей напряжения в диапазоне изменений амплитуды возбуждающего напряжения. Поставленная задача решается также тем, что в известное устройство для оценки нелинейности акустического такта, содержащее генератор электрических колебаний, к выходу которого подключен регулируемый делитель напряжения, электроакустический тракт, усилитель, первый фильтр нижних частот и измеритель напряжения, согласно изобретению введены: делитель частоты, последовательно соединенные амплитудный детектор, второй фильтр нижних частот, усилитель переменного напряжения и фазочувствительный выпрямитель, источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель, интегратор, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, два аттенюатора и два автоматических переключателя, один вход первого автоматического переключателя соединен со скользящим контактом регулируемого делителя напряжения, другой вход первого автоматического переключателя соединен с этим контактом через первый аттенюатор, выход первого автоматического переключателя соединен со входом электроакустического тракта, выход электроакустического тракта соединен с одним из входов второго автоматического переключателя непосредственно, с другим входом второго автоматического переключателя через второй аттенюатор, выход автоматического переключателя соединен через усилитель с регулируемым коэффициентом усиления со входом амплитудного детектора, управляющий вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления соединен через интегратор с выходом дифференциального усилителя, один вход дифференциального усилителя соединен с источником опорного напряжения, другой вход дифференциального усилителя соединен с выходом второго фильтра нижних частот, делитель частоты подключен к выходу генератора электрических колебаний, выход делителя частоты соединен с управляющими входами автоматических переключателей и фазочувствительного выпрямителя, выход фазочувствительного выпрямителя через первый фильтр нижних частот соединен со входом измерителя напряжения, в качестве которого применен автоматический потенциометр, лентопротяжный механизм которого кинематически связан со скользящим контактом регулируемого делителя напряжения. Именно периодическое синхронное, но противофазное изменение амплитуд возбуждающих и принимаемых электрических колебаний, которое осуществляется автоматическими переключателями и одинаковыми аттенюаторами, обеспечивает преобразование характеристики нелинейности в глубину амплитудной модуляции результирующего электрического сигнала. Деление переменной составляющей продетектированного напряжения на его постоянную составляющую с помощью усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, который управляется от источника опорного напряжения через дифференциальный усилитель и интегратор позволяет получить сигнал, пропорциональный разности коэффициентов передачи акустического тракта при двух значениях амплитуды возбуждающих электрических колебаний, отнесенный к коэффициенту передачи тракта на среднем значении амплитуды возбуждающих колебаний. Нестабильность амплитуды и частоты источника возбуждающих колебаний не будут оказывать влияние на результат измерения, так как амплитуда и частота не входят в результирующую формулу для оценки нелинейности акустического тракта, а их влияние в процессе измерения будет взаимно компенсироваться. Принимаемый электрический сигнал имеет амплитуду, на несколько порядков превышающую амплитуду гармонических помех, которые всегда имеют место из-за неизбежных гармоник источника электрических колебаний и нелинейных искажений в электрических звеньях (усилителях, фильтрах, трансформаторах и т.п.). Поэтому гармонические помехи практически не оказывают влияние на результат измерения. Автоматическая регистрация этого сигнала с одновременным увеличением среднего значения амплитуды возбуждающих колебаний, что достигается кинематической связью лентопротяжного механизма потенциометра со скользящим контактом регулируемого делителя напряжения, позволяет оценивать нелинейность акустического тракта в широком диапазоне значений амплитуды возбуждающих колебаний. На фиг.1 представлена структурная схема устройства для оценки нелинейности акустического тракта; на фиг.2 - эпюры колебаний, поясняющие его работу. Устройство содержит генератор электрических колебаний 1, к выходу которого подключен регулируемый делитель напряжения (реохорд) 2 и делитель частоты 5. Выход аттенюатора 3 соединен с одним входом автоматического переключателя 4, вход аттенюатора 3 соединен с выходом регулируемого делителя напряжения 2 и другим входом автоматического переключателя 4. Управляющий вход автоматического переключателя 4 соединен с выходом делителя частоты 5. Выход автоматического переключателя 4 соединен со входом электроакустического тракта 6, выход электроакустического тракта 6 соединен через аттенюатор 7 с одним из входов второго автоматического переключателя 8, с другим входом автоматического переключателя 8 непосредственно. Выход автоматического переключателя 8 соединен через усилитель 9 с регулируемым коэффициентом усиления со входом амплитудного детектора 10, к выходу амплитудного детектора 10 подключены последовательно соединенные фильтр нижних частот 11; усилитель переменного напряжения 12, фазочувствительный выпрямитель 13, фильтр нижних частот 14 и автоматический потенциометр 15. Источник опорного напряжения 16 соединен с одним входом дифференциального усилителя 17, другой вход дифференциального усилителя 17 соединен с выходом фильтра нижних частот 11, выход дифференциального 17 усилителя 17 через интегратор 18 соединен с управляющим входом регулируемого усилителя 9. Управляющие входы автоматического переключателя 8 и фазочувствительного выпрямителя 13 также подключены к выходу делителя частоты 5. Лентопротяжный механизм автоматического потенциометра 15 кинематически соединен со скользящим контактом регулируемого делителя напряжения (реохорда 2). Способ оценки нелинейности акустического тракта реализуется устройством следующим образом. Частоту электрических колебаний генератора 1 (см. фиг.1) выбирают в области резонанса частотной характеристики электроакустических преобразователей акустического тракта 6. Перед началом работы скользящий контакт регулируемого делителя напряжения 2 устанавливают в нижнее положение, что соответствует минимальному значению амплитуды электрических колебаний. Электрические колебания проходят через аттенюатор 3 и при указанном положении автоматического переключателя 4 возбуждают в акустическом тракте 6 акустические колебания с амплитудой A1 где Um - амплитуда электрических колебаний генератора 1; a - коэффициент передачи регулируемого делителя напряжения 2; K1 - коэффициент ослабления аттенюатора 3; S1 - крутизна характеристики преобразователя электрических колебаний с амплитудой Um1 в акустические колебания. Акустические колебания, прошедшие электроакустический тракт 6, преобразуются вновь в электрические колебания, которые при указанном положении автоматического переключателя 8 поступают на вход усилителя 9 с регулируемым коэффициентом усиления. Амплитуда принятых электрических колебаний Um1": где b1 = ехр(-c1 × x) - коэффициент передачи акустического тракта с коэффициентом усиления c1 и протяженностью x при амплитуде акустических колебаний A1; S2 - крутизна характеристики преобразования акустических колебаний в электрические. В противоположном положении автоматических переключателей 4 и 8 на электроакустический тракт 6 воздействуют неослабленные аттенюатором 3 электрические колебания, которые возбуждают возросшие акустические колебания с амплитудой A2: Амплитуда Um2" принятых электрических колебаний с учетом включения в электрическую цепь аттенюатора 7 имеет вид: где b2 = ехр(-c2 × x) - коэффициент передачи акустического тракта с коэффициентом усиления c2 при амплитуде акустических колебаний A2; K2 - коэффициент ослабления аттенюатора 7. Автоматические переключатели 4 и 8 управляются переменным прямоугольным напряжением Uk (фиг.2а), частота fk которого определяется коэффициентом деления частоты N делителя частоты 5. Коэффициент деления частоты N выбирают из условия, что частота коммутации fk электрических напряжений находится в диапазоне от 100 до 2000Гц. В результате периодического увеличения амплитуды напряжения (Um2 > Um1) на выходе автоматического переключателя 4 формируются пакеты возбуждающих электроакустический тракт 6 электрических колебаний с соотношением амплитуд, задаваемым аттенюатором 3 (фиг.2б). Эти колебания имеют вид амплитудномодулированного сигнала с прямоугольной огибающей частоты коммутации f k. Из-за нелинейности акустического тракта 6 соотношение амплитуд A1' и A2' принимаемых акустических колебаний (фиг.2в) несколько изменяется вследствие зависимости коэффициентов затухания c1 и c2 от амплитуды колебаний. В большинстве случаев с ростом амплитуды акустических колебаний коэффициент затухания возрастает (c1 > c2) и, соответственно, уменьшается коэффициент передачи электроакустического тракта (b1 > b 2). В каждый полупериод коммутации Tk = 0,5/fk принятые электрические колебания повторяют форму и размах акустических колебаний. Но в результате периодического уменьшения и увеличения амплитуды принятых электрических колебаний аттенюатором 7 на выходе автоматического переключателя 8 формируются пакеты электрических колебаний с измененным соотношением амплитуд. Если изменения амплитуд возбуждающих и принятых электрических колебаний осуществлять синхронно, но противофазно, а увеличение и уменьшение амплитуд электрических колебаний производить в одинаковое число раз (K1 = K2), то глубина амплитудной модуляции уменьшается (фиг.2г). При линейном тракте (b1 = b 2) амплитудная модуляция на выходе переключателя 8 исчезает. Модулированный сигнал, состоящий из пакетов электрических колебаний с амплитудами Um1" и Um2" усиливается усилителем 9 с регулируемым коэффициентом усиления и детектируется амплитудным детектором 10. Фильтром нижних частот 11 выделяется огибающая модулированного сигнала. Постоянная составляющая напряжения U3 пропорциональна полусумме амплитуд пакетов колебаний и с учетом равенства K1 = K2 имеет вид (фиг.2д). где S3 - чувствительность амплитудного детектора 10; K3 - коэффициент усиления регулируемого усилителя 9. Переменная составляющая напряжения U4 пропорциональна полуразности амплитуд пакетов колебаний (фиг.2е): Переменная составляющая напряжения U4 с выхода фильтра нижних частот 11 усиливается усилителем переменного напряжения 12 и выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 13. При этом постоянная составляющая напряжения U3 с выхода фильтра нижних частот 11 через усилитель переменного напряжения 12 не проходит. Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром нижних частот 14 и поступает на вход автоматического потенциометра 15, где регистрируется на диаграммной ленте. Постоянная составляющая напряжения U3 с выхода фильтра нижних частот 11 воздействует на один из входов дифференциального усилителя 17, на другой вход которого подано опорное напряжение U5 от источника опорного напряжения 16. Переменная составляющая напряжения U4 с выхода фильтра нижних частот 11 также поступает на вход дифференциального усилителя 17. Однако интегратор 18 подавляет эту составляющую и она не оказывает влияние на коэффициент усиления регулируемого усилителя 9. На выходе дифференциального усилителя создается усиленное разностное напряжение U6: где K4 коэффициент усиления дифференциального усилителя 17. Разностное напряжение U6 заряжает интегратор 18, выходное напряжение которого изменяет коэффициент усиления регулируемого усилителя 9. Процесс автоматического регулирования коэффициента усиления длится до тех пор, пока входные напряжения дифференциального усилителя 17 U3 и U5 не уравняются. В установившемся состоянии цепи регулирования (U3 = U5) коэффициент усиления K3 усилителя 9 принимает значение Переменная составляющая напряжения U4 с учетом установившегося значения коэффициента усиления K3 принимает вид Напряжение U7, которое регистрируется автоматическим потенциометром 15, представляется в виде где K5 - коэффициент усиления усилителя переменного напряжения 12; K6 коэффициент выпрямления фазочувствительного выпрямителя 13. При выборе небольших ослаблений, вносимых аттенюаторами 3 и 7 (K1 = K2 = 0,5) можно считать, что сумма коэффициентов передач акустического тракта где A0 = 0,5(A1 + A2) - средний уровень амплитуды акустических колебаний. С учетом соотношения (11) за оценку нелинейности можно принять коэффициент Gн(A) При малой интенсивности (амплитуде) акустических колебаний нелинейность акустического тракта проявляется слабо, b1(A1) = b2(A2) и коэффициент Gн(A) = 0. По мере увеличения интенсивности возрастает разность b1(A1) - b2(A2) и, следовательно, растет коэффициент Gн(A). Для регистрации характеристики нелинейности тракта Gн(A) лентопротяжный механизм автоматического потенциометра 15 кинематически связан со скользящим контактом делителя напряжения 2. При перемещении движка возрастает амплитуда электрических колебаний, которые возбуждают в электроакустическом тракте 6 акустические колебания. Одновременно с этим растет значение коэффициента нелинейности Gн(A). Поэтому на диаграммной ленте автоматического потенциометра 15 записывается характеристика нелинейности Gн(A) как функция от возрастающей амплитуды акустических колебаний в заданном диапазоне изменений амплитуды возбуждающих колебаний. Регистрируемое напряжение U7 (10) можно представить в виде: где S4 = K5 × K6 × U5/100, [%] - крутизна преобразования коэффициента нелинейности в напряжение постоянного тока. Если автоматически увеличить средний уровень акустических колебаний A0 лентопротяжным механизмом автоматического потенциометра 15, то регистрируемая характеристика U7(t) примет следующий вид где t - время регистрации, пропорциональное средней амплитуде возбуждаемых акустических колебаний. Из полученного выражения (14) видно, что результат измерения характеристики нелинейности не зависит от нестабильности параметров электрических звеньев (K1, K2, K3, K4 и S3) и параметров электроакустических звеньев (S1 и S2), а также непостоянства амплитуды электрических колебаний (Um) генератора электрических колебаний. Результат определяется только текущими значениями коэффициента нелинейности Gн(A0). Были проведены исследования с электроакустическим трактом, который содержал пьезоэлектрические излучатель и приемник с использованием пьезокерамики ЦТС-19, в диапазоне возбуждения электрических колебаний от 0,1 до 30В на частоте 50кГц. Исследования показали работоспособность и высокую разрешающую способность. Например, в растворе полимера (полиэтилен с 10% добавкой полистирола) зарегистрирована характеристика нелинейности от 0 до 12%, а в строительном материале (гранит) - от 0 до 4,7%. Применение этого способа оценки нелинейности акустического тракта и устройства для его осуществления позволяет с высокой точностью оценивать нелинейность акустических трактов с различными материалами и фазами в широком динамическом диапазоне изменения амплитуды возбуждающих электрических колебаний и автоматически регистрировать характеристику нелинейности. Использование изобретения дает возможность определять состав и структуру различных сред и материалов, определять внутренние дефекты, а также прогнозировать физико-механические свойства в изделиях из пластически-вязких материалов. Реализация устройства осуществима на серийно выпускаемых элементах и приборах.