Пристрій для вимірювання нелінійності акустичних характеристик матеріалів

1. Пристрій для вимірювання нелінійності акустичних характеристик матеріалів, що містить генератор електричних коливань, до виходу якого під'єднані підсилювач потужності та подільник частоти, до виходу якого під'єднані керуючі входи трьох автоматичних перемикачів, а також два електроакустичні перетворювачі, послідовно з'єднані вибірковий підсилювач, амплітудний детектор та фільтр нижніх частот, логарифматор та вимірювач напруги, який відрізняється тим, що в нього введені двоспрямований ослаблювач напруги, підсилювач відеоімпульсів, постійний резистор та два конденсатори, при цьому вихід підсилювача потужності під'єднаний до входів першого та другого автоматичних перемикачів, інші входи яких під'єд U 2 (19) 1 3 Відомий пристрій для вимірювання нелінійності акустичних характеристик матеріалів [Патент України № 17425 А, МПК G01N29/00, 1997], який містить генератор електричних коливань, два акустичних перетворювача, два подільники напруги, підсилювач, амплітудний детектор, фільтр нижніх частот, підсилювач змінної напруги, фазочутливий випрямляч, реєстратор напруги та подільник частоти, вихід якого під'єднаний до керуючих входів автоматичних перемикачів. Однак реєстрація відносних змін коефіцієнта проходження (прозорості) матеріалу здійснюється тільки при одному заданому значенні перепаду амплітуд акустичних коливань, який задається коефіцієнтами ділення двох однакових подільників напруги. Хоча реєстрація і здійснюється при різній інтенсивності зондуючих акустичних коливань, однак фіксоване значення перепаду амплітуд не дозволяє оцінити нелінійність всієї акустичної характеристики. Крім того, в пристрої не передбачається виділення основної гармоніки з акустичних коливань, які пройшли матеріал, що викликає велику методичну похибку. Відомий також пристрій для вимірювання нелінійності акустичних характеристик матеріалів [Патент України № 42857, МПК G01N29/00, 2001], який містить генератор електричних коливань, до виходу якого під'єднані підсилювач потужності та подільник частоти, до виходу якого під'єднані керуючі входи трьох автоматичних перемикачів, два електроакустичних перетворювача, послідовно з'єднані вибірковий підсилювач, амплітудний детектор та фільтр нижніх частот, логарифматор та вимірювач напруги. Крім того, пристрій містить два подільники напруги, третій електроакустичний перетворювач, другий вибірковий підсилювач, другий амплітудний детектор, другий фільтр нижніх частот, другий логарифматор, два широкосмугові підсилювачі з коефіцієнтами підсилення, що регулюються, суматор, диференціальний підсилювач, інтегратор, джерело опорної напруги, фільтр верхніх частот, підсилювач змінної напруги та фазочутливий випрямляч. Однак, необхідність виконання умови рівності коефіцієнта ділення двох незалежних подільників напруги зворотному значенню коефіцієнта підсилення підсилювача потужності обмежує можливості точного вимірювання відносних змін коефіцієнта проходження (прозорості) через часову та температурну нестабільності підсилювача потужності. Також важко забезпечити рівність коефіцієнтів ділення двох незалежних подільників напруги при їх синхронних перемиканнях. Практично неможливо забезпечити рівність коефіцієнтів перетворення підсилювачів, детекторів та інших перетворювальних ланок в двох вимірювальних каналах, які підключені до основного та додаткового приймачів акустичних коливань. Тому оцінку нелінійності акустичних характеристик матеріалів практично здійснюють при одному рівні потужності зондуючих акустичних коливань і постійному перепаді амплітуд пакетів зондуючих акустичних коливань, які по черзі і періодично проходять через матеріал, який контролюється, що знижує точність 57892 4 вимірювання нелінійності їх акустичних характеристик. В основу корисної моделі покладена задача створити такий пристрій для вимірювання нелінійності акустичних характеристик матеріалів, в якому введенням нових елементів та зв'язків забезпечилось би вимірювання нелінійності акустичної характеристики в широкому діапазоні значень амплітуд зондуючих акустичних коливань та підвищення точності вимірювання відносних змін коефіцієнта проходження (прозорості) матеріалу, що контролюється. Поставлена задача досягається тим, що пристрій для вимірювання нелінійності акустичних характеристик матеріалів, який містить генератор електричних коливань, до виходу якого під'єднані підсилювач потужності та подільник частоти, до виходу якого під'єднані керуючі входи трьох автоматичних перемикачів, два електроакустичні перетворювачі, послідовно з'єднані вибірковий підсилювач, амплітудний детектор та фільтр нижніх частот, логарифматор та вимірювач напруги, згідно з корисною моделлю, додатково введені двоспрямований ослаблювач напруги, підсилювач відеоімпульсів, постійний резистор та два конденсатори, при цьому вихід підсилювача потужності під'єднаний до входів першого та другого автоматичних перемикачів, інші входи яких під'єднані до входу вибіркового підсилювача, вихід першого автоматичного перемикача під'єднаний до входу першого електроакустичного перетворювача, вихід другого електроакустичного перетворювача під'єднаний через двоспрямований ослаблювач напруги до виходу другого автоматичного перемикача, вихід фільтра нижніх частот під'єднаний через підсилювач відеоімпульсів до входу логарифматора, вихід якого через постійний резистор під'єднаний до виходу третього автоматичного перемикача, входи якого під'єднані до конденсаторів, а між входами включений вимірювач напруги. Доцільно щоб в пристрої для вимірювання нелінійності акустичних характеристик матеріалів двоспрямований ослаблювач напруги був виконаний у вигляді П-подібної схеми, прохідне плече якої складається зі змінного резистора, шунтуючі плечі складаються з однакових постійних резисторів, а як вимірювач напруги обрано автоматичний потенціометр зі стрічкопротяжним механізмом, кінематично з'єднаним з перемінним резистором. Введення в пристрій двоспрямованого ослаблювача напруги, підсилювача відеоімпульсів, постійного резистора та двох конденсаторів, які включені вказаним чином, дозволяє формувати послідовність зондуючих акустичних коливань із заданим співвідношенням амплітуд. При цьому вибірковим підсилювачем підсилюються пакети (радіоімпульси) електричних коливань однієї амплітуди, якщо не проявляється нелінійність матеріалу, який розташований між двома електроакустичним перетворювачами з різним рівнем зондуючих акустичних коливань однієї частоти. При нелінійній акустичній характеристиці амплітуди пакетів електричних коливань, що вибірково підсилюються та детектуються, стають різними. Автоматичною зміною коефіцієнта передачі двоспрямованого осла 5 блювача напруги змінюються співвідношення амплітуд пакетів зондуючих акустичних коливань і тим самим оцінюється нелінійність акустичної характеристики в широкому динамічному діапазоні. Одноканальне вибіркове підсилення, детектування та логарифмування пакетів електричних коливань, наступний їх часовий поділ та запам'ятовування на двох конденсаторах усувають вплив мінливості коефіцієнтів перетворення на результат вимірювання відносних змін коефіцієнта проходження (прозорості) матеріалу, який контролюється, що дозволяє більш достовірно оцінювати нелінійність його акустичної характеристики. На Фіг.1 представлена електрична функціональна схема пристрою для вимірювання нелінійності акустичних характеристик матеріалів; на Фіг.2 представлена електрична принципова схема двоспрямованого ослаблювача напруги. Пристрій (див. Фіг.1) містить генератор електричних коливань 1, до виходу якого під'єднаний підсилювач потужності 2. Вихід підсилювача потужності 2 з'єднаний з другим входом першого автоматичного перемикача 3, до виходу якого під'єднаний електроакустичний перетворювач 4. Вихід електроакустичного перетворювача 5 через двоспрямований ослаблювач напруги 6 з'єднаний з виходом другого автоматичного перемикача 7, другий вхід якого з'єднаний з входом вибіркового підсилювача 8 і з першим входом першого автоматичного перемикача 3. Перший вхід другого автоматичного перемикача 7 з'єднаний з виходом підсилювача потужності 2. До виходу вибіркового підсилювача 8 під'єднані послідовно з'єднані амплітудний детектор 9, фільтр нижніх частот 10, підсилювач відеоімпульсів 11, логарифматор 12, постійний резистор 13 і вихід третього автоматичного перемикача 14. Перший вхід третього автоматичного перемикача 14 з'єднаний з конденсатором 15, другий вхід третього автоматичного перемикача 14 з'єднаний з конденсатором 16, а інші електроди конденсаторів 15 та 16 заземлені. До потенціальних електродів конденсаторів 15 і 16 під'єднаний вимірювач напруги 17. Вхід подільника частоти 18 з'єднаний з виходом генератора електричних коливань 1, а вихід подільника частоти 18 з'єднаний з керуючими входами першого, другого та третього автоматичних перемикачів 3, 7 та 14. Позицією 19 позначений матеріал, що досліджується. Двоспрямований ослаблювач напруги 6 (див. Фіг.2) виконаний за П-подібною схемою, в прохідне плече якого включений перемінний резистор 20, а шунтуючі плечі виконані на однакових постійних резисторах 21 і 22. Як вимірювач напруги 17 обраний автоматичний потенціометр. Повзунок змінного резистора 20 механічно пов'язаний із стрічкопротяжним механізмом вимірювача напруги 17. Пристрій (див. Фіг.1) працює наступним чином. Генератор електричних коливань 1 генерує електричні коливання (1) U1( t )  Uм cos(t  1) , де Uм - амплітуда електричних коливань;  - колова частота електричних коливань;1 - початкова фаза електричних коливань. Електричні коливання (1) підсилюються підсилювачем потужності 2 і через автоматичний пере 57892 6 микач 3 надходять на електроакустичний перетворювач 4, який створює акустичні коливання (2) А1( t )  K 2S 4Uм (t  1) , де K2 - коефіцієнт підсилення підсилювача потужності 2; S4 - крутизна перетворення електричних коливань в акустичні електроакустичного перетворювача 4. Акустичні коливання (2) проходять крізь матеріал 19, що досліджується, згідно з його коефіцієнтом проходження (прозорості): ' (3) А 2 ( t )  K 2S 4K19Uм cos (t  2 ) , де K19 - коефіцієнт проходження (прозорості) матеріалу 19 при великому рівні зондуючих акустичних коливань (2), який задається підсилювачем потужності 2; 2 - початкова фаза акустичних коливань. Електроакустичним перетворювачем 5 акустичні коливання (3) знову перетворюються в електричні коливання: ' (4) U2 ( t )  K 2S 4K19S5Uм cos (t  2 ) , де S5 - крутизна перетворення акустичних коливань в електричні електроакустичного перетворювача 5. Електричні коливання (4) зменшуються по амплітуді двоспрямованим ослаблювачем напруги 6 до значення ' (5) U3 ( t )  K 2S 4K19S5K 6Uм cos (t  2 ) , де K6 - коефіцієнт передачі двоспрямованого ослаблювача напруги 6 (K61). Електричні коливання (5) через другий автоматичний перемикач 7 потрапляють на вхід вибіркового підсилювача 8, який налагоджений на частоту  генератора електричних коливань 1. При перемиканні першого і другого автоматичних перемикачів 3 і 7 у протилежне положення на електроакустичний перетворювач 5 починають поступати електричні коливання з виходу підсилювача потужності 2, які ослаблені двоспрямованим ослаблювачем напруги 6: (6) U4 ( t )  K 2K 6Uм cos(t  1) , Акустичні коливання для вказаного напрямку (7) А 3 ( t )  K 2K 6 S 5Uм cos(t  3 ) , проходять крізь матеріал 19, що досліджується, і приймаються електроакустичним перетворювачем 4. Зменшення рівня акустичних коливань, які зондують матеріал 19, приводить до збільшення коефіцієнта проходження (прозорості) матеріалу 19 і, внаслідок цього, до збільшення рівня електричних коливань на виході електроакустичного перетворювача 4: '' (8) U5 ( t )  K 2S4K19S5K 6Uм cos (t  5 ) , де K"19=K'19+K19 - зрослий на K19 коефіцієнт проходження (прозорості) матеріалу 19 при зменшеному рівні акустичних коливань, які зондують матеріал 19. Електричні коливання (8) також підсилюються вибірковим підсилювачем 8 на частоті основної гармоніки . При періодичній роботі першого 3 і другого 7 автоматичних перемикачів, перемиканням яких 7 керує подільник частоти 18, вибірковим підсилювачем 8 по черзі підсилюються пакети електричних коливань (5) і (8) тривалістю в напівперіод керуючої напруги подільника частоти 18. Пакети електричних коливань (5) і (8) (радіоімпульси) по черзі детектуються амплітудним детектором 9 і згладжуються фільтром нижніх частот 10. В результаті усереднення з пакетів електричних коливань (5) і (8) формується послідовність відеоімпульсів з амплітудами ' (9) U6 ( t )  K 2S 4K19S5K 6K 8S9K10Uм , '' (10) U7 ( t )  K 2S 4K19S5K 6K 8S9K10Uм , де K8 - коефіцієнт підсилення вибіркового підсилювача 8; S9 - крутизна перетворення амплітудного детектора 9; K10 - коефіцієнт передачі фільтра нижніх частот 10. Відеоімпульси (9) і (10) по черзі підсилюються підсилювачем відеоімпульсів 11 і логарифмуються логарифматором 12: ' U8 ( t )  S12 ln( K 2S4K19S5K 6K 8S9K10K11Uм ) , (11) '' U9 ( t )  S12 ln( K 2S 4K19S5K 6K 8S9K10K11Uм ) , (12) де K11 - коефіцієнт підсилення підсилювача відеоімпульсів 11; S12 - крутизна логарифмічного перетворення відеоімпульсів логарифматору 12. За допомогою третього автоматичного перемикача 14, який перемикається синхронно з першим 3 і другим 7 автоматичними перемикачами, відеоімпульси (11) і (12) розділяються в часі та заряджають конденсатори 15 і 16. Постійний резистор 13 з кожним з конденсаторів 15 і 16 утворює інтегруючі запам'ятовуючі комірки. Конденсатор 15 заряджається до напруги (13) U10  K13U8 , а конденсатор 16 заряджається до напруги (14) U11  K13U9 , де K13 - коефіцієнт передачі інтегруючих комірок. Вимірювачем напруги 17 вимірюється різниця напруг заряджених конденсаторів 15 і 16: (15) U12  U11  U10 , Враховуючи те, що різниця логарифмів дорівнює логарифму відношення, отримаємо:  K ''  (16) U12  K13S12 ln 19  ,  '   K19  З отриманого виразу (16) можна побачити, що результат вимірювання по показаннях вимірювача напруги 17 визначається тільки відношенням коефіцієнтів проходження (прозорості) матеріалу 19 при двох рівнях акустичних коливань, які встановлюються двоспрямованим ослаблювачем напруги 6, і не залежить від абсолютного рівня акустичних коливань. На результат вимірювання також не впливають непостійність значень крутизни перетворення електроакустичних перетворювачів S4 і S5, непостійність значень коефіцієнта підсилення підсилювачів K2, K8 і K11, непостійність значень коефіцієнта передачі фільтрів K10 і K13, непостійність значення крутизни перетворення амплітудного детектора S9. 57892 8 Результат вимірювання (16) можна представити в вигляді  K ''  K  19   U12  K13S12 ln 19   ' K19   (17)   1  K19 ,  K13S12 ln '  K19   Враховуючи, що відносна зміна коефіцієнта проходження (прозорості) матеріалу 19 мала  K   19  1 і розкладаючи логарифмічну функцію  '   K19  (17) в степеневий ряд, отримаємо: 2      K  19   K19      '  '  K19   K19  , U12  K13S12  (18)   3  K     19   ...   '       K19   Нехтуючи величинами другого та більш високих порядків малості, остаточно отримаємо:  K  19  , U12  S0  (19)  '  K19   де S0  K13S12 - результуюча крутизна одноканального перетворення. Таким чином, результат вимірювання (19) пропорційний відносній зміні коефіцієнта проходження (прозорості) матеріалу 19, який визначається відношенням амплітуд акустичних коливань: A   3  K6 , (20) A1 Так як амплітуда A1=const, а змінюється амплітуда A3 в залежності від значення коефіцієнта передачі K6 двоспрямованого ослаблювача напруги 6, то шляхом зміни коефіцієнта K6 можна визначити всі значення відносних змін коефіцієнта проходження (прозорості) матеріалу 19 в залежності від амплітуди акустичних коливань A3. Для цього коефіцієнт передачі K6 двоспрямованого ослаблювача напруги 6 (див. Фіг.2) автоматично змінюється перемінним резистором 20, повзунок якого механічно пов'язаний з стрічкопротяжним механізмом вимірювача напруги 17. При реєстрації напруги (19) вимірювачем напруги 17 автоматично зменшується (шунтується) перемінний резистор 20 в симетричній П-подібній схемі ослаблювача напруги 6 з постійними резисторами 21 і 22. В процесі зменшення опору перемінного резистора 20 збільшується амплітуда A3 до значення A1. На діаграмній стрічці вимірювача напруги 17 (автоматичного потенціометра) згідно з (19) і (20) реєструється значення відносних змін коефіцієнта проходження (прозорості) матеріалу 19, які відповідають поточному значенню амплітуди A3. В результаті вимірювачем напруги 17 вимірюються і реєструються всі значення відносної зміни 9 57892 коефіцієнта проходження (прозорості) матеріалу 19 від A3мін. до A3макс.=A1, тобто вся акустична характеристика нелінійності матеріалу 19. Коефіцієнт передачі двоспрямованого ослаблювача напруги 6 визначається опорами перемінного резистора 20 і постійних резисторів 21 та 22, що входять до його складу, при будь-якому напрямку проходження електричних коливань: R20 R20 , K6   (21) R20  R21 R20  R22 де R20, R21 і R22 – опори змінного резистора 20 і постійних резисторів 21 та 22. Нелінійність акустичної характеристики матеріалу 19 оцінюється по максимальному значенню зареєстрованої характеристики:  K19  A  , F 3   S0  (22) A   K   1  19  Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 10 Використання запропонованого пристрою в контрольно-вимірювальній техніці дозволяє: - виявляти приховані дефекти в конструкційних матеріалах, які виготовлені з полікристалічних металів, що характеризуються мікронеоднорідними властивостями; - оптимізувати технологічний режим обробки полікристалічних металів (мідь, цинк свинець та деякі інші) з метою отримання заданих параметрів зерна (наприклад, від 50 до 500 мкм); - виявляти м'які дефекти-включення, які впливають на пружні властивості матеріалів і характеристики механічної втоми матеріалів; - прогнозувати наявність порожнеч і розшарувань в заготовках з гірських порід (мармур, вапняк та деякі інші) і композиційних матеріалах (вуглецеутримуючі та деякі інші). Підписне Тираж 23 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