Пристрій для виміру інтенсивності звукових коливань у суцільних середовищах

Реферат: UA 84355 U UA 84355 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до акустики й може бути використана для виявлення й реєстрації звукових коливань і хвиль у суцільних середовищах. Відомий вимірник потужності ультразвукового випромінювання [1], що містить наповнений водою бак, на дні якого встановлений звукопоглинач, пустотілу мішень із установленою зверху мембраною, закріпленою на мішені під випробуваним ультразвуковим випромінювачем, виконані у вигляді однакових конічних поверхонь, причому конічна поверхня мішені виконана ввігнутою, і компенсатор силового впливу ультразвукового випромінювання на мішень. Недоліком відомого пристрою є невисока точність вимірів ультразвукової потужності. Це пов'язане з тим, що мішень має порівняно великий обсяг і для досягнення нейтральної плавучості повинна бути відносно товстостінною. Відомий пристрій [2], що містить генератор звукових коливань, формувач плоскої акустичної хвилі у вигляді відрізка труби й вимірник звукового тиску. Генератор звукових коливань розташований у нижній частині труби, порожнина якої заповнена речовиною з відомим акустичним імпедансом, а у верхній її частині розміщена досліджувана речовина. При деякій частоті генерованого сигналу у формувачі плоскої акустичної хвилі утворяться стоячі хвилі. За допомогою вимірника звукового тиску вимірюють максимальний й мінімальний тиски в стоячій хвилі. Недоліком пристрою є невисока надійність контролю агресивних, пожаро- і вибухонебезпечних середовищ, а також контактність вимірів. Відомий пристрій для виміру звукових коливань, що складається із чутливого елемента, розміщеного в порожньому корпусі, підсилювача сигналу й детектора [3]. Як чутливий елемент у відомому пристрої використовують п'єзокераміку, конденсаторні пластини, електромеханічні елементи. Для виміру параметрів з акустичного поля використовують також вільно підвішену пружну сферу. Для вивчення слабких коливань використовують оптичні пристрої, що дозволяють визначити параметри звукового коливання різної інтенсивності по зміні показника переломлення газів. У цьому випадку використовується джерело світлового випромінювання й фотоелементи, що аналізують. Недоліком пристрою є те, що він може використовуватися для виміру хвильових процесів тільки в оптичних прозорих середовищах. Найбільш близьким до пропонованого технічного рішення є пристрій для виміру звукових коливань, опублікований в роботі [4]. Даний пристрій використовується для визначення звукових збурень у різних середовищах. Чутливим елементом у цьому пристрої є мембрана зі спіраллю, установленою усередині камери з магнітним полем. Це поле створюється постійним магнітом. Чутливий елемент (виводи спіралі) з'єднаний послідовно з підсилювачем потужності й вимірювальним пристроєм. Робота відомого пристрою відбувається в такий спосіб. При порушенні в середовищі поздовжніх звукових коливань чутливий елемент (мембрана) робить змушені коливання. Зсув спіралі в поперечному магнітному полі постійного магніту призводить до порушення електрорушійної сили e(t) спіралі: e  d / dt , де  - магнітний потік через спіраль. Цей електричний сигнал підсилюється підсилювачем і подається на вимірювальний пристрій. У такий спосіб вдається реєструвати коливання середовища при поширенні в ній звукових хвиль. Недоліками відомого пристрою, узятого як прототип, є: недостатньо висока чутливість пристрою, вплив зовнішніх перешкод електромагнітного характеру на точність виміру й погані частотно-вибірні властивості. Ці недоліки обумовлені характером перетворення коливань (індукційна схема), при якому ЕДС сигналу пропорційна швидкості зсуву мембрани зі спіраллю, й тому що не дозволяє досліджувати процеси із частотою w >> wo, де wo - частота власних коливань механічної системи "мембрана - спіраль". Ця інерційна ознака впливає на частотно-вибірні властивості пристрою. Характерно, що наявність зовнішніх електромагнітних сигналів, що виникають одночасно зі звуковими коливаннями, можуть впливати на показання пристрою через індукційні наведення. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалити пристрій для виміру інтенсивності звукових коливань шляхом використання кріогенного охолодження елементів пристрою, що дозволяє підвищити чутливість пристрою, усунути вплив зовнішніх перешкод електромагнітного характеру на точність виміру й поліпшити частотно-вибірні властивості. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрій для виміру інтенсивності звукових коливань у суцільних середовищах, що містить металеву камеру, у торці якої встановлена з'єднана із зовнішнім середовищем металева мембрана, і вимірювальний прилад, згідно з корисною моделлю, уведені збудлива й приймальна електромагнітні антени, розміщені усередині металевої камери, виконаної у вигляді циліндричного резонатора й установленої в 1 UA 84355 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 кріостаті, причому збудлива антена з'єднана зі НВЧ генератором, а приймальна - за допомогою детектора з вимірювальним приладом. Таким чином, введення в пристрій для виміру інтенсивності звукових коливань у суцільних середовищах збудливої й приймальної електромагнітних антен, розміщених усередині металевої камери, виконаної у вигляді циліндричного резонатора й установленої в кріостаті, причому збудлива антени з'єднана зі НВЧ генератором, а приймальна - за допомогою детектора з вимірювальним приладом, дозволяє підвищити чутливість пристрою, усунути вплив зовнішніх перешкод електромагнітного характеру на точність виміру й поліпшити частотно-вибірні властивості. Суть корисної моделі пояснюється ілюстрацією, на якій представлена структурна схема пропонованого пристрою. Пристрій для виміру інтенсивності звукових коливань у суцільних середовищах складається з металевої мембрани 1, установленої в торці металевої камери, виконаної у вигляді циліндричного резонатора 2 і встановленої в кріостаті 3. Приймальна антена 4 для знімання коливань з'єднана за допомогою детектора 4 з вимірювальним приладом 5. Збудлива антена 6 з'єднана зі НВЧ генератором 7. Робота пропонованого пристрою відбувається в такий спосіб. При порушенні в середовищі поздовжніх звукових коливань металева мембрана 1 робить змушені коливання. Зсув мембрани приводить до зміни електричних параметрів металевої камери, виконаної у вигляді циліндричного резонатора 2 і встановленого в кріостаті 3. При цьому, якщо добротність резонатора 2 велика, то навіть при дуже малому зсуві мембрани 1 (при малій інтенсивності звукових коливань) відбувається параметричне порушення електромагнітних коливань усередині резонатора 2. Цей знову збуджений електромагнітний сигнал реєструється приймальною антеною 4 і подається через детектор 5 на вимірювальний прилад 6. Для накачування резонатора 2, що проводять перед виміром, використовують збудливу антену 7 для порушення електромагнітного поля, з'єднану з генератором НВЧ 8. В основі методу виміру звукових коливань лежить механізм електромеханічної нестійкості високодобротних радіотехнічних елементів при великому рівні запасеної енергії. Із цією нестійкістю автори вперше зіштовхнулися при випробуванні елементів надпровідних прискорювачів. Було виявлено, що, починаючи з певного рівня високочастотної енергії, уведеної в систему, стінки резонатора, підвіски трубок дрейфу й інші елементи прискорювальної структури випробовували сильні механічні коливання. При цьому процес мав всі ознаки нестійкості, при якій енергія електромагнітного поля трансформувалася в енергію механічних 9 2 коливань, незважаючи на величезне розходження характерних частот (10 …10 Гц). Має місце й зворотний процес при механічних вібраціях резонатора, охолодженого до низьких температур (порядку 4К), спостерігається глибока модуляція запасеного в ньому електромагнітного поля. Оскільки механічна добротність резонатора невелика, модуляційний спектр може бути досить широким, що дозволяє для передачі інформації застосовувати як амплітудну, так і фазову модуляцію сигналу. Модульований сигнал приймається антеною, поміщеної усередині резонатора, і може бути надалі посилений і розшифрований звичайними методами. Порушення й знімання енергії з резонатора за допомогою збудливої й приймальної антен виробляється звичайними методами [5]. Стінка, розташована напроти мембрани, може всуватися усередину резонатора, що в радіотехніці використовується для зміни резонансної частоти. У резонатор зовнішнє поле не проникає, тому перешкоди відсутні. Резонатор має дуже високу добротність (особливо із кріогенним охолодженням), що дозволяє реєструвати малі вхідні сигнали, тобто пристрій має високу чутливість [6]. Частота в резонаторі ω0  ωсигн, тому антена реєструє АМ-коливання, які потім детектуються [7]. Для збільшення чутливості приладу в ньому можливе використовування магнітів з великою 3 величиною напруженості магнітного поля (Н = 5…10) Е). Джерела інформації 1. Авторское свидетельство СССР № 300775, кл. G01H 3/00, 1971. 2. Скучик Е. Основы акустики, т. 2 (пер. с англ.) - М.: Мир, 1976. - С 439. 3. Беранек Л. Акустические измерения. - М.: ИЛ, 1952. - С. 103-110. 4. Беранек Л. Акустические измерения. - М.: ИЛ, 1952. - С. 135. 5. Кугушев A.M., Голубева Н.С. Основы радиоэлектроники. - М.: Энергия, 1969. - С. 292. 6. Пейн Г. Физика колебаний и волн. - М.: Мир, 1979. - С. 157-165. 7. Зиновьев А.Л., Филиппов Л.И. Введение в теорию сигналов и цепей. - М.: Высшая школа, 1975. - С. 53, 237. 2 UA 84355 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Пристрій для виміру інтенсивності звукових коливань у суцільних середовищах, що містить металеву камеру, у торці якої встановлена з'єднана із зовнішнім середовищем металева мембрана, і вимірювальний прилад, який відрізняється тим, що в нього уведені збудлива й приймальна електромагнітні антени, розміщені усередині металевої камери, виконаної у вигляді циліндричного резонатора й установленої в кріостаті, причому збудлива антена з'єднана зі НВЧ генератором, а приймальна - за допомогою детектора з вимірювальним приладом. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3