Спосіб вимірювання нелінійності акустичного тракту і пристрій для його здійснення

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения нелинейности акустического тракта по фазовому сдвигу акустических колебаний в исследуемом тракте. Известен способ измерения нелинейности акустического тракта [авт. св. СССР №406154, кл. G 01 N 29/04, 1973], заключающийся в возбуждении в акустическом тракте непрерывных механических колебаний, преобразовании механических колебаний в электрические сигналы и анализе спектрального состава этих сигналов, по результатам которого судят о составе материала акустического тракта. Спектральный состав принятых электрических сигналов при небольших размерах внутренних дефектов слабо отличается от эталонного значения, что затрудняет обнаружение дефектов. Вследствие этого данный способ не может обеспечить высокой точности измерения нелинейности акустического тракта. Известен также способ измерения нелинейности акустического тракта [Хакимов О.Ш., Хабибуллаев П.К. Акустические методы и приборы для контроля и исследования ориентированных полимеров. - Ташкент: Фан, 1990. - С. 170], заключающийся в том, что в нем возбуждают акустические колебания электрическими колебаниями в области резонанса амплитудно-частотной характеристики пьезоэлектрического излучателя, преобразуют прошедшие через тракт акустические колебания в принятые электрические колебания, выделяют из принятых электрических колебаний информативные колебания нз второй гармонике и судят о степени нелинейности акустического тракта по значению их амплитуды. На точность измерения нелинейности будут влиять нестабильность амплитуды колебаний генератора радиоимпульсов и чувствительности пьезоэлектрических излучателя и приемника, а также нестабильность коэффициента усиления резонансного усилителя, которые используются при реализации данного способа. Кроме того, на информативные электрические колебания на второй гармонике будут влиять помехи на второй гармонике, образующиеся за счет искажений в генераторе радиоимпульсов. Поэтому данный способ не может обеспечить высокой точности измерения нелинейности акустического тракта. Известно устройство для измерения нелинейности акустического тракта [Нелинейные явления при распространении упруги х волн в твердых телах. Л.К.Зарембо, А.В.Красильников/Успехи физических наук, т. 102, №4, 1970, с.549-586, рис.5.], содержащее импульсный генератор, соединенный через высокочастотный генератор и первую фильтр-пробку с первым резонатором, а через линию задержки с одним входом осциллографа, а также смеситель, соединенный через усилитель промежуточной частоты и детектор со вторым входом осциллографа, через вторую фильтр-пробку со вторым резонатором и непосредственно с гетеродином, между первым и вторым резонаторами включен акустический тракт. В выходном сигнале высокочастотного генератора, кроме колебаний основной частоты, всегда присутствуют ее гармоники, в частности, вторая гармоника, которая попадает в акустический тракт, что приводит к дополнительной погрешности измерения. На результат измерения также влияют нестабильность коэффициентов передачи смесителя и детектора, коэффициента усиления усилителя промежуточной частоты и недостаточная точность измерения посредством осциллографа. Поэтому это устройство не может обеспечить высокой точности измерения нелинейности акустического тракта. Известно также устройство для измерения нелинейности акустического тракта [Вестник Московского университета. №2,1962. - С.92-93. Серия III. Физика, астрономия. В.А.Красильников, А.А.Гедройц. Искажения формы ультразвуковой волны конечной амплитуды в твердых телах.], содержащее последовательно соединенные генератор электрических колебаний, пьезоэлектрический излучатель, акустический тракт, пьезоэлектрический приемник, полосовой фильтр, усилитель-ограничитель и измерительный прибор, а также генератор импульсов, соединенный своим выходом с управляющим входом генератора электрических колебаний. В качестве измерительного прибора используется осциллограф. В составе электрических колебаний на второй гармонике, которые измеряются с помощью осциллографа, кроме колебаний на второй гармонике, образующи хся за счет нелинейности акустического тракта, попадают помехи на второй гармонике, которые образуются в результате искажений в генераторе электрических колебаний, так как в спектре его выходных колебаний за счет неидеальности электрических характеристик транзисторов, диодов, конденсаторов и так далее всегда присутствуют вторая и более высокие гармоники этой частоты, что приводит к дополнительной погрешности измерения. Кроме того, на точность измерения нелинейности акустического тракта также будут оказывать влияние температурная и временная нестабильность коэффициента усиления избирательного усилителя и недостаточная точность измерения амплитуды второй гармоники с помощью осциллографа. Поэтому это устройство не может обеспечить высокой точности измерения нелинейности акустического тракта. В основу изобретения положена задача создать такие способ и устройство для измерения 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 повысить точность измерения нелинейности акустического тракта. Поставленная задача решается тем, что в способе измерения нелинейности акустического тракта, заключающийся в том, что в нем возбуждают акустические колебания электрическими колебаниями в области резонанса амплитудно-частотной характеристики пьезоэлектрического излучателя, преобразуют прошедшие через тракт акустические колебания в принятые электрические колебания и выделяют из принятых электрических колебаний информативные электрические колебания на второй гармонике, согласно изобретению, электрические колебания, возбуждающие акустические колебания, передают в виде пакетов электрических колебаний с заданным соотношением амплитуд, амплитуду принятых электрических колебаний синхронно с прохождением пакета с большей амплитудой уменьшают в равное заданному соотношению амплитуд число раз, одновременно с передачей пакетов электрических колебаний электрические колебания выпрямляют и выделяют из них электрические опорные колебания на второй гармонике, после выделения информативных электрических колебаний на второй гармонике сравнивают их фазу с фазой опорных электрических колебаний на второй гармонике, выделяют при этом огибающую, выделяют из огибающей переменную составляющую, усиливают и выпрямляют переменную составляющую и измеряют ее амплитуду, по величине которой судят о нелинейности акустического тракта. Поставленная задача решается также тем, что в устройство для измерения нелинейности акустического тракта, содержащее генератор электрических колебаний, пьезоэлектрический излучатель, акустический тракт, пьезоэлектрический приемник, полосовой фильтр, усилитель-ограничитель, измерительный прибори генератор импульсов, согласно изобретению, введены первый и второй трансформаторы, первый и второй переключатели, первый и второй автоматические коммутаторы, предварительный усилитель, фазовый детектор, усилитель переменного тока, фазочувстви тельный выпрямитель, двухполупериодный выпрямитель и полосовой усилитель, при этом выход генератора электрических колебаний соединен со входом первого трансформатора непосредственно и с управляющим входом фазового детектора через двухполупериодный выпрямитель и полосовой усилитель, первый трансформатор соединен с первым входом первого автоматического коммутатора через первый переключатель, а со вторым входом непосредственно, к выходу первого автоматического коммутатора последовательно подсоединены пьезоэлектрический излучатель, акустический тракт, пьезоэлектрический приемник, предварительный усилитель и вход второго автоматического коммутатора, первый выход второго автоматического коммутатора соединен со вторым трансформатором через второй переключатель, а второй выход непосредственно, к выходу второго трансформатора последовательно подсоединены полосовой фильтр, усилитель-ограничитель, фазовый детектор, усилитель переменного тока, фа-зочувствительный выпрямитель и измерительный прибор, выход генератора импульсов соединен с управляющими входами первого и второго автоматических коммутаторов и фазочувствительного выпрямителя. За счет обеспечения большого перепада амплитуд акустических колебаний, зондирующих исследуемый акустический тракт, и уравнивания по амплитуде принятых электрических колебаний появляется возможность выделить переменную составляющую и измерить ее значение с большой точностью. Тем самым обеспечивается точное измерение изменений нелинейности акустического тракта при зондировании его акустическими колебаниями разной интенсивности на фоне того, что сама нелинейность может иметь большое значение. Введение параллельного канала, которое обеспечивает получение опорных электрических колебаний на второй гармонике, позволяет уменьшить влияние помех на второй гармонике, которые могут попадать в акустический тракт из генератора электрических колебаний, так как помехи одновременно будут оказывать влияние как на опорные, так и на информативные колебания, и при выделении переменной составляющей они будут взаимно компенсировать друг друга. Введение в устройство дополнительно двух трансформаторов, двух переключателей, двух автоматических коммутаторов позволяет обеспечить большой перепад амплитуд акустических колебаний, при этом амплитуда выделенных колебаний на удвоенной частоте будет изменяться в небольших пределах, что позволяет практически исключить амплитудно-фазовые искажения при прохождении этих колебаний. Использование при зондировании акустического тракта акустических колебаний двух разных интенсивностей и измерение разности фаз между ними позволяет существенно уменьшить влияние температурной и временной нестабильности параметров элементов устройства, таких как, например, изменение выходного напряжения генератора электрических колебаний, изменение коэффициента усиления предварительного усилителя или изменение коэффициента передачи полосового фильтра. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - графики колебаний. Устройство для измерения нелинейности акустического тракта содержит генератор электрических колебаний 1, первый трансформатор 2, первый переключатель 3, первый автоматический коммутатор 4, пьезоэлектрический излучатель 5, пьезоэлектрический приемник 6, предварительный усилитель 7, второй автоматический коммутатор 8, второй переключатель 9, второй трансформатор 10, полосовой фильтр 11, усилитель-ограничитель 12, фазовый детектор 13, усилитель переменного тока 14, фазочувствительный выпрямитель 15, измерительный прибор 16, генератор импульсов 17, акустический тракт 18, двухполупериодный выпрямитель 19 и полосовой усилитель 20. Выход генератора электрических колебаний 1 соединен со входом первого трансформатора 2 непосредственно и с управляющим входом фазового детектора 13 через двухполупериодный выпрямитель 19 и полосовой усилитель 20. Первый трансформатор 2 соединен с первым входом первого автоматического коммутатора 4 через первый переключатель 3, а со вторым входом непосредственно. К выходу первого автоматического коммутатора 4 последовательно подсоединены пьезоэлектрический излучатель 5, акустический тракт 18, пьезоэлектрический приемник 6, предварительный усилитель 7 и вход второго автоматического коммутатора 8. Первый выход второго автоматического коммутатора 8 соединен со вторым трансформатором 10 через второй переключатель 9, а второй выход непосредственно. К выходу второго трансформатора 10 последовательно подсоединены полосовой фильтр 11, усилитель-ограничитель 12, фазовый детектор 13, усилитель переменного тока 14, фазочувстви тельный выпрямитель 15 и измерительный прибор 16. Выход генератора импульсов 17 соединен с управляющими входами первого и второго автоматических коммутаторов 4 и 8 фазочувстви тельного выпрямителя 15. Способ измерения нелинейности акустического тракта осуществляется следующим образом. Генерирукэт электрические колебания синусоидальной формы с помощью генератора электрических колебаний 1; Где Umr - амплитуда колебаний; wг - круговая частота колебаний; jг - начальная фаза колебаний; t - время. Формируют пакеты электрических колебаний с помощью первого трансформатора 2, первого переключателя 3 и первого автоматического коммутатора 4. Первый трансформатор 2 имеет коэффициенты трансформации а' и а", причем коэффициент а" определяется положением первого переключателя 3. Амплитуда электрических колебаний, которые поступают с выхода генератора 1, изменяется соответственно в а' и а" раза. Вследствие это го пакеты колебаний имеют вид (фи г. 2а): Возбуждают электрические колебания в акустическом тракте 18 электрическими колебаниями с помощью пьезоэлектрического излучателя 5. Круговая частота wг должна находиться в пределах его полосы пропускания (фиг. 26). Распространение волн в нелинейной диссипативной среде хорошо описывается уравнением Бюргерса [Теоретические основы нелинейной акустики. Руденко О.В., Солуян СИ. Монография. Гл. ред. физ.-мат. литературы. Издательство "Наука", 1975]. При прохождении через акустический тракт с нелинейной акустической характеристикой колебаний с конечной амплитудой и частотой ах в нем происходит образование колебаний с частотами 2wг, 3wг и т.д., которые кратны основной частоте, при этом из них наибольший интерес представляют колебания на второй гармонике, имеющие частоты 2wг. Пусть расстояние, которое проходят акустические колебания, равняется L, а скорость распространения акустических колебаний А' 2w(t) и A'2w(t) на второй гармонике равняется соответственно с и с ± Dс, где Dс изменение скорости распространения из-за нелинейности. Тогда временные задержки соответственно равны t'= Принимают акустические колебания пьезоэлектрическим приемником 6 (фиг. 2 в), имеющим резонансную частоту 2wг, и усиливают предварительным усилителем 7, имеющим небольшой коэффициент усиления. Изменяют с помощью второго автоматического коммутатора 8, второго переключателя 9 и второго трансформатора 10 амплитуду пакета принятых электрических колебаний, который появляется в результате прохождения пакета электрических колебаний U1'(t), в 1/a’ раза, а амплитуду пакета принятых электрических колебаний, который появляется в результате прохождения пакета электрических колебаний U 1"(t), в 1/a’’ раза. Выделяют из пакетов электрических колебаний U2'(t) и U2''(t) (фи г. 2г) полосовым фильтром 11 вторую гармонику. Полосовой фильтр 11 настроен на частоту 2wг. Пакеты колебаний на второй гармонике имеют вид (фиг. 2е): Где U' m2w , U" m2w - амплитуды электрических колебаний на второй гармонике, которые образуются за счет нелинейности акустического тракта; j’2w , j’2w - начальные фазы электрических колебаний на второй гармонике; Umn - амплитуда помехи на второй гармонике; jп - начальная фаза помехи на второй гармонике. Усиливают выделенные колебания с помощью усилителя-органичителя 12, который приводит их амплитуды к одинаковому уровню, благодаря чему уменьшается ошибка детектирования в фазовом детекторе 13. Выпрямляют двухполупериодным выпрямителем 19 электрические колебания генератора электрических колебаний 1. Выделяют из них полосовым усилителем 20 электрические опорные колебания на второй гармонике, которые имеют следующий вид (фиг. 2 к): где Umon - амплитуда электрических опорных колебаний; jоп - начальная фаза электрических опорных колебаний. Сравнивают в фазовом детекторе электрические опорные колебания с электрическими информативными колебаниями. Так как фазы пакетов информативных электрических колебаний не совпадают друг с др угом при Dс¹ 0, то на выходе фазового детектора 13 возникает напряжение огибающей Uor(t). которое имеет прямоугольную форму (фиг. 2ж). Выделяют и усиливают с помощью усилителя переменного тока 14 из огибающей переменную составляющую Unep(t) (фиг. 2з). При ее выделении помехи на второй гармонике практически не будут влиять на результат выделения, так как при выполнении операции сравнения в фазовом детекторе 13 берется разность фаз между пакетами на второй гармонике, и напряжение помехи будет взаимно вычитаться друг из друга. На величину этой переменной составляющей будет оказывать влияние только нелинейность исследуемого акустического тракта. Выпрямляют с помощью фазочувствительного выпрямителя 15 переменную составляющую (фиг. 2и). Измеряют выпрямленное значение переменной составляющей измерительным прибором 16. В процессе работы производят измерения при нескольких положениях первого и второго переключателей 3 и 9. В каждом новом цикле измерений движки переключателей 3 и 9 перемещают на один шаг и измеряют новое значение переменной составляющей, которая соответствуе т большей интенсивности акустических колебаний. Амплитуду переменной составляющей Unep(t) можно представить в виде функционального выражения Umnep(t) = f(U' m1, U" m1), которое с допустимой точностью можно аппроксимировать полиномом п-й степени, содержащем квадратичный член. Степень нелинейности акустического тракта удобно представить в виде безразмерного коэффициента χ, выраженного в процентах, который показывает отношение разности начальных фаз на второй гармонике к полному углу 2p: Используя функциональные выражения, связывающие изменение скорости распространения акустических колебаний от их интенсивности, полученные от эталонного акустического тракта, состоящего из материала с известными характеристиками, такими как его состав или структурные особенности, и сравнивая их с данными, полученными от исследуемого тракта, можно с большой точностью определить структуру или состав материала исследуемого тракта. Работа устройства для измерения нелинейности акустического тракта осуществляется следующим образом. Генератор электрических колебаний 1 генерирует электрические колебания синусоидальной формы. Эти колебания поступают на первичную обмотку первого трансформатора 2. Вторичная обмотка трансформатора 2 является многовыводной. Второй вход автоматического коммутатора 4 подсоединен ко вторичной обмотке трансформатора 2 с наименьшим числом витков, а его первый вход через переключатель 3 подсоединен к одному из остальных выводов вторичной обмотки, который определяется положением движка переключателя 3. Перемещая движок первого переключателя 3 по выводам обмотки, можно ступенчато изменять выходное напряжение в больших пределах. Напряжения с выхода первого трансформатора 2 и первого переключателя 3 попеременно подаются на пьезоэлектрический излучатель 5. Их коммутацию осуществляет первый автоматический коммутатор 4. Первый автоматический коммутатор 4, а также второй автоматический коммутатор 8 и фазочувствительный выпрямитель 15 управляются с помощью коммутационного напряжения, которое поступает с вы хода генератора импульсов 17. Частота коммутационного напряжения в 50-100 раз меньше частоты колебаний генератора 1 (фиг. 2д). Эти пакеты электрических колебаний с помощью пьезоэлектрического излучателя 5 преобразуются в акустические колебания и излучаются в акустический тракт 18. Прошедшие тракт колебания принимаются пьезоэлектрическим приемником 6, резонансная частота которого равна удвоенной частоте генератора электрических колебаний 1. Предварительный усилитель 7 усиливает эти колебания в небольшое число раз. Конструкции второго автоматического коммутатора 8, второго переключателя 9 и второго трансформатора 10 аналогичны соответственно конструкциям первого автоматического коммутатора 4, первого переключателя 3 и первого трансформатора 2. При этом первый и второй автоматические коммутаторы 4 и 8 работают в противофазе. Когда первый автоматический коммутатор подключает свой первый вход к первому трансформатору 2 через первый переключатель 3, подавая таким образом на пьезоэлектрический излучатель 5 большее напряжение и возбуждая акустические колебания большей интенсивности, второй автоматический коммутатор подключает свой второй выход непосредственно к второму трансформатору 10, минуя второй переключатель 9, ослабляя таким образом принятые колебания, и наоборот. Из колебаний с выхода второго трансформатора 10 полосовым фильтром 11 выделяются колебания на удвоенной частоте, которые усиливаются усилителем-ограничителем 12. Усилитель-ограничитель 12 приводит их амплитуды к одинаковому уровню, благодаря чему несколько уменьшается ошибка детектирования в фазовом детекторе 13. Колебания с выхода усилителя-ограничителя 12 служат в качестве информативных колебаний. Одновременно двухполупериодный выпрямитель 19 выпрямляет колебания генератора электрических колебаний 1, а полосовой усилитель 20 выделяет из них колебания на удвоенной частоте, которые служат в качестве опорных. В фазовом детекторе 13 сравниваются информативные и опорные колебания. Появляющееся на его выходе напряжение сравнения имеет огибающую прямоугольной формы. Усилителем переменного тока 14 из нее выделяется и усиливается переменная составляющая, которая выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 15 и измеряется измерительным прибором 16. Создана экспериментальная установка для измерения нелинейности в таких полимерных материалах, как лавсан, капрон, полиэтилен, вискоза. Измерения проводились, в диапазоне частот от 12 кГц до 1,5 МГц. Излучаемая акустическая мощность находилась в диапазоне от 0,005 до 20 Вт/см 2. Максимальный фазовый сдвиг колебаний на второй гармонике находился в диапазоне от 5 до 80°, при этом нелинейность исследуемых полимеров достигала 3-20% при мощности излучения, близкой к максимальной.