Спосіб вимірювання нелінійності акустичного тракту і пристрій для його здійснення

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения нелинейности акустического тракта с целью определения состава и структуры исследуемого материала. Известен способ измерения нелинейности акустического тракта [Авт. св. СССР №911320, кл. G 01 N 29/04], заключающийся в том, что в нем возбуждают механические колебания переменным электрическим полем двух частот в области резонанса частотной характеристики пьезокерамического преобразователя, измеряют амплитуду механических колебаний на разностной частоте, и о нелинейности акустического тракта судят, сравнивая ее с эталонным значением. Нелинейность акустического тракта большинства материалов невелика и составляет десятые и даже сотые доли процента, вследствие чего амплитуда механических колебаний на разностной частоте будет небольшой. Кроме того, чувствительность пьезокерамического преобразователя на разностной частоте во много раз меньше чувствительности на резонансной частоте. Поэтому 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 вторую гармонику. Затем измеряют ее амплитуду, по величине которой судят о степени нелинейности акустического тракта. Кроме второй гармоники, несущей информацию о нелинейности акустического тракта, на результат измерения будет влиять вторая гармоника, образующаяся за счет искажений в генераторе радиоимпульсов. Кроме того, на точность измерения также будут влиять нестабильность амплитуды колебаний генератора радиоимпульсов и нестабильность чувствительности пьезоэлектрических излучателя и приемника, а также нестабильность коэффициента усиления резонансного усилителя, которые используются при реализации данного способа. Поэтому данный способ не может обеспечить высокой точности измерения нелинейности акустического тракта. Известно устройство для измерения нелинейности акустического тракта [Авт. св. СССР №1201750, кл. G 01 N 29/04], содержащее первый генератор электрического напряжения, фильтр и анализатор спектра, последовательно соединенные второй генератор электрического напряжения и сумматор, вторым входом соединенный с выходом первого генератора электрического напряжения, в качестве фильтра используется фильтр нижних частот, выходом подключенный к анализатору спектра, а выход сумматора и вход фильтра нижних частот предназначены соответственно для соединения с входом и выходом акустического тракта. На точность измерения нелинейности акустического тракта будут оказывать влияние нестабильность амплитуд первого и второго генераторов электрических напряжений и нестабильность коэффициента передачи сумматора, а также нестабильность спектральной чувствительности анализатора спектра. Поэтому это устройство не может обеспечить высокой точности измерения нелинейности акустического тракта. Известно также устройство для измерения нелинейности акустического тракта (Красильников В.А., Гедройц A.A. Искажения формы ультразвуковой волны конечной амплитуды в твердых телах// [Вестник Московского университета. - 1962. - №2. с. 92-93. Сер. Ill "Физика, астрономия"], содержащее последовательно соединенные генератор электрических колебаний, пьезоэлектрический излучатель, акустический тракт, пьезоэлектрический приемник, заграждающий фильтр, избирательный усилитель и измерительный прибор, а также генератор импульсов, соединенный своим выходом с управляющим входом генератора электрических колебаний. В качестве измерительного прибора используется осциллограф. Кроме информационной второй гармоники, которая появляется в результате нелинейного взаимодействия акустических колебаний в акустическом тракте, на вход осциллографа попадает вторая гармоника, которая образуется в результате искажений в генераторе электрических колебаний. В спектре электрических колебаний на выходе этого генератора кроме основной частоты всегда присутствуют вторая и более высокие гармоники этой частоты. Кроме того, на точность измерения нелинейности. акустического тракта также будут оказывать влияние 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, заключающемся 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 вторую гармонику, 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, выделяют из второй гармоники 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, заграждающий фильтр, избирательный усилитель, измерительный прибор и генератор импульсов, согласно изобретению, введены два трансформатора, два переключателя, два автоматических коммутаторов, предварительный усилитель, амплитудный детектор, усилитель переменного тока и фазочувствительный выпрямитель, выход генератора электрических колебаний соединен со входом первого трансформатора, который соединен с первым входом первого автоматического коммутатора через первый переключатель, а со вторым входом напрямую к выходу первого автоматического коммутатора последовательно подсоединены пьезоэлектрический излучатель, акустический тракт, пьезоэлектрический приемник, предварительный усилитель и вход второго автоматического коммутатора, первый выход которого соединен со вторым трансформатором через второй переключатель, а второй выход напрямую, к выходу второго трансформатора последовательно подсоединены заграждающий фильтр, избирательный усилитель, амплитудный детектор, усилитель переменного тока, фазочувствительный 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, уравнивая по амплитуде принятых электрических колебаний, выделения из них второй гармоники, выделении огибающей второй гармоники и выделении из этой огибающей переменной составляющей обеспечивается точное измерение разности амплитуд пакетов второй гармоники, при этом амплитуды самих пакетов намного больше по величине их разности. Выделение переменной составляющей дает возможность существенно уменьшить влияние помех на второй гармонике, которые попадают из генератора электрических колебаний, так как при ее выделении за счет измерения разности амплитуд пакетов второй гармоники эти помехи будут взаимно компенсироваться. Так как при прохождении пакетов электрических колебаний используются одни и те же генератор электрических колебаний, трансформатор, пьезоэлектрический излучатель и далее по схеме, то некоторые изменения амплитуды генератора электрических колебаний или коэффициента усиления предварительного усилителя, вызванные их временной или температурной нестабильностью, будут одновременно влиять на изменение амплитуд обоих пакетов, поэтому при выделении переменной составляющей эти изменения будут в значительной степени компенсировать друг друга, что обеспечивает повышение точности измерения нелинейности акустического тракта. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего данный способ измерения нелинейности акустического тракта; на фиг. 2 - графики электрических и акустических колебаний, поясняющие работу данного устройства для измерения нелинейности акустического тракта. Устройство для измерения нелинейности акустического тракта содержит генератор электрических колебаний 1, первый трансформатор 2, первый переключатель 3, первый коммутатор 4, пьезоэлектрический излучатель 5, пьезоэлектрический приемник 6, предварительный усилитель 7, второй автоматический коммутатор 8, второй переключатель 9, второй трансформатор 10, заграждающий фильтр 11, избирательный усилитель 12, амплитудный детектор 13, усилитель переменного тока 14, фазочувствительный выпрямитель 15, измерительный прибор 16, генератор импульсов 17 и акустический тракт 18. Выход генератора электрических колебаний 1 соединен со входом первого трансформатора 2. Первый трансформатор 2 соединен с первым входом первого автоматического коммутатора 4 через первый переключатель 3, а со вторым входом напрямую. К вы ходу 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 вход второго автоматического коммутатора 8 соединен со вторым трансформатором 10 через второй переключатель 9, а второй выход напрямую. К выходу второго трансформатора 10 последовательно подсоединены заграждающий фильтр 11, избирательный усилитель 12, амплитудный детектор 13, усилитель переменного тока 14, выпрямитель 15 и измерительный прибор 16. Выход генератора импульсов 17 соединен с управляющими входами первого и второго автоматических коммутаторов 4 и 8 и фазочувствительного выпрямителя 15. Способ измерения нелинейности акустического тракта осуществляется следующим образом. Генератор электрических колебаний 1 генерирует колебания синусоидальной формы где Umг - амплитуда колебаний; wг - круговая частота колебаний; jг - начальная фаза колебаний; t - время. Частота колебаний генератора wг должна находиться в области резонанса пьезоэлектрического излучателя 5 в пределах его полосы пропускания. С помощью трансформатора 2 с коэффициентами трансформации a' и a'' который определяется положением переключателя 3, изменяется амплитуда электрических колебаний, которые поступают с выхода генератора 1. С помощью автоматического коммутатора 4 формируются пакеты электрических колебаний с частотой wг и с разными амплитудами за счет того, что он подключает пьезоэлектрический излучатель 5 поочередно к разным обмоткам трансформатора 2. Пакеты колебаний на выходе автоматического коммутатора 4 имеют вид (фиг. 2, а): Коэффициент трансформации a" > a' и, соответственно, амплитуда колебаний Um1" будет больше амплитуды колебаний Um1'. Автоматические коммутаторы 4 и 8, а также фазочувствительный выпрямитель 15, управляются коммутационным напряжением Uком (t) с выхода генератора импульсов 17 (фиг. 2, д). Автоматические коммутаторы 4 и 8 работают синхронно и противофазно. В тот момент, когда автоматический коммутатор 4 подключает свой выход к своему первому входу, автоматический коммутатор 8 подключает свой вход к своему второму выходу, и наоборот. Частота коммутационного напряжения Uком (t) должна быть меньше частоты колебаний генератора 1 в 50-100 раз. С помощью пьезоэлектрического излучателя 5 акустические колебания A1'(t) и A1"(t) (фиг. 2, б) излучаются в исследуемый акустический тракт 18. В этот же тракт попадают акустические помехи на второй гармонике, которые обусловлены неизбежными искажениями в генераторе электрических колебаний 1. Характеристика акустического тракта является нелинейной, поэтому при прохождении через тракт акустических колебаний синусоидальной формы с большой амплитудой их форма искажается, начинают образовываться колебания с частотами, кратными основной частоте, при этом из гармонических составляющих наибольшую амплитуду имеют колебания с частотой 2 wг (вторая гармоника). Эти колебания А2 '(t) и А2''(t) (фиг. 2, в) принимаются с помощью пьезоэлектрического приемника 6, усиливаются с помощью предварительного усилителя 7 и поступают на вход автоматического коммутатора 8. С помощью автоматического коммутатора 8 и трансформатора 10 с коэффициентами трансформации 1/a' и 1/a", который определяется положением переключателя 9, амплитуда пакета принятых электрических колебаний, который появляется в результате прохождения пакета электрических колебаний U1'(t), изменяется в 1/a' раза, а амплитуда пакета принятых электрических колебаний, который появляется в результате прохождения пакета электрических колебаний U1"(t), изменяется в 1/a" раза. С выхода трансформатора 10 пакеты электрических колебаний U2'(t) и U2'"(t) (фиг. 2, г) через заграждающий фильтр 11, который подавляет колебания с основной частотой г, поступают на избирательный усилитель 12, настроенный на вторую гармонику 2 wг. Здесь происходит окончательное выделение и усиление второй гармоники и подавление электрических колебаний всех остальных частот. В результате этого на выходе избирательного усилителя 12 появляются пакеты колебаний с частотой 2 wг. Пакеты электрических колебаний на второй гармонике имеют вид (фиг. 2, е) где Um2', Um2" - амплитуды информативных колебаний на второй гармонике на выходе избирательного усилителя 12, образующиеся за счет нелинейности акустического тракта при подаче на пьезоэлектрический излучатель 5 пакетов колебаний U1'(t) и U1"(t) соответственно; f2', f2 '' - начальные фазы информативных колебаний на второй гармонике; Umn - амплитуда помехи на второй гармонике; fп - начальная фаза помехи на второй гармонике. Как видно из формул (4) и (5), пакеты колебаний на второй гармонике состоят как из информативных колебаний на второй гармонике, которые образуются за счет нелинейного взаимодействия в акустическом тракте, так и за счет помех на второй гармонике, которые попадают из генератора электрических колебаний. Из пакетов колебаний на второй гармонике с помощью амплитудного детектора 13 выделяется огибающая Uог(t), которая имеет прямоугольную форму (фиг. 2, ж). С помощью усилителя переменного тока 14 из этой огибающей выделяется и усиливается переменная составляющая Uпер(t), которая имеет вид симметричных прямоугольных колебаний (фиг. 2, з). При выделении переменной составляющей напряжение помехи будет практически полностью компенсироваться, так как в этом случае берется разность между амплитудами пакетов на второй гармонике. Поэтому напряжение помехи будет взаимно вычитаться друг из друга. На величину этой переменной составляющей будет оказывать влияние только нелинейность исследуемого акустического тракта. С помощью фазочувствительного выпрямителя 15 эта переменная составляющая выпрямляется. Выпрямленная переменная составляющая Uвып(t) (фиг. 2, и) поступает на измерительный прибор 16, который измеряет ее амплитуду и отображает ее численное значение. Измерения производятся при различных положениях переключателей 3 и 9. В каждом новом цикле измерений движки переключателей 3 и 9 перемещают на один шаг и измеряют новое значение переменной составляющей. Амплитуду переменной составляющей Uпер(t), которая появляется на выходе усилителя переменного тока 14, в зависимости от амплитуды подаваемых на пьезоэлектрический излучатель 5 электрических колебаний U1'(t) и U1"(t) можно представить в виде некоторого функционального выражения Uпер(t) = f(U1'(t), U1"(t)), которое в пределах допустимой точности можно аппроксимировать полиномом n-й степени, в котором присутствует квадратичный член. Степень нелинейности акустического тракта удобно представить в виде безразмерного коэффициента к, выраженного в процентах, который показывает отношение разности амплитуд колебаний на второй гармонике (измеряемая переменная составляющая) к их сумме При использовании функциональных зависимостей, полученных от эталонного акустического тракта с известными характеристиками, такими как его состав или структурные особенности, и сравнении их с переменной составляющей, которая получена от исследуемого акустического тракта, можно с большой точностью определить структуру или состав исследуемого акустического тракта. Устройство для измерения нелинейности акустического тракта работает следующим образом. Генератор электрических колебаний 1 вырабатывает колебания синусоидальной формы, частота которых равна резонансной частоте пьезоэлектрического излучателя 5. Электрические колебания с выхода генератора 1 поступают на первичную обмотку трансформатора 2. Вторичная обмотка трансформатора 2 имеет несколько выводов. Второй вход автоматического коммутатора 4 подсоединен ко вторичной обмотке трансформатора 2 с наименьшим числом витков и имеющей, соответственно, наименьшее выходное напряжение. Первый вход автоматического коммутатора 4 через переключатель 3 подсоединен к одному из остальных выводов вторичной обмотки в зависимости от положения движка переключателя 3. Вэтом случае вторичная обмотка имеет большее количество витков и, соответственно, большее выходное напряжение, которое повышается по мере перемещения движка переключателя 3 из крайнего левого положения в крайнее правое (фиг. 1). Автоматические коммутаторы 4 и 8, а также фазочувствительный выпрямитель 15, управляются коммутационным напряжением с выхода генератора импульсов 17. Частота импульсов на выходе генератора 17 должна быть в 50-100 раз меньше частоты колебаний генератора 1 и зависит от конкретных условий применения. Автоматический коммутатор 4 поочередно подключает свой выход то ко вторичной обмотке трансформатора 2 с меньшим напряжением, то ко вторичной обмотке с большим напряжением через переключатель 3. За счет такого подключения на его выходе формируются пакеты колебаний (фиг. 2, а). Частота заполнения этих пакетов равна частоте генератора 1, длительность определяется коммутационным напряжением генератора импульсов 17, а амплитуда равна выходным напряжениям вторичных обмоток трансформатора 2. Так как движок переключателя 3 можно перемещать по выводам вторичной обмотки, то соотношение амплитуд пакетов колебаний на выходе автоматического коммутатора 4 будет иметь значение, определяемое положением этого движка. Эти пакеты электрических колебаний с помощью пьезоэлектрического излучателя 5 преобразуются в акустические колебания и излучаются в исследуемый акустический тракт 18. Пьезоэлектрический приемник 6 акустических колебаний имеет резонансную частоту, равную частоте второй гармоники, при этом его чувствительность на этой частоте является максимальной. Принятые им акустические колебания преобразуются в электрические, усиливаются с помощью предварительного усилителя 7 и поступают на вход автоматического коммутатора 8. Трансформатор 10 аналогичен трансформатору 2, только первичная и вторичная обмотка у него поменялись местами. Первый выход автоматического коммутатора 8 подсоединяется через переключатель 9 к различным выводам первичной обмотки трансформатора 10, а второй выход подсоединяется к выводу первичной обмотки с наименьшим числом витков. При этом движки переключателей 3 и 9 необходимо перемещать синхронно таким образом, чтобы переключатели 3 и 9 подключались к соответствующим обмоткам трансформаторов 2 и 10, что обеспечивает постоянство амплитуд принятых электрических колебаний. С выхода трансформатора 10 принятые электрические колебания поступают через заграждающий фильтр 11, в котором подавляются электрические колебания основной частоты, на вход избирательного усилителя 12, который усиливает только вторую гармонику и подавляет колебания всех остальных частот. После избирательного усилителя 12 пакеты колебаний на второй гармонике поступают на амплитудный детектор 13, где из них выделяется огибающая. С помощью усилителя переменного тока 14 из этой огибающей выделяется и усиливается переменная составляющая. После этого она выпрямляется фазочувствительным выпрямителем 15, а с помощью измерительного прибора 16 определяется ее амплитуда. Создана экспериментальная установка для измерения нелинейности в таких полимерах, как полиэтилен, капрон, вискоза, лавсан. Измерения проводились в диапазоне частот от 10 кГц до 2 МГц. Излучаемая акустическая мощность находилась в диапазоне от 0,01 до 15 Вт/см 2. Максимальное значение напряжения, подаваемого на пьезоэлектрический излучатель, составляло 1600 В. При этом нелинейность исследуемых материалов достигала 3-5% при мощности излучения, близкой к максимальной.