Спосіб вимірювання часу проходження акустичних імпульсів

Спосіб вимірювання часу проходження акустичних імпульсів, який полягає в подачі періодичної послідовності акустичних зондуючих імпульсів на зовнішню поверхню зразка, прийманні послідовності відбитих акустичних імпульсів з зовнішньої поверхні зразка, регулюванні частоти слідування акустичних зондуючих імпульсів, вимірюванні частоти слідування акустичних зондуючих імпульсів та визначенні часу проходження акустичних імпульсів за формулою, який відрізняється тим, що пригнічують акустичні зондуючі імпульси, що приймаються, та перші акустичні імпульси, що відбилися від зовнішньої поверхні зразка, отримують другі та треті акустичні імпульси, що пройшли 3 ти, а також вплив товщини контактного шару, протектора акустичних перетворювачів та затягування фронтів імпульсів, що приймаються. Відомий також спосіб вимірювання часу проходження акустичних імпульсів, який полягає в подачі періодичної послідовності акустичних зондуючих імпульсів на зовнішню поверхню зразка, прийманні послідовності відбитих акустичних імпульсів з зовнішньої поверхні зразка, регулюванні частоти слідування акустичних зондуючих імпульсів, вимірюванні частоти слідування акустичних зондуючих імпульсів та визначенні часу проходження акустичних імпульсів за формулою [Хамидуллин В.К. Ультразвуковые контрольно-измерительные устройства и системы.- Л.: Издво Ленинградского университета, 1989.- С. 124127]. Крім того, відомий спосіб включає операцію порівняння часової затримки акустичних імпульсів в середовищі або виробі, що досліджуються, з періодом слідування електричних імпульсів, які перетворюються в акустичні зондуючі імпульси, і регулюванні частоти слідування акустичних зондуючих імпульсів до досягнення рівності величин, що порівнюються. При досягненні рівності величин, що порівнюються, час T , проходження акустичних зондуючих імпульсів через середовище або виріб визначають по формулі 1 T f0 f де 0 - частота слідування акустичних зондуючих імпульсів. При вимірюванні часу проходження акустичних Імпульсів відомим способом завадозахищеність підвищується, але вплив затримок сигналу в електричних ланцюгах та нестабільності форми переднього фронту імпульсу, що поступає на часовий дискримінатор, який використовується в якості елемента порівняння, на похибку вимірювання залишається. Тому точність виміру часу проходження акустичних імпульсів залишається невисокою. В основу корисної моделі покладена задача створити такий спосіб вимірювання часу проходження акустичних імпульсів, в якому введення нових операцій з імпульсними сигналами виключило б вплив паразитних затримок та спотворень форми імпульсів, які приймаються, на результат вимірювання, що забезпечить підвищення точності вимірювання часу проходження акустичних імпульсів безпосередньо через виріб або середовище, які контролюються. Поставлена задача досягається тим, що в способі вимірювання часу проходження акустичних імпульсів, який полягає в подачі періодичної послідовності акустичних зондуючих імпульсів на зовнішню поверхню зразка, прийманні послідовності відбитих акустичних Імпульсів з зовнішньої поверхні зразка, регулюванні частоти слідування акустичних зондуючих імпульсів, вимірюванні частоти слідування акустичних зондуючих Імпульсів та визначенні часу проходження акустичних імпульсів за формулою, згідно з корисною моделлю, пригнічують акустичні зондуючі імпульси, що приймаються, та перші акустичні 50186 4 імпульси, що відбилися від зовнішньої поверхні зразка, отримують другі та треті акустичні Імпульси, що пройшли зовнішню поверхню зразка, порівнюють часові інтервали між ними з часовими інтервалами між третіми та наступними другими акустичними імпульсами, що пройшли зовнішню поверхню зразка, регулювання частоти слідування акустичних зондуючих імпульсів проводять до зрівнювання часових інтервалів, які порівнюються, фіксацією зникнення в послідовності відбитих акустичних імпульсів третіх акустичних імпульсів, що пройшли зовнішню поверхню зразка, вимірюють частоту рівномірно слідуючих других акустичних Імпульсів, що пройшли зовнішню поверхню зразка, а час проходження акустичних імпульсів через зразок визначають за формулою 1 T 4f0 де T - час проходження акустичних імпульсів через зразок; f0 - частота слідування других акустичних імпульсів, що пройшли зовнішню поверхню зразка. Регулювання частоти слідування акустичних зондуючих імпульсів до зрівнювання часових Інтервалів, які порівнюються, фіксацією зникнення в послідовності відбитих акустичних імпульсів третіх акустичних імпульсів, що пройшли зовнішню поверхню зразка, дає можливість отримати рівномірну за часом послідовність акустичних імпульсів, що складається тільки з других акустичних імпульсів, що пройшли зовнішню поверхню зразка. При цьому частота слідування других акустичних імпульсів, що пройшли зовнішню поверхню зразка, безпосередньо визначається часом проходження акустичними імпульсами відстані між двома поверхнями (зовнішньою та внутрішньою) зразка незалежно від часових затримок в електроакустичному перетворювачі, контактному шарі та в електричних ланцюгах вимірювальної схеми. Вимірювання частоти слідування рівномірної послідовності других акустичних імпульсів, що пройшли зовнішню поверхню зразка, які не співпадають в часі а ні з акустичними зондуючими імпульсами, а ні з іншими відбитими акустичними імпульсами, забезпечує високу точність вимірювання часу проходження акустичних імпульсів через зразок матеріалу або середовища, що контролюється. Спосіб пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 наведена схема вимірювання часу проходження акустичних імпульсів через зразок, а на фіг. 2 наведені епюри часового розподілу акустичних імпульсів. Схема (фіг. 1) містить генератор 1 електричних Імпульсів, частоту яких можна регулювати, змінний атенюатор 2, електроакустичний перетворювач З, підсилювач 4 високої частоти, коефіцієнт підсилення якого можна регулювати, блок 5 часового автоматичного регулювання підсилення (ЧАРП), амплітудний детектор б, формувач 7 коротких імпульсів, тригер 8 із рахунковим входом, індикатор 9, цифровий частотомір 10, контактний шар 11 між робочою поверхнею електроакустично 5 го перетворювача 3 і зовнішньою поверхнею зразка 12 з матеріалу, що досліджується. Спосіб вимірювання часу проходження акустичних імпульсів реалізується наступним чином. Генератор 1 електричних імпульсів виробляє імпульси високочастотних електричних коливань, що швидко загасають, які через змінний атенюатор 2 збуджують електроакустичний перетворювач 3 та одночасно потрапляють на вхід підсилювача 4 високої частоти. При цьому електричні імпульси генератора 1 електричних імпульсів безпосередньо впливають на блок 5 ЧАРП, який своєю напругою закриває підсилювач 4 високої частоти на заданий час. Електроакустичний перетворювач 3 перетворює електричний зондуючий імпульс в акустичний зондуючий імпульс (і), який через контактний шар 11 потрапляє у зразок 12 (фіг. 2). При переході акустичного зондуючого Імпульсу (і) в зразок 12 виникає перший акустичний імпульс, що відбився від зовнішньої поверхні зразка (її), який перетворюється електроакустичним перетворювачем 3 в електричний імпульс. Тривалість запираючого імпульсу, який формується блоком 5 ЧАРП, спеціально обирають такою, щоб підсилювач 4 високої частоти був запертий на час дії акустичного зондуючого імпульсу (і) та першого акустичного імпульсу, що відбився від зовнішньої поверхні зразка (ІІ). Акустичний зондуючий імпульс (І), що потрапив у зразок 12, проходить цей зразок у вигляді першого акустичного імпульсу, що пройшов зовнішню поверхню зразка (ІІІ), та відбивається від внутрішньої поверхні зразка 12. Перший акустичний імпульс, що відбився від внутрішньої поверхні зразка (IV), проходить зразок 12 в зворотному напрямку та проходить через його зовнішню поверхню. При цьому формуються другий акустичний імпульс, що пройшов зовнішню поверхню зразка (V) та другий акустичний імпульс, що відбився від зовнішньої поверхні зразка (VI). Другий акустичний імпульс, що пройшов зовнішню поверхню зразка (V), перетворюється в електричний імпульс електроакустичним перетворювачем 3 та впливає на вхід підсилювача 4 високої частоти, який до моменту приходу другого акустичного імпульсу, що пройшов зовнішню поверхню зразка (V), уже відкритий. Другий акустичний імпульс, що відбився від зовнішньої поверхні зразка (VI), знову проходить зразок 12, відбивається від внутрішньої поверхні зразка 12 як другий акустичний імпульс, що відбився від внутрішньої поверхні зразка (VII), ще раз проходить зразок 12 та впливає на електроакустичний перетворювач 3 як третій акустичний імпульс, що пройшов зовнішню поверхню зразка (VIII). Цей третій акустичний імпульс, що пройшов зовнішню поверхню зразка (VIII), також перетворюється в електричний імпульс електроакустичним перетворювачем 3 та впливає на вхід відкритого підсилювача 4 високої частоти. В результаті на виході підсилювача 4 високої частоти формується періодична послідовність імпульсів з другого акустичного імпульсу, що пройшов зовнішню поверх 50186 6 ню зразка (V) та третього акустичного імпульсу, що пройшов зовнішню поверхню зразка (VIII). Електричні імпульси високої частоти детектуються амплітудним детектором 6. З отриманих електричних видеоімпульсів формувачем 7 створюються однополярні короткі імпульси, які впливають на лічильний вхід тригера 8. Поріг спрацьовування формувача 7 встановлюється таким чином, щоб наступні акустичні імпульси, які відбиваються від зовнішньої та внутрішньої поверхонь зразка 12 і які мають меншу амплітуду, цим би формувачем 7 пригнічувалися. Короткі однополярні імпульси формувача 7 перемикають тригер 8 з частотою надходження других акустичних імпульсів, що пройшли зовнішню поверхню зразка (V) та третіх акустичних імпульсів, що пройшли зовнішню поверхню зразка (VIII). На прямому та інверсному виходах тригера 8 формуються протяжні прямокутні імпульси, полярність яких протилежна. Тривалість імпульсу однієї полярності визначається часовим інтервалом між приходом другого акустичного імпульсу, що пройшов зовнішню поверхню зразка (V) та третього акустичного імпульсу, що пройшов зовнішню поверхню зразка (VIII), а тривалість імпульсу іншої полярності - часовим інтервалом між третім акустичним імпульсом, що пройшов зовнішню поверхню зразка (VIII) та наступним другим акустичним імпульсом, що пройшов зовнішню поверхню зразка (V). Індикатор 9 реагує на різницю тривалостей перемикаючих інтервалів, що дозволяє їх безпосередньо порівнювати. При періодичному слідуванні акустичних зондуючих імпульсів (І) перший акустичний імпульс, що відбився від зовнішньої поверхні зразка (її) , з'явиться на вході підсилювача 4 високої частоти в момент часу t1 = t0 + , (1) де t0 - час появи акустичного зондуючого імпульсу (і) на поверхні зразка 12; затримка в електроакустичному перетворювачі 3, контактному шарі 11 та електричних ланках вимірювальної схеми. В момент часу t1 підсилювач 4 високої частоти закритий блоком 5 ЧАРП. Тому перший акустичний імпульс, що відбився від зовнішньої поверхні зразка (її), з послідовності імпульсів, яка приймається, буде виключений. Другий акустичний імпульс, що пройшов зовнішню поверхню зразка (V) , з'явиться на вході підсилювача 4 високої частоти в момент часу t2 = t1 + 2T = t0 + + 2T, (2) де Т - час проходження акустичними імпульсами відстані між зовнішньою та внутрішньою поверхнями зразка 12. На момент часу t2, підсилювач 4 високої частоти вже відкритий, тому підсилений електричний імпульс з'явиться на його виході. Третій акустичний імпульс, що пройшов зовнішню поверхню зразка (VIII), з'явиться на вході підсилювача 4 високої частоти в момент часу t3 = t2 +2Т = t0 + + 4Т, (3) і також буде підсилений. Наступні відбиті імпульси з меншими амплітудами будуть з'являтися через часові інтервали, які кратні 2 Т . 7 При впливі наступного акустичного зондуючого імпульсу (і) знову з'являться наступні перший акустичний імпульс, що відбився від зовнішньої поверхні зразка (її), другий акустичний імпульс що пройшов зовнішню поверхню зразка (V) та третій акустичний імпульс, що пройшов зовнішню поверхню зразка (VIII). Наступний перший акустичний імпульс, що відбився від зовнішньої поверхні зразка (її), з'явиться від електричного зондуючого імпульсу в момент часу 1 t 4 t0 f , (4) де f - початкова частота слідування акустичних зондуючих імпульсів (і). Цей імпульс буде виключений блоком 5 ЧАРП, який стимульований наступним акустичним зондуючим імпульсом (і). Наступний другий акустичний імпульс, що пройшов зовнішню поверхню зразка (V), з'явиться на вході вже відкритого підсилювача 4 високої частоти в момент часу 1 t5 t 4 2T t0 2T f , (5) та буде підсилений. Наступний третій акустичний імпульс, що пройшов зовнішню поверхню зразка (VIII), також буде підсилений та з'явиться в момент часу 1 t 6 t 4 2T t0 4T f , (6) Таким чином, на тригер 8 будуть впливати перемикаючі імпульси в моменти часу t1, і t2 з інтервалом t0 4T t0 2T 2T 1 t3 t 2 , (7) Тобто на прямому та інверсному виходах тригера 8 будуть формуватися електричні 1 та 2. різнополярні імпульси з тривалостями Індикатор 9 зафіксує нерівність середніх значень струмів двох імпульсів зсувом вказівника з нульової відмітки. Далі змінюють частоту слідування імпульсів генератора 1 електричних імпульсів до значення f*, при якому індикатор встановиться на нульову відмітку. При цьому необхідно врахувати, що при 2 третій акустичний зближенні інтервалів 1 та імпульс, що пройшов зовнішню поверхню зразка (VIII), за часом починає співпадати з наступним першим акустичним імпульсом, що відбився від зовнішньої поверхні зразка (її). В момент їх збігу 1 2 підсилення третьогоакустичного імпульсу, що пройшов зовнішню поверхню зразка (VIII), підсилювачем 4 припиняється, так як він в цей момент закритий блоком 5 ЧАРП. В результаті на тригер 8 починають впливати тільки другі акустичні Імпульси, що пройшли зовнішню поверхню зразка (V), які рівномірно слідують із встановленою частотою f* слідування акустичних зондуючих імпульсів (і). При інших значеннях частоти f** слідування акустичних зондуючих імпульсів (і), коли f** > f* або f** < f*, на тригер 8 потрапляє нерівномірна 50186 8 послідовність імпульсів, як складається як із других акустичних імпульсів, що пройшли зовнішню поверхню зразка (V), так і з третіх акустичних імпульсів, що пройшли зовнішню поверхню зразка (VIII), з нерівними інтервалами 1 2 Показання . індикатора 9 встановлюється 1 , та 2 , що пропорційним різниці інтервалів порівнюються: U S 1 2 , (9) де S - крутизна перетворення інтервалів часу в електричну напругу. 1 та 2 , що При рівності інтервалів U 0 з урахуванням (7) та (8) порівнюються маємо: 1 t3 t2 2T f* , (10) де f* - частота слідування акустичних зондуючих імпульсів (і), яка встановлена при нульовому показанні індикатора 9. Підставляючи в формулу (10) значення t; з формулі (2) та значення t2, з формулі (3), отримаємо: 1 t0 4T t0 2T 2T 4T f* . (11) З формули (11) зрозуміло, що частота акустичних зондуючих імпульсів (і), які виробляє генератор 1, встановлюється кратною часу проходження імпульсів через зразок 12: 1 f* 4T , (12) Частота слідування других акустичних імпульсів, що пройшли зовнішню поверхню зразка (V), співпадає з частотою слідування акустичних зондуючи імпульсів (I). Тому час проходження акустичних зондуючих імпульсів (I) через зразок 12 можна оцінити по формулі 1 T 4Tf 0 f де 0 - частота слідування других акустичних імпульсів, що пройшли зовнішню поверхню зразка (V). f Частоту слідування 0 других акустичних імпульсів, що пройшли зовнішню поверхню зразка (V), вимірюють цифровим частотоміром 10, на який потрапляють однополярні короткі імпульси, що створюються формувачем 7. Вплив всіх наступних відбитих імпульсів пригнічується, так як вони впливають на підсилювач 4 високої частоти в такі моменти часу, коли він заблокований роботою 5 ЧАПР через співпадання в часі третіх акустичних імпульсів, що пройшли зовнішню поверхню зразка (VIII), з наступними першими акустичними імпульсами, що відбилися від зовнішньої поверхні зразка (її). Таким чином, по виміряному значенню частоти f0 других акустичних імпульсів, що пройшли 9 зовнішню поверхню зразка (V), визначають час проходження акустичних імпульсів через зразок матеріалу або середовища, що досліджується, незалежно від неминучих затримок в електроакустичному перетворювачі, контактному шарі та електричних ланках вимірювальної схеми. Так як перемикаючі Імпульси формуються тільки з відбитих імпульсів, то зменшується вплив спотворень їх форми на результат вимірювання. Запропонований спосіб забезпечує вимірювання часу проходження акустичних імпульсів з високою точністю цифровим частотоміром, що дозволяє визначати пружні сталі матеріалу не тільки низького порядку, але й пружні сталі більш високого порядку, а також визначити нелінійну залежність деформації зразка від механічних напруг. По результатам вимірювання відносних змін часу розповсюдження акустичних імпульсів можна оцінити акустопружній коефіцієнт одновісних напруг, який залежить від пружних сталих другого та третього порядків. Такі вимірювання можуть коре 50186 10 лювати з механічними напругами розтягнення або стискання, а також внутрішніми механічними напругами або текстурою матеріалу. Завдяки запропонованому способу вимірювання часу проходження акустичних імпульсів з відносною похибкою не більше 105 ...10-4 відкриваються нові можливості, зокрема, визначення напруженого стану різних матеріалів та оцінки змін їх фізико-механічних властивостей (наприклад, модулів пружності, міцності або інше) при високій температурі або впливі інших дестабілізуючих факторів. Зміною амплітуди зондуючих імпульсів змінним атенюатором 2 можна змінювати інтенсивність акустичних імпульсів, які зондують зразок 12, що досліджується. При цьому можна по зміні часу проходження акустичних імпульсів оцінити залежність швидкості розповсюдження акустичних імпульсів в залежності від їх інтенсивності. Це забезпечує отримання більш повної інформації про нелінійні властивості матеріалів або виробів, що контролюються. 11 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 50186 Підписне 12 Тираж 26 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