Пристрій для безконтактного визначення швидкості звуку в зразку матеріалу

Реферат: Пристрій для безконтактного визначення швидкості звуку в зразку матеріалу містить частотомір, опорну установку, маятниковий механізм, мікрофон, електричний фільтр. UA 76854 U (12) UA 76854 U UA 76854 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до матеріалознавства, зокрема до деревинознавства, та може бути використана для дослідження і контролю фізико-механічних характеристик зразків матеріалів. Вимірювання швидкості розповсюдження звуку в матеріалах використовується як неруйнівний спосіб дослідження фізико-акустичних властивостей та контролю якості бетону, деревини, сипучих та інших матеріалів [1, 2]. У пристрої [3], що реалізує імпульсний метод вимірювання швидкості звуку, збудження акустичної хвилі здійснюється маятниковим механізмом. Два, встановлені на відомій відстані між собою, п'єзоелектричні давачі сприймають цю хвилю і перетворюють акустичний сигнал в електричний. Швидкість звуку знаходиться, як добуток відстані між давачами на різницю часу між моментами прийому цими приладами акустичної хвилі. Такий пристрій дозволяє визначати фізико-акустичні параметри матеріалу без врахування масштаб-час фактору [4]. Але через використання короткого імпульсного сигналу з обмеженою енергією його практична реалізація можлива тільки за умови застосування високочутливих давачів і високоточних осцилографів для фіксації електричних імпульсів. Ще одним недоліком імпульсного методу і цього аналога є невизначеність у частотній області отриманого значення швидкості звуку, що заважає коректному порівнянню параметрів різних матеріалів. Найближчим аналогом корисної моделі є пристрій для реалізації резонансного методу [1], який складається з опорної установки, генератора сигналів змінної частоти, електромагнітного збуджувача акустичного сигналу, електромагнітного давача, мілівольтметра та частотоміра. У цьому приладі електричні коливання генератора перетворюються збуджувачем в акустичні і подаються на зразок, виконаний у формі паралелепіпеда. На іншому кінці зразка давач виконує зворотне перетворення і його сигнал подається на вольтметр для вимірювання. Частота найбільшого за амплітудою акустичного сигналу давача, що відповідає частоті резонансу, вимірюється частотоміром. Опосередковано, на підставі резонансної частоти та геометричних розмірів зразка визначають швидкість звуку в матеріалі зразка [1, 3]. Цей пристрій дозволяє оперувати з тестовими сигналами значно більшої енергії і довший час, та дає можливість отримати більш точні результати, до того ж на відомій частоті вимірювання. Для проведення вимірювань в обох пристроях зразок фіксується у такий спосіб, щоб опорна установка не заважала власним коливанням зразка [1]. Спільним недоліком відомих пристроїв є безпосередній контакт приладів збудження та прийому коливань зі зразком. Притиснуті до граней зразка прилади утворюють разом з ним механічну систему, умови розповсюдження акустичних коливань в якій відрізняються від умов у самому зразку. Крім параметрів матеріалу, що досліджується, отримані значення швидкості звуку залежать також від маси та положення акустичних приладів на зразку. Особливо великий вплив здійснюють масивні прилади, наприклад, з п'єзокераміки, які до того ж мають виражені власні резонансні частоти. Обмеження такого впливу призводить до необхідності використання зразків значних розмірів та маси і, відповідно, збільшує похибки вимірювань через нерівномірність структури, що в деяких випадках, наприклад, для деревини, неприпустимо. Таким чином відомі пристрої вносять методичну похибку у процес вимірювання, що обмежує знизу абсолютну похибку визначення швидкості звуку, наприклад, для деревини - величиною у декілька десятків метрів за секунду [5, 6]. Задача корисної моделі створити пристрій для безконтактного визначення швидкості звуку в зразку матеріалу, що має форму паралелепіпеда, до складу якого входить опорна установка та частотомір, згідно з корисною моделлю, що збудження акустичної хвилі у зразку здійснюється маятниковим механізмом, для сприймання власних акустичних коливань зразка використовується мікрофон, встановлений біля однієї з граней зразка, але без механічного контакту з нею, вихід мікрофона приєднано до входу електричного фільтра, а вхід частотоміра підключено до виходу фільтра. На Фіг. 1 зображено структурну схему пропонованого пристрою. На креслені позначено: 1 зразок, що має форму паралелепіпеда; 2 - опорна установка; 3 - маятниковий механізм; 4 мікрофон; 5 - фільтр; 6 - частотомір. У корисній моделі: опорна установка не заважає власним коливанням зразка, як і в пристроях-аналогах; маятниковий механізм збудження акустичної хвилі має в момент удару короткочасний контакт зі зразком, а після удару відкидається від зразка силами пружності і земного тяжіння; власні коливання зразка сприймаються чутливим мікрофоном дистанційно. Таким чином у пропонованому пристрої немає конструктивних елементів, механічно зв'язаних зі зразком, які могли б викликати зміну резонансної частоти. Частота вібрації самого зразка передається в середовище, що оточує зразок - повітря, і в ньому сприймається мікрофоном. 1 UA 76854 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Інформаційний параметр - частота, не змінюється під час таких перетворень і додаткової похибки вимірювання не викликає. Як показали дослідження авторів, тривалість ударного імпульсу складає близько чотирьох мілісекунд. Спектр такого імпульсу достатньо широкий, і це сприяє збуренню у зразку коливань на декількох власних резонансних частотах. Ці частоти залежать від розмірів зразка та швидкості звуку в матеріалі. Швидкість звуку в матеріалі також може залежати від поляризації коливань та анізотропних властивостей матеріалу. Так для такого ортотропного матеріалу, як деревина, існує дев'ять різних значень швидкості звуку вздовж головних осей. Різниця у розмірах зразка за напрямками ортогональних осей, швидкостях звуку різної поляризації та напрямків викликає виникнення резонансних коливань у зразку одразу на декількох частотах. Після ударного збудження в залежності від пружних та пластичних властивостей матеріалу, а також від паралельності граней зразка, коливання на власних резонансних частотах зразка тривають декілька десятих секунди. У сухих дерев'яних зразках авторами спостерігались коливання через 0,5 секунди після удару. Такої тривалості коливань достатньо для вимірювання частоти коливань з точністю до 2 Гц. В проведених дослідженнях були отримані не тільки значення частоти коливань, але й проведений їх спектральний аналіз. На Фіг. 2 подано фрагмент спектрограми з одним резонансним коливанням у зразку соснової деревини на частоті близько 25 кГц. Для визначення швидкості звуку певної поляризації та напрямку серед коливань зразка необхідно виділити коливання потрібної резонансної частоти. Цю функцію у пристрої виконує електричний фільтр, параметри якого вибираються з апріорної інформації про зразок. Спектрофама на Фіг. 2 демонструє можливість ударного збудження коливань на частоті 25 кГц в деревині та виділення коливання одної резонансної частоти. На Фіг. 3 подано форму сигналу на виході фільтра і на вході частотоміра. Цей сигнал має квазігармонічну форму і не містить перешкод, що можуть заважати вимірюванню частоти. Швидкість звуку визначається за розміром та частотою власних коливань зразка відповідно до виразу: C=2*L*f (1) де С - швидкість звуку; L - розмір зразка у напрямку розповсюдження звуку; f - частота власних коливань зразка. Додатково пропонований пристрій дозволяє з високою точністю вимірювати швидкість звуку у зразках малих розмірів. Так для деревини швидкість звуку здовж волокон складає близько 5000 м/с. За вказаних умов розмір зразка у напрямку розповсюдження звуку становить: L=C/(2* f)=5000/(2*25000)=0,1 м (2) де: L - розмір зразка у напрямку розповсюдження звуку; С - швидкість звуку, С=5000 м/с; f - частота власних коливань зразка, f=25000 Гц. Якщо вимірювання розмірів зразка здійснювати штангенциркулем з ціною поділки 0,05 мм, відносна похибка вимірювання швидкості звуку при цьому складає: (3) С=L+f=0,00005/0,1+2/25000=0,05 %+0,0008 %-0,0508 % де С - відносна похибка визначення швидкості звуку; L - відносна похибка вимірювання розміру зразка у напрямку розповсюдження звуку; f - відносна похибка вимірювання частоти власних коливань зразка. В абсолютному виражені це відповідає похибці у 2,5 м/с. Аналіз складових похибки показує, що використання більш точних інструментів для вимірювання лінійних розмірів дає змогу додатково зменшити похибку вимірювання. Експериментально досягнута точність вимірювання швидкості звуку у деревині на порядок вища за висвітлену в літературних джерелах [5, 6]. Для сталі можливо досягти значно меншої тривалості удару і, відповідно, збільшити частоту власного резонансу зразка, а відтак зменшити його розмір. Більша пружність і густина сталі у порівнянні з деревиною сприяє довшому підтримуванню власних коливань зразка, а це дозволяє точніше виміряти частоту і зменшує частотну складову похибки. Додатково корисна модель дає можливість зміною розмірів зразка визначити швидкість звуку різних матеріалів на одній частоті. А також дослідити залежність швидкості звуку в матеріалі від частоти. Додатково вибором місця розташування мікрофону можна змінювати чутливість установки до коливань різних видів. Цією властивістю можна користуватись, як додатковим фільтром коливань. Джерела інформації: 2 UA 76854 U 5 10 1. ГОСТ 16 483.31-74 2. ЩЮ2.777.006 РЭ. Прибор ультразвуковой УК-14. Руководство по эксплуатации. 3. "Експериментальне визначення фізико-акустичних параметрів деревини", Доц. І.Р. Кенс, к.т.н.; С.С. Мергель, к.т.н.; О.Г. Алещенко, УкрДЛТУ; 4. Федюков В.И. Научные основы всеобщего обеспечения качества и сертификации лесоматериалов спецназначения. Автореф. дис. д.т.н. - М. обнаружения гнили в круглых лесоматериалах /Сергиенко Ю. К. - М.: Дисс. на соиск. ученой степени канд.техн.наук, 1968.179с. 6. Никишов В.Д. Исследование механических свойств древесиы неразрушающими методами /Никишов В.Д. - М.:Дисс. На соиск. Ученой степени канд.техн.наук, 1966.-192 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Пристрій для безконтактного визначення швидкості звуку в зразку матеріалу, що має форму паралелепіпеда, до складу якого входить частотомір та опорна установка, який відрізняється тим, що збудження акустичної хвилі у зразку здійснюється маятниковим механізмом, для сприймання власних акустичних коливань зразка використовується мікрофон, встановлений біля однієї з граней зразка, але без механічного контакту з нею, вихід мікрофона приєднано до входу електричного фільтра, а вхід частотоміра підключено до виходу фільтра. 3 UA 76854 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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 4