Спосіб визначення залежності швидкості розповсюдження акустичних коливань від їх інтенсивності і пристрій для його здійснення

1 Спосіб визначення залежності швидкості розповсюдження акустичних коливань від їх інтенсивності, який полягає в тому, що генерують електричні коливання, формують з них пакети електричних зондуючих коливань які перетворюють в пакети акустичних зондуючих коливань що випромінюють в досліджуване середовище, приймають пакети акустичних зондуючих коливань, що пройшли середовище, та перетворюють їх в пакети прийнятих електричних зондуючих коливань, порівнюють по фазі пакети прийнятих зондуючих електричних коливань з генерованими, виділяють постійну і змінну складові, які зменшують до досягнення ними нульового значення, і визначають залежність швидкості розповсюдження акустичних коливань за формулою, при цьому зондування середовища здійснюють декілька разів при послідовному підвищенні амплітуди, який відрізняється тим, що додатково генерують електричні опорні коливання, які мають постійну амплітуду, перетворюють їх в акустичні і випромінюють в досліджуване середовище по черзі з зондучими коливаннями, виділяють постійну складову при порівнянні по фазі прийнятих електричних опорних коливань з генерованими електричними опорними коливаннями, виділяють змінну складову при порівнянні по фазі прийнятих електричних зондуючих коливань з генерованими електричними зондуючими коливаннями, нульове значення постійної складової досягають зміненням частоти генерованих електричних опорних коливань, нульове значення змінної складової досягають зміненням частоти генерованих електричних зондуючих коливань, а залежність швидкості розповсюдження акустичних коливань Ас визначають за формулою Де Co. де f i " - частота генерованих електричних зондуючих коливань, W - частота генерованих електричних опорних коливань, со - швидкість розповсюдження акустичних коливань малої інтенсивності 2 Пристрій для визначення залежності швидкості розповсюдження акустичних коливань від УХ інтенсивності який містить генератор зондуючих коливань, трансформатор, автоматичний перемикач, електроакустичний випромінювач, електроакустичний приймач, фазовий детектор, перший фільтр нижніх частот, фільтр верхніх частот, широкосмуговий підсилювач, фазочутливий випрямляч при цьому вихід генератора зондуючих коливань з'єднаний із входом трансформатора, до виходу автоматичного перемикача послідовно приєднані електроакустичний випромінювач і електроакустичний приймач, який відрізняється тим, що він додатково містить комутатор, перший і другий підсилювач»обмежувачі, підсилювач постійної напруги, підсилювач змінної напруги, генератор опорних коливань, балансний змішувач другий фільтр нижніх частот, цифровий частотомір, мультивібратор, цифровий вольтметр, при цьому вихід трансформатора через комутатор з'єднаний з першим входом автоматичного перемикача, електроакустичний приймач через перший пщсилювач-обмежувач з'єднаний з першим входом фазового детектора, вихід автоматичного перемикача через другий пщсилювач-обмежувач з'єднаний із другим входом фазового детектора, до виходу фазового детектора приєднаний широкосмуговий підсилювач, до виходу широкосмугового підсилювача послідовно приєднані перший фільтр нижніх частот, підсилювач постійної напруги і керуючий вхід генератора опорних коливань до виходу широкосмугового підсилювача також послідовно приєднані фільтр верхніх частот, підсилювач змінної напруги, фазочутливий випрямляч і керуючий вхід генератора зондуючих коливань, до виходу трансформатора послідовно приєднані перший вхід балансного змішувача, другий фільтр нижніх частот і перший вхід цифрового частотоміра, вихід генератора опорних коливань з'єднаний із другим входом цифрового частотоміра, другим входом баланс т t to со < 6Г 34594 ного змішувача і другим входом автоматичного перемикача, до першого входу автоматичного перемикача приєднаний цифровий вольтметр, до виходу мультивібратора приєднані керуючі входи автоматичного перемикача і фазочутливого випрямляча. Винахід відноситься до області акустичних вимірювань і може бути використаний для визначення залежності швидкості розповсюдження акустичних коливань від їх інтенсивності в середовищах з різним ступенем неліжйності Відомий спосіб визначення залежності швидкості розповсюдження акустичних коливань від їх інтенсивності [Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия. - М.: Энергия, 1968 - С. 83-37], який пппягає в тому, що генерують електричні коливання, розділяють їх на опорні і зондуючі, перетворюють електричні зондуючі коливання в акустичні і випромінюють їх в досліджуєме середовище, приймають пройшовші його акустичні зондуючі коливання, перетворюють їх в електричні, вимірюють різницю фаз між прийнятими електричними зондуючими коливаннями і електричними опорними коливаннями і визначають швидкість розповсюдження акустичних коливань с за формулою с = со Utp, де со - углова частота електричних коливань; L - акустична база; Ф - вимірюєма різниця фаз порівнюємих коливань. Вимірювання різниці фаз між електричними опорними коливаннями і прийнятими електричними зондуючими коливаннями виконують при послідовному підвищенні інтенсивності електричних зондуючих коливань При цьому виникають великі амплітудно-фазові спотворення, які пов'язані з нерівністю амплітуд порівнюємих по фазі коливань. Значення таких спотворень порівняно з» інформативними змінами різниці фаз в залежності від не лінійності середовища. В компенсаційних фазовимірювальних схемах нерівність амплітуд порівнюємих коливань визиває неконтролюємий відхід "нуля" схеми порівняння, що не дозволяє виявляти і вимірювати малі зміни різниці фаз. Тому даний спосіб не завжди може забезпечити необхідну точність вимірювання. Відомий також спосіб визначення залежності швидкості розповсюдження акустичних коливань від їх інтенсивності [патент України № . 13404А, 1996 p.], який полягає в тому, що генерують електричні коливання, формують з них пакети електричних зондуючих коливань, які перетворюють в пакети акустичних зондуючих ко- ливань, що випромінюють в досліджуєме середовище, приймають пройшовші середовище пакети акустичних зондуючих коливань, перетворюють їх в пакети прийнятих електричних зондуючих коливань, порівнюють по фазі пакети прийнятих зондуючих електричних коливань з генерованими, вихляють постійну і змінну складові, які зменшують до досягнення ними нульового значення, і визначають залежність швидкості розповсюдження акустичних коливань за формулою вище згаданою, при цьому зондування середовища здійснюють декілька разів при послідовному підвищенні амплітуди. Крім того, виділяють з генерованих електричних коливань електричні опорні коливан ня, амплітуду більшого з пакетів прийнятих електричних зондуючих коливань зменшують в задану співвідношенням амплітуд пакетів кількість разів, змінюють фазу електричних опорних коливань до досягнення постійною складовою напруги нульового значення, змінюють фазу більшого з пакетів генерованих електричних зондуючих коливань до досягнення змінною складовою напруги нульового значення, зміну швидкості розповсюдження акустичних коливань &с визначають за формулою Ас = юі-фз/ Фо, де < - кутоо ва частота електричних коливань; L - шлях проходження акустичних коливань; фз - фаза генерованих електричних зондуючих коливань; Фо - фаза електричних опорних коливань. Підстройка вручну одночасно двох фазообертачів в кожному циклі вимірювання збільшує час вимірювання і є трудомісткою і незручною операцією Зчитування одночасно показань двох вольтметрів і необхідність виконання розрахунків за допомогою приведеної вище формули також збільшує час вимірювання і є трудомісткою і незручною операцією. Підстройка вручну двох фазообертачів включає в себе суб'єктивний фактор, коли оператор може встановити неправильний фазовий зсув, що приведе до додаткової похибки при вимірюванні Тому даний спосіб не завжди може забезпечити необхідну точність вимірювання. Відомий пристрій для визначення залежності швидкості розповсюдження акустичних коливань від їх інтентивності [Поляков В Е., Потапов А.И., Сборовский А.К. Ультразвуковой контроль качества конструкций. - Л.: Судостроение, 1978. - С. 153-155], який містить генератор електричних коливань, до виходу якого послідовно приєднані трансформатор, електроакустичний випромінювач, електроакустичний приймач, попередній підсилювач, фазообертач і перший вхід фазового детектора, вихід фазового детектора через фільтр нижніх частот приєднаний до індикатора, вихід генератора електричних коливань приєднаний до другого входу фазового детектора. Крім того, пристрій містить високовольтний випрямляч, приєднаний до вторинної обмотки трансформатора, електричний екран, розміщений між електроакустичним випромінювачем і електроакустичним приймачем, осцилограф і телевізійний пристрій. Наявність фазового детектора приводить до утворення великих амплітудно-фазових спотворень за рахунок того, що амплітуди електричних коливань на його входах можуть відрізнятися в декілька разів. Тому даний пристрій не завжди може забезпечити необхідну точність вимірювання. Відомий також пристрій для визначення залежності швидкості розповсюдження акустичних 34594 коливань від їх інтенсивності [патент України № 13404А, 1996 р ] , який містить генератор зондуючих коливань, трансформатор, автоматичний перемикач, електроакустичний випромінювач, електроакустичний приймач, фазовий детектор, перший фільтр нижніх частот, фільтр верхніх частот, широкосмуговий підсилювач, фазочутливий випрямляч, при цьому вихід генератора зондую-, чих коливань з'єднаний із входом трансформатора, до виходу автоматичного перемикача послідовно приєднані електроакустичний випромінювач і електроакустичний приймач Крім цього, пристрій містить перший і другий дільники напруги, перший і другий фазообертачі, другий автоматичний перемикач, дільник частоти, перший і другий індикатори, вихід трансформатора приєднаний до другого входу першого автоматичного перемикача через перший фазообертач, вихід трансформатора також приєднаний до першого входу першого автоматичного перемикача через перший дільник напруги, перший вихід другого автоматичного перемикача приєднаний до входу широкосмугового підсилювача через другий дільник напруги, другий вихід другого автоматичного перемикача приєднаний до входу широкосмугового підсилювача безпосередньо, вихід широкосмугового підсилювача приєднаний до першого входу фазового детектора, вихід трансформатора приєднаний до другого входу фазового детектора через другий фазообертач, до виходу фазового детектора послідовно приєднані фільтр нижніх частот і перший індикатор, до виходу фазового детектора також послідовно приєднані фільтр верхніх частот, фазочутливий випрямляч і другий індикатор, вихід генератора зондуючих коливань через дільник частоти приєднаний до керуючих входів першого і другого автоматичних перемикачів і фазочутливого випрямляча Роздільна здатність двох фазообертачів складає десяті, в кращому випадку соті долі градуса, що не дозволяє проводити вимірювання в середовищах із слабкою нелінійністю. Наявність двох вольтметрів потребує одночасного зняття з них показань, що збільшує час проведення вимірювання. Фазообертачі потребують ручної підстройки. що збільшує вірогідність внесення додаткових похибок. Тому даний пристрій не завжди може забезпечити необхідну точність вимірювання. В основу винаходу поставлена задача створити такі спосіб і пристрій для визначення залежності швидкості розповсюдження акустичних коливань від їх інтенсивності, в яких введення нових операцій в способі, введення нових елементів і зв'язків в пристрої дозволило б підвищити чутливість і роздільну здатність до оцінки малих нелінійностей в досліджуемих середовищах, що дозволило б виявляти скриті дефекти і структурні зміни в різних виробах і матеріалах з високою ТОЧНІСТЮ. Поставлена задача вирішується тим, що в способі визначення залежності швидкості розповсюдження акустичних коливань від їх інтенсивності, який полягає в тому, що генерують електричні коливання, формують з них пакети електричних зондуючих коливань, які перетворюють в пакети акустичних зондуючих коливань, що випромінюють в досліджуєме середовище, приймають пройшовші середовище пакети акустичних зондуючих коливань, перетворюють їх в пакети прийнятих електричних зондуючих коливань, порівнюють по фазі пакети прийнятих зондуючих електричних коливань з генерованими, виділяють постійну і змінну складові, які змен* шують до досягнення ними нульового значення, і визначають залежність швидкості розповсюдження акустичних коливань за формулою, при цьому зондування середовища здійснюють декілька разів при послідовному підвищенні амплітуди, згідно з винаходом, додатково генерують електричні опорні коливання, які мають постійну амплітуду, перетворюють їх в акустичні і випромінюють в досліджуєме середовище по черзі з зондуючими коливаннями, виділяють постійну складову при порівнянні по фазі прийнятих електричних опорних коливань з генерованими електричними опорними коливаннями, виділяють' змінну складову при порівнянні по фазі прийнятих електричних зондуючих коливань з генерованими електричними зондуючими коливаннями, нульове значення постійної складової досягають зміненням частоти генерованих електричних опорних коливань, нульове значення змінної складової досягають зміненням частоти генерованих електричних зондуючих коливань, а зміну швидкості розповсюдження акустичних коливань Де визначають за формулою Дс= со, де fi" - частота генерованих електричних зондуючих коливань; М - частота генерованих електричних опорних коливань; C - швидкість розповсюдження акустичних o коливань малої інтенсивності. Поставлена задача вирішується також тим, що пристрій для визначення залежності швидкості розповсюдження акустичних коливань від їх інтенсивності, який містить генератор зондуючих коливань, трансформатор, автоматичний перемикач, електроакустичний випромінювач, електроакустичний приймач, фазовий детектор, перший фільтр нижніх частот, фільтр верхніх частот, широкосмуговий підсилювач, фазочутливий випрямляч, при цьому вихід генератора зондуючих коливань з'єднаний із входом трансформатора, до виходу автоматичного перемикача послідовно приєднані електроакустичний випромінювач і електроакустичний приймач, згідно з винаходом, додатково містить комутатор, перший і другий підсилювачі-обмежувачі, підсилювач постійної напруги, підсилювач змінної напруги, генератор опорних коливань, балансний змішувач, другий фільтр нижніх частот, цифровий частотомір, мультивібратор, цифровий вольтметр, при цьому вихід трансформатора через комутатор з'єднаний з першим входом автоматичного перемикача, електроакустичний приймач через перший підсилювач-обмежувач з'єднаний з першим входом фазового детектора, вихід автоматичного перемикача через другий підсилювач-обмежувач з'єднаний із другим вхо 34594 дом фазового детектора, до виходу фазового детектора приєднаний широкосмуговий підсилювач, до виходу широкосмугового підсилювача послідовно приєднані перший фільтр нижніх частот, підсилювач постійної напруги і керучий вхід генератора опорних коливань, до виходу широкосмугового підсилювача також послідовно приєднані фільтр верхніх частот, підсилювач змінної напруги, фазочутливий випрямляч і керуючий вхід генератора зондуючих коливань, до виходу трансформатора послідовно приєднані перший вхід балансного змішувача, другий фільтр нижніх частот і перший вхід цифрового частотоміра, вихід генератора опорних коливань з'єднаний із другим входом цифрового частотоміра, другим входом балансного змішувача і другим входом автоматичного перемикача, до першого входу автоматичного перемикача приєднаний цифровий вольтметр, до виходу мультивібратора приєднані керуючі входи автоматичного перемикача і фазочутливого випрямляча. Зміна частот електричних опорних коливань і електричних зондуючих коливань з метою досягти зникнення постійної і змінної складових напруги, відповідно, з подальшим визначенням в залежності від частоти зондуючих і опорних коливань зміни швидкості розповсюдження акустичних коливань за формулою дозволяє визначити зміну швидкості з високою точністю, тому що вимірювання частоти також можна провести з дуже високою точністю Спостереження показань безпосередньо по табло цифрового приладу у вигляді десяткових чисел дозволяє виключити суб'єктивний фактор при їх зчитуванні. Автоматична гидстройка частот генерованих електричних зондуючих коливань і генерованих електричних опорних коливань з подальшим виводом результатів вимірювання на табло цифрового приладу скорочує час вимірювання. Введення в даному пристрої першого і другого підсилювачів-обмежувачів дозволяє привести амплітуди коливань на першому і другому входах фазового детектора до однакового рівня, що дозволяє в багато разів зменшити амплі* тудно-фазові спотворення. Введення балансного змішувача, другого фільтра нижніх частот, генератора електричних опорних коливань і цифрового частотоміра, працюючого в режимі вимірювання відношення двох частот, дозволяє повністю автоматизувати процес вимірювання і виключити ручну підстройку, а також проводити вимірювання з високою точністю, навіть в середовищах із слабкою нелінійністю. Введення цифрового частотоміра дозволяє спостерігати результат вимірювання безпосередньо на одному приладі, що зменшує час проведення вимірювань. На фігурі представлена структурна схема пристрою для визначення залежності швидкості розповсюдження акустичних коливань від їх інтенсивності. Пристрій містить генератор зондуючих коливань 1, трансформатор 2. комутатор 3, автоматичний перемикач 4, електроакустичний випромінювач 5, електроакустичний приймач б, підсилювачі-обмежувачі 7 і 8, фазовий детектор 9, широкосмуговий підсилювач 10, перший фільтр нижніх частот 11, підсилювач постійної напруги 12, генератор опорних коливань 13, балансний змішувач 14, другий фільтр нижніх частот 15, цифровий частотомір 16, фільтр верхніх частот 17, підсилювач змінної-напруги 18, фазочутливий випрямляч 19, мультивібратор 20 і цифровий вольтметр 21. Досліджуеме середовище позначено позицією 22. До виходу генератора зондучих коливань 1 підключені поспідовно з'єднані трансформатор 2, комутатор 3, перший вхід автоматичного перемикача 4, .електроакустичний випромінювач 5, електроакустичний приймач 6, підсилювач-обмежувач 7, перший вхід фазового детектора 9 і широкосмуговий підсилювач 10, до виходу якого підключені послідовно з'єднані фільтр нижніх частот 11 і підсилювач постійної напруги 12, до виходу широкосмугового підсилювача 10 також підключені послідовно з'єднані фільтр верхніх частот 17, підсилювач змінної напруги 18 і фазочутливий випрямляч 19, вихід генератора опорних коливань 13 з'єднаний із другим входом автоматичного перемикача 4, вихід автоматичного перемикача 4 з'єднаний через підсилювач-обмежувач 8 із другим входом фазового детектора 9, вихід фазочутливого випрямляча 19 з'єднаний з керуючим входом генератора зондуючих коливань 1, вихід підсилювача постійної напруги 12 з'єднаний з керуючим входом генератора опорних коливань 13, низькопотенційний вихід трансформатора 2 з'єднаний з першим входом балансного змішувача 14, другий вхід балансного змішувача 14 з'єднаний з виходом генератора опорних коливань 13, вихід балансного змішувача 14 через фільтр нижніх частот 15 з'єднаний з першим входом цифрового частотоміра 16, другий вхід цифрового частотоміра 16 з'єднаний з виходом генератора опорних коливань 13, керуючі входи фазочутливого випрямляча 19 і автоматичного перемикача 4 підключені до виходу мультивібратора 20, вхід цифрового вольтметра 21 підключений до виходу комутатора 3. Між електростатичним випромінювачем 5 і електроакустичним приймачем 6 розміщено досліджуємо середовище 22. Спосіб визначення залежності швидкості розповсюдження акустичних коливань від їх інтенсивності працює слідуючим чином. Генерують електричні зондуючі коливання Ui(t) за допомогою генератора зондуючих коливань 1: Ui(t) = Um1 COS(2 7tfjt+ фі), (1) де ft - частота генератора зондуючих коливань 1; Umi - амплітуда коливань; Фі - начальний фазовий зсув. Крім цього генерують електричні опорні коливання U2(t) за допомогою генератора опорних коливань 13: U 2 (t) s Um2 COS(2 (2) де h - частота генератора зондуючих коливань 13; Um2 - амплітуда коливань; Фг - начальний фазовий зсув. 34594 Ці коливання по черзі крізь автоматичний перемикач 4 надходять на електроакустичний випромінювач 5. В початковому положенні автоматичного перемикача 4, як показано на фигурі, електричні опорні коливання ІІгО), які мають постійну амплітуду, перетворюють в акустичні опорні коливання, які проходять крізь досліджуємо середовище 22 і приймаються електроакустичним приймачем 6. Прийняті акустичні опорні коливання перетворюють знову в прийняті електричні опорні коливання Un(t) я k Um2 c o s ( 2 tcf2t +