Спосіб визначення швидкості поширення акустичних коливань в нелінійних середовищах і пристрій для його здійснення

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля состава и структуры полимерных и композиционных материалов по скорости распространения акустических колебаний в зависимости от их интенсивности (амплитуды). Скорость распространения акустических колебаний в неоднородных и анизотропных средах в значительной мере зависит от их интенсивности (амплитуды). С увеличением интенсивности акустических колебаний начинают проявляться нелинейные эффекты, в частности, в зоне границ неоднородности, которые обуславливают изменение скорости распространения акустических колебаний. Эти изменения обусловлены нелинейной зависимостью между сближением двух упр уги х тел и силой, вызывающей такое сближение. Особенно, если неоднородности имеют криволинейную поверхность контакта. Нелинейные эффекты вызываются также зависимостью внутреннего трения материала образца от интенсивности (амплитуды) возбуждающих акустических колебаний. Известен способ определения скорости распространения акустических колебаний в нелинейных средах (см. Баранов В.М, Акустические изменения в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 156-157), заключающийся в том, что возбуждают исходные электрические колебания, преобразуют их в акустические колебания, акустические колебания излучают в исследуемую среду, принимают прошедшие среду акустические колебания, преобразуют и х в электрические колебания, измеряют амплитуду принятых электрических колебаний, изменяют частоту исходных электрических колебаний до достижения максимальной амплитуды, фиксируют эту часто ту и регистрируют периодические изменения амплитуды принятых электрических колебаний при неизменной частоте исходных электрических колебаний. Однако этот способ позволяет определять скорость распространения акустических колебаний в нелинейных средах только при одной интенсивности колебаний, которые соответствуют резонансному режиму распространения колебаний. Увеличение интенсивности исходных электрических колебаний приводит к срыву резонанса и достижению его на другой частоте возбуждающих колебаний. При этом разделение частотных (линейных) и амплитудных (нелинейных) изменений скорости распространения колебаний становится невозможным. Известен также способ определения скорости распространения акустических колебаний в нелинейных средах (смотри Бражников Н.И. Ультразвуковая фазометрия. - М.: Энергия. 1968, - с. 83-87), заключающийся в том, что генерируют исходные электрические колебания, разделяют их на опорные и зондирующие колебания, преобразуют электрические зондирующие колебания в акустические зондирующие колебания и излучают и х в исследуемую среду, принимают прошедшие ее акустические зондирующие колебания и преобразуют их в электрические зондирующие колебания, измеряют разность фаз между принятыми электрическими зондирующими колебаниями и электрическими опорными колебаниями и определяют L n= w , j где w - угло вая частота скорость распространения акустических колебаний n по формуле электрических колебаний; L - длина акустической базы; j - измеряемая разность фаз сравниваемых электрических колебаний. Для определения зависимости скорости распространения акустических колебаний от интенсивности (амплитуды) производят измерение разности фаз электрических опорных и электрических принятых зондирующи х колебаний, при этом в каждом новом цикле измерения амплитуду электрических излучаемых зондирующи х колебаний увеличивают. Из-за возрастающего неравенства амплитуд сравниваемых по фазе принятых электрических зондирующи х и электрических опорных колебаний возникают большие амплитуднофазовые искажения, размер которых сопоставим с информативными изменениями разности фаз в зависимости от нелинейности среды. В компенсационных фазоизмерительных схемах неравенство амплитуд сравниваемых колебаний вызывает неконтролируемый уход "нуля" схемы сравнения, что не позволяет обнаруживать и измерять малые изменения разности фаз. Поэтому оценка нелинейности исследуемой среды по зависимости скорости распространения акустических колебаний от их интенсивности связана с большими амплитудно-фазовыми погрешностями и низкой чувствительностью к информативным изменениям фазы акустических колебаний. Известно устройство для определения скорости распространения акустических колебаний в нелинейных средах (патент США 3538753, кл. G 01 N 29/04, 1970), содержащее генератор коротких импульсов, подключенный к нему обратимый пьезокерамический преобразователь, соединенные последовательно первый широкополосный фильтр, временной селектор, анализатор спектра, а также осциллограф, входами подключенный ко второму широкополосному фильтру и анализатору спектра. Однако это устройство не обеспечивает достоверную оценку малых нелинейностей среды распространения акустических колебаний из-за неравномерности спектрального состава возбуждающих импульсов и неравномерности частотной характеристики обратимого пьезокерамического преобразователя. Известно также устройство для определения скорости распространения акустических колебаний в нелинейных средах (см. Поляков В.Н., Потапов А.И., Сборовский А.К. Ультразвуковой контроль качества конструкций. Л.: Судостроение, 1978, с. 153-155), содержащее генератор электрических колебаний, к выходу которого подключены последовательно соединенные трансформатор, электроакустический излучатель, электроакустический приемник, предварительный усилитель, фазовращатель, вы ход которого соединен с одним из входов фазового детектора, к выходу фазового детектора через фильтр нижних частот подключен индикатор, второй вход фазового детектора соединен с выходом генератора электрических колебаний. Кроме того, оно содержит высоковольтный выпрямитель, соединенный со вторичной обмоткой трансформатора, электрический экран, расположенный между электроакустическими преобразователями, осциллограф и телевизионную установку. Устройство позволяет определять анизотропию полимерных листовых материалов по изменениям разности фаз сравниваемых колебаний по площади контролируемого материала. Однако оценить изменения скорости распространения акустических колебаний в зависимости от амплитуды электрических колебаний трудно из-за больших амплитудно-фазовых искажений в предвключенных преобразователях фазового детектора, В основу изобретения поставлена задача создать такие способ и устройство для определения скорости распространения акустических колебаний в нелинейных средах, в которых введение новых операций в способе, введение новых элементов в устройстве позволило бы повысить точность определения зависимости скорости распространения акустических колебаний в нелинейных средах от их интенсивности (амплитуды) за счет исключения влияния амплитудно-фазовых искажений и повышения чувствительности к малым изменениям фазы акустических колебаний в зависимости от изменения их скорости распространения, Поставленная задача решается тем, что в способе определения скорости распространения акустических колебаний в нелинейных средах, заключающемся в том, что генерируют исходные электрические колебания, разделяют их на опорные и зондирующие колебания, преобразуют электрические зондирующие колебания в акустические зондирующие колебания и излучают и х в исследуемую среду, принимают прошедшие ее акустические зондирующие колебания и преобразуют их в электрические зондирующие колебания, измеряют разность фаз между принятыми электрическими зондирующими колебаниями и электрическими опорными колебаниями и определяют скорость распространения акустических колебаний по формуле, при этом зондирование среды осуществляется несколько раз при последовательном увеличении амплитуды электрических зондирующи х колебаний, согласно изобретению, излучаемые электрические зондирующие колебания передаются в виде пакетов с заданным соотношением амплитуд, при этом амплитуду принимаемых электрических зондирующих колебаний синхронно с прохождением пакета с большей амплитудой уменьшают в то же заданное число раз, при сравнении по фазе принимаемых электрических зондирующи х колебаний с электрическими опорными колебаниями выделяют постоянную и переменную составляющие электрических колебаний, из которых постоянную составляющую сводят к нулю изменением фазы электрических опорных колебаний, переменную составляющую сводят к нулю изменением фазы больших по амплитуде излучаемых электрических зондирующи х колебаний, а изменение скорости распространения акустических колебаний Dn в зависимости от их амплитуды определяют по формуле где w - угловая частота электрических колебаний; jо - фаза электрических опорных колебаний; j3 - фаза больших по амплитуде излучаемых электрических зондирующих колебаний; L - путь прохождения акустических зондирующих колебаний. Поставленная задача решается также тем, что устройство для определения скорости распространения акустических колебаний в нелинейных средах, содержащее генератор электрических колебаний, к выходу которого подключены последовательно соединенные трансформатор, электроакустический излучатель, электроакустический приемник, предварительный усилитель, фазовращатель, вы ход которого соединен с первым входом фазового детектора, второй вход фазового детектора соединен с выходом генератора электрических колебаний, к выходу фазового детектора через фильтр нижних частот подключен индикатор, согласно изобретению, снабжено фильтром верхних часто т, фазочувствительным выпрямителем, вторым индикатором, вторым фазовращателем, делителем частоты, двумя делителями напряжения и двумя автоматическими переключателями, к выходу фазового детектора подключены последовательно соединенные фильтр верхних частот, фазочувствительный выпрямитель и второй индикатор, выход предварительного усилителя соединен с первым входом фазового детектора напрямую, второй вход фазового детектора соединен с выходом трансформатора через второй фазовращатель, первый автоматический переключатель включен между вы ходом трансформатора и входом электроакустического излучателя, один вход первого автоматического переключателя соединен с выходом трансформатора через первый делитель напряжения, другой вход через первый фазовращатель, второй автоматический переключатель включен между выходом электроакустического приемника и входом предварительного усилителя, один выход второго автоматического переключателя соединен с предварительным усилителем через второй делитель напряжения, другой вы ход соединен с предварительным усилителем непосредственно, управляющие входы автоматических переключателей и фазочувствительного выпрямителя соединены с генератором электрических колебаний через делитель частоты. Передача электрических зондирующи х колебаний в виде пакетов с заданным соотношением амплитуд и автоматическое уравнивание амплитуд сравниваемых по фазе пакетов принятых электрических зондирующих колебаний исключает появление амплитудно-фазовых искажений в цепи электрических зондирующих колебаний, в то же время обеспечивается заданный перепад амплитуд акустических зондирующих колебаний, что способствует возникновению возможности измерить малые изменения скорости распространения этих акустических колебаний. Периодичность в изменении амплитуды и фазы акустических зондирующи х колебаний обуславливает появление переменной составляющей на выходе фазового детектора, что позволяет легко отделить эту составляющую и произвести компенсацию информативного фазового сдвига от изменения скорости на фоне относительно большого фазового сдвига от линейной части скорости распространения. Компенсация фазового сдвига, который обуславливает постоянную составляющую в напряжении сравнения, дает возможность получить информацию о скорости распространения акустических колебаний в зависимости от интенсивности акустических колебаний. А следовательно, Связать скорость и изменение скорости с интенсивностью (амплитудой) акустических колебаний. Эти связи дают возможность контролировать состав и свойства различных материалов сложной структуры. В ведение фильтра верхних частот, фазочувстви тельного выпрямителя, второго индикатора, второго фазовращателя, делителя частоты; двух делителей напряжения и двух автоматических переключателей, определенным образом соединенных между собой и с известными элементами, а именно: к выходу фазового детектора подключены последовательно соединенные фильтр верхних частот, фазочувствительный выпрямитель и второй индикатор, выход предварительного усилителя соединен с первым входом фазового детектора напрямую, второй вход фазового детектора соединен с выходом трансформатора через второй фазовращатель, первый автоматический переключатель включен между выходом трансформатора и входом электроакустического излучателя, один вход первого автоматического переключателя соединен с выходом трансформатора через первый делитель напряжения, другой вход через первый фазовращатель, второй автоматический переключатель включен между выходом электроакустического приемника и входом предварительного усилителя, один выход второго автоматического переключателя соединен с предварительным усилителем через второй делитель напряжения, другой вы ход соединен с предварительным усилителем непосредственно, управляющие входы автоматических переключателей и фазочувствительного выпрямителя соединены с генератором электрических колебаний через делитесь частоты, позволяет повысить точность определения зависимости скорости распространения акустических колебаний в исследуемой среде за счет исключения влияния амплитудно-фазовых искажений благодаря автоматическому уравниванию амплитуд сравниваемых по фазе пакетов электрических зондирующих колебаний. Поочередное преобразование пакетов электрических зондирующи х колебаний одними и теми же измерительными преобразователями исключает влияние неидентичности их фазовых характеристик на результат сравнения. Компенсация информативного фазового сдвига пакетов колебаний по нулевому значению переменной составляющей выходного напряжения фазового детектора исключает влияние непостоянства нуля фазового детектора от уровня сравниваемых электрических колебаний. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для определения скорости распространения акустических колебаний в нелинейных средах; на фиг. 2 - эпюры электрических колебаний, поясняющие его работу. Устройство содержит генератор электрических колебаний 1, трансформатор 2, первый делитель напряжения 3, первый градуированный фазовращатель 4, первый автоматический переключатель 5, делитель частоты 6, электроакустический излучатель 7, электроакустический приемник 8, второй автоматический переключатель 9, второй делитель напряжения 10, предварительный усилитель 11, фазовый детектор 12, второй градуированный фазовращатель 13, фильтр нижних частот 14, первый индикатор 15, фильтр верхних часто т 16, фазочувствительный выпрямитель 17 и второй индикатор 18. Исследуемая среда обозначена позицией 19. Выход генератора электрических колебаний 1 через трансформатор 2 соединен со входами делителя напряжения 3 и фазовращателя 4, выходы которых через автоматический переключатель 5 соединены со входом электроакустического излучателя 7. Выход электроакустического приемника 8 через автоматический переключатель 9 соединен со входами предварительного усилителя 11 непосредственно и через делитель напряжения 10. Выход предварительного усилителя 11 соединен с одним входом фазового детектора 12, другой вход фазового детектора через фазовращатель 13 соединен с выходом трансформатора 2. К вы ходу фазового детектора 12 через фильтр нижних частот 14 подключен индикатор 15, а через фильтр верхних частот 16 и фазочувствительный выпрямитель 17 подключен индикатор 18. Управляющие входы автоматических переключателей 5,9 и фазочувствительного выпрямителя 17 через делитель частоты 6 подключены к выходу генератора электрических колебаний 1. Между электроакустическим излучателем 7 и электроакустическим приемником 8 размещена исследуемая среда 19. Способ определения, скорости распространения акустических колебаний в нелинейных средах осуществляется следующим образом. Генератор электрических колебаний 1 генерирует электрические колебания где Umr - амплитуда электрических колебаний генератора 1; wг - круговая частота; t - время. Частоту wг, выбирают в области резонанса частотной характеристики электроакустических преобразователей с целью получения максимальной крутизны преобразования электрических колебаний в акустические. С помощью трансформатора 2 производят изменение амплитуды исходных электрических колебаний в широком диапазоне с помощью масштабного преобразования: где a - коэффициент масштабного преобразования; jи - начальная фаза исходных электрических колебаний. В начале первого цикла измерения амплитуду исходных электрических колебаний устанавливают минимальной (a 1=a min), но достаточной для возбуждения слабых акустических колебаний. Масштабированные электрические колебания (2) разделяют на зондирующие и опорные. С помощью автоматического переключателя 5 формируют пакеты электрических зондирующи х колебаний. Рассмотрим сначала прохождение пакета электрических зондирующих колебаний с уменьшенной амплитудой. Электрические зондирующие колебания с уменьшенной амплитудой имеют вид где К - коэффициент масштабного преобразования делителя напряжения 3. Преобразуют электрические зондирующие колебания в акустические с помощью электроакустического излучателя 7 где Sизл - крутизна преобразования электрических колебаний в акустические в электроакустическом излучателе 7. Излучают акустические колебания в исследуемую среду. Прошедшие через среду акустические зондирующие колебания из-за конечной скорости распространения запаздывают, что приводит к их дополнительному фазовому сдвигу. Если протяженность исследуемой среды L, а скорость распространения акустических колебаний при амплитуде SизлKa 1 Umr равна n 1, то прошедшие среду акустические колебания имеют вид: где b 1' - коэффициент передачи исследуемой среды при амплитуде излучаемых акустических колебаний SизлKa 1 Umr. Принятые акустические зондирующие колебания преобразуют в принятые электрические зондирующие колебания с помощью электроакустического приемника 8 где Sпр - крутизна преобразования акустических колебаний в электрические в электроакустическом приемнике 8. æ pö ç ÷, Опорные электрические колебания дополнительно сдвигают на 90° è 2 ø в результате чего они имеют вид где j01 - показания градуированного фазовращателя 13. Опорные электрические колебания (7) сравнивают по фазе с принятыми электрическими зондирующими колебаниями (6). Сравнение осуществляют перемножением сравниваемых колебаний в фазовом детекторе 12. Постоянная составляющая, образующаяся в результате перемножения колебаний одинаковой частоты wг, имеет вид где Syc - коэффициент усиления предварительного усилителя 11; Sумн - коэффициент масштабного преобразования фазового детектора 12. Изменяют фазовращателем 13 фазу j01 электрических опорных колебаний (7) до получения нулевого значения постоянной составляющей напряжения (8), что достигается при условии Из уравнения (9) следует, что откуда скорость распространения акустических колебаний Скорость из соотношения (11) соответствуе т распространению слабых акустических колебаний. Для обнаружения нелинейности исследуемой среды электрические зондирующие колебания, которые возбуждают акустические колебания, периодически с помощью автоматического переключателя 5 подают на электроакустический излучатель 7 через фазовращатель 4, то есть не ослабляя их в К раз. Одновременно принятые электрические зондирующие колебания периодически уменьшают в то же самое число раз К. При этом изменения амплитуд излучаемых и принимаемых электрических зондирующих колебаний осуществляют синхронно, но противофазно. Благодаря этому амплитуда принимаемых электрических зондирующи х колебаний, которые сравниваются с электрическими опорными колебаниями, остается практически постоянной. В то же время амплитуда акустических зондирующи х колебаний скачкообразно изменяется в К раз. Теперь рассмотрим прохождение пакета электрических зондирующих колебаний с неуменьшенной амплитудой. Электрические зондирующие колебания с неуменьшенной амплитудой имеют вид где j31 - показание градуированного фазовращателя 4. Преобразуют электрические зондирующие колебания в акустические с помощью электроакустического излучателя 7 В момент прохождения через исследуемую среду акустических колебаний с неуменьшенной амплитудой за счет изменения скорости распространения изменяется их фазовый сдвиг. Прошедшие среду акустические колебания имеют вид где b 1" - коэффициент передачи исследуемой среды при амплитуде излучаемых акустических колебаний SизлKa 1 Umr . Dn 1 - изменение скорости распространения акустических колебаний. Принятые акустические зондирующие колебания вновь преобразуют в принятые электрические зондирующие колебания где К - коэффициент масштабного преобразования делителя напряжения 10. Электрические опорные колебания (7) сравнивают по фазе с принятыми электрическими зондирующими колебаниями (15). Постоянная составляющая, образующаяся в результате перемножения колебаний, имеет вид: Изменяют фазовращателем 4 фазу j31 электрических зондирующи х колебаний (12) с неуменьшенной амплитудой до получения нулевого значения переменной составляющей напряжения (16), что достигается при условии: Пренебрегая величиной Dn 1 в знаменателе полученного выражения (Dn 1