Устройство для измерения скорости ультразвука

Устройство для измерения скорости ультразвука

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может найти применение в различных отраслях промышленности при контроле физико-механических свойств по скорости распространения ультразвука. Целью изобретения является повьшение точности измерений за счет увеличения разности смешиваемых частот при компенсационном методе. Перед смешиванием прошедших акустическую ячейку зондирующих импульсов одни из них задерживают на время, большее времени прохода сигнала через акустическую ячейку . При зтом смешивают сигналы, соответствующие разным зондирующим имп ;льсам, что увеличивает разность смешиваемых сигналов. 2 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (59 4 С 01 Н 5/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

NCFC6

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ й," ; 13

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ "@ ИОКИ.. (21) 4009419/25-28 (22) 16. 12. 85 (46) 30.03.88. Бюл. У 12 (71) ЛГУ им. А.А.Жданова . (72) А.И.Недбай (53) 531.717.11 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 735989, кл. G 01 Н 5/00, 1980. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА

Яковлев Л.Я., Шевелько М.М., Несмашная О.М. Ультразвуковой прибор для определения характеристик пьеэокерамики. — Дефектоскопия, 1979, У 5, с. 70, „.SU,» 1 4959 А 1 (57) Изобретение относится к нераэрушающему контролю и может найти применение в различных отраслях промышленности при контроле физико-механических свойств по скорости распространения ультразвука. Целью изобретения является повышение точности измерений за счет увеличения разности смешиваемых частот при компенсационном методе. Перед смешиванием прошедших акустическую ячейку зондирующих импульсов одни из них задерживают на время, большее времени прохода сигнала через акустическую ячейку. При этом смешивают сигналы, соответствующие разным зондирующим импульсам, что увеличивает разность смешиваемых сигналов. 2 ил.

1384959

Изобретение относится к неразру.— шающему контролю и может найти применение в различных отраслях промышленности при контроле физико-механи5 ческих свойств по скорости распространения ультразвука.

Цель изобретения — повышение точности измерений за счет уменьшения разности частот компенсации., 10

На фиг.1 и фиг.2 изображены схемы устройства для измерения скорости ультразвука.

Устройство для измерения скорости ультразвука содержит последовательно 15 соединенные генератор 1, стробирующий усилитель 2 и акустическую ячейку 3, последовательно соединенные приемный усилитель 4 и индикатор 5, частотомер 6, соединенный с генера- 20 тором 1, и генератор 7 строба, соединенный со стробирующим усилителем

2, линию 8 задержки со временем задержки, большим максимально воз- можного времени прохода акустичес-)25 кой ячейки 3 ультразвуком, включенной между выходом акустической ячейки 3 и входом приемного усилителя 4, причем выход стробирующего усилителя 2 соединен с входом приемного 30 усилителя 4, или включенной между выходом стробирующего 2 и приемного 4 усилителей, а выход акустической ячейки 3 соединен с входом приемного, усилителя 4.

Устройство для измерения скорости ультразвука работает следующим образом.

Стробирующий усилитель 2 открывается парами импульсов генератора 7 gp строба и формирует из сигнала генератора 1 пары зондирующих прямоугольных радиоимпульсов с когерентным заполнением. Зондирующие радиоимпульсы поступают на входы линии 8 задержки и акустической ячейки 3, где преобразовываются электроакустическими преобразователями в ультразвуковые импульсы. В образце ультразвуковые импульсы многократно отражаются от пло- 50 скопараллельных границ образца и преобразовываются приемным преобразователем акустической ячейки 3 (приемный и излучающий преобразователь при работе "на отражение" может быть сов-55 мещенныи) в серию радиоимпульсов.

Таким образом, от каждой из пар зондирующих радиоимпульсов на вход приемного усилителя 4 поступают эхо-импульсы от образца (а если акустическая ячейка 3 содержит волноводы, то и эхо-импульсы из волноводов) и задержанный в линии 8 задержки радиоимпульс. Эти радиоимпульсы можно наблюдать на экране осциллографа, а меняя задержку между видеоимпульсами генератора 7 строба, можно изменять задержку между эхо-импульсами от второго зондирующего радиоимпульса и задержанным в линии 8 задержки радиоимпульсом от первого зондирующего и добиться наложения интересующего нас эхо-импульса на задержанный радиоимпульс °

При изменении частоты генератора 1 наблюдается интерференция наложенных импульсов. Наиболее точно можно определять противофазность интерферирующих импульсов по минимуму суммарного сигнала при изменении частоты и соотношения амплитуд видеоимпульсов. Частоты противофазности (частоты компенсации) измеряются частотомером б.

Для определения скорости ультразвука измеряют частоты компенсации задержанного радиоимпульса с m-м . е и 1-м эхо-импульсами (m>l): f, f è

III

° -.и ь ))+( причем эти частоты выбирают удовлетворяющие условиям

Условия противофазности для этих частот выглядят следующим образом: ((> -(2m-1) r)f к + 4(f")

-2(щ-1)Ч(Кк) = k — 1/2;1 ()) . (1) () — (21-l)t) f„+ Ф(Е„)

/ е с

2(1 1)q(f„) = п 1/2;

В г с — (21-1)() f„„+ e(f I, )-2(1-1)Cp(f„) = и + 1/2, где (— время прохождения ультразвуковых колебаний через образец; — время задержки линии 8 задержки;

e(f) — сумма фазовых сдвигов, обусловленных преобразованием электрических колебаний в ультразвуковые и обратно в электрические, задержками сигналов в электрических цепях;

1384959

Также возможно экспериментально определить q(f) в диапазоне частот.

Для этого проводят измерения при ра5 боте на "отражение и определяют влияние приклеенного к свободному торцу образца идентичного преобразователя при работе на "прохождение". Затем, поменяв функции излучающего и приемного пьезопреобразователей, определяют различие y(f) для пьезопреобразователей.

Для расчета абсолютных .значений скорости ультразвука выбирают в полосе работы пьезопреобразователей диапазон частот, измеряют на ка:кдом крае этого диапазона по три компенса ционные частоты: две частоты компенсации ближнего 1-ro эхо-импульса с

2р задержанным опорным радиоимпульсом и одна частота компенсации этого сигнала с m-м эхо-импульсом. Причем частоты компенсации выбирают удовлетворяющие условиям

25 где С вЂ” скорость ультразвука;

d — толщина образца; и и k — целые числа.

Целые числа и и k определяют по

1» ttl частотам компенсации f„, f u

f.„,;, f„; . Пренебрегая малыми e(f) 35 с., е и q(f), находим из условий противо»\ Ю фазности для f„ и f„

40 (8) в

45 ((f) — фазовый сдвиг ультразвуковой волны при отражении от границы образец — преобразователь.

Соотношение фаз при интерференции

»)

1-го импульса на частоте f при условии линейности изменения O(f) на с е малом частотном диапазоне f, -f„ с учетом (2) и (3) можно записать следующим образом: (Е -(21-1)2)Е„+Ф(Ец) е» Е (4)

-(21-1)q(f „) = и-1/2 + -г" »+1 »

Из (1) и (4) следует, что

2 (m-1)(f к — 2(1-m)q () к) е

fК f»

= -n-k + -т — — е., f»if f» а скорость ультразвука определяют по формуле .

2(m-1)d

Е„- „ г

Е»

n-k+-у — -"-à — 2(m 1)ч(fк) »„- » (2ш-1)а = 2)/(Е„, -К „) Подставив значение с .-(2ш-1)с (4), получим

1»

K+j - К-J

Вычисленную по этой формуле величину необходимо округлить с учетом фазовой характеристики преобразователя до целого числа.

Фазовый сдвиг ультразвуковой волны при отражении от границы образец— преобразователь близок к нулю при использовании кварцевых преобразователей на их резонансной частоте. Поэтому измерение скорости необходимо производить на частотах вблизи резонансной частоты использованных преобразователей.

Условия противофазности для частот f è f.„, а также соотношений фаз между интерферирующими опорным радиоимпульсом и 1-и эхо-импуль») УЧ сом на частотах Йк и f.„, будут иметь следующий вид:

1» (

»l fk- f»

«q(f ) = п-1/2 + -г — — q

f„, -f„ (2)-(2m-1) 7Е„",„+Ф(Е"„,„)-2(m-1) (9)

«q(f „,„) = k+k-1/2;

Ь -(2m-1)7) f (к",. )е

hl

-2 (1-1)cg (f „, „) =n+N-1/2 + -j."- -" — -у- "-,(10) »+й Ф1- Е) ФМ

При этом предполагалась линейность частотной зависимости на каждом краю выбранного частотного диапазона. Из этих соотношений нетрудно получить выражение для определения скорости ультразвука:

2 (m 1)е1 (к+К к )

f»Ô» »+«Е М »

N-k t- —: — -y — — - -: — j -г

Г» И.Ф »,«2 Г»+ 4»

1384959

2(m-1) d

1 п+ — fn к+к к (12}

2(m-1) 4

С вЂ” — — — — ——

N (14) bC

45

6 "о Цк

ЬС < + о

С о (13) Ь|к

7 к о к где N H k — число частот компенсации между соответственно f +ö и к+к и к а + = (и -1}f9(f ê ê } (к}

При подключении линии 8 задержки между выходом акустической ячейки 3 и входом приемного усилителя 4 влияние фазового сдвига уменьшается в зависимости от величины и места выбора относительно резонансной частоты ис- 10 пользованного преобразователя.частот1Tl щ ного диапазона Е„„„- Е„. Так как q(f) является ограниченной по величине функцией, то при выборе f +„- f „, например, в 10 раз меньше величины

f уменьшается не менее, чем в

10 раз. Выбор частотного диапазона

Ек+к -Е вдали от резонанса преобразователя приводит также к уменьшению погрешности измерений, так как в 20

de(f) этом случае — — — имеет меньшее

3Г значение, чем вблизи резонанса;

В том случае, когда в устройстве используется линия задержки со эна- 25 .чительным временем за„пержки — c >>, а fÄfÄ EE f „„= f„+>, то фазовые сдвиги имеют близкие значения, и расчет скорости может быть проведен по

I формуле 30

При проведении относительных измерений скорости ультразвука, например изменения скорости при изменении температуры образца, следят за изменением какой-либо частоты компенсации, 40 например f „ (для упрощения обозначений f„ Е f„), а для расчета можно использовать формулу, полученную дифференцированием: где с, — время распространения ультразвукового импульса при на- 50 чальной температуре.

Так как частота заполнения ультразвуковых импульсов отклоняется значительно меньше от первоначальной выбрацной частоты компенсации f„ (в раза), то фазовые сдвиги

0 о оказывают в соответствующее количество раэ меньшее влияние на точность относительных измерений. Точность же установки частот компенсаций, а вместе с ней и точность определения скорости ультразвука в предлагаемом устройстве значительно повышается по сравнению с точностью в известных устройствах. Это связано с тем, что, если в известных устройствах интервал частот между соседними частотами компенсаций равен 1/2 с, то в предлагаемом устройстве, например, при регистрации частот компенсаций задержанного линией задержки радиоимпуль, — .

1 са и второго эхо-импульса—

Зс

Ъ.

Погрешность же установки частот компенсаций пропорциональна интервалу частот между соседними компенсационными частотами и, таким образом, в предлагаемом устройстве повышается точность в зависимости от соотношения между временем распространения ультразвуковых импульсов в образце и временем задержки линии 8 задержки.

При подключении линии 8 задержки между выходом акустической ячейки 3 и входом приемного усилителя 4 радиоимпульсы, прошедшие акустическую ячейку 3 и линию 8 задержки, смешиваются на входе приемного усилителя 4 с зондирующими импульсами последующих периодов. Методика измерений и расчетные формулы не изменяются.

При а Г расчет скорости может производиться по упрощенной формуле

Расчетная формула для определения относительных изменений скорости имеет следующий вид; где ЬС вЂ” изменение скорости;

6Й„ — изменение, например с температурой, частоты компенI сации f„.

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости ультразвука, содержащее последовательно соединенные генератор, стро1384959

Фиг. 2

Составитель А.Олохтонов

Техред М.Ходанич . Корректор А.Обручар

Редактор А.Ревин

Заказ 1402/37 Тираж 524 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 бирующий усилитель и акустическую ячейку, последовательно соединенные приемный усилитель и индикатор, частотомер, соединенный с генератором, и генератор строба, соединенный со стробирующим усилителем, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено электрической цепью, соединяющей выход стробирующего усилителя и вход приемного усилителя, и линией задержки с временем задержки, большим максимально возможного времени прохода акустической ячейки ультразвуком, включенной в электрическую цепь или включенной между входом приемного усилителя и выходом акустической ячейки.