Устройство для измерения скорости ультразвуковых волн

Устройство для измерения скорости ультразвуковых волн

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к области исследования материалов и предназначено для измерения скорости ультразвуковьк волн в средах с большим затуханием . Цель изобретения - повыше ние точности измерения скорости ультразвуковЬгх волн за счет повьшения отношения сигнал-шум. В устройстве кроме измерения скорости по интервалу времени между максимумами огибающей преобразованного сигнала, соответствующими резонансам излучаемых частотно-модулированных ультразвуковых волн, в измерительной камере с исследуемым материалом проводится измерение скорости по задержке распространения ультразвуковых волн, когерентное накопление реализаций квантованного по амплитуде и во времени преобразованного сигнала, повьпиающее отношение сигнал-шум, а также спектральный анализ усредненной реализации преобразованного сигнала с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье. 2 ил. i (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5j)4 Ь О1 Н 5/00 erg,„,„, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ - +Oò (21) 4135549/24-28 (22) 20.10.86 (46) 30.03.88. Бнхп. № 12 (71) Уральский политехнический институт им. С.M.Êèðîâà (72) А.А.Калмыков, В.В.Кийко и А.П.Орлов (53) 534.6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 425110, кл. С 01 Н 5/00, 1973.

Авторское свидетельство СССР № 1000899, кл. G 01 Н 5/00, 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН (57) Изобретение относится к области исследования материалов и предназначено для измерения скорости ультразвуковых волн в средах с большим затуханием. Цель изобретения — повыше

„„SU„„1384961 А1 ние точности измерения скорости ультразвуковых волн за счет повышения отношения сигнал-шум. В устройстве кроме измерения скорости по интервалу времени между максимумами огибающей преобразованного сигнала, соответствующими резонансам излучаемых частотно-модулированных ультразвуковых волн, в измерительной камере с исследуемым материалом проводится из.мерение скорости по задержке распространения ультразвуковых волн, когерентное накопление реализаций квантованного по амплитуде и во времени преобразованного сигнала, повышающее отношение сигнал-шум, а также спектральный анализ усредненной реализа- . ции преобразованного сигнала с помощью алгоритма быстрого преобраэова" ния Фурье. 2 ил.

1384961

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью ультразвуковых колебаний и может быть применено для измерения скорости акустических волн в средах с большим затуханием.

Цель изобретения — повышение точности измерения скорости распространения ультразвуковых волн в средах с большим затуханием за счет повышения отношения сигнал-шум.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — эпюры напряжений и законы изменения частот сигналов, поясняющие работу устройства., Устройство содержит последовательно соединенные модулятор 1, высокочастотный генератор 2 перестраиваемой частоты, усилитель 3 мощности, излучающий преобразователь 4, измерительную камеру 5, приемный преобразователь 6, усилитель 7 напряжения, смеситель 8, фильтр 9 нижних частот, аналого-цифровой преобразователь 10, вычислитель 11 и индикатор 12. Выход высокочастотного генератора 2 перестраиваемой частоты соединен с первым входом смесителя 8, а второй вход аналого-цифрового преобразователя 10 соединен со вторым выходом модулятора 1.

Устройство работает следующим образом.

В модуляторе 1 формируется аналоговый сигнал пилообразной формы, поступающий на высокочастотный генератор 2 перестраиваемой частоты и изменяющий его частоту по закону несимметричной пилы (Е,. на фиг. 2а) .

Электрический сигнал с выхода высокочастотного генератора 2 перестраивае-. мой частоты, усиленный усилителем 3 мощности, поступает на излучающий преобразователь 4, установленный в измерительной камере 5. Излучающий преобразователь 4 преобразует электрический сигнал в акустический, который распространяется в исследуемом веществе и воздействует на приемный преобразователь 6. На выходе приемного преобразователя 6 выделяется электрический сигнал, представляющий аддитивную смесь шумовой и полезной компонент. Выходной сигнал приемного преобразователя 6, усиленный усилителем 7 напряжения до необходимой величины, обеспечивающей линейный по амплитуде режим работы смесителя 8, подается на второй вход смесителя 8, на первый вход которого поступает сигнал с выхода высокочастотного генератора 2 перестраиваемой частоты.

Частота полезной компоненты сигнала (f, и f; на фиг. 2а), присутствующего на втором входе смесителя 8, изменяется по тому же закону, что и частота излучаемого сигнала (f на фиг. 2а), присутствующего на первом входе смесителя 8, однако полезная компонента сигнала, присутствующего на втором входе смесителя 8, запаздывает на величину а (фиг.2а) отно3 сительно сигнала, присутствующего на первом входе смесителя 8. В результате перемножения этих сигналов на выходе смесителя 8 образуется преобразованный сигнал, частота которого

f =jf„- f / (фиг. 2б) пропорциональна величине . Различным временам распространения акустических волн будут соответствовать различные зна-. чения частот Е . Амплитуда преобра1 зованного сигнала возрастает при резонансе в исследуемом веществе, который наступает в том случае, когда на длине измерительной камеры, заполняемой исследуемым веществом, укладывается целое число ультразвуковых полуволн зондирующего сигнала.

Сигнал, образующийся на выходе смесителя 8 (фиг. 2в — случай малого затухания акустических волн, фиг.2г— случай большого затухания акустических волн), фильтруется фильтром 9 нижних частот, полоса которого выбра40 на таким образом, чтобы пропустить преобразованный сигнал с широким диапазоном fg, (что соответствует широ1 кому диапазону скоростей продольных волн исследуемых веществ), не иска45 женным по амплитуде, и не пропускать сигналы с частотами f„, f,,f„ + f и другими комбинационными составляющими. С выхода фильтра 9 нижних частот преобразованный сигнал (фиг.2в

50 и 2г) подается на аналого-цифровой преобразователь 10, на второй вход которого поступают импульсы тактовой частоты со второго выхода модулятора 1 (фиг. 2д), осуществляющие дис55 кретизацию преобразованного сигнала во времени. В момент действия импульсов тактовой частоты происходит квантование преобразованного сигнала по амплитуде (фиг. 2е). Отсчеты сигнала.

1384961 в цифровой форме поступают в вычислитель 11. B вычислителе 11 осуществляется цифровая обработка реализаций преобразованного сигнала биений, результаты которой отображаются на экране индикатора 12.

Цифровая обработка осуществляется следующим образом. На первом этапе делается когерентное накопление реализаций преобразованного сигнала по периодам модуляции для увеличения отношения сигнал/шум до уровня, обеспечивающего заданную точность измерения. На втором этапе осуществляется измерение продольных волн по временному интервалу между соседними максимумами огибающей квантованного преобразованного сигнала, которые соот ветствуют соседним акустическим ре- 2О зонансам продольных волн в исследуембм веществе. Полученная при этом оценка скорости используется в дальнейшем для идентификации спектральной составляющей, которая соответствует 25 пришедшей через исследуемое вещество продольной волне. На третьем этапе усредненный квантованный во времени и по амплитуде преобразованный сигнал подвергается спектральному акали- у» эу с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье с целью увеличенияточности оценки скорости продольных волн.. Результаты обработки отобража-. ются на индикаторе 12.

Измерение дополнительного инфор35 мационного параметра — задержки распространения упругих колебаний — осуществляется совместно с когерентной обработкой реализаций преобразован- 4О ного сигнала, повышающей отношение сигнал-шум, и, следовательно, точность измерений. Кроме того, осуществляется измерение скорости продоль ной волны IIQ соседним McIKcH MGM оги- 45 бающей преобразованного сигнала, соответствующим резонансам продольной волны в исследуемом веществе или горной породе. Эта оценка скорости используется для идентификации информативной спектральной составляю". щей при спектральном анализе преоб.разованного сигнала, что обеспечивает высокую достоверность измерений.

Измерение дополнительного информационного параметра приводит к тому, что нестабильность коэффициентов усиления и фазовых характеристик блоков (узлов) не влияют на точность измерений, так как информационный параметр связан с частотой преобразованного сигнала.

Частота преобразованного сигнала

fg связана со скоростью V акустических волн в исследуемом веществе соотношением и = . = g —, Я (1) аР где» =-„- — крутизна изменения частоты излучаемого сигнала; — геометрическая длина, расстояние между принимающим и излучающим преобразователями;

IIP — девиация частоты зондирующего сигнала, 6 F = н

Ф

Т вЂ” период модуляции зондирующего сигнала.

Потенциальная точность определения скорости акустических волнб„ (V) с использованием дополнительного информационного параметра — времени с задержки распространения упру1 гих колебаний, при большом индексе модуляции определяется соотношением

1 2 т 2

Gïoò® = — 6 щ, (f ) = — х к (с.»,)= — — —— (2) пот g р, < °

% где G„, () и б „, () — соответственно точности определения частоты преобразованного сигнала и задержки .

Из (2) следует, что точность тем выше, чем больше отношение сигналшум и полоса частот излучаемого сигнала (при большом индексе модуляции полоса линейно-частотного модулированного сигнала равна его девиации).

Величина ЬР ограничена полосой про3 пускания пьезопреобразователей. Поэтому в устройстве высокая точность измерения скорости обеспечивается наряду с использованием наиболее широкополосных пьезопреобразователей путем увеличения отношения сигналшум. Для этого осуществляется когерентное накопление реализаций преобразованного сигнала длительностью в один период модуляции излучаемого сигнала. Реализация сигнала на выходе смесителя 8 (большое затухание уп-ругих колебаний на фиг. 2г) представляет собой аддитивную сумму по1384961 лезной составляющей преобразованного сигнала, повторяющуюся.в каждом периоде модуляции и шумовой компоненты, источниками которой являются собственный тепловой шум приемного тракта (усилителя 7 напряжения и смесителя 8) и акустический шум исследуемой среды. Известно, что внутриприемный шум является стационарным нормальным белым шумом. Относительно акустического шума известно, что спектр его занимает диапазон частот от единиц герц до единиц мегагерц.

Полоса пропускания по уровню 0,707 приемного преобразователя 6, который является совместно с излучающим преобразователем 4 самым узкополосным звеном в тракте формирования и приема высокочастотного частотно-модули- 20 рованного сигнала, имеет в устройстве значение 500 кГц. Таким образом, акустический шум можно считать стационарным нормальным белым шумом с нулевым средним. При таких условиях 25 обеспечивается эффективное накопление преобразованного сигнала. Увеличение отношения сигнал-шум прямо пропорционально количеству усреднений преобразованного сигнала биений rio 0 периодам модуляции. Накопление удается выполнить благодаря тому, что фазовая структура преобразованного сигнала жестко синхронизирована с пачками тактовых импульсов, поступающих с модулятора 1 на.аналого-цифро35 вой преобразователь 10.

В усредненной по периодам модуляции реализации преобразованного сигнала алгоритм находит два соседних 4 максимума огибающей. По этим максимумам, соответствующим резонансам акустических волн в исследуемом веществе, определяют скорость продольных

+ акустических волн. Вычисление осуще- 45 ствляют по формуле

Ч=Е/Т, (З) где Т вЂ” временной интервал между максимумами преобразованного сигнала, определяемый по формуле T=N дй, 50 где М - число точек между максимумами огибающей преобразованного сигнала;

М вЂ” временной дискрет между отсчетами реализации преобразованного сигнала (определяется частотой тактовых импульсов).

Произведя таким образом "грубую" оценку скорости продольных волн, далее преобразованный сигнал подвергают спектральному анализу с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье, в результате чего получают линейчатый спектр реализации преобразованного сигнала. При этом реальные частоты fg; спектральных компонент преобразованного сигнала связаны с нормализованными частотами f, спектра соотношением

Й@ =f; /b t ° (4)

Для обеспечения высокой точности оценки частоты с помощью быстрого преобразования Фурье увеличивается число точек в.анализируемой реализации преобразованного сигнала за счет нулевых отсчетов, что приводит к получению.интерполированных оценок спектральных компонент и, кроме того, уменьшается интервал ht дискретизации во времени преобразованного сигнала в аналого-цифровом преобразователе 10.

Поскольку преобразованный сигнал является многокомпонентным из-за того, что в исследуемой среде распространяются колебания различных типов (продольные, поперечные и прочие колебания), то в результате спектрального анализа получается набор оценок задержек распространения упругих колебаний:

Г =f

Тм (5) дЬ"

На следующем этапе используется оценка скорости продольной волны,. полученная из анализа временного положения резонансных максимумов оги».. бающего преобразованного сигнала, для идентификации спектральной составляющей, связанной с продольными упругими колебаниями. В случае резко неоднородной среды (что характерно для горных пород) принимается во внимание тот факт, что продольная волна, имеющая самую высокую скорость, обозначится в спектре преобразованного сигнала как первый спектральный мак симум на частоте Я». Вычислив с по-, мощью соотношений (4) и (5) задержку с *, соответствующую данной частоте f, Э скорость продольной волны определяют по формуле

7= Р/с + (6) где Р— расстояние между излучающим и принимающим преобразователями, считается известным, 1384961

В спектре сигнала биений содержится также информация о скорости ультразвуковых вопя других типов, идентификация этих волн связана с кон5 кретным исследуемым веществом.

Результаты отображаются на индикаторном устройстве в виде графического изображения спектра преобразованного сигнала и числовых данных, соответствующих измеренным значениям продольной скорости.

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости ультразвуковых волн, содержащее измерительную камеру, высокочастотный генератор перестраиваемой частоты, излучающий и приемный преобразовате- -gp ли, установленные в измерительной камере, усилитель напряжения, вход которого подключен к выходу приемного преобразователя, и индикатор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений для сред с большим затуханием, оно снабжено модулятором, усилителем мощности, последовательно соединенными смесителем, фильтром нижних частот, аналого-цифровым преобразователем и вычислителем, выход высокочастотного генератора перестраиваемой частоты соединен с первым входом смесителя и с входом усилителя мощности, выход которого подключен к входу излучающего преобразователя, первый выход модулятора соединен с входом высокочастотного генератора перестраивае- . мой частоты, второй выход — с вторым входом аналого-цифрового преобразователя, выход вычислителя подключен к входу индикатора, а выход усилителя напряжения — к второму входу смесителя.

1384961

Ьц

Составитель Г.Максимочкин

Редактор А.Ревин Техред М.Ходанич Корректор М.Демчик

Заказ 1402/37 Тираж 524 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производс"венно-полиграАическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4