Устройство для измерения скорости распространения акустических колебаний в твердых телах

Устройство для измерения скорости распространения акустических колебаний в твердых телах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости распространения акустических колебаний в твердых телах, в частности в звукопроводах акустоэлектронных систем. Цель изобретения - сокращение времени измерений за счет автоматизации изменения частоты колебаний. Для плавной перестройки частоты генератора 4 непрерывных колебаний с отслеживанием процесса компенсации сигналов акустических приемников В и 9, фиксацией момента компенсации и выдачей частотомеру 6 команды на измерение частоты компенсации устройство снабжено детектором 12, схемой И 13, генератором 14 стробируемых видеоимпульсов, А1Ш 15, схемой 16 сравнения и формирователем 17 ступенчатого напряжения. Предлокены структурные схемы формирователя 17 ступенчатого напряжения и схемы 16 сравнения. 2 з.п. ф-лы, 4 ип. (Л

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (И) {51)4 С 01 Н 5 00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И 01НРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ °

К А ВТОРСНОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4298122/25-28 (22) )4.08.87 (46) 15.03.89. Вил. ?"- 10 (71) Ленинградский электротехнический институт им. В. И. Ульянова (Ленинаа) (72) Л. А. Яковлев, ?). N. 1))евелько, С. Г. Яковлев, А. 19, Дряхлов и Л. С. Хмелев (53) 534. 22 (088. 8) (56) Алексеенко А. Г., Коломбет E,А,, Стародуб Г. И. Применение прецизионHbfx аналоговых микросхем. И.: Радио и связь, 1985, с. 69-82.

Milliams I., Lamb Е. On the measurement of ultrasonic velocity in

solids. — I. Acoust. Soc. Am., 1958, ч. 30, п. 4, р. 308 313. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗ? ПРЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ . КОЛЕБАНИЙ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости распространения акустических колебаний в твердых телах, в частности в звукопроводах акустоэлектронных систем.

Цель изобретения — сокращение времени измерений за счет автоматизации изменения частоты колебаний, Для плавной перестройки частоты генератора 4 непрерывных колебаний с отслеживанием процесса компенсации сигналов акустических приемников 8 и 9, фиксацией момента компенсации и выдачей частотомеру 6 команды на измерение частоты компенсации устройство снабжено детектором 12, схемой

И )3, генератором 14 стробируемых видеоимпульсов, АЦП 15, схемой 16 сравнения и формирователем 17 ступенчатого напряжения. Предложены структурные схемы формирователя 17 ступенчатого напряжения и схемы 16 сравнения. 2 з.п. ф-лы, 4 ин. з 146571 вторым входом — вход элемента 26 задержки, а выходом — выход ЦАП 28.

Устройство работает следующим образом.

По сигналам генератора 1 тактовых

5 импульсов (фиг. 2а) генераторы 2 и 3 прямоугольных видеоимпуль сов вырабатывают импульсы, которые подаются в на первый вход модулятора 5. Иодуля- !о тор 5 вырезает из непрерывных колебаний, поступающих на второй вход от высокочастотного генератора 6, два кваэигармонических радиоимпульса * (фиг. 2б), которые подаются на излучатель 7 акустической системы 19.

Акустические сигналы, прошедшие пути

1„и 1б в исследуемом образце 21, поступают на приемники 8 и 9, преобразуются в электрические и через усипи- 20 тель 10 подаются на второй вход осциллографа 1 и вход детектора 12 (фиг. 2в). При равенстве задержки прямоугольных видеоимпульсов друг относительно друга и времени распрост- 26 ранения сигнапа на пути 1 — 1, первый поступивший на приемник 9 радиоимпульс накладывается на второй радиоимпульс, поступивший на приемник 8.

Наложение сигналов фиксируется по эк- !и рану осциллографа 11. В детекторе 12 выделяются огибающие всех сигналов, прошедших через акустическую систему

19 (фиг. 2г), полученные видеоимпульсы поступают на первый вход АЦП !5, 35 функциональное назначение которого состоит в преобразовании аналогового сигнала в цифровой образ. На второй вход АЦП 15 поступают короткие импульсы генератора 14, задержка кото- 4О рых относительно импульсов генератора 1 регулируется так, чтобы они располагались в середине наложенных импульсов (фиг. 2д), благодаря чему

АЦП 15 производит запоминание на время, необходимое для аналого-цифрового преобразования, амплитуды только компенсируемого сигнала и преобразует эту амплитуду в цифровой двоичный код.

Поскольку амплитуда компенсируемого сигнала и ее цифровое представление зависят от частоты, задача состоит в такой регулировке частоты, чтобы амплитуда стала минимальной. С этой целью в устройстве использован генератор 4 непрерывнык гармонических колебаний, частота которого может изменяться при подаче иа его вход

4 аналогового напряжения различной величины. Дпя работы предлагаемого устройства удобно использовать ступенчатое напряжение, создаваемое формирователем 17. Последний управляется импульсами генератора !, прошедшими через схему И 13, на его первый вход, поэтому временная продолжительность каждой ступеньки, в течение которой частота генератора 4 будет постоянной, равна периоду повторения сигналов генератора 1 (фиг. 2ж) . При переходе к следующей ступеньке частота приобретает малое приращение — такое, что относительное изменение частоты существенно м еньше по грешно сти изм ерений. Изменение (увеличение) частоты генератора 4 происходит до тех пор пор, пока кодовое представление амплитуды компенсируемого сигнала не достигнет минимального значения. Положение минимума устанавливается с помощью схемы 16 сравнения по изменению знака приращения уровня компенсирующего сигнала. Схема 16 сравнения при получении на втором входе импульса, вырабатываемого АЦП 15 по окончании преобразования (фиг ° 2е), осуществляет считывание и запоминание с первого выхода АЦП 15 информации об амплитуде компенсируемого сигнала, соответствующей некоторой m-й ступеньке изменения частоты, и сравнивает ее с информацией об амплитуде, соответствующей предыдущей, (m-1)-й ступеньке. Если m-e значение амплитуды не больше (m-l )-ro, то на выходе схемы сравнения сохраняется уровень логической единицы, который разрешает прохождение импульсов генератора 1 через схему И 13 на входы формирователя 17 ступенчатого напряжения и генератора 14 стробирующих видеоимпульсов . После очередного такта работы устройства схема 16 сравнения считывает (m+I)-e значение амплитуды, сбрасывая информацию об (m-1)-й значении, и теперь уже сравнивает (m+I)-e u m-e значения амплитуд. Так продолжается до тех пор, пока очеред" ное значение амплитуды не превысит предыдущее. В этом случае на выходе схемы ) 6 сравнения устанавливается уровень логического нуля (фиг. 2э), запирающий схему ИЛИ 13 и останавливающий работу формирователя 17, генератора 14 стробирующих видеоимпульсов и АЦП 15. Одновременно запу146571

ЗО скается частотомер 6, который по окончании счета вырабатывает импульс

"Конец счета", сбрасывая формирователь 17 в начальное состояние, и выводит на индикатор информацию о значении частоты компенсации.

Для проведения повторных измерений необходимо снять сигнал запрета с второго входа схемы И 13, т.е. ус- 10 тановить на выходе схемы 16 сравнения уровень логической единицы (фиг. 2к).

При этом во все разряды регистров 22 и 23 памяти схемы 16 сравнения записывается логическая единица и сравне- 15 ние двух одинаковых чисел дает на выходе схемы также уровень логической единицы. Кроме того, при первом считывании информации с выхода А?(П 15 схема 16 сравнения осуществляет срав- 2р нение первого значения амплитуды компенсирующего сигнала с максимальным числом (во всех разрядах единицы)„ что не изменяет ее выходного состояния. Для последующих тактов, начиная с второго, работа устройства аналогична описанному. (Рассмотрим теоретические соотношения, используемые при определении ( скорости акустических волн.

Считая сравниваемые сигналы гармоническими, результат их сложения можно представить в виде

6 где и = О, 1, 2,...;

К = 2 7i(fn/V.

Отсюда (3) Измерив две соседние частоты компенсации, находим

df = V/(1, — 1,). (4) Здесь df = f „,„- f Величина М не зависит от частоты, поэтому ее можно находить усреднением по большому числу частот компенсации (до 20 и более) . Отсюда легко получить расчетную формулу для характерного числа

2n + 1, имеющего смысл нечетного числа полуволн, укладывающихся иа пути

1s 1а (5) 2п + 1 = 2 fn/af

2 fn (le. — 1„) 2n+ 1 (6) Результат вычисления по формуле (5) округляется до ближайшего нечетного числа. Расчетная формула для искомой скорости А sin (i - ц« -К1 ) + В sin (u>t— ц„р — Kl„) = i1А +В +2АВ cos Kils-1„)"

sin (ut — ц„р — Ы ), (1} где А„ В - амплитуды сравниваемых сигналов; (» = 2 Г f - круговая частота; и .— время;

К = i» /V — волновое число;

V - скорость измеряемой волны; 4>

М вЂ” суммарный фазовый сдвиг, создаваемый при преобразовании электр)ического сигнала в акустический и обратно акустического сигнала в электрический;

А вхп Kls + В зла Kl

t d

А cos Kls+ В cos Kl

Видно, что амплитуда суммарного сигнала достигает минимального значения при K (1 -1 ) =й(2п+ l) (2) Формула изобретения. 1. Устройство для измерения скорости распространения акустических ко лебаннй в твердых телах, содержащее генератор гактовых импульсов, первый и второй генераторы прямоугольных видеоимпульсов, генератор непрерывных колебаний, модулятор, частотомер, излучатель, первый и второй приемники, усилитель и осциллограф, выход генератора тактовых импульсов подключен к входам первого и второго генераторов прямоугольных видеоимпульсов и к первому входу осциллографа, выходы первого и второго генераторов прямоугольных видеоимпульсов подключены к первому входу модулятора, выход которого связан с излучателем, выход генератора непрерывных колебаний соединен с вторим входом модулятора и с первым входом частотомера, первый и второй приемники подключены к входу усилителя, а выход усилителя соединен с вторым входом осциллогра1465717 фа, о т л и ч а ю ц е е с .я тем, что, с целью повышения производитель . ности измерений, оно снабжено детектором, аналого-цифровым преобразователем, схемой И, генератором стробируемых видеоимпульсов, формирователем ступенчатого напряжения и схемой сравнения, вход детектора соединен с выходом усилителя, первый и второй О входы схемы И подключены соответственно к выходам генератора тактовых импульсов и схемы сравнения, выход формирователя ступенчатого напряжения подключен к входу генератора непрерывных колебаний, выход схемы И соединен с входом генератора стробируемых видеоимпульсов и с первым входом формирователя ступенчатого, напряжения, второй вход которого 2О связан с выходом частотомера, выход детектора подключен к первому входу аналого-цифрового преобразователя, второй вход которого подключен к выходу генератора стробируемих видео- 25 импульсов, третий вход осциллографа связан с выходом генератора стробируемых видеоимпульсов, второй вход частотомера подключен к выходу схемы сравнения, первый и второй входы ко- чп торой соединены соответственно с первым и вторым выходами аналого-цифрового преобразователя, а третий вход схемы сравнения предназначен для установки в "1".

2. Устройство по и. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что схема сравнения содержит два регистра памяти, элемент задержки и цифровой компарато р, выход кото ро ro являе тся выходом схемы сравнения, первый вход первого регистра памяти соединен с выходом элемента задержки, второй вход схемы сравнения является входом элемента задержки и первым входом второго регистра памяти, первый вход схемы сравнения является вторым входом первого регистра памяти, третий вход схемы сравнения является третьим входом первого и вторым входом второго регистров памяти, выход первого регистра памяти соединен с третьим входом второго регистра памяти и с первым входом цифрового компаратора, второй вход которого подключен к выходу второго регистра памяти.

3. Устройство по и. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что формирователь ступенчатого напряжения содержит элемент задержки, двоичный счетчик, первый вход которого подключен к выходу элемента задержки, и цифроаналоговый преобразователь, вход ко-. торого соединен с выходом двоичного счетчика, первым входом формирователя ступенчатого напряжения является второй вход двоичного счетчика, вторым входом — вход элемента задержки, а выходом — выход цифроаналогового преобразователя.

1465717

Составитель Д. Нирочин

РеДактоР А. OraP ТехРед М,Дид щ, КоРРектоР N. Васильева

Заказ 933/41 Тираж 512 Подписное

ВНЯИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,101