Способ определения нелинейного акустического параметра среды

Способ определения нелинейного акустического параметра среды

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 29/00 .

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 а ! ц

lM

l0

)ф 4 (21) 4769423/28 (22) 18.12.89 (46) 15.04.92. Бюл. ¹ 14 (71) Институт прикладной физики АН СССР (72) В.Е.Назаров (53) 620.179.16 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1233032, кл. G 01 N 29/00, 1985.

Авторское свидетельство СССР

N - 1236363, кл. G 01 N 29/00, 1984.

Авторское свидетельство СССР

N -1504604,,кл,,6 01 N 29/00, 1988. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА СРЕДЫ (57) Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике и может быть использовано, например, для исследования физико-механических свойств материалов.

Цель изобретения — повышение точности.

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано, например, для исследования .нелинейных упругих свойств материалов.

Традиционные методы акустической диагностики материалов основаны на измерении скорости звука, поглощения и рассеяния звуковой волны, Для целей диагностики используют измерения нелинейного акустического параметра, который более чувствителен к дефектам внутренней структуры материала (трещины, дислокации и т.д.).

Известны способы определения нелинейного параметра среды, основанные на измерении индекса фазовой модуляции высокочастотной волны, распространяющейся

„„ 42 „„1727047 А1

При измерении нелинейного акустического параметра среды исследуемую среду, сформированную в виде плоскопараллельного слоя, помещают в дополнительную твердую среду, импеданс которой больше импеданса исследуемой среды. При этом толщину L слоя выбирают в соответствии с соотношением d= Q и, где n = 1, 2, 3; о — длина волны на частоте в исследуемой среде, а расстояния L1,2 от слоя до границ дополнительной среды выбирают в соответствии с соотношением L>,г СТ/2 (С вЂ” скорость звука в промежуточной среде; Т- длительность импульса). После облучения исследуемой среды плоской волной осуществляют прием волны на частоте f/2. В момент появления этой волны измеряют амплитуду деформации ео в дополнительной среде, по которой определяют нелинейный параметр. 1 ил. под углом к излучаемой в среду низкочастотной волне, Так, например, известен способ, согласно которому в исследуемой среде возбуждают направленные под углом друг к другу низкочастотный и высокочастотный сигналы, осуществляют прием прошедших через среду высокочастотных сигналов, измеряют параметры фазовой модуляции низкочастотных сигналов и по фиксированным максимальным значениям фазовых сдвигов этих сигналов определяют нелинейный параметр.

Недостатком этого способа является невозможность измерения нелинейного параметра сред,объем которых ограничен, поскольку для того, чтобы возник заметный фазовый сдвиг, высокочастотная волна дол1727047

4 точности измерения нелинейного акустичежна пройти расстояние, превышающее длиского параметра. ну низкочастотной волны.

Цель изобретения — повышение точноЕще одним недостатком способа является его сложность, о у б словленная необхо- сти.

П а цель достигается тем, что димостью излучения в исследу у р ем ю с еду 5 Поставленн я иема в х ак - согласно спосо у опр б оп еделения нелинейнотрех акустических волн и прием д у уго акустического парамет ра среды заключаI стических сигналов. ом что облучают исследуемую

Другой способ определе р р ния па амет а ющемуся в то ме ении ров- среду с параллельными и о и противоположными нелинейности основан на измерении ур ьсами нормально пане и емой в среде 10 поверхностями импульсам ня второй гармоники, генерируе акустической волны через при облучении ее плоско у и ак стической вол- дающей плоскои еду принимают переизной частоты f. Нелинеиныи пар р р амет оп е- промежуточную ср редой акустические я т по соотношению амплитуд лученныеисследуемоиср деля ют по соотноше ни колебания и определяют искомый параметр дав е л ний на частотах f и 2f.

15 с учетом амплитуды излучаемых через проНе остатком этого способа является д нная стем, что наря- межуточную среду импульсов, в качестве низкая точность, связанная с тем, что наря- м среды выбирают твердую ду с второй гармоникои, г р ру и гене и емойисс- промежуточнои с ким импедансом, большим ой и on еделяемой ее средусакустическими ледуемой средои и р ского импеданса исследуемой сренелинейным параме р, р у т ом об аз ется также акустиче яние между поверхностями исст ая га моника в излучателе ды, расстояние м паразитная вторая г р т ак - 20 ледуемой среды выбирают кратным длине и приемнике, В измеренную амплитуду аку- ледуемои с в той с е е, асстояние ч кого авления на частоте входят как излучаемой волны в этои среде, р стического давления на частот

L от поверхности исследуемой среды до граполезна, я так и паразитная составляющая в ницы промежуточной среды выбирают из второй гармоники, что приводит к ошибке 8 измерениях и, следовательно, к снижению условия (1) . Точность также снижается при 25 L СТ/2 тОчнОсти. ТОчнО ь е- г е С вЂ” скорость звука в промежуточной уменьшении линейных размеров исследуе- где — ско мой среды, поскольку уменьшается уровень среде; и емой с едой и Т вЂ” длительность импульса, второй гармоники, генерируемои средой, ный овень па- а переизлученные коле бания принимают на увеличивается относительный ур авной половине частоты излучаеразитной второй гармоники. 30 частоте, равной половине ч

Наиболее близким р к изоб етению явля- мого сигнала, С бретения заключаетю ий обл чение иссле- Сущность изо р ется способ, включающии у ловий в акустическом резое ы сфо мированной в виде ся всозданииуслови дуемой среды, ф р которых возникает пороговая плоскопараллельного слоя и щ и поме енного наторе, при б астоте f/2 при ля акустического согласования в дополни- 3

35 гене а ия коле ании на ч р ц

f. для с е, импульсом нор- возбуждении резонатора на частоте . следуемую среду сформил ской ак стической Для этого ис мально падающеи пло у в ви е плоскопараллельного волны и измер ур ме ение овня второй гармони- рованную в виде пл мещают в дополнительную твердую лне асп остраняющейся от иссле- слоя, пом

40 е че ез которую облучают исследуеемой с еды в обратном направлении по среду, чер и волне. Нелиней- мую среду нормально падающим на нее имотношению к излученной волне. елинеи- му и ак стической волны. т оп е еляютпосоотношению пульсом плоскои аку ный параметр опред т Сле ет отметить, что принципиально необмплит ак стических давлений на частоте ледует отм т ходимо отсутствие зазора между исследуемои

45 и дополнительной средами. Для исключения влияния отражений волны от границ

Не остатком этого способа является д л, - системы (дополнительной среды), и тем саточность Обусл л вленная тем, что несмотря на выполнение условий акустическо- мым устранения в ней б го со гласования исследуемои и границами, где субгармоника не воз уждат а- 50 ется, длительность Т импульса облучаемои дополнительной сред, коэффициент отра- 50 ется, д вия (, > СТ!2, где ния по вто ой гармонике от пл р еотплоскопарал- волны выбирают изусловия Ll,2 >< — асстояния от слоя до внешних границ лельного слоя оказывается хотя и малым, но 1,г- рас чным. Вследствиеэтогоослабления па- дополнительной среды (внутренними конечным. следстви границами являются границы дополнительитная вто ая гармоника, образовавшаяя в 55 ной среды, прилегающие к плоскопараля в изл чателе и дополнительной среде, нои ме те с полезным сигна- лельному слою). Импеданс дополнительнои б б лом также попадает на приемник, что при- среды вы ирают ольше т к ошибке измерения полезной дуемой, при этом плоскопараллельный слои и представляет собой акустический резонасоставляющей, и. следовательно, к низкои и

1727047 тор с жесткими границами. При возбуждении такого резонатора на одной из его четных собственных частот

f =f2n = Со/о и (2) и превышении амплитуды волны накачки критической, так называемой пороговой амплитуды, в спектре его колебаний скачком (резко) появляется составляющая на частоте f/2 = f2n/2 = fn, которая также является собственной частотой резонатора. В спектре падающей на слой волны составляющая на этой частоте вообще отсутствует (в отличие от высших гармоник, обусловленных нелинейностью излучателя и дополнительной среды в прототипе).

Пороговая (минимальная) амплитуда деформации оо волны накачки в дополнительной среде, при которой появляются колебания в слое на частоте f/2, определяется выражением

C0/С (3)

УДЫ У2 где Z= с С

=р. С. р — плотность промежуточной среды; у,ро, Со — параметр нелинейности, плотность и скорость звука исследуемой среды.

Поскольку в спектре излучаемого сигнала составляющая на частоте f/2 отсутствует, в дополнительной среде, где реализуется режим бегущей волны, она также родиться не может, то ее появление однозначно говорит, что она появилась в резонаторе — исследуемой среде — и обусловлена нелинейностью исследуемой среды. Следует отметить, что волна на частоте f/2 может приниматься приемником по любую сторону от слоя.

Из выражения (3) следует формула, позволяющая рассчитать нелинейный акустический параметр:

Сс /С (4)

ЛПЕЕ2

Достоинством способа является то, что в нем в отличие от прототипа, в котором необходимы измерения амплитуд на двух частотах f и 2f, проводится лишь одно измерение на частоте f накачки.

На чертеже изображена блок-схема одного из вариантов устройства, с помощью которого может быть реализован предложенный способ.

Исследуемая среда 1, представляющая собой плоскопараллельную пластину (слой), жестко закреплена в дополнительной твердой среде 2; изготовленной, например, в виде двух одинаковых стержней. нии в качестве дополнительной среды

10 указанных стержней жидкостью заполняют зазор между ними

20 дуемой среды

30 длины импульса (Lp+ СТ). Приемник 4 под. ключен к частотно-селективному измерительному прибору 7

Для обеспечения акустических контактов твердой исследуемой и дополнительной сред они должны быть жестко скреплены.

Это обеспечивается, например, склеиванием или механическим креплением. При исследовании жидких сред исследуемой жидкостью заполняется пространство между дополнительной средой. При использоваДля облучения исследуемой среды 1 предназначен излучатель 3, жестко прикрепленный к торцу одного из стержней 2.

Частота излучения f выбирается в соответствии с условием (2). Приемник 4 ультразвуковых волн закреплен на торце того же стержня 2, что и излучатель 3. В других вариантах исполнения приемник и излучатель могут быть расположены на торцах разных стержней, т.е. по разные стороны от исслеИзлучатель 3 электрически связан с последовательно соединенными генератором

5 и модулятором 6, предназначенным для формирования ультразвуковых импульсов длительностью Т, Для устранения влияния отражений импульса от торцов стержней их общую длину Lo=L>+L2 выбирают больше

Способ осуществляют следующим образом.

Исследуемую среду 1 в виде плоскопараллельной пластинки жестко закрепляют между двумя стальными стержнями 2 одинаковой длины, С помощью излучателя 3 через стержень 2 облучают исследуемую среду, сформированную в виде плоскопараллельного слоя 1 ультразвуковым импульсом на частоте f длительностью Т. Для точного выполнения условия (2) в небольших пределах подстраивают частоту излучения так, чтобы уровень сигнала, принимаемого приемником 4, был минимальным (если приемник и излучатель находятся по разные, стороны от исследуемой среды, то уровень принимаемого сигнала должен быть максимальным). Это свидетельствует о том, что слой исследуемой среды является резонансным. т.е. выполняется условие (2). Выбор длительности импульса в соответствии с условием (1) позволяет устранить влияние отражений от торцов стержней 2 (границ системы) и тем самым не дать возможности для реализации во всей системе резонатора с мягкими границами, в котором субгармоника принципиально не возбуждается. Затем увеличивают амплитч1727047 ду деформации со импульса, осуществляя прием волны на частоте f/2. Измеренная пороговая амплитуда деформации е<. Нелинейный параметру определяют по формуле (4).

Составитель О,Гончарова

Техред М.Моргентал Корректор Н.Ревская

Редактор Н.Швыдкая

Заказ 1275 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Формула изобретения

Способ определения нелинейного акустического параметра среды,заключающийся в том, что облучают исследуемую среду с параллельными противоположными поверхностями импульсами нормально падающей плоской акустической волны через промежуточную среду, принимают переизлученные исследуемой средой акустические колебания и определяют искомый параметр с учетом амплитуды излучаемых через промежуточную среду импульсов, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности, в качестве промежуточной среды

5 выбирают твердую среду с акустическим импедансом, большим акустического импеданса исследуемой среды, расстояние между поверхностями исследуемой среды выбирают кратным длине излучаемой волны в этой

10 среде, расстояние L от поверхности исследуемой среды до границы промежуточной среды выбирают из условия L СТ/2, где С вЂ” скорость звука в промежуточной среде; Т вЂ” длительность импульса, а переизлученные

15 колебания принимают на частоте равной половине частоты излучаемого сигнала.