Устройство для измерения скорости ультразвука в твердых материалах
Патент 355567
Классы МПК
Устройство для измерения скорости ультразвука в твердых материалах
Иллюстрации
Реферат
355567
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик
Зависимое от авт. свидетельства №
Заявлено 09.XI.1970 (№ 1490369/18-10) с присоединением заявки №
Приоритет
Опубликовано 16.Х.1972. Бюллетень № 31
Дата опубликования описания 2.XI.1972
М. Кл. G 01р 3/66
Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров
СССР
УДК 534.22 (088.8) ABTOp 6I изобретения
В. А. Гречишкин, Н. П. Зорин, Л. А. Зайцева, А. А. Павлов, И. И. Перепечко, А. А. Розов и Л. А, Ушаков
Заявитель
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ УЛЪТРАЗВУКА
В ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛАХ
Изобретение относится к акустическим устройствам для измерения скорости распространения ультразвука, например в полимерных пленках, волокнах, фольге и т. д., и может быть применено в химической, нефтехимической, машиностроительной и других отраслях промышленности, Известно устройство для измерения скорости ультразвука в твердых материалах, например в полимерных пленках, содержащее измерительную камеру и акустический датчик, состоящий из закрепленных с помощью стоек преобразователей, включающих в себя прижимное устройство, пьезопреобразователи и волноводы. Недостатками указанного преобразователя являются недостаточно хорошее акустическое согласование преобразователей с линейными образцами, наличие отраженных сигналов, низкая эффективность работы преобразователей.
Целью изобретения является повышение точности измерений и чувствительности преобразователей.
С этой целью волноводы выполнены в виде экспоненциального полуволнового концентратора, плавно переходящего своим узким концом в четвертьволновой согласователь, образованный от сечения прямого усеченного конуса секущими плоскостями, одна из которых является касательной к окружностям большего и меньшего основания усеченного конуса, а вторая секущая плоскость параллельна оси концентратора и малой полуоси эллипса, полученного от сечения первой секущей плоскостью, причем отношение площади основания согласователя к площади сегмента, образованного от сечения второй секущей плоскостью, составляет 20 — 30.
На фиг. 1 изображена блок-схема устрой10 ства; на фиг. 2 — волновод.
Блок-схема устройства включает измерительную схему 1 и акустический датчик 2.
Измерительная схема содержит зондирующий генератор 8, предназначенный для выра15 ботки периодической последовательности возбуждающих видеоимпульсов, блок временной дискриминации 4, служащий для преобразования временной задержки импульса, прошедшего через образец в выходное напряже20 ние, пропорциональное этой задержке, и регистрирующий блок 5, предназначенный для регистрации скорости ультразвука.
Акустический датчик 2 содержит передающий преобразователь Пь предназначенный
25 для преобразования электрических колебаний в акустические и передачи последних образцу.
Приемный преобразователь П> служит для снятия и преобразования энергии акустических колебаний в энергшо электрических ко30 лебаний.
355567
Стаканы б предназначены для поджатия демпферов 7 к пьезопреобразователям 8 и последних к волноводам 9, демпферы 7 — для улучшения формы импульса, пьезопреобразователи 8 — для преобразования энергии электрических колебаний в энергию упругих колебаний и наоборот, волноводы 9 — для передачи энергии упругих колебаний от пьезопреобразователя 8 к образцу 12 и наоборот, стойка 10 — для закрепления конструкции акустического датчика, прижимное устройство 11— для прижатия исследуемого образца 12 к волноводам 9.
Волновод (см. фиг. 2) содержит первую экспоненциальную ступень 18 концентратора, служащую для концентрации энергии упругих колебаний, вторую ступень 14, представляющую собой геометрическое тело, полученное от сечения двумя секущими плоскостями четвертьволнового прямого усеченного конуса 15, диаметр меньшего основания которого равен диаметру меньшего основания первой ступени, одна из которых F< совпадает с диагональю АС равнобочной трапеции ABCD, полученной от сечения плоскостью, проходящей через осевую линию 00 прямого усеченного конуса 15, а вторая секущая плоскость F проходит так, что она перпендикулярна плоскости этой же трапеции АВСВ и параллельна осевой линии 00 прямого усеченного конуса, при этом отношение площади основания
S< к площади сегмента S>, образованного от сечения второй секущей плоскостью, составляет 20 — 30. Вторая ступень служит для улучшения согласования, устранения отраженных сигналов и дальнейшей концентрации энергии упругих колебаний. Сегмент 1б служит для получения надежного акустического контакта образца с волноводами.
Устройство работает следующим образом.
Зондирующий генератор 8 измерительной схемы 1 вырабатывает последовательность возбуждающих видеоимпульсов, которые поступают на передающий преобразователь П1 акустического датчика 2, где они преобразуются в упругие колебания, которые, распространяясь через исследуемый образец 12, достигают приемного преобразователя Пв, где происхо,ит преобразование акустического сигнала в электрический.
В блок временной дискриминации 4 подаются импульс генератора 8 и импульс, прошедший через исследуемый образец. На выходе блока временной дискриминации получается напряжение, пропорциональное времени задержки акустического импульса в исследуемом образце. Индикация времени задержки осуществляется с помощью регистрирующего блока б.
Работа акустического датчика заключается в следующем.
Поступивший с генератора 8 на передающий преобразователь II> электрический импульс преобразуется в упругие колебания с помощью пьезопреобразователя 8, к задней где
1 — интенсивность колебаний,в широкой части концентратора; плоскости которого прижат демпфер 7, улучшающий форму импульса. Прижатие демпфера к пьезопреобразователю 8 и пьезопреобразователя к волповоду 9 осуществляется с помощью стакана б.
Упругие колебания пьезопреобразователя 8 передаются волноводу 9, первая экспоненциальная ступень 18 (фиг. 2) которого выполняст функцию концентратора акустической энергии.
Сконцентрированная акустическая энергия поступает во вторую ступень 14 волновода 9, назначение которой состоит наряду с дальнейшей концентрацией акустической энергии в получении хорошего акустического согласования преобразователей с исследуемыми образцами. Согласование это происходит за счет изменения по длине акустического сопротивления, 20 Из выра>кения зависимости трансформированного акустического сопротивления для согласователей имеем
1 вх
1 в 2 где R,,- — акустическое сопротивление на входе согласователя;
R„, акустическое сопротивление нагрузки; з0 5ь S — площади поперечных сечений в начале и в конце согласователей.
Изменение площади поперечного сечения Sz в конце согласователя позволило изменить трансформированное акустическое сопротив35 ление так, что большое акустическое сопротивление пьезопреобразователей и малое акустическое сопротивление полимеров были приведены в соответствие. Задача приведения в соответствие акустических сопротивлений
40 для создания режима «бегущей волны» во всем акустическом тракте решена с помощью четвертьволнового согласователя, выполненного по предложенной схеме. Кроме того, решен вопрос создания .надежного акустическо45 ro контакта с линейно протяженными образцами.
Для исключения отраженного сигнала от границы раздела ступеней диаметр второй ступени 14 в месте граничного слоя BN вы50 бран равным диаметру меньшего основания первой экспоненциальной ступени 9. Отношение же площади основания второй ступени 14 к площади образованного от сечения секущей плоскостью F> сегмента 1б не должно превы55 шать 20 — 30.
Повышение эффективности работы преобразователей достигнуто путем концентрации энергии упругих колебаний. При этом интенсивность колебаний на узком конце каждой
60 ступени определяется выражением
1,= 1„
355567
1. — интенсивность колебаний на узком конце;
Яь 5 — площади поперечных сечений в начале и конце концентратора соответственно.
Таким образом, сконцентрированная акустическая энергия в виде импульса проходит через образец 12 и поступает на приемный преобразователь П>, где он преобразуется в электрический и поступает в измерительную схему 1.
Приемный преобразователь П. выполнен аналогично передающему П . Благодаря хорошему акустическому согласованию значительная часть энергии упругих колебаний образца проходит в волновод 9 и далее к пьезопреобразователю 8. Кроме того, режим «бегущей волны» здесь также не нарушается, что устраняет отраженные сигналъь Назначение остальных частей приемного преобразователя
П аналогично назначению частей передающего преобразователя Пь
Надежный акустический контакт образца
12 с преобразователями Пь П осуществляется с помощью специального прижимного устройства 11, которое выполнено в виде плоских пружин, причем адин конец пружины закреплен, а второй упруго опирается на сегмент 1б второй ступени волновода 9. Этим самым создается необходимая степень прижатия образца к преобразователям.
Предмет изобретения
Устройство для измерения скорости ультразвука в твердых материалах, например в полимерных пленках, содержащее измерительную схему и акустический датчик, состоящий из закрепленных с помощью стоек преобразователей, включающих в себя прижимное устройство, пьезопреобразователи и волноводы, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений и чувствительности преобразователей, волноводы выполнены в виде экспоненциального полуволнового концентратора, плавно переходящего своим узким концом в четвертьволновой согласователь, образованный от сечения прямого усеченного конуса секущими плоскостями, одна из которых является касательной к окружностям большего и меньшего оснований усеченного конуса, а вторая секущая плоскость параллельна оси
25 концентратора и малой полуоси эллипса, полученного от сечения первой секущей плоскостью, причем отношение площади основания согласователя и площади сегмента, образованного от сечения второй секущей плоско30 стью, составляет 20 — 30.
355567 гб
Составитель Г. Терехова
Техред Т. Курилко Корректор Л. Царькова
Редактор Т. Ларина
Типография, пр. Сапунова, 2
Заказ 3659/16 Изд. № 1529 Тираж 406 Подписное
ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР
Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5