SU1749825A1 - Method of measurement of acoustic parameters of substance - Google Patents

Abstract

Изобретение касаетс  акустических измерений и может быть использовано дл  измерени  акустических параметров веществ . Цель изобретени  - повышение точности измерени  путем управлени  радиусом кривизны формы фронта волны. Формирование формы фронта волны осуществл ют сдвигом фаз излучаемого и принимаемого сигналов до совпадени  фаз излучаемой и всех отражённых волн. При этом образуетс  конфокальна  система измерени , уменьшающа  дифракционные погрешности. 4 ил.The invention relates to acoustic measurements and can be used to measure the acoustic parameters of substances. The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy by controlling the radius of curvature of the wave front shape. The formation of the wave front shape is carried out by shifting the phases of the emitted and received signals until the phases of the emitted and all reflected waves coincide. This creates a confocal measurement system that reduces diffraction errors. 4 il.

Description

Изобретение относитс  к акустическим измерени м и может быть использован дл  измерени  акустических параметров веществ , в основном жидкостей, в научно-исследовательских и заводских лаборатори х.The invention relates to acoustic measurements and can be used to measure acoustic parameters of substances, mainly liquids, in research and production laboratories.

Известен способ измерени  акустических параметров вещества, заключающийс  в том, что исследуемое вещество помещают в камеру ультразвукового интерферометра, формируют вогнутые фронты волн посредством деформации пьезоизлучател  и пье- зоприемника путем избыточного давлени , измен ют частоту ультразвука и измер ют частоты особых точек прин того сигнала, по которым определ ют скорость распространени  и коэффициент поглощени  ультразвука .A known method for measuring the acoustic parameters of a substance is that the test substance is placed in the ultrasonic interferometer chamber, concave wave fronts are formed by deformation of the piezo emitter and piezo receiver, by overpressure, the ultrasound frequency is measured, and the frequencies of the received points of the received signal are measured. which determine the propagation velocity and the absorption coefficient of ultrasound.

Наиболее близким к изобретению  вл етс  известный способ измерени  акустических параметров аещества. заключающийс  в том. что исследуемое вещество помещаютClosest to the invention is a known method for measuring acoustic parameters of a substance. that is. that the test substance is placed

в камеру ультразвукового интерферометра, формируют в ней вогнутую форму фронта ультразвуковой волны, измен ют частоту возбуждаемой волны или базу ультразвукового интерферометра и измер ют частоты локальных максимумов прин того сигнала, по которым определ ют скорость распространени  ультразвуковой волны и коэффициент поглощени ,enter the concave shape of the front of the ultrasonic wave into the chamber of the ultrasonic interferometer, change the frequency of the excited wave or base of the ultrasonic interferometer and measure the frequencies of the local maxima of the received signal, which determine the speed of propagation of the ultrasonic wave and the absorption coefficient

Технологи  изготовлени  современных преобразователей позвол ет изготовить, например, керамические преобразователи с радиусом кривизны пор дка нескольких сантиметров и выстроить их в камере так, чтобы совпали фокусы приемника и излучател , т.е. образовать конфокальную систему , котора  эффективно уменьшает дифракционные погрешности,The technology of manufacturing modern transducers makes it possible, for example, to make ceramic transducers with a radius of curvature of the order of several centimeters and to line them up in a chamber so that the foci of the receiver and the emitter coincide, i.e. form a confocal system that effectively reduces diffraction errors,

К недостатку способа следует отнести то обсто тельство, что он не позвол ет управл ть вогнутостью фронтов. Это исключаSIThe disadvantage of the method is the fact that it does not allow the concavity of the fronts to be controlled. This is excluded.

юYu

0000

ю с u s

ет их применение дл  систем с переменной длиной дл  устранени  дифракционных погрешностей и подстройку вогнутости на основе теоретических или экспериментальных данных в системах с посто нной длиной. They are used for variable-length systems for eliminating diffraction errors and adjusting concavity based on theoretical or experimental data in systems with constant length.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  путем управлени  радиусом кривизны формы фронта волны,The aim of the invention is to improve the measurement accuracy by controlling the radius of curvature of the wavefront shape,

Указанна  цель достигаетс  тем, что в способе измерени  акустических парамет- ров вещества, заключающимс  в том, что исследуемое вещество помещают в камеру ультразвукового интерферометра, формируют а ней вогнутую форму фронта ультразвуковой волны, измен ют частоту возбуждаемой волны или базу ультразвукового интерферометра и измер ют частоты локальных максимумов прин того сигнала, по которым определ ют скорость распространени  ультразвуковой волны и коэффици- ент поглощени , формирование формы фронта волны осуществл ют сдвигом фаз излучаемого и принимаемого сигналов до совладени  фаз излучаемой и всех отраженных воли.This goal is achieved by the fact that in the method of measuring the acoustic parameters of a substance, namely, that the test substance is placed in the ultrasonic interferometer chamber, the concave shape of the ultrasonic wave front is formed, the frequency of the excited wave or the base of the ultrasonic interferometer is measured, and the frequencies are measured. local maxima of the received signal, which determine the propagation velocity of the ultrasonic wave and the absorption coefficient, the formation of the wave front shape is carried out by shifting the emitted and the received signals to a condominium and radiated phases of all reflected will.

На фиг. 1 изображена структурна  схема , с помощью которой реализуетс  способ; на фиг. 2 - образование фронта волны при излучении и приеме и расположение кольцевых электродов; на фиг. 3 - выходной сигнал камеры с обозначением характерных значений (А, В, С - максимумов, Е - минимума , О-в 0,707 раза меньше максимума); на фиг. 4 - зависимость приращени  5R радиуса фронта волны дл  льезоизлучател  (крива  I) и пьезоприемника (крива  И) от количества m пробегов волны вперед и назад (а) и зависимость поправочного коэффициента Km к Rn,m от относительного уменьшени  амплитуды волны А/А0 ввиду поглощени  (б).FIG. Figure 1 shows the structural scheme by which the method is implemented; in fig. 2 - the formation of the wave front during radiation and reception and the location of the ring electrodes; in fig. 3 - camera output signal with the designation of characteristic values (A, B, C - maxima, E - minimum, O - 0.707 times less than the maximum); in fig. 4 shows the dependence of the increment 5R of the radius of the wave front for a radiating radiator (curve I) and piezo receiver (curve I) on the number m of forward and backward wavelengths (a) and the dependence of the correction factor Km to Rn, m on the relative decrease in the amplitude of the wave A / A0 due to absorption (b)

Графики 4 (а и б) получены моделированием на персональном компьютере.Plots 4 (a and b) are obtained by modeling on a personal computer.

Способ осуществл ют с помощью измерительной системы, содержащей диапазон- ный генератор 1, регулируемый фэзофращатель 2 многоканальный, излучающий 3 и приемный 4 пьезопреобразователи, камеру 5 интерферометра, в которую вмонтированы преобразователи 3 и 4, блок 6 перемещени  преобразовател , регулируемый фазовращатель 7, измеритель 8 амплитуды , формирователь 9 меток перемещени , компьютер 10. Заполн ют камеру 5 исследуемым веществом, о котором известны при- ближенные значени  скорости ультразвука и с коэффициента поглощени  а. Загружают в пам ть компьютера программы, позвоThe method is carried out using a measuring system containing a range generator 1, an adjustable phase truncator 2 multichannel, radiating 3 and receiving 4 piezotransducers, an interferometer chamber 5 in which transducers 3 and 4 are mounted, a transducer movement unit 6, an adjustable phase shifter 7, a meter 8 the amplitudes, the imaging unit 9 of the movement marks, the computer 10. Fill the chamber 5 with the test substance, of which the approximate values of the ultrasound velocity are known and with the absorption coefficient a. A program is loaded into the computer's memory.

0 0 50 0 5

0 5 0 0 5 0

л ющие провести расчеты по следующим формулам:It is possible to carry out calculations using the following formulas:

2   х ,jsi-2- „ у2 x, jsi-2- „y

- (VKn.m - П - Rn.m),- (VKn.m - P - Rn.m),

.l :.l:

Rn.m Rn,m - 1 0 n,tn Km).Rn.m Rn, m - 1 0 n, tn Km).

g lm Rl.m + Ra.m R, Km e2 ;g lm Rl.m + Ra.m R, Km e2;

2f(fb-U).2f (fb-U).

AN c-2Kfb-fa).AN c-2Kfb-fa).

c дм .c dm

с with

с with

2tf02tf0

N kiN ki

(1)(one)

(2) (3,4) (5)(2) (3,4) (5)

(6) (7)(6) (7)

5 Т (arsh tsfn «k ( e5 T (arsh tsfn "k (e

„Kz „rtK Umax „Kz„ rtK Umax

(X -г- artn Tis,(X-artn Tis,

iUmlniUmln

(8)(eight)

(9)(9)

где Дуъ,| - фазовый сдвиг напр жени , подаваемого на 1-й электрод пьезоизлучател  или снимаемого с 1-го электрода пьезоприемника (они задаютс  фазовращател ми 2 и 7):where Doo, | - phase shift of the voltage applied to the 1st electrode of the piezo emitter or removed from the 1st electrode of the piezo receiver (they are set by phase shifters 2 and 7):

п - средний диаметр 1-го электрода;n is the average diameter of the 1st electrode;

Im 2,5 I m, m 1, 2, 3, 4 - количество пробегов волны в камере вперед и назад;Im 2,5 I m, m 1, 2, 3, 4 - the number of forward and reverse wave runs in the chamber;

Rn.o I/2 п 1 дл  пьезоприемника, 2 - дл  пьезоизлучател ;Rn.o I / 2 p 1 for a piezo receiver, 2 for a piezo emitter;

ARi.m 0,18; 0,085; 0,045; 0,026;ARi.m 0.18; 0.085; 0.045; 0.026;

ARz.m - 0,08:0.052; 0.03; 0,02;ARz.m - 0.08: 0.052; 0.03; 0.02;

I - рассто ние между преобразовател ми;I is the distance between the transducers;

Rn,m - радиус фронта волны;Rn, m is the radius of the wave front;

с, f - скорость и частота ультразвука;c, f - speed and frequency of ultrasound;

а- коэффициент поглощени  ультразвука;a is the absorption coefficient of ultrasound;

KL Кг - коэффициенты;KL Kg - coefficients;

А- длина волны ультразвука в среде, 1, fa, ь - значени  длины;A is the ultrasound wavelength in the medium, 1, fa, ь are the lengths;

f, fa, fb - значени  частоты;f, fa, fb are frequency values;

Umax, Umin - максимальное и минимальное значени  напр жени  (локальные);Umax, Umin — maximum and minimum voltage values (local);

N, AN - полное количество полуволн ультразвука в камере и изменени  его между точками А и В;N, AN is the total number of half-waves of ultrasound in the chamber and its changes between points A and B;

Ј - приборна  константа, отражающа  потери энергии в преобразовател х.Ј is the instrument constant reflecting the energy loss in the converters.

Формула (1) выражает геометрию сферического фронта, формула (2) - изменение радиуса кривизны суммарной волны по сравнению с исходной, формула (3) означает, что фокусы обоих волн совпадают. Формулы (5)- (9)- известны из интерферометрии и служат дл  определени  с и а, Значени  3Rn.m получены моделированием и загружены в виде таблицы. Также загружают р д зависимостей дл  управлени  фазовыми сдвигами вида Д pn.i Ay,i(s), где s - управл ющий сигнал, подаваемый на фазовращатель с компьютера. Если измерени  провод тс  в режиме переменной длины , то примен ют формулы (5), (8), (9), если в режиме переменной частоты - формулы (6), (7) и (8). Здесь К 2 ж/К 2 за /с, т.е. kl может измен тьс  изменением f или I. Индексы а-е соответствуют точкам А-Е на фиг.Formula (1) expresses the geometry of the spherical front, formula (2) is the change in the radius of curvature of the total wave compared to the original, formula (3) means that the foci of both waves coincide. Formulas (5) - (9) are known from interferometry and serve to determine s and a. The 3Rn.m values are obtained by simulation and are loaded in a table. A series of dependencies is also downloaded to control phase shifts of the form D pn.i Ay, i (s), where s is a control signal supplied to the phase shifter from a computer. If the measurements are carried out in the variable length mode, then formulas (5), (8), (9) are used, if in the variable frequency mode, formulas (6), (7) and (8) are used. Here K 2 f / K 2 per / s, i.e. kl may be changed by changing f or I. The indices a through e correspond to points A through E in FIG.

3.Занос т в компьютер приближенно известные значени  с и а, а если их нет, то подставл ют с 1200 м/с и а из расчета а I 0,1, что реально дл  работы с жидкост ми .3. Approximately known values of c and a are entered into the computer, and if they are not, they are substituted at 1200 m / s and a at the rate of a I 0.1, which is real for working with liquids.

На основе этих данных компьютер вычисл ет фазовые углы . по формулам (1) - (4) и устанавливает их в блоках 2 и 7 посредством подачи сигналов.Based on this data, the computer calculates the phase angles. according to formulas (1) - (4) and installs them in blocks 2 and 7 by giving signals.

Напр жение генератора 1 через фазовращатель 2 подают на кольцевые электроды излучател  3. Фазовые углы каналов фазовращателей 2 и 7 выбраны так, что фронты излучаемой и принимаемой волн вогнутые (линии I и IV, фиг. 2а). Это соответствует максимальному отстаиванию по фазе канала центрального кругового электрода и все меньшему отставанию по фазе дл  каналов каждого более периферийного электрода. Количество каналов в фазовращател х равно количеству электродов. Однако волны отражаютс  от преобразователей как от плоских поверхностей, образу , например, слегка выпуклый фронт (пунктир на фиг. 2а). Волна II, однократно прошедша  до приемника и обратно (m t). Волну, движущуюс  в направлении приемного преобразовател The voltage of the generator 1 through the phase shifter 2 is fed to the ring electrodes of the emitter 3. The phase angles of the channels of the phase shifters 2 and 7 are chosen so that the fronts of the emitted and received waves are concave (lines I and IV, Fig. 2a). This corresponds to the maximum phase settling of the central circular electrode channel and the progressively smaller phase lag for the channels of each more peripheral electrode. The number of channels in phase shifters is equal to the number of electrodes. However, the waves are reflected from the transducers as from flat surfaces, forming, for example, a slightly convex front (dashed line in Fig. 2a). Wave II, once passed to the receiver and back (m t). Wave moving in the direction of the receiving converter

4,составл ет сумма излучаемой и отраженной волн (лини  III, фиг. 2а).4, is the sum of the radiated and reflected waves (line III, fig. 2a).

Колебани  частиц среды в точке FI можно получить суммиру  два вектора Л/1 и Л/2, каждый из которых пропорционален амплитуде соответствующей волны и направлен перпендикул рно фронту. Расчет суммарных векторов Л/э по формулам сложени  векторов позвол ет построить суммарный фронт III. Радиус кривизны этой волны OiFi больше, чем излучаемой волны OaFi. Волна III проходит еще раз вперед, назад и отражаетс  от излучател , таким образом удли- н   еще раз радиус суммарной волны (излучаемой и однократно прошедший) и т.д. Зависимость относительного удлинени  радиуса dR OiFi/QaF - 1 от количества пробегов волны впереди назад изображено на фиг. 4а, I.Fluctuations of particles of the medium at the point FI can be summed up two vectors L / 1 and L / 2, each of which is proportional to the amplitude of the corresponding wave and is directed perpendicular to the front. The calculation of the total vectors L / e according to the vector addition formulas allows us to construct the total front III. The radius of curvature of this wave, OiFi, is larger than the radiated wave, OaFi. Wave III travels back and forth again and reflects from the radiator, thus extending the radius of the total wave (emitted and transmitted once), and so on. The dependence of the relative elongation of the radius dR OiFi / QaF - 1 on the number of wave runs from front to back is shown in FIG. 4a, i.

Также рассчитан фронт принимаемой волны VI из фронтов излучаемой IV и однократно прошедшей среду V волн. Зависимость dR дана на фиг. 4а, 1. Здесь 6 R OiFi/02 Fj -1. Однако амплитуда волны с каждым пробегом уменьшаетс  ввиду поглощени , это уменьшает ее вли ние и dRAlso calculated is the front of the received wave VI from the fronts of the emitted IV and the V waves passing once through the medium. The dR relationship is given in FIG. 4a, 1. Here 6 R OiFi / 02 Fj -1. However, the wave amplitude decreases with each run due to absorption, this reduces its effect and dR

получаетс  меньше, чем в незатухающей среде. Уменьшение dR в процентах Кт как функци  относительного уменьшени  амплитуды волны А/До, изображено на фиг. 46.less is obtained than in a non-extinguishing medium. The decrease in dR in percent Kt as a function of the relative decrease in the amplitude of the A / Do wave is shown in FIG. 46.

Графики (фиг. 4} получены моделированием на персональном компьютере как обобщение расчетов распространени  волн и dR дл  большого количества случаев. Из графиков (фиг. 4) получены значени  Кт и dRn.m,The graphs (Fig. 4} were obtained by simulation on a personal computer as a generalization of the calculations of wave propagation and dR for a large number of cases. From the graphs (Fig. 4), the values of CT and dRn.m were obtained,

подставл емые.в формулы (1) - (4). Учет количества пробегов при m 4 не целесообразен .substituted. in formulas (1) - (4). Accounting for the number of runs with m 4 is not advisable.

Это моделирование проведено в процессе разработки и наладки измерительнойThis simulation was carried out in the process of developing and setting up the measuring

системы, а в компьютере измерительной системы хран тс  только зависимости dR от m и Km от А/До, или что равносильно, от сА (4). С началом измерени  начинают измен ть I (режим переменной длины) или f (режим посто нной длины). Информаци  о текущей длине или частоте поступает в компьютер , где дл  каждого их значени  подсчитываютс  .i, обеспечивающие овладени  точек Ot обеих волн III и VI.the systems, and only the dependences of dR on m and Km on A / Do, or equivalently on cA (4), are stored in the computer of the measuring system. When the measurement starts, I (variable length mode) or f (constant length mode) begin to change. Information about the current length or frequency enters the computer, where for each value they are counted .i, providing mastery of the points Ot of both waves III and VI.

-Таким образом, волны III и IV образуют конфокальную систему, если введены правильные значени  си а. Если так. то в определенные моменты времени совпадают фазы излучаемой и всех отраженных- Thus, waves III and IV form a confocal system if the correct values of the waveform are entered. If so. then at certain points in time the phases of the emitted and all reflected

волн и конфокальна  система резонирует. Случай резонанса повтор ютс  и выходной сигнал имеет форму, изображенную на фиг.waves and confocal system resonate. The resonance case is repeated and the output signal has the form shown in FIG.

3. Теперь измер ют напр жени  и частоты (длины) особых точек А-Е, характеризующих каждый резонанс. По ним компьютер вычисл ет значени  с и а. Подставл ют новые значени  в формулы (1) - (4), т.е. ввод т их в программы компьютера и повтор ют измерени . Критерием того, что получены3. Now, the voltages and frequencies (lengths) of the special points A-E characterizing each resonance are measured. From them, the computer calculates the values of c and a. Substitute the new values in formulas (1) - (4), i.e. enter them into the computer programs and repeat the measurements. Criterion of what is received

точные значени  с и а служат; получение тех же значений при повторной подстановке и симметрична  правильна  форма сигнала каждого резонанса (фиг. 3).exact values with and a serve; obtaining the same values with repeated substitution and symmetric regular waveform of each resonance (Fig. 3).

Положительный эффект заключаетс  вThe positive effect is

том, что конфокальный режим измерени  и св занное с этим устранение дифракционных погрешностей обеспечиваетс  как в случае посто нной длины, так и переменной .that the confocal measurement mode and the associated elimination of diffraction errors are provided both in the case of constant length and variable.

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula Способ измерени  акустических параметров вещества, заключающийс  в том, что исследуемое вещество помещают в камеру ультразвукового интерферометра,A method for measuring the acoustic parameters of a substance, which consists in placing the test substance in an ultrasonic interferometer chamber, формируют в ней вогнутую форму фронта ультразвуковой волны, измен ют частоту возбуждаемой волны или базу ультразвукового интерферометра и измер ют частоты локальных максимумов прин того сигнала.a concave shape of the front of the ultrasonic wave is formed in it, the frequency of the excited wave or the base of the ultrasonic interferometer is changed, and the frequencies of the local maxima of the received signal are measured. по которым определ ют скорость распрост-формы фронта волны, формирование формыwhich determine the speed of the propagation form of the wave front, the formation of the shape ранени  ультразвуковой волны и коэффици-фронте волны осуществл ют сдвигом фазwounds of the ultrasonic wave and the coefficient of the wave front are carried out by phase shift ентпоглощени ,отличающийс  тем.излучаемого и принимаемого сигналов доabsorption, characterized by the temperature of the emitted and received signals to что, с целью повышени  точности измере-совпадени  фаз излучаемой и всех отраженни  путем управлени  радиусом кривизны5 ных волн.that, in order to improve the accuracy of the measurement-coincidence of the phases of the emitted and all reflections by controlling the radius of curvature of the 5 waves. JSs& iTJSs & iT / У, -/ fe / Y, - / fe / / У / / Ј /  / / U / / Ј / Фиг. 1FIG. one /i Л / / / j / i L / / / j а) V- «/ / V a) V- "/ / V Фиг. г.FIG. year а)but) ill (аill (a («Ль("Al «" ftWfcftWfc (/;(/; Фиг.ЗFig.Z Редактор М.БланарEditor M.Blanar ,, Составитель В.Сукацкас (/г Техред М.МоргенталКорректор Д.0сауленкоCompiled by V.Sukackas (/ g Tehred M.MorgentalKorrektor D.0saulenko // klkl а)but) 1212 4 т4 t