SU657331A1 - Ultrasonic interferometer - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к техничес кой акустике и может найти применение в измерительной технике. Известно устройство дл  измерени акустических параметров материалов основанное на принципе ультразвуковой интерферометрии 1. Однако оно не позвол ет непосредственно из мер ть удельное акустическое сопротивление среды. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретени  вл етс  ультразвуковой интерферометр , содержащий последовательно соединенные блок настройки, диапазо ный генератор, излучающий преобразователь , установленный по одну сто рону кюветы, по другую сторону которой напротив излучающего установ лен приемный преобразователь, подключенный к полосовому усилителю детектору с центральной частотой, вдвое меньшей резонансной частоты преобразователей, и формирователь Однако этот интерферометр также не обеспечивает непосредственного измерени  удельного акустического сопротивлени  среды. Целью изобретени   вл етс  обес печение непосредственного измерени удельного акустического сопротивлени  среды. Цель достигаетс  благодар  тому, что в предлагаемое устройство введены второй полосовой усилитель-детектор с центральной частотой полосы, вдвое превышающей центральную частоту полосы первого, переключатель режима работы, триггер и последовательно соединенные ждущий генератор импульсов , вольтметр и источник регулируемого посто нного напр жени , при этом второй полосовой усилительдетектор подключен параллельно первому , и они оба соединены со входом формировател  через одну секцию переключател  режима, средний контакт второй секции которого подключен ко входу блока настройки и ко входу ждущего генератора, а переключаемые контакты - к выходу формировател  непосредственно и через триггер. На фиг. 1 изображена структурна  схема предлагаемого интерферометра на фиг. 2 - эпюры напр жени  и час- тоты. Диапазонный генератор 1 подключен к пьезоизлучателю 2, наход щемус  в кювете 3. Пьезоприемник 4 соединен |со входом полосовых усилителей-де3 текторов 5 и 6. Полоса пропускани  усилител -детектора 5 соответствует диапазону частот генератора i и нах дитс  в области частот 0,5 f, где f - резонансна  частота преобразователей 2 и 4. Полоса пропускани  усилител -детектора 6 находитс  в области резонансной частоты Выходы блоков 5 и 6 через одну секцию переключател  режима 7-9 подключены к входу формировател  10, а средний контакт второй секции соединен с ждущим генератором 11. Выход формировател  10 подключен к счетному входу -триггера 12 и контакту 13 вто рой секции переключател  режима. Вы ход триггера 12 соединен с контактом 14, а общий контакт 15 переключател  - с входом блока настройки 1 и с входом ждущего генератора 11 им пульсов стабильной частоты и амплитуды , последовательно соединенного с вольтметром 17 посто нного напр жени  и источником посто нного регулируемого напр жени  18. Выход бл ка настройки 16 св зан с входом настройки частоты генератора 1. На фиг.2 номером 19 обозначен гр фик расположени  акустических резон сов системы из исследуемой среды,ра положенной между преобразовател ми и 4,и самих преобразователей 2 и 4 области частоты 0,5 20 - график расположени  акустических резонансов в области резонансной частоты преобразователей fo и изменение час тоты генератора 1 во времени; 21 - выходные импульсы формировател ; 22 - импульсы триггера 12, Выходное импульсное напр жение генератора 11 и его средн   составл юща  в обоих режимах работы (соответственно U и DO), переключаемых двухсекционным переключателем с контактами 7-9, в момент времени t , показаны 13-15 графиком 23. Интерферометр работает следующим образом. Включают питание и помещают исследуемое вещество в кювету 3 между преобразовател ми 2 и 4, В конструк ции кюветы предусмотрено фиксирован ное рассто ние между преобразовател ми 2 и 4, если исследуетс  только жидкость или газ, либо переменное рассто ние, с целью прижауи  преобр зователей к поверхност м плоскопараллельных исследуемых образцов раз ной толщины из твердого тела. Переключают переключатель режима в по ложение, в котором замкнуты контакты 8,9 и 14,15 соответственно. Частота генератора 1 под воздействием сигнала с блока настройки 16 измен  етс  в области частоты 0,5 fо, например увеличиваетс  (графики 19, 2 по пр молинейному закону. Процесс протекает до возникновени  акустического резонанса системы исследу емое вещество - преобразователи . 1 Выходное напр жение усилител -детектора 5 увеличиваетс  и в момент акустического резонанса становитс  максимальным . В этот момент времени срабатывает формирователь 10 (график 21). Импульс формировател  10 поступает на вход блока настройки 16, который с этого момента начинает измен ть частоту генератора 1 в противоположном направлении. Одновременно импульс формировател  10 поступает на счетный вход триггера 12, перебрасыва  его (график 22), запускает генератор 11 импульсов стабильной длительности и частоты. Частота генератора 1 уменьшаетс  до достижени  акустического резонанса и, ввиду срабатывани  блоков 10 и 16, оп ть начинает увеличиватьс  и т.д. В каждый- момент реверса изменени  частоты импульс с формировател  поступает на запуск генератора 11, который вырабатывает серию импульсов стабильной амплитуды и длительности (график 23), Регулируют напр жение источника 18 до достижени  нулевых показаний вольтметра 17, т.е. до достижени  равенства напр жени  источника 18 среднему напр жению U последовательности выходных импульсов генератора 11, Поскольку скорость изменени  частоты генератора 1 посто нна, а генератор 11 запускаетс  каждый раз при изменении частоты на величину интервала между двум  соседними акустическими резонансами д , то напр жение U обратно пропорционально величине интервала д , В момент времени t переключают контакты 7-9 и 13-15 переключател  режима, Усилитель-детектор 6 настроен на вторую гармонику напр жени  генератора 1 и на его выходе выдел ютс  сигналы акустических резонансов, наход щихс  в области резонансной частоты преобразователейfp (график 20) , Коэффициент передачи преобразователей на этой частоте существенно выше, чем в предыдущем случае (в области 0,5 fj,) и роль напр жени  возбуждени  пьезоизлучател  2 выполн ет напр жение второй гармоники, содержащеес  в сигнале генератора 1, Закон изменени  частоты второй гармоники одинаков как и частоты первой гармоники , но скорость изменени  в два раза выше. Поэтому сигнал формировател  10 поступает на входы блока настройки 16 и генератора импульсов 11 через триггер 12, который делит количество импульсов на 2, в остальном работа интерферометра не отличаетс  от предыдущего случа . Среднее напр жение выходных импульсов генератора il UQ теперь будет обратно пропорционально интервалу частоты uf между двум  акустическими резонансами в области резонансной частоты преобразователей. Напр жение источника 18 было установлено равным UThe invention relates to technical acoustics and can be used in measurement technology. A device for measuring acoustic parameters of materials is known based on the principle of ultrasonic interferometry 1. However, it does not directly measure the specific acoustic resistance of a medium. The closest to the technical essence of the present invention is an ultrasonic interferometer containing a tuner connected in series, a range generator emitting a transducer mounted on one side of the cell, on the other side of which a receiving transducer is installed opposite the radiating transducer connected to a band amplifier center frequency, half the resonant frequency of the transducers, and the driver, however, this interferometer also does not provide GOVERNMENTAL measuring specific acoustic resistance of the medium. The aim of the invention is to provide direct measurement of the specific acoustic impedance of the medium. The goal is achieved due to the fact that the proposed device introduces a second band-pass detector amplifier with a center frequency band twice the center frequency of the first band, an operation mode switch, a trigger and series-connected stand-by pulse generator, a voltmeter, and an adjustable constant-voltage source. the second bandpass amplifier detector is connected in parallel to the first, and they are both connected to the input of the driver through one section of the mode switch, the middle contact of the second It is connected to the input of the tuner and to the input of the waiting generator, and the switchable contacts are connected to the output of the driver directly and via a trigger. FIG. 1 shows the structural scheme of the proposed interferometer in FIG. 2 - voltage and frequency diagrams. The band generator 1 is connected to a piezo-emitter 2 located in the cuvette 3. The piezotransmitter 4 is connected to the input of the band amplifier amplifiers 3 and 5 and 6. The bandwidth of the amplifier detector 5 corresponds to the frequency range of the generator i and is located in the frequency range 0.5 f where f is the resonant frequency of converters 2 and 4. The bandwidth of amplifier-detector 6 is in the resonant frequency region. The outputs of blocks 5 and 6 are connected through one section of mode switch 7-9 to the input of shaper 10, and the middle contact of the second section is connected to The generator is 11. The output of the driver 10 is connected to the counting input of the trigger 12 and the contact 13 of the second section of the mode switch. The trigger stroke 12 is connected to contact 14, and the common contact 15 of the switch is connected to the input of tuning unit 1 and to the input of the standby generator 11 pulses of stable frequency and amplitude connected in series with a constant voltage voltmeter 17 and a source of constant regulated voltage 18 The output of the tuning block 16 is connected with the input of the tuning of the frequency of the generator 1. In Fig. 2, the number 19 denotes the pattern of the acoustic resonance of the system from the medium under study, located between the transducers and 4, and the transducers 2 and 4 themselves. frequency range 0.5–20 is a plot of acoustic resonances in the frequency range of the transducers fo and variation of the frequency of the oscillator 1 with time; 21 - shaper output pulses; 22 - trigger pulses 12, The output pulse voltage of the generator 11 and its average component in both modes of operation (U and DO respectively), switched by a two-section switch with contacts 7-9, at time t, are shown 13-15 by schedule 23. Interferometer works as follows. The power is turned on and the test substance is placed in the cuvette 3 between transducers 2 and 4. The cuvette has a fixed distance between the transducers 2 and 4, if only a liquid or gas, or a variable distance, is tested in order to pinch converters surfaces of the plane-parallel samples of varying thickness from a solid body. The mode switch is switched to the position in which contacts 8.9 and 14.15 are closed, respectively. The frequency of the oscillator 1 under the influence of the signal from the tuning unit 16 varies in the frequency range of 0.5 fo, for example, increases (graphs 19, 2 are straightforward. The process proceeds before the acoustic resonance of the system occurs the test substance - converters. 1 -detector 5 is increased and at the moment of acoustic resonance becomes maximum. At this moment, shaper 10 is activated (chart 21). Shaper 10 is fed to the input of tuner 16, which from now on It alternates the oscillator 1 frequency in the opposite direction. At the same time, the pulse of the imaging unit 10 arrives at the counting input of the trigger 12, transferring it (graph 22), starts the generator 11 of stable duration and frequency pulses. The frequency of the oscillator 1 decreases until acoustic resonance reaches 10 and 16, again begins to increase, etc. At each instant of the reverse of the change in frequency, the pulse from the driver comes to start the generator 11, which produces a series of pulses of stable amplitudes rows and duration (Figure 23), regulates the voltage source 18 to achieve a zero reading of the voltmeter 17, i.e., until the voltage of source 18 is equal to the average voltage U of the sequence of output pulses of the generator 11, Since the rate of change of the frequency of the generator 1 is constant and the generator 11 starts each time when the frequency changes by the interval between two adjacent acoustic resonances d, the voltage U is back in proportion to the interval d, At the moment of time t, the contacts 7–9 and 13–15 of the mode switch are switched, Amplifier Detector 6 is tuned to the second harmonic of the generator 1 voltage and at its output is the acoustic resonance signals in the frequency range of the transducers fp (plot 20) are made, the transfer coefficient of the transducers at this frequency is significantly higher than in the previous case (0.5 fj,) and the excitation voltage of the piezo-emitter 2 performs The second harmonic contained in the generator 1 signal. The law of change of the second harmonic frequency is the same as the frequency of the first harmonic, but the rate of change is twice as high. Therefore, the signal of the imaging unit 10 is fed to the inputs of the tuning unit 16 and the pulse generator 11 through the trigger 12, which divides the number of pulses by 2, otherwise the interferometer does not differ from the previous case. The average voltage of the output pulses of the generator il UQ will now be inversely proportional to the frequency interval uf between two acoustic resonances in the region of the resonant frequency of the transducers. Source voltage 18 was set to U

таким образом вольтметр 17 покажет напр жение U.,-UQ , которое, в свою очередь, пропорционально 57 - ; Величины частотных интервалов Af д осв эаны с удельным акустлческим сопротивлением среды .,наход щейс  между преобразовател ми 2 и 4, следующей формулойthus, the voltmeter 17 will show the voltage U., - UQ, which, in turn, is proportional to 57 -; The magnitudes of the frequency intervals Af d osvans with a specific acoustic resistance of the medium. Located between the transducers 2 and 4, the following formula

ср-2 Д ;-1Г„У 1бЦ )Wed-2 D; -1Г „У 1bЦ)

где Z - удельное акустическое сопротивление материала преобразовател  .where Z is the specific acoustic impedance of the transducer material.

По показани м вольтметра, градуированного согласно этому уравнению отсчитывают искомое сопротивление.According to the readings of a voltmeter calibrated according to this equation, the desired resistance is counted.

Положительный эффект предлагаемого изобретени  заключаетс  в упрощении измерений, необходимы только три операции: введение вещества в кювету регулирование напр жени  источника и переключение переключател  режима, не требуетс  измерени  рассто ни  между преобразовател ми или длины образца, результат отсчитываетс  непосредственно по шкале. Расшир етс  область применени , измер ют акустическое сопротивление жидкостей, газо или твердых веществ в виде плоскопараллельных изделий. Кроме того, не требуетс  знать значение скорости ультразвука в исследуемой среде.The positive effect of the present invention is to simplify the measurements, only three operations are necessary: introducing the substance into the cuvette, adjusting the source voltage and switching the mode switch, measuring the distance between the transducers or the sample length is not required, the result is measured directly on the scale. The field of use is expanded, the acoustic resistance of liquids, gas or solids in the form of plane-parallel products is measured. In addition, it is not necessary to know the value of the ultrasound velocity in the test medium.

Claims (2)

1.Иванов В.Е. Об измерении скорости ультразвука в твердых телах интерферометром с двум  пьезопреобраэовател ми . Труды ВУЗов, Лит.ССР, Ультразвук, 1969., I, с. 135-141.1.Ivanov V.E. Measuring the speed of ultrasound in solids with an interferometer with two piezoelectric transducers. Proceedings of Universities, Lit.SSR, Ultrasound, 1969., I, p. 135-141. 5five 2.Авторское свидетельство СССР 372495, кл. G 01 N 29/00, 1971.2. USSR author's certificate 372495, cl. G 01 N 29/00, 1971.