Способ определения направления на источник акустических сигналов

 

Изобретение относится к области акустики и может быть использовано для неразру ш а ю щего ко нтрол я тон косте н н ых материалов методом акустической эмиссии. Целью изобретения является упрощение реализации за счет уменьшения числа преобразователей . При осуществлении способа вокруг одного или обоих преобразователей располагают слой звукопоглощающего материала . Для повышения достоверности за счет исключения влияния акустической тени при измерении в жидкой или газообразной среде преобразователи со слоями звукопоглощающего материала располагают на разных уровнях относительно плоскости Определения направления на источник акустических сигналов. Применение звукопоглощающего материала обеспечивает необходимое затухание акустического сигнала , а определенная его форма позволяет по тарировочным зависимостям отношения амплитуд акустических сигналов однозначно определить направление на источник. 1 -ЗЛ1.Ф-ЛЫ. 3 ИЛ. w fe

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК...Я3,, 1820322 А1 (я)э G 01 N 29/14

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4834843/28 разователей. При осуществлении способа (22) 05.06.90 . вокруг одного или обоих преобразователей . (46) 07.06.93. Бюл. N- 21: располагают слой звукопоглощающего ма(71) Государственный союзный сибирский териала. Для повышения достоверности за . научно-исследовательский институт авиа-: счет исключения влияния акустической тени ции. им. С,А.Чаплыгина . при измерении в жидкой или газообразной (72}. В.И.Харитонов среде преобразователи со слоями эвукопог (Б6) Авторское свидетельство СССР -: лощающего материала располагают на разf4 879451, кл. 6 Of N 29/.14, 1981.. -ных уровнях относительно плоскости (64) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЙАПРАВЛЕ-. определения направления на источник акуНИЙ НА ИСТОЧНИК АКУСТИЧЕСКИХ СИГ- стических сигналов. Применение звукопогМАЛОВ . - . лощающего материала обеспечивает (57) Изобретение..относится к области аку- - необходимое затухание акустического сиг-стикии можетбытьиспользованодля иераз- нала, а определенная. его форма позволяет .рушающего контроля тонкостенных потарировочным зависимостям отношения материалов методом акустической эмиссии.. - амплитуд акустических сигналов однозначЦельюизобретенияявляетсяупрощениере- но.определить направление на источник. 1 ,ализации за счет уменьшения числа преоб- э.п.ф-лы, 3 ил. Ф

Изобретение относится к области аку- размещен вокруг каждого приемника, а раэстики и может быть использовано йри не-. рез в плоскости определения направления разрушающем контроле тонкостенных представляет собой площади, контуры котоматериалов методом акустической эмиссии, . рых ойисываются спиралью Архимеда; на 0( а также для определения направления на фиг.26- соответствующая тарировочная эа- Ы акустический источник в газообразной и висимость. С) . жидкой среде.. на,фиг.3 а приведен пример реализации (А)

Цель изобретения —. упрощение реали- способа,-когда эвукопоглощающий материал Я зации способа за счет сокращения числа расположентакимобраэом,чторазрезвпло- р преобразователей и повышение достовер- скости определения направления представности эа счет исключения влияния акустиче- ляет собой площадь с контуром в виде . ской тени при измерении в жидкой или - эллипса; на фиг.Зб — соответствующая таригвзообразной средах. - .. ровочная зависимость. ей

На фиг,1 приведен пример реализации На фиг.1-3 введены следующие обозна.способа, где эвукопоглощающий материал чения: размещен только вокруг одного из приемников; на фиг.1б — соответствующая тариро- 1, 2 — акустические приемники; вочная зависимость. 3 — звукопоглощающий материал в разНа фиг.2 приведен пример реализации - резе в плоскости определения направлеспособа, где звукопоглощающий материал ния:

1820322

AB — путь распространения акустического импульса в толще звукопоглощающего материала к приемнику 1;

CD — путь распространения акустического импульса в толще звукопоглощающе- 5

ro материала к приемнику 2.

q . - волновой вектор акустического импульса на фронте волны, р- направление на источник акустических сигналов; .10

1n — — логарифм отношения ампли-01

U2 туд сигналов.

Способ осуществляется следующим образом.

Акустические приемники 1 и 2 (фиг.1-3) устанавливают в зоне приема в плоскости определения направления (совпадает с плоскостью чертежа). Помещают вокруг приемников 1 и 2 эвукопоглощающий материал 3 20 определенной формы (разрез в плоскости определения направления заштрихован).

В направлении приемников 1 и 2 от источника распространения акустический сигнал (плоская волна), характеризующийся (в 25 плоскости определения направления) волновым вектором q. Волновой вектор q oriðåделяет направление- р на источник акустических сигналов.

Достигнув боковой поверхности звуко- 30 поглощающего материала 3, акустический сигнал проходит в его толщу, где по мере продвижения более интенсивно. затухает.

При этом амплитуда сигнала уменьшается в зависимости от длины пути прохождения 35 сигналом в толще материала 3. До приемника 1 акустический импульс пройдет путь АВ, а до приемника 2- путь СД. В зависимости от направления у изменяется соотношение путей AB и СД, а следовательно, и соотно- 40 шение амплитуд сигнала, измеряемых приемниками 1 и 2..

До измерений для приемников 1, 2 и звукопоглощающего материала 3 определяют тарировочную зависимость (фиг.16, 26, 45

36) отношения амплитуд 01 и 02 акустического сигнала, измеренйых приемниками 1 и 2 от направлейия р прихода сигнала.

Получением тарировочной зависимости типа приведенных на фиг. 16, 26, 36 заканчи- 50 вается подготовка к измерениям.

Затем измеряют амплитуды U1 и 02 акустического сигнала источника, зарегистрированного приемником 1.и 2, определяют их 55 отношение 01/02, а затем, используя соот. ветствующую тарировочную зависимость .16, 26. 36, определяют направление рна источник акустических сигналов.

С целью расширения области определения направления, получения тарировочной зависимости, а также обеспечения постоянства углов падения и преломления на боковой поверхности звукопоглощающего материала для всех направлений, располагают звукопоглощающий материал вокруг одного из приемников (фиг.1а). При этом сечение звукопоглощающего материала представляет собой площадь, контур которой описывается спиралью Архимеда. Тарировочная зависимость приведена на фиг.16. эта зависимость достаточно точно описывается функциональным выражением где Q — коэффициент затухания, k — коэффициент. Область определения в этом случае 0 < р 360 о.

При. измерениях определяют отношение. 01/U2 или In 01/U2 и затем по тарировочной зависимости (фиг.16) или функциональной зависимости (1) определяют направление у на источник акустических сигналов.

С целью повышения эффективности получения тарировочной зависимостй посредством упрощения процедуры настройки приемников на равную чувствительность, помещают эвукопоглощающий материал 3 (фйг.2а) отдельно вокруг каждого приемника

1.и 2. Сечение звукопоглощающего материала представляет собой площади, контуры которых описываются спиралью Архимеда.

Тарировочная зависимость приведена на фиг.26.. эта зависимость достаточно точно описывается выражениями:

U1 р1 =90 (1 +1п )

02 (г) Р2 =@1+180

Выражение (2) означает, что направления р 1 и р2 = f1+ 180 неразличимы, т.е. дают одно и то же отношение U1/02 .

При измерениях определяют отношение 01 / U2 амплитуд сигнала источника

U1 или in — . затем по тарировочной зави02 симости (фиг.26) или функциональной зависимости (2) определяют направление р на источник акустических сигналов. р — 1п О, 0 <р 360 (1)

1820322

С целью исключения влияния акустической тени на каждый иэ приемников от звукопоглощающего материала, прилагающего к другому приемнику, располагают вокруг приемников 1, 2 (фиг.3а) звукопоглощающий ма- 5 териал 3, разрез которого в плоскости . определения направления (совпадает с плоскостью чертежа) представляет собой площадь с контуром в виде эллипса и располагают этот материал 3 так, чтобы аку- 10 стические приемники 1 и 2 находились бы в фокусах эллипса. Для приемников 1, 2 и эвукопоглощающего материала 3 сечением в виде эллипса тарировочная зависимость приведена на фиг,36. Эта зависимость до- 15 статочно точно описывается выражениями: аг ф ) = ЭГССОВ " о

01 иг

}.2 ) аР (3) фг =-p

30 а = 10 — I< = 0,1

Пример 2. (фиг.2а), В данном примере в отличие от примера 1 звукопоглощающая

40 ся выражениями:

«В

50 где e =-, ñc а с — фокусное расстояние: а — большая полуось эллипса: а -сг г

P— а

При измерениях определяют отношение U>/0г или In U>/Ог, а затем по тарировочной зависимости (фиг.36) или функциональной зависимости (3) определяют направление иа источник акустических сигналов.

При измерениях в жидкой и газообразной среде, с целью исключения влияния акустической тени и повышения, таким .образом, достоверности, располагают акустические приемники 1 и 2 со своими частями звукопоглощающего материала 3 в зоне приема на разных уровнях ио отношению к плоскости определения направления, один под другим., При измерениях определяют отношеwe U>/Uz или InU>/Ог, а затем по соответствующим тарировочным зависимостям фиг.16, 26 или функциональным зависимостям (1) и (2) определяют направление на источник акустических сигналов.

Пример 1. Акустические приемники 1 и 2 (см.фиг.1а) из пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 0,01 м устанавливали на поверхности тонкого дюралюминиевого листа толщиной 2 мм (совпадает с плоскостью чертежа и плоскостью определения направления) на расстоянии 0,32 мм друг от друга.

Вокруг приемника 2 наклеивали звукопоглощающую накладку 3 из каучуковой резины толщиной 3 мм, контур которой описывается спиралью Архимеда. гг =ro+ — p, 0 Ср 360 (4}

2ak о

360 где r> — радиус приемников 1, 2; k — коэффициент; гг — определяется расстоянием CD. В данном конкретном примере r =- 0,005 м, k

0,1. Звукопоглощающая накладка обеспечиваЯ затухание акустических колебаний с коэффициентом затухания а = 10 —. ! м

До измерений для приемников 1, 2 и звукопоглощающего материала 3 с помощью дополнительного датчика-излучателя, последовательно устанавливаемого с различных направлений по отношению к приемникам 1 и 2, определяли тарировочную зависимость (фиг.16) отношений амплитуд 0> и Ог сигналов датчика-излучателя, измеренных приемниками 1 и 2 от направления р на датчик-излучатель. Тарировочная зависимость (фиг.16) для данного примера может быть заменена функциональной эависилюстью (1), где.нужно принять накладка помещалась также вокруг приемника 1, контур первой накладки описываетr +- — (180 — р},0 < р «<180 г1 = (5) г+ 360 (540 — p},180 <р 360 где rl - определяется расстоянием АВ, k =

0,1; Тарировочная зависимость, полученная тем же методом, uto и в предыдущем примере, приведена на фиг.26. Она может быть заменена функциональной зависимостью (2) .

Пример 3. Звукопоглощающий материал 3 представляет собой эллиптический цилиндр высотой 0,3 м, который изготовлен иэ множества слоев каучуковой резины путем их склеивания. Сечение эллиптического цилиндра представляет собой эллипс с размерами а - 0,08 м, с - 0,07 м. При изготовлении эллиптического цилиндра в его толщину

1820322 были заделаны два акустических приемника

1 и 2. которые расположены в фокусах эллипса 3 среднего сечения цилиндра (coIIrfaдает с плоскостью чертежа и плоскостью определения направления). 5

Измерения проводились о воде. Была определена тарировочная зависимость

-(фиг.3б). Эта зависимость может быть заме° иена функциональным выражением(3), в котором следует положить . 10 а = 10 —,я =0,875, Р =0.01875 м.

Приведенные выше примеры 1 и 2 реализаций способа обладают существенным преимуществом по сравнению с примером 15

3, заключающемся в том, что угол падения акустического луча на боковую поверхность звукопоглощающего материала 3 в,плоскости определения направления всегда одинаковдля всех направлений прихода, что не 20 вносит дополнительных искажений в картину преломления акустического луча. Помимо этого, указанные примеры 1. 2 имеют линейные тарирооочные зависимости (фиг.16 и 2б). 25

С другой стороны, примеры 1 и 2 по сравнению с примером 3 имеют недостаток, заключающийся в возможности попадания приемника 1 в акустическую тень приемника 2 с его частью звукопоглощающего мате- 30 риала и наоборот. В примере 3 этот недостаток отсутствует.

При работе о жидкой и газообразной сре. де, чтобы исключить влияние акустической тени (примеры 1 и 2), необходимо приемники 35

1, 2 со своими частями заукопоглощающего материала поместить в зоне приема на разных уровнях rIo отношению к плоскости определения направления, например, один под другим. 40

Пример 4. Звукопоглощающий материал для приемника 2 представляет собой

"цилиндр" высотой 0,2 м с сечением, контур которого описывается спиралью Архимеда.

Такой цилиндр изготовлен из множества 45 слоев каучуковой резины путем.их склеивания; В толщу цилиндра в среднее сечение . (на высоте 0.1 м) был заделан приемник 2.

Этот приемник 2 располагался в центре спирали Архимеда, Вокруг приемника 1 звуко- 50 поглощающий материал отсутствовал. Указанные приемник 1 и цилиндр 3 с приемником 2 располагали на штативе на одной оси, перпендикулярной плоскости определения направления, один под другим, на разных уровнях. Контур сечения цилиндра 3 описывается выражением (4), которое однозначно определяет ориентацию цилиндра в пространстве и, следовательно, задает начало отсчета угла р. Измерения проводились в аоде.

Тарировочная зависимость для этого примера приведена на фиг.16, или она может быть заменена выражением (1), где необходимо положить а = 10 —, k = 0,1.

Описанный способ определения направления на источник акустических сигналов позволяет не снижая точности измерений сократить число акустических приемников до двух.

Формула изобретения

1. Способ определения направления на источник акустических сигналов, заключающийся в том, что в нескольких точках в зоне приема располагают преобразователи акустических сигналов, измеряют амплитуду акустических си малов, по которым определяют направление на источник, о т л и ч а юшийся тем, что с целью упрощения реализации за счет уменьшения числа преобразователей, используют два преобразователя, располагают вокруг одного или обоих преобразователей слой эвукопоглощающего материала, выполненный по спирали Архимеда или эллипсу, а направление на источник акустических сигналов определяют по отношению измеренных амплитуд с учетом тарировочной зависимости.

2. Способ по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения достоверности за счет исключения влияния акустической тени при измерении. в жидкой или газообразной средах, преобразователи со слоями эвукопоглощающего материала располагают в зоне приема на разных уровнях по отношению к плоскости определения направления на источник акустических сигналов, 1820322 бо УгО ISO .ЛФо ЗОО юо Р

1820322 О

1820322

-2

О 30 б О Ó0 f20 50 /80 P

Составитель В.Харитонов

Техред M.Ìîðãåíòàë . Корректор 0.Кравцова

Редактор

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

Заказ 2028 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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