Способ измерения коэффициента отражения акустических сигналов

 

Использование: для определения комплексного коэффициента отражения акустических сигналов от поверхности исследуемых материалов. Цель изобретения - повышение точности измерения фазы коэффициента отражения. Способ измерения коэффициента отражения акустических сигналов включает в себя одновременное излучение акустическим излучателем, размещенным в конце гидроакустической трубы, низкочастотных и высокочастотных амплитудно-модулированных радиоимпульсов, у которых фазы и частоты низкочастотного заполнения и огибающей совпадают, прием гидрофоном, расположенным в середине трубы, радиоимпульсов, распространяющихся от излучателя и отразившихся от образца, помещенного в противоположном излучателю конце трубы, измерение амплитуды распространяющегося от излучателя низкочастотного радиоимпульса, измерение амплитуды отразившегося от образца низкочастотного радиоимпульса, нахождение отношения амплитуд отразившегося и распространяющегося от излучателя низкочастотных радиоимпульсов, равного модулю коэффициента отражения, детектирование отразившегося от образца и принятого приемником амплитудно-модулированного радиоимпульса, выделение из продетактированного радиоимпульса сигнала с частотой модуляции, измерение разности фаз между синусоидальным заполнением отразившегося низкочастотного радиоимпульса и синусоидальным заполнением продектированного амплитудно-модулированного радиоимпульса, отразившегося от образца, равной фазе коэффициента отражения. 2 ил.

Изобретение относится к способам измерения акустических характеристик материалов и предназначено для определения комплексного коэффициента отражения акустических сигналов от поверхности исследуемых материалов. Способ может быть использован в гидроакустике, машиностроении, строительстве, неразрушающем контроле.

Известен способ измерения коэффициента отражения акустических сигналов от образцов материалов, построенный на раздельном приеме падающей и отраженной волн, в основе которого лежит излучение в среду, заполняющую гидроакустическую трубу, непрерывного гармонического сигнала, раздельный прием звуковых колебаний двумя точечными гидрофонами, разнесенными на расстояние, меньшее четверти длины звуковой волны, фазовый сдвиг принятых гидрофонами сигналов на величину пространственного набега фазы, раздельное суммирование в двух каналах сигналов непосредственно с гидрофонов и сдвинутых по фазе. В результате на выходе одного канала образуется сигнал, амплитуда которого пропорциональна амплитуде падающей волны, а на выходе другого канала - сигнал, амплитуда которого пропорциональна амплитуде отраженной волны. Измеряется отношение амплитуд сигналов с выходов различных каналов суммирования, равное модулю коэффициента отражения.

Также известен способ измерения коэффициента отражения акустических сигналов от образцов материалов в стоячей волне, в основе которого лежит размещение излучателя и образца на противоположных концах гидроакустической трубы, возбуждение излучателя синусоидальными колебаниями, в результате чего из-за суперпозиции распространяющейся от излучателя и отраженной от образца звуковых волн вдоль трубы устанавливается стоячая волна с чередующимися через половину длины звуковой волны максимумами и минимумами звукового давления, измерение звукового давления в пучностях (Р_max) и узлах (Р_min) стоячей волны, измерение расстояния первого узла давления (Y_min) стоячей волны от поверхности образца и вычисление модуля (К_отр) и фазы (ϕ_o) коэффициента отражения согласно выражениям: K = ; ϕ_o= Π-2KY_min.

В качестве прототипа выбран эхо-импульсный способ измерения модуля и фазы коэффициента отражения путем сравнения с эталонной границей вода/воздух, в основу которого положено излучение акустическим излучателем, размещенным в нижней части гидроакустической трубы, радиоимпульсов; прием расположенным в середине трубы гидрофоном двух импульсов распространяющегося от излучателя и отразившегося от помещенного в верхней части трубы образца; измерение амплитуды падающего на образец импульса (Р_пад); измерение амплитуды отразившегося от образца импульса (Р_отр); нахождение отношения амплитуд отразившегося и падающего импульсов (Р_отр/Р_пад), равного модулю коэффициента отражения; измерение фазы отраженной от поверхности вода/воздух волны ( ϕ_в/в); измерение фазы отраженной от образца волны ( ϕ_обр); нахождение фазы коэффициента отражения исследуемого образца (ϕ _о) согласно выражению: ϕ_o = (π-ϕ_в/в) + ϕ_обр. (1) Недостаток прототипа - низкая точность измерения фазы коэффициента отражения, связанная с невозможностью точной установки отражающей границы образца в место, где располагалась эталонная граница вода/воздух. Поскольку измеряемые значения фаз волн, отразившихся от границ вода/воздух ( ϕ_в/в) и вода/образец (ϕ_обр), содержат пространственные набеги фаз: ; (2) где K = - волновое число; L₁ - расстояние излучатель/образец/приемник; L₂ - расстояние излучатель/воздух/приемник, что при L₁ ≠ L₂ фаза коэффициента отражения образца согласно (1) и (2) содержит ошибку Δϕ: ϕ = ϕ_o+K(L₁-L₂) = ϕ_o+KΔL = ϕ_o+Δϕ. (3) Величина ошибки Δϕ увеличивается с ростом погрешности установки образца Δ L и ростом частоты ω. Помимо неточной установки образца рассмотренная погрешность имеет место в случае измерения коэффициента отражения, когда жидкость в трубе находится под избыточным гидростатическим давлением. Под действием гидростатического давления увеличивается в небольших пределах диаметр трубы, что уменьшает длину столба жидкости в трубе на величину ΔL и приводит к появлению ошибки Δϕ = 2k ΔL. Изменение скорости звука в жидкости под действием гидростатического давления вносит дополнительную погрешность. Аналогичная ошибка возникает при исследовании пористых материалов, у которых акустическая граница не совпадает с физической границей образца.

Цель изобретения - повышение точности измерения фазы коэффициента отражения. Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения коэффициента отражения акустических сигналов, включающем излучение акустическим излучателем, размещенным в конце гидроакустической трубы, низкочастотных радиоимпульсов, прием расположенным в середине трубы гидрофоном двух радиоимпульсов - распространяющегося от излучателя и отразившегося от образца, помещенного в противоположном относительно излучателя конце трубы, измерение амплитуды распространяющегося от излучателя низкочастотного радиоимпульса, измерение амплитуды отразившегося от образца низкочастотного радиоимпульса, нахождение отношения амплитуд отразившегося и распространяющегося от излучателя низкочастотных радиоимпульсов, по которому определяют модуль коэффициента отpажения, дополнительно предусмотрено излучение в направлении образца одновременно с низкочастотным радиоимпульсом высокочастотного амплитудно-модулированного радиоимпульса, фаза и частота огибающей которого равна фазе и частоте заполнения низкочастотного радиоимпульса, прием отраженного от образца амплитудно-модулированного радиоимпульса, детектирование отразившегося амплитудно-модулированного радиоимпульса и выделение из продетектированного радиоимпульса сигнала с частотой модуляции, измерение разности фаз между синусоидальным заполнением отразившегося низкочастотного и продетектированного амплитудно-модулированного радиоимпульса и по фазе и модулю определяют комплексный коэффициент отражения акустического сигнала.

На фиг.1 показана структурная схема устройства, реализующего способ; на фиг.2 - эпюры напряжения.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит последовательно соединенные генератор низкой частоты 1, амплитудный модулятор 2, сумматор 3, соединенный вторым входом с генератором 1, ключ 4, усилитель 5 и излучатель 6, помещенный в гидроакустическую трубу 7, генератор высокой частоты 8, соединенный со вторым входом модулятора 2, импульсный генератор 9, соединенный с управляющим входом ключа 4, образец материала 10, помещенный в противоположном от излучателя 6 конце трубы 7, последовательно соединенные гидрофон 11, избирательный фильтр 12, амплитудный детектор 13, фильтр нижних частот 14, фазовый детектор 15 и индикатор 16, включенный между гидрофоном 11 и вторым входом фазового детектора 15 второй избирательный фильтр 17 и подключенный к его выходу измеритель амплитуды 18.

Устройство на фиг.1 работает следующим образом. Генератор низкой частоты 1 вырабатывает непрерывный гармонический сигнал U1, который поступает на модулирующий вход амплитудного модулятора 2. На второй вход модулятора 2 поступает непрерывный гармонический сигнал U2 с генератора высокой частоты 8. Амплитудно-модулированный (АМ) сигнал U3 с выхода модулятора 2 суммируется с низкочастотным сигналом в сумматоре 3, после чего поступает на ключ 4, который формирует радиоимпульс, в заполнение которого входит низкочастотный (НЧ) и высокочастотный амплитудно-модулированный сигналы. Управляется ключ 4 от импульсного генератора напряжением U4, которое задает период следования Т_сл и длительность τ_и и радиоимпульсов. С выхода ключа 4 радиоимпульсы поступают на усилитель 5 и после усиления в нем подаются на акустический излучатель 6. Падающие на образец 10 и отраженные от его поверхности радиоимпульсы НЧ- и АМ-волн принимаются гидрофоном 11, с которого они поступают на входы избирательных фильтров 12 и 17. Фильтр 12 настроен на пропускание АМ-волны, фильтр 17 настроен на пропускание НЧ-волны. С выхода фильтра 12 АМ-сигнал U5 детектируется в амплитудном детекторе 13, после чего фильтром нижних частот 14 из него выделяется сигнал U6 c частотой модуляции и подается на один из входов фазового детектора 15. НЧ-сигнал U7 с выхода фильтра 17 поступает одновременно на измеритель амплитуды 18 и второй вход фазового детектора 15. С помощью измерителя 18 измеряются амплитуды подающей и отразившейся от образца НЧ-волн U7_пад и U7_отр, по отношению которых определяют модуль коэффициента отражения. На выходе фазового детектора 15 вырабатывается видеоимпульс U8, амплитуда которого пропорциональна разности фаз между огибающей отразившейся от образца АМ-волны и отразившейся НЧ-волной. Измеряемая индикатором 16 амплитуда U8 соответствует фазе коэффициента отражения.

Использование предлагаемого способа измерения коэффициента отражения акустических сигналов позволяет по сравнению с существующими способами повысить точность измерения фазы коэффициента отражения посредством исключения источников случайных и систематических ошибок, связанных с изменением протяженности измерительной базы.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ, включающий излучение акустическим излучателем, размещенным в конце гидроакустической трубы, низкочастотных радиоимпульсов, прием расположенным в середине трубы гидрофоном двух радиоимпульсов - распространяющегося от излучателя и отразившегося от образца, помещенного в противоположном относительно излучателя конце трубы, измерение амплитуды распространяющегося от излучателя низкочастотного радиоимпульса, измерение амплитуды отразившегося от образца низкочастотного радиоимпульса определение отношения амплитуд отразившегося и распространяющегося от излучателя низкочастотных радиоимпульсов, по которому определяют модуль коэффициента отражения, отличающийся тем, что излучают в направлении образца одновременно с низкочастотными высокочастотный амплитудно-модулированный радиоимпульс, фаза и частота огибающей которого равны фазе и частоте заполнения низкочастотного радиоимпульса, принимают отраженный от образца амплитудно-модулированный радиоимпульс, осуществляют его детектирование и выделяют из продетектированного импульса сигнал, имеющий частоту модуляции, определяют фазу коэффициента отражения по разности фаз между синусоидальным заполнением отразившегося низкочастотного и синусоидальным заполнением продетектированного амплитудно-модулированного радиоимпульса и по фазе и модулю определяют комплексный коэффициент отражения акустического сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2