Устройство для измерения частот акустического резонанса исследуемых образцов в режиме автоколебаний

 

Изобретение относится к технике измерения характеристик упругости материалов с помощью акустического воздействия путтем измерения резонансных частот исследуемых образцов и может быть использовано для определения модулей упругости и их зависимости от механических напряжений, температуры и других параметров. Изобретение направлено на упрощение устройства и его эксплуатации путем обеспечения настройки на резонансную частоту по максимуму амплитуды изменением только фазы колебаний. Для решения указанной задачи в известном устройстве для измерения частот акустического резонанса исследуемых образцов в режиме автоколебаний, содержащем частотомер, индикатор амплитуды колебаний и колебательный контур, включающий излучающий и приемный преобразователи колебаний, имеющие акустическую связь с исследуемым образцом, усилитель и фазовращатель, усилитель выполнен с передаточной характеристикой вида где U_вых и U_вх - амплитуды сигнала соответственно на выходе и на входе усилителя, В; n - нечетное натуральное число, большее единицы. 2 ил.

Изобретение относится к технике измерения характеристик упругости материалов с помощью акустического воздействия путем измерения резонансных частот исследуемых образцов и может быть использовано для определения модулей упругости и их зависимости от механических напряжений, температуры и других параметров.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения частот акустического резонанса исследуемых образцов в режиме автоколебаний, реализованное в лабораторной установке для определения констант упругости материалов и содержащее частотомер, индикатор фазы колебаний (осциллограф), индикатор амплитуды колебаний и колебательный контур, включающий излучающий и приемный преобразователи колебаний, имеющие акустическую связь с исследуемым образом, усилитель, регулятор амплитуды колебаний и фазовращатель.

В прототипе усилитель в цепи колебательного контура имеет в рабочем диапазоне передаточную характеристику, содержащую два участка участок линейного увеличения амплитуды входного сигнала и участок с ограничением амплитуды сигнала. При включении этого устройства амплитуда колебаний в контуре нарастает до ее ограничения, форма напряжения в контуре приобретает вид искаженной синусоиды, наличие большого количества гармоник затрудняет настройку на основную резонансную частоту. Вследствие ограничения амплитуды сигнала в контуре исключена настройка на резонанс по максимуму амплитуды сигнала, поэтому настройка на резонансную частоту образца производится фазовращателем с контролем фазовых соотношений по фигурам Лиссажу с помощью осциллографа, что усложняет и удорожает установку. При уменьшении коэффициента усиления для использования линейного участка передаточной характеристики затруднен вывод в рабочий режим генератора с требуемым единичным коэффициентом усиления. Колебания при этом носят неустойчивый характер, часто срываются, для контроля формы сигнала также требуется использование осциллографа.

Недостатками устройства-прототипа являются сложность проведения измерения вследствие необходимости настройки на частоту резонанса с помощью осциллографа по фигурам Лиссажу и необходимости использования двух регуляторов амплитуды и фазы колебаний, а также усложнение и удорожание установки вследствие потребности в регуляторе амплитуды и, особенно, в осциллографе как индикаторе фазы колебаний.

Изобретение направлено на упрощение устройства и его эксплуатации путем обеспечения настройки на резонансную частоту по максимуму амплитуды изменением только фазы колебаний.

Для решения указанной задачи в известном устройстве для измерения частот акустического резонанса исследуемых образцов в режиме автоколебаний, содержащем частотомер, индикатор амплитуды колебаний и колебательный контур, включающий излучающий и приемный преобразователи колебаний, имеющие акустическую связь с исследуемым образцом, усилитель и фазовращатель, усилитель выполнен с передаточной характеристикой вида U_вых где U_вых и U_вх амплитуды сигнала соответственно на выходе и на входе усилителя, В; n нечетное натуральное число, большее единицы.

Придание усилителю передаточной характеристики в виде корня при степени, где n нечетное натуральное число, большее единицы, обеспечивает новизну предложенного технического решения по сравнению с прототипом.

Использование в предложенном устройстве усилителя с указанной передаточной характеристикой устанавливает взаимосвязь между фазовыми и амплитудными характеристиками в колебательном контуре, при которой обеспечивается параметрическая настройка режима колебаний на условия самовозбуждения: коэффициент передачи равен единице, набег фазы равен 100^о. Максимум амплитуды имеет место при настройке контура на резонансную частоту исследуемого образца. Использование корня нечетной степени в нелинейном усилителе позволяет получить одинаковую характеристику передачи для положительных и отрицательных полуволн входного напряжения усилителя.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 вариант реализации усилителя с передаточной характеристикой в виде корня кубического от входного напряжения на усилителе.

Предложенное устройство для измерения частот акустического резонанса содержит приемный преобразователь (звукоприемник) 1, выход которого подключен к входу усилителя 2, своим выходом соединенного с входом фазовращателя 3, выход которого соединен с входом излучающего преобразователя (возбудителя колебаний) 4. Выход фазовращателя 2 соединен также с входами частотомера 5 и индикатора 6 амплитуды колебаний, выход излучающего преобразователя 4 и вход приемного преобразователя 1 акустически соединен с исследуемым образцом 7. Последовательно соединенные блоки 1, 2, 3, 4 и образец 7 образуют замкнутую цепь колебательного контура устройства.

Усилитель 2 в варианте исполнения имеет нелинейную переточную характери- стику вида U_вых Он представ- ляет собой (фиг. 2) каскад усиления 8, реализованный на микросхеме К140УД8. Между входом 9 и корпусом каскада усиления включен резистор 10. В цепи отрицательной обратной связи каскада усиления 8 (между его выходом 1 и инвертирующим входом 12) включен резистор 13 и параллельно ему цепь из последовательно включенных резисторов 14 и параллельно друг с другом соединенных диодов 15, 16 типа КД503. Между входом 12 и корпусом включен резистор 17.

В данном усилителе диоды 15, 16 в цепи отрицательной обратной связи формируют передаточную характеристику в виде корня кубического от входного сигнала, представляющую собой при положительных значениях координат выходящую из начала координат плавную кривую с постоянно уменьшающимся углом наклона касательной к точке, перемещающейся от начала координат, т.е. усилитель 2 имеет максимальный коэффициент усиления при минимальном входном напряжении, с ростом которого коэффициент усиления постоянно уменьшается.

Приемный 1 и излучающий 4 преобразователи (фиг. 1) могут быть выполнены, например, на базе дифференциального электромагнитного микрофона ДЗМ-4М. Образец 7 закреплен в горизонтальном положении на капроновых подвесках. Частотомер 5 и индикатор 6 амплитуды могут быть подключены и к другим точкам замкнутой цепи колебательного контура, образованного блоками 1, 2, 3, 4 и образцом 7, например к выходу усилителя 2. В качестве индикатора 6 амплитуды колебаний может использоваться стрелочный прибор. При необходимости в указанный замкнутый контур может быть включен дополнительный усилитель сигнала (на чертеже не показан).

В вариантах исполнения устройства передаточная характеристика усилителя 2 может представлять собой корень пятой, седьмой или другой большей нечетной степени от входного напряжения усилителя. Предпочтительным является использование корня третьей степени вследствие большей простоты реализации этой характеристики и наименьшей величины уменьшения амплитуды сигнала в контуре.

Устройство работает следующим образом.

При включении установки (подаче питания) в результате установочных нелинейных процессов в замкнутой цепи колебательного контура возникают и устанавливаются колебания синусоидальной формы. Так как напряжение в контуре нарастает от нуля, вначале коэффициента усилителя 2 максимален, что создает условия для самовозбуждения контура. При этом коэффициент передачи цепи обратной связи контура (приемный преобразователь 1, усилитель 2, фазовращатель 3) больше единицы. С ростом напряжения в контуре коэффициент усиления усилителя 2 падает до тех пор, пока коэффициент передачи в цепи обратной связи контура не будет равен единице. Устанавливается стационарный режим поддержания колебаний без ограничения их амплитуды. Колебания имеют синусоидальную форму при минимуме дополнительных гармоник.

Частота установившегося напряжения определяется фазовыми соотношениями в контуре. Регулируя фазу колебаний с помощью фазовращателя 3, настраивают контур на резонансную частоту исследуемого образца 7, добиваясь максимума амплитуды напряжения в контуре, регистрируемой индикатором амплитуды 6. С помощью частотомера 5 регистрируют полученное значение резонансной частоты, характеризующее искомую характеристику, в частности модуль упругости материала образца 7.

Отсутствие ограничения амплитуды колебаний и пониженный уровень гармоник обеспечивают простоту и удобство настройки на резонансную частоту образца регулировкой фазы по максимуму амплитуды, ведут к упрощению и удешевлению установки.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТ АКУСТИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА ИССЛЕДУЕМЫХ ОБРАЗЦОВ В РЕЖИМЕ АВТОКОЛЕБАНИЙ, содержащее частотомер, индикатор амплитуды колебаний и колебательный контур, включающий излучающий и приемный преобразователи колебаний, имеющие акустическую связь с исследуемым образцом, усилитель и фазовращатель, отличающееся тем, что усилитель выполнен с передаточной характеристикой вида где U_вых, U_вх - амплитуды сигнала на выходе и входе усилителя соответственно; n - нечетное натуральное число больше единицы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2