Способ измерения частотной зависимости коэффициента отражения звука от поверхности

Авторы патента:

Исаев Александр Евгеньевич (RU)

Николаенко Алексей Сергеевич (RU)

G01N29/00 - Исследование или анализ материалов с помощью ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн; визуализация внутреннего строения объектов путем пропускания через них ультразвуковых или звуковых волн через предметы (G01N 3/00-G01N 27/00 имеют преимущество; измерение или индикация ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн вообще G01H; системы с использованием эффектов отражения или переизлучения акустических волн, например акустическое изображение G01S 15/00; получение записей с помощью способов и устройств, аналогичных используемым в фотографии, но с использованием ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн G03B 42/06)

Владельцы патента RU 2655478:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" (ФГУП "ВНИИФТРИ") (RU)

Использование: для измерения частотной зависимости коэффициента отражения звука от поверхности в лабораторных и натурных условиях при различных углах падения звуковой волны. Сущность изобретения заключается в том, что излучатель, исследуемую поверхность и приемник располагают так, чтобы первым по времени прихода в точку приема отраженным сигналом был сигнал от исследуемой поверхности, излучатель возбуждают линейно частотно модулированным сигналом, регистрируют ток излучателя и напряжение приемника и определяют комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-приемник в реверберационном звуковом поле. Обрабатывая зависимость скользящим комплексным взвешенным усреднением, получают комплексную частотную зависимость, в которой отсутствуют осцилляции, обусловленные отраженными сигналами, и зависимость, в которой сохранена осцилляция от первого по времени прихода отражения, а осцилляции от более поздних отражений подавлены. По полученным зависимостям определяют частотную зависимость комплексного коэффициента отражения. Технический результат: повышение точности измерения коэффициента отражения за счет исключения влияния посторонних отраженных сигналов, обеспечение возможности измерять подробную (непрерывную) частотную зависимость коэффициента отражения. 6 ил.

Изобретение относится к испытаниям акустических свойств материалов и может быть использовано для измерения частотной зависимости коэффициента отражения звука от поверхности в лабораторных и натурных условиях при различных углах падения звуковой волны.

Известен способ измерения коэффициента отражения звука от поверхности, основанный на изменении частоты амплитудной модуляции излучаемого акустического сигнала с целью достижения и фиксации минимального коэффициента модуляции суммарного акустического сигнала, возникающего вследствие интерференции излучаемого и отраженного от поверхности акустических сигналов, определении модуля коэффициента отражения по соотношению между коэффициентом модуляции излучаемого акустического сигнала и минимальным коэффициентом модуляции суммарного акустического сигнала, определении фазы коэффициента отражения по отношению несущей частоты к частоте модуляции при минимуме коэффициента модуляции [Г.А. Чуновкин, В.Т. Ляпунов, А.К. Новиков и Ю.М. Еленин. Способ измерения коэффициента отражения звука от поверхности. А.С. 896541, М. Кл. G01N 29/00, Опубликовано 07.01.82 (51). Бюллетень №1].

Недостатком известного способа является погрешность измерений, обусловленная влиянием посторонних сигналов, отраженных границами среды, в которой выполняют измерения (стенки лабораторного гидроакустического бассейна либо акустической камеры, дно и поверхность водоема).

Известен способ измерения коэффициента отражения звука от поверхности, принятый за прототип [Боббер Р. Дж. Гидроакустические измерения / Пер. с англ. под ред. А.Н. Голенкова. - М.: Мир. - 1974], который заключается в изменении частоты акустического сигнала, которым облучают исследуемую поверхность, регистрации интерференционного сигнала, представляющего собой сумму облучающего сигнала и сигнала, отраженного исследуемой поверхностью, определении коэффициента отражения по максимуму и минимуму интерференционного сигнала.

Однако этот способ обеспечивает измерение только на дискретном ряде частот, при этом получаемые результаты не могут быть однозначно привязаны к частотам максимума или минимума интерференционного сигнала. Результат измерений отягощен погрешностью, если коэффициент отражения существенно изменяется с частотой. Также, недостатком способа является погрешность измерений, обусловленная влиянием сигналов, отраженных посторонними поверхностями.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является повышение точности измерения коэффициента отражения за счет исключения влияния посторонних отраженных сигналов, обеспечение возможности измерять подробную (непрерывную) частотную зависимость коэффициента отражения.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе, заключающемся в облучении исследуемой поверхности акустическим сигналом излучателя, регистрации приемником суммарного акустического сигнала, представляющего собой интерференцию сигнала излучателя и отраженного сигнала, изменении частоты облучающего сигнала, определении коэффициента отражения по максимуму и минимуму суммарного акустического сигнала, излучатель, исследуемую поверхность и приемник располагают так, чтобы первым по времени прихода в точку приема отраженным сигналом был сигнал от исследуемой поверхности, для точки приема относительно начала излучения определяют временные задержки прямого сигнала излучателя и отраженных сигналов, излучатель возбуждают линейно частотно модулированным сигналом с заданными параметрами, регистрируют мгновенные значения тока излучателя и выходного напряжения приемника, по полученным значениям тока и напряжения определяют комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-приемник в реверберационном звуковом поле, в полученной зависимости подавляют осцилляции, обусловленные отраженными сигналами, выполняя скользящее комплексное взвешенное усреднение зависимости с использованием взвешивающих функций, которые конструируют исходя из значений временных задержек отраженных сигналов, получают комплексную частотную зависимость , в которой подавлены осцилляции, начиная с осцилляции, обусловленной первым по времени прихода отраженным сигналом, и зависимость , в которой сохранена осцилляция от первого по времени прихода отражения и подавлены осцилляции от второго и более поздних отражений, частотную зависимость корректируют на функцию пропускания пространственного фильтра, реализуемого скользящим комплексным взвешенным усреднением, частотную зависимость комплексного коэффициента отражения получают по формуле:

где τ₀ и τ₁ - временные задержки относительно начала излучения прямого сигнала излучателя и сигнала, отраженного исследуемой поверхностью, соответственно.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема реализации способа при измерениях в гидроакустическом бассейне (ГАБ); на фиг. 2-6 - диаграммы, поясняющие работу способа.

Излучатель И, исследуемую поверхность 1 и приемник П располагают в ГАБ так, чтобы первым по времени прихода в точку приема отраженным сигналом был сигнал, отраженный исследуемой поверхностью (см. фиг. 1). В памяти ЭВМ 2 формируют цифровой линейно частотно модулированный (ЛЧМ) сигнал с заданными параметрами. С помощью цифроаналогового преобразователя 3 цифровой ЛЧМ сигнал преобразуют в электрическое напряжение и подают на усилитель мощности 4. Напряжением с выхода усилителя мощности возбуждают излучатель, акустическим сигналом которого облучают исследуемую поверхность и приемник. При этом на приемник падают прямая звуковая волна излучателя с амплитудой звукового давления P₀, звуковая волна с амплитудой звукового давления P_пов, отраженная исследуемой поверхностью, и звуковые волны, отраженные посторонними поверхностями, условно показанные на фиг. 1 отражением от дна ГАБ. С помощью переключателя 5 через усилитель 6 на аналого-цифровой преобразователь 7 подают выходное напряжение гидрофона или напряжение, падающее на калиброванном сопротивлении R в цепи излучателя. Мгновенные значения напряжений записывают в память ЭВМ 2, которая выполняет математическую обработку.

Обработка мгновенных значений напряжений включает в себя следующие операции.

Определяют времена начала излучения и прихода прямой и отраженных волн. По мгновенным значениям напряжения, падающего на сопротивлении R, и значению сопротивления R определяют мгновенные значения тока излучателя. По мгновенным значениям тока излучателя и напряжения на выходе приемника рассчитывают комплексные частотные зависимости тока и напряжения (например, используя преобразование Фурье).

Комплексную частотную зависимость передаточного импеданса (ПИ) пары излучатель-приемник в реверберационном звуковом поле получают делением частотной зависимости напряжения приемника на частотную зависимость тока излучателя с учетом времени распространения прямой волны.

В полученной частотной зависимости подавляют осцилляции, обусловленные влиянием отраженных сигналов, для чего зависимость подвергают обработке по методу скользящего комплексного взвешенного усреднения (СКВУ) [1]:

где n - количество отражений, подлежащих подавлению, τ_i - запаздывание i-й отраженной волны в точке приема, Δf_ву - частотный интервал взвешенного усреднения, W_ву(f) - взвешивающая функция, полученная сверткой n единичных прямоугольных окон шириной τ_i.

Получают комплексную частотную зависимость , подавив в зависимости осцилляции, начиная с осцилляции, обусловленной первым по времени прихода отраженным сигналом.

Получают частотную зависимость , сохраняя при обработке по методу СКВУ осцилляцию первого по времени прихода отраженного сигнала (отражение от исследуемой поверхности) и подавляя осцилляции, обусловленные более поздними отраженными сигналами (отражения от посторонних поверхностей).

Частотную зависимость корректируют на функцию пропускания пространственного фильтра, реализуемого обработкой по методу СКВУ.

Частотную зависимость комплексного коэффициента отражения получают по формуле:

Изложенное выше проиллюстрировано результатами физического эксперимента, представленными на фиг. 2-6.

На фиг. 2 приведена частотная зависимость модуля , полученная для излучателя и приемника, размещенных в гидроакустическом бассейне так, чтобы ближайшей отражающей поверхностью была поверхность воды. В представленной зависимости осцилляции подавлены обработкой по методу СКВУ, начиная с осцилляции, обусловленной первым по времени прихода отраженным сигналом.

На фиг. 3 приведена частотная зависимость модуля , которую получили, подавив в частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-приемник в реверберационном звуковом поле осцилляции, обусловленные вторым и последующими отражениями (дно и стенки бассейна), и сохранив осцилляцию, обусловленную первым отражением (граница раздела сред вода-воздух).

На фиг. 4 приведена функция осцилляции, которую получили по формуле:

Размах осцилляций составил 20,6%, на основании этого амплитуда осцилляций A_отрбыла принята равной 10,3%.

На фиг. 5 изображены преобразование Фурье (кепстр) функции осцилляций (ряд 1) и функция пропускания G(τ) пространственного фильтра, реализуемого в описываемом эксперименте обработкой по методу СКВУ (ряд 2) [1]. По оси абсцисс графиков отложены значения τ, которые имеют смысл временных задержек.

В эксперименте значение отношения временных задержек (относительно начала излучения) прямого и первого отраженного сигнала составило 6,42. Периоду осцилляций 581 Гц функции осцилляции (см. фиг. 4) на фиг. 5 соответствуют задержка τ₁=1,7 мс и значение 0,67 функции пропускания G(τ). При этом значение модуля коэффициента отражения звука W от границы раздела сред вода-воздух, которое рассчитывали по формуле:

составило 98,7%, что весьма близко к теоретическому значению [2].

Осцилляции частотной зависимости на фиг. 3 и 4 достигают своего минимума на частотах, кратных 581 Гц. Разность хода прямой и отраженной волн в эксперименте составила 2,54 м, что соответствует длине волны на частоте 581 Гц и двойной длине волны на частоте 1162 Гц. Поскольку при отражении от границы раздела сред вода-воздух волна, падающая из воды, меняет фазу на противоположную (см. приложение 2 в [2]), то на частотах, кратных 581 Гц, отраженная волна приходит в точку приема в противофазе с прямой волной (аргумент комплексного коэффициента отражения ϕ_отр=π).

На фиг. 6. представлена частотная зависимость для пары излучатель приемник, размещенной в гидроакустическом бассейне так, чтобы ближайшей отражающей поверхностью было дно бассейна, выполненного из железобетона. При получении зависимости пропускали отражение от дна (первое отражение) и подавляли влияние второго и последующих отражений. По поведению зависимости можно судить о том, что полученный результат не противоречит характеру отражений от дна бассейна: ϕ_отр=0, отражение от среды с более высоким волновым сопротивлением происходит с сохранением фазы [2].

Литература

1. Исаев А.Е., Матвеев А.Н. Градуировка гидрофонов по полю при непрерывном излучении в реверберирующем бассейне // Акустический журнал. 2009. Том 55. №6. С. 727-736.

2. Румынская И.А. Основы гидроакустики. «Судостроение», Л.: 1979.

Способ измерения акустического коэффициента отражения от поверхности, заключающийся в облучении исследуемой поверхности акустическим сигналом излучателя, регистрации приемником суммарного акустического сигнала, представляющего собой интерференцию сигнала излучателя и отраженного сигнала, изменении частоты облучающего сигнала, определении коэффициента отражения по максимуму и минимуму суммарного акустического сигнала, отличающийся тем, что излучатель, исследуемую поверхность и приемник располагают так, чтобы первым по времени прихода в точку приема отраженным сигналом был сигнал от исследуемой поверхности, для точки приема относительно начала излучения определяют временные задержки прямого сигнала излучателя и отраженных сигналов, излучатель возбуждают линейно-частотно модулированным сигналом с заданными параметрами, регистрируют мгновенные значения тока излучателя и выходного напряжения приемника, по полученным значениям тока и напряжения определяют комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-приемник в реверберационном звуковом поле, в полученной зависимости подавляют осцилляции, обусловленные отраженными сигналами, выполняя скользящее комплексное взвешенное усреднение зависимости с использованием взвешивающих функций, которые конструируют исходя из значений временных задержек отраженных сигналов, получают комплексную частотную зависимость , в которой подавлены осцилляции, начиная с осцилляции, обусловленной первым по времени прихода отраженным сигналом, и зависимость , в которой сохранена осцилляция от первого по времени прихода отражения и подавлены осцилляции от второго и более поздних отражений, частотную зависимость корректируют на функцию пропускания пространственного фильтра, реализуемого скользящим комплексным взвешенным усреднением, частотную зависимость комплексного коэффициента отражения получают по формуле:

Использование: для определение наличия и координат напряжений в околошовных зонах трубопроводов. Сущность изобретения заключается в том, что очищают поверхность околошовной зоны, определяют наличие дефектов, проводят настройку прибора, определяют скорость прохождения ультразвуковой волны через металл без нагрузки, обеспечивают постепенное создание нагрузки с периодическим замером скорости прохождения ультразвуковой волны с определением мест концентрации напряжений и регистрацией их местоположения, обеспечивают создание нагрузки до образования трещин с регистрацией данных измерения скорости ультразвуковой волны, проводят обзор появления трещины при помощи электронного микроскопа, фиксируют координаты образования дефекта и сравнивают с координатами зоны концентрации напряжений.

Стенд для виброакустических испытаний образцов упругих элементов виброизоляторов и шумопоглощающих элементов облицовки помещений, расположенных в условиях воздействия повышенных уровней шума и вибрации // 2653556

Изобретение относится к метрологии. Стенд содержит основание, на котором посредством, по крайней мере, трех виброизоляторов закреплена переборка, представляющая собой одномассовую колебательную систему, в качестве генератора гармонических колебаний использован эксцентриковый вибратор.

Способ измерения концентрации агломератов несферических наноразмерных частиц в жидких средах // 2653143

Использование: для определения концентрации агломератов несферических наноразмерных частиц в жидких средах. Сущность изобретения заключается в том, что используют измерительную ячейку в форме кольцевого канала переменного сечения для создания ускоренного потока, содержащую побудитель ламинарного течения и установленный в области сужения кольцевого канала акустический измеритель, с помощью которого в исходном образце жидкой среды измеряют акустические спектры затухания ультразвука при изотропной ориентации несферических наноразмерных частиц в покоящейся жидкой среде и при ориентации частиц вдоль потока жидкой среды, затем исходный образец очищают от агломератов и в очищенном образце жидкой среды измеряют акустические спектры затухания ультразвука при изотропной ориентации несферических наноразмерных частиц в покоящейся жидкой среде и при ориентации частиц вдоль потока жидкой среды, после этого на основе измеренных спектров вычисляют концентрацию агломератов несферических наноразмерных частиц.

Способ изготовления стенда сухой протяжки для проверки работоспособности внутритрубных инспекционных приборов на испытательном трубопроводном полигоне // 2653138

Использование: для проверки работоспособности внутритрубных инспекционных приборов на испытательном трубопроводном полигоне. Сущность изобретения заключается в том, что используют катушки трубных секций с естественными дефектами с действующих трубопроводов и катушки трубных секций с нанесенными на них искусственными дефектами.

Устройство для ориентации ультразвукового преобразователя // 2653082

Изобретение относится к области ультразвукового контроля изделий, имеющих плоскую или цилиндрическую поверхность. Для расширения области применения на нижней поверхности корпуса устройства имеется продольный паз, стенки которого являются опорами и боковыми стенками локальной ванны, торцевыми стенками которой являются сменные планки.

Контактная жидкость для ультразвуковой дефектоскопии // 2652380

Изобретение раскрывает контактную жидкость для ультразвуковой дефектоскопии, которая содержит хлорид металла или смесь хлоридов металлов с низкой температурой замерзания в водном растворе, жидкое стекло, полиакриламид, антикоррозионные добавки и воду, при этом она дополнительно содержит формиат металла или смесь формиатов металлов, имеющих низкую температуру замерзания в водном растворе, пропиленгликоль и глицерин, при следующем соотношении компонентов, мас.

Стенд для акустических испытаний звукопоглотителей // 2652165

Изобретение относится к испытательному оборудованию. Стенд для акустических испытаний звукопоглотителей содержит корпус со съемной передней крышкой, стенки которого облицованы исследуемым звукопоглотителем, на днище корпуса через упругодемпфирующую прокладку установлен регулируемый источник шума, причем регулировка осуществляется по громкости звука и частоте сигнала с помощью усилителя мощности сигнала и осциллографа, а на расстоянии 1 м от крышки корпуса закреплен микрофон, сигналы уровней звукового давления от которого поступают на анализатор спектра частот, а затем на компьютер для обработки полученной информации, при этом уровень звуковой мощности Lp определяют по результатам измерений среднего уровня звукового давления Lcp на измерительной поверхности S, м2, за которую принята площадь полусферы, где шумопоглощающая облицовка выполнена с резонансными вставками и содержит гладкую и перфорированную поверхности, между которыми расположен слой звукопоглощающего материала сложной формы, представляющий собой чередование сплошных участков и пустотелых участков.

Стенд для виброакустических испытаний образцов упругих и шумопоглощающих элементов // 2652163

Изобретение относится к метрологии. В стенде для виброакустических испытаний образцов упругих и шумопоглощающих элементов, содержащем основание, на котором закреплена переборка, в качестве генератора гармонических колебаний использован эксцентриковый вибратор, расположенный на переборке, а на переборке установлена стойка для испытания собственных частот упругих элементов рессорных и тарельчатых виброизоляторов разной длины, геометрических параметров, а также разной величины масс, закрепленных на концах этих испытуемых элементов, при этом колебания массы, закрепленной на каждом упругом элементе, фиксируются индикатором перемещений.

Способ для акустических испытаний звукопоглотителей с резонансными элементами // 2652161

Изобретение относится к метрологии. В способе для акустических испытаний звукопоглотителей с резонансными элементами, заключающемся в том, что в металлическом корпусе со съемной передней крышкой, стенки которого облицованы исследуемым звукопоглотителем, на днище корпуса через упругодемпфирующую прокладку устанавливают регулируемый источник шума, причем регулировку осуществляют по громкости звука и частоте сигнала с помощью усилителя мощности сигнала и осциллографа, а на расстоянии 1 м от крышки корпуса закрепляют микрофон, сигналы уровней звукового давления от которого направляют на анализатор спектра частот, а затем на компьютер для обработки полученной информации, а уровень звуковой мощности Lp определяют по результатам измерений среднего уровня звукового давления Lcp на измерительной поверхности S, м2, за которую принята площадь полусферы, а затем находят корректированный уровень звуковой мощности LpА.

Стенд для исследования акустических характеристик звукопоглощающих элементов в заглушенной камере // 2652159

Изобретение относится к акустике. В стенде для исследования акустических характеристик звукопоглощающих элементов в заглушенной камере, включающей в себя заглушенную камеру, в которой поглощается падающий на стены звук от испытуемого объекта, устанавливаемого на плавающем полу, при этом заглушенная камера размещается в отдельном здании с фундаментом, стенами, потолочным перекрытием, внутри которого, на автономном фундаменте, размещаются ее стены, плавающий пол, на котором устанавливается испытуемый объект и легкое потолочное перекрытие, при этом заглушенную камеру герметично облицовывают со всех сторон вновь разработанным и подлежащим испытанию звукопоглощающим элементом, при этом уровень звуковой мощности Lр испытуемого объекта определяется по результатам измерений среднего уровня звукового давления Lср на его измерительной поверхности, за которую принимают площадь полусферы S, м2, т.е.