Способ абсолютного определения амплитуды давления акустической волны

 

СПОСОБ АБСОЛЮТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ . Амплитуда ДАВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСЮЙ ЮЛНЫ, заключающийся в том, что в вде возбуждают плоскую акустическую волну, регистрируют с помощью преобразователя информативный параметр на частотеf возбужденной волны в двух точках среды, находящихся на фиксированном расстоянии В. одна от другой в направлении распространения волны, и по измеренным параметрам определяют амплитуду давления возбуждаемой акустической волны, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых амплитуд давления и повыиения точности, в качестве информативного параметра выбирают амплитуды принятых преобразователем сигналов, измеряют их на удвоенной частоте 25, а амплитуду давления акустической волны расчитывают по формуле УС iPa-t|Pii-P afPn Р--1 ftSCJ l) Е где р - плотность среды; С - скорость звука в среде, У - параметр нелинейности среды/ f Ру, мРу, - измеренные значения ампли туд сигналов на .частоте (W 1) и 2.(

СОК)3 СХХЗЕТСНИХ н ю

РЕСОИ.ЛИК

3СЮ 01 Н 3 10 6 01 Н 00

1 опиодник изоБреткнМ...,: и AB TDpckoMY саиаатиъотен

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР пО Д ЛАМ VSOS H@A И CmWmA (21) 3366873/18-28 (22) 18.12.81 (46) 07.06.83. Бюл. Р 21, (72) -A. N. Рейман, П. К. Чичагов и Ю. A. Чичканов (71) Институт прикладной физики

AH СССР (53) 534.6:534.6.08(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

И 672499, кл..6 01 Н 3/10, 1978.

2. Блинова Л. 11., Колесников A. Е., Ланганс Л. Б. Акустические измерения.

М., Изд.-во стандартов, 1971, с. 217,220 (прототип). (54)(57) СПОСОБ АБСОЛЮТНОГО ОПРЕцЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДЫ ДАВЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ

ВОЛНЫ, заключающийся в том, что в среде возбуждают плоскую акустическую волну, регистрируют с помощью преобразователя информативный параметр на частоте Г возбужденной волны в двух точках среды, находящихся на фиксированном расстоянии . одна от, SU„„1021954 А другой в направлении распространения волны, и по измеренным параметрам определяют амплитуду давления возбуждаемой акустической волны, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью расщирения диапазона измеряемых амплитуд давления и повьыения точности, в качестве информативного параметра выбирают амплитуды принятых преобразователем сигналов, измеряют их на удвоенной частоте 2т, а амплитуду давления акустической волны расчиты,вают по формуле С Ы «- гг Р,. И(р) где p - плотность среды, 3

С - скорость звука в среде, Я вЂ” параметр нелинейноСти среди (/)

Р и Р - измеренные значения амплииг туд сигналов иа частоте

f(e= 1) и 2г(и 2) в пер- р вой и второй точках приема.

1021954 где — плотность среды с - скорость звука в среде, " - параметр нелинейности среды, Р,,и Р„ - измеренные значения амплитуд сигналов на частоте

Е(1) и 2т(1 2) в первой н второй точках приема.

На чертеже изображена блок-схема устройства для реализации способа.

° Устрьйство содержит электроакустическн после.1овательно соединенные генератор 1 гармонических колебаний, излучающий 2 и широкополосный принимающий 3 преобразователи, помещенные в среду 4, акустические парамет« ры f, c и 2 которой известны, широкополосный усилитель 5 и спектроаналиэатор б.

Изобретение относится к акустйческмм и гидроакустическим измерениям и может быть использовано для ,абсолютной калибровки акустических преобразователей.

Известен способ абсолютного опре- 5 деления амплитуды давления акустической волны, заключающийся в том, что измеряют радиационное давление. с помощью радиометра, выполненного, например, в виде легкого диска, ша- 1О рика илм конуса, раэвМры которых много болыае длины звуковой волны, и на основании этих измерений определяют амплитуду волны g1). ,Недостатком способа является его слабая помехозащищенность, пос.кольку на показания радмометра влияют акустические течения, конвенционные и другие потоки. Кроме того, способ не может быть использован 2О для измерения амплитуд в импульсном режиме излучения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ 25 абсолютиого определения амплитуды давления акустической волны, заключающийся в том, что в среде возбуждают плоскую акустическую волну, регистрируют с помощью преобразователя информативный параметр на частоте т возбужденной волны в двух точках среды, находящихся на фиксированном расстоянии 1 одна от другой в Направлении распространения волны, и по измеренным параметрам определяют амплитуду давления возбуждаемой акустической волны. В качестве информативного параметра выбирают фазу колебаний и по величине амплитуды колебаний раэностм фаз в 40 двух точках приема, возникающих вследствие акустической модуляции времени распространения волны за счет возбуждения в среде низкочастотных плоских волн большой амплитуды, 45, определяют амплитуду Р давления l2 3.

Недостатком способа является сравнительно узкий диапазон измеряемых амплитуд давления. Это обусловлено, прежде всего, имеющей место неодйозначностью отсчета девиации фазы, а именно существует такое значение амплитуды давления Р при котором амплитуда колебаний фазы одна и та жь прн амплитудах давления акустической волны Р, Р+Р„, Р+2Р,„ и т.д., т.е. однозначное определение амплитуды давления возможно лишь в диапазоне, не превиаающем

Рщ. Кроме того, на результаты измерений оказывает влияние дополнитель- 60 ный набег 4азы вследствие акустического ветра.

Uenb изобретения - расширение диапазона измеряемых амплитуд давле-, ния и повьзаение точности. 65

Укаэанная цель достигается тем, что согЛасно способу абсолютного определения амплитуды давления акус» тической волны, заключающемуся в том, что в среде возбуждают плоскую акустическую волну, регистрируют с помощью .преобразователя информативный параметр на час рте-т, возбужденной волны в двух точках среды, находящихся на фиксированном расстоянии 1 одна от другой в направлении распространения волны, и по измеренным параметрам определяют амплитуду давления возбуждаемой акустической волны, s качестве информативного параметра выбирают амплитуды принятых преобразователем сигналов, измеряют их на удвоенной частоте 2, à ав - плнтуду P давления акустической .волны расчитывают по формуле

Сущность способа заключается в следующем.

В среде возбуждают, например, с помощью пьезопреобразователя плоскую акустическую волну. В силу нелинейности среды в последней возбуждается акустическая всхнна на удвоенной частоте, амплитуда которой зависит от амплитуды РО возбуждаемой волны частоты и расстояния от излучателя. Затем широкополосным акустическим приемником осуществляется прием акустического сигнала в двух точках на расстояниях 1< и 1 от центра излучающего преобразователя, при этом выделяют, например, с помощью спектроаналиэатора и измеряют амплитуды P сигналов- íà частотет и на частоте 2 .

Истинные значения амплитуд Р на частоте f и Р о на частоте 2т и измеренные величины сигналов Р> в

1021954

I с вяз аны соотно/ каждой точке шением

Р„ . = 7„,(Е;)Р„= И, Е„.), ()

5 где а(,- неизвестный коэффициент преобразования приемного трак« та.

Поскольку в каждой из точек приема иа частоте 2 f. регистрируется 10 не только амплитуда давления, обусловленная нелинейностью средй, но и амплитуда давления Рн, обусловленная нелииейностью излучающвго тракта, (например, наличием сигнала на 15 частоте 2, который, практически, всегда присутствует в формируемом излучающем преобразователем сигнале), в точках приема амплитуды сигнала на частоте 2% равны

20 )ь %Щ+ ) м «) « 9+ н . р аЮИ а ъо М= «pcü ау + в так как для плоской волны о(р,)=

=Рэ„.,(Е ) «Р.

Принимая во внимание соотношения (2) и (3), истинное значение амцлиту- З0 ды P давления акустической волны можно определить иэ соотнашвния где 1 1 - 1 /.

В общем случае, когда излучаемая

„ волна не является плоской, амплиту да P. измеряемого давления может быть определена из соотношения йР | йе. : (f+") 40

Э где А — параметр, характвризукщий тип волны, причем A * 2 для плоской волны, A = и Яф для сферической волны и A 2 R + для цилиндрической-: 45 волны, R (1 + l )/2, R«p- радиус излУчающего преобразователя.

Способ с помощью устройства осуществляют следующим образом. 50

С помощью генератора 1 электрических. сигналов и излучающего преобразователя 2, например, пьвзокерамического, в,среде 4 возбуждают вкустическую волну частоты 3.. Перемещая. 55 приемный пьеэопрвобраэоватвль 3 в направлении распространения акустической волин, осуществляют прием акустического сигнала, который усиливается широкополосийм усилителем 5, обвспвчивающим одинаковое усиление 60 сигналов на частотах f-и 2%, и с помощью спектроанализатора б выделя-, ют и измеряют амплитуду сигналов иа частоте % и 2f. Значения амплитуд подставляют в формулу (1) и рассчиъивают истинное давление акустической волны.

Необходимо отметить, что работоспособность способа не зависит от конфигурации преобразователя 3, так как от этого зависит лишь коэффициент преобразования тракта, знание которого не является нвобходньим.

Однако нри реализации способа необходимо обеспечить режим чисто бегущей волны; так как при наличии даже небольшой по амплитуде стоячей волны, амплитуда принятого сигнала может меняться по мере перемещения преобразователя 3 и формула (1) несправедлива. Поэтому при изготовлении преобразователя 3 в .виде полой сферы или трубчатого цилиндра размеры его могут быть, в принципе, любыми по сравнению с длиной волны, а при изготовлении преобразователя 3 в виде пластины следует либо размеры его делать меньше длины волны, так, чтобы не было стоячих волн, либо работать в режиме длинных импульсов (длительностью порядка 10 периодов высокого частотного заполнения) и измерения проводить по первому прошедшему импульсу, исключая многократно отраженные, например, путем временного стробирования.

Способ, практически; не содержит ограничений на диапазон измеряемых величин. Максимальная амплитуда давления акустической волны, которую можно измерять определяется s aae" нием р сс и в случае ти-, яе() пичном для гидрофизических, медицинских исследований (% 1 Мгц, 10- см, ф = 7 (вода) составляет, .3 10Э Па. Минимальная амтв«итуда давления определяется динамическим диапазоном и уровнем шумов приемного тракта устройства, реализующего способ и для приведенных выше параметров составляет около 100 Па.

Основным достоинством способа является возможность проведения измерений с высокой точностью без пред-, варительной калибровки приемного тракта, а также его высокая помехозащищенность, так как на результаты измерений не влияет акустический ветер в среде, и практически не сказываются флюктуации частоты генерато-. ра.

Следует также указать на воэможность проведения измерений в импульсном режиме, поскольку акустический высокочастотный импульс в нелинейной среде ведет себя так же, как непрерывная волна, если з импульсе

1021954

Составитель В. Гордиенко

Редактор Н. Бобкова Техред A.A÷> Корректор М. Шароши

Закаэ 4025/31 Тираж 873

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений .и открытий

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

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4 укладывается много длин волн. Необкодимость проведения такия измерений обусловлена тем, что излучение в среду непрерывной волны достаточно, большой амплитуды давления часто приводит к кавитации.