Способ определения приращения скорости распространения волн
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51) 4 G 01 Н 5/00
1
<. -. <" Lngp „
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3746782/25-28 (22) 21.05.84 (46) 30.03.86. Бюл. У 12 (71) Белорусский институт механизации сельского хозяйства и Институт прикладной физики АН БССР (72) В.И.Крылович и А.С;Рубанов (53) 534.321(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
У 325511, кл. G 01 Н 5/00, 1970. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИ ПРИРАЩЕНИЯ
СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН,(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении приращений скоростей распространения ультразвуковых волн. Целью изобретения является повьппение чувствительности и точности измерений. В способе определения приращения скорости распространения волн в исследуемую среду излучается ультразвуковой сигнал плоским электроакустическим преобразователем. Между первым и вторым преобразователями создается режим стоячих волн. Если скорость V распространения акустических волн в исследуемой среде полу„„SU„„1221499 A чит приращение Ь 0, то волновое число К получит приращение, равное
Я д = — --; < у, где 63 — частота сигнао ла, подаваемого на вход электроакустического преобразователя. Если ско" рость V волны получит некоторое приращение aV, причем настолько
uL малое, что —;/ьу /«7, где 4 о расстояние между преобразователями, то фазовая характеристика P получит а1 приращение равное Ь У = — k — — — h Y
Э у2
0 где < в режиме стоячих волн может принимать значения k > 1.или К с 1. Я
Коэффициент k принимает максимальное значение и становится равным нсзффи- й/р циенту стоячих волн при условии
2z1„ — — -+ II + 3 = 2 где о (3) у < г <Н> 1 а мм о фаэовые значения коэффициента отражения первого (второго) преобразователя, . — целое число (1, 2, 3...) .
Тогда приращение скорости определяу2 ется по формуле HALI = -- — о- йФ где 4ь к Ьу
k — коэффициент стоячих волн, a Ф— приращение.фаэовой характеристики. C©
f ) t 4r)9
Нзобретение относится к измерите.п ной гехнике и может быть использовяно црп измерении приращений сKo . .((тей распространения ультразвукоВЫХ )1ОЛН.
Цель изобретения — повышение чувствительности и точности измерений.
Сущность способа определения приращения скорости распространения волн заключается в следующем.
В исследуемую среду излучается ультразвуковой сигнал плоским электроакустпческим преобразователем, на вход которого подается напряжение, которое в комплексной записи имеет вил
U(t) = U,exp (-l(ut + P)) U(t)
-7-) = а ° ехр (i (I) ), (2) где а и — амплитуда и фазовая константы прямого линейного преобразования, зависящие от акустических и электрических свойств электроакустического преобразователя и волнового сопротивления среды. С учетом выражений (i) и (2) получаем
6 (1)-- -ехр (-i (rat + y+ ty)) На основании выражения (3) можно записать уравнение для плоской акустической волны, излучаемой плоским электроакустическим преобразователем
6 (x,t) - -exp(-eõ) ezp (-1(ис—
Чо
-Kx + q + ))), (4) где U — амплитуда напряжения сигнала, подаваемого на вход электроакустического преобразователя; начальная фаза; — координата времени;
Ю вЂ” частота сигнала, подаваемого на вход электроакустического преобразователя; ехр — экспоненциальная функция.
При излучении ультразвукового сигнала линейным плоским электроакустическим преобразователем напряжение U(t) подаваемое на вход электроакустического преобразователя, и смещение (частиц среды, которые возникают при возбуждении этого электроакустического преобразователя, связаны соотношением где К вЂ” волновое число; коэффициент по глоf.f(t ння плоских акустических волн;
V — скорость распространения
5 плоской акустической во(тны; х — координата, отсчить)ваемая от излучающей поверхности брлоского электроакустического преобразователя по нормали в сторону второго плоского линейного преобразователя.
Между первым и вторым преобразователями создаем режим стоячей волны, Уравнение для колебаний частиц среды в стоячей волне, образованной в исследуемой среде в результате многократных отражений от преобразователей, имеет вид
g (х,t) =--exp j-1(ие + (е tf)) )exp 7 х(-(е + iK) z) + r ехр(х6 )х х ехр (-(ac-iK)(2L-х))1 (!-R expr х(1(2К?. е-6, + 6 ))), (5) =.— — — = а, exp(imp,), (7
5Яft)
26 Ф где а и p — амплитудная и фазовая константы. обратного линейного преобразования.
Из выражений (5) и (7) получаем
1,(е) = UÄ exp(1 у,(t)), где Бо, — амплитудное значение .игнала, снимаемое с в-:: - p(! гс. линейного преобразователя; (f „ „— фазовое значение сигнала, снимаемое с второго линейного преобразователя, г„*,e В. = r, r ехр(-2(И.); (á)
30 расстояние ме)кцу преобразователями; г (г ) — амплитудное значение коэффициента отражения первого (второго) преобразователя;
35 "1, - фазовое значение коэффициента отражения первого (второго) преобразователя.
Напряжение U (t), возникающее ня выходе второго линейного плоского 0 ультразвукового преобразователя, определяется из соотношения! ",2 !! lg 4
MH7 b з дачеI!Its К » 1 и!1и К 1 н чави
+2 r -2К cos (oc KL+ II! + 6>)R а фазовое значение сигнала, снимаемого с второго линейного преобразователя, определяется из равенства 1(Ю 1-vt-4- q- 4. Sin (gl. ) t p> e in (k l, 3,1i !! (!П. » 3, 6,), !! Sin(k !. 1!, l с ь К11, s! 2@I. — +6 +6 = 2 ï V г 0 (16, (10) 1+R К = К 1 — R (17) 20 q,(t) — (иг. + q). П = -- — — ехр (-gL) i "о о! а ° а Если выражение (9) можно рассматривать как амплитудную характеристику акустического интерферометра, то в качестве фазовой характеристики акустического интерферометра выбирается разность фаз, равная СИМО(ТИ 01 И1 Л IPIIHH непичИНы с (д1 о Иэ формулы (15) следует также, что г максимальное значение К для слабопоглощающих сред (т.е. при М L «1) будет в слу Iae» когда где n — целое чис.!о. В этом случае коэффициент К становится равным коэффициенту стоячих волн и определяется выражением При выполнении условия (16) на выходе второго преобразователя наблюдается один иэ локальных максимумов амплитуды напряжения Если скорость V распространения о акустических волн в исследуемой среде получила приращение dV то волновое число К получит приращение, равное ДК = — — — dV 2» о (12) 30 а фазовая характеристика Ч получит приращение, величину которого можно найти путем дифференцирования выражения (10) . Получаем с учетом выражений (11) и (12), что d(y=dq=dq, О 1 г И И- — — — —— 1-2R cos(— -+ 6 + 8 )+R2 2gt г а УL (13) 172 ° а Поэтому если скорость V волны полуо чит некоторое приращение ь7, причем настолько малое, что †-!ь < а то, как следует из интегрирования (13), фазовая характеристика получит приращение равное 50 ИL аР= — К вЂ” — aV v7 » (14) о г 1 — R2 К 2 я!. г 1-2R соз (- — + 6, + о ) +R г Откуда в режиме бегущей волны (R = 0) К = 1, в режиме стоячей волны (О U ех (-м?.) ! II InaII p ° а, — R М г 2 (18) При значениях L и (о » для которых 2ц?. ! 7. — — +3 + 6 =(2m + 1)», где m — целое 0 число, амплитуда напряжения на выходе второго преобразователя,соответствующая одному иэ своих локальныхминимумов, определяется выражением U ехо (-асТ.) о„;„а а 1+R Из выражений (17), (18) и (19) получаем, что коэффициент К стоячих волн равен UOI o ox К U0I о1;„ Из формулы (14) и (17) следует, что изменение Ь 7", обусловленное изменением скорости от V до V + 4 V в режиме стоячей волны (RPO), будет в 1+R — раз больше, чем в режиме бегуR щей волны, а приращение скорости определяется по формуле 1 Vn о К I.а Формула изобретения Способ определения приращения скооости распространения ноля, зак1221499 Vo. — -ь Р. (,(д ) 1 ь9 =-У, гпе Составитель Г. Рыжакова Редактор М. Келемеш Техред О.Гортвай Корректор А. Ференц а Тираж 507 Заказ 1б03/47 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 лючаюшийся в излучении ультразвукового сигнала в среду, приеме прошедшего через нее ультразвукового сиг-. нала и измерении разности фаз между иэлученным и принятым ультразвуковыми сигналами, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности, измерение разности фаз между излученным и принятым ультразвуковыми сигналами производят в режиме стоячей волны, а величину приращения скорости определяют по формуле M — частота излучаемых ультразвуковых сигналов; I — длина базы прозвучивания; д — начальная скорость распространения ультраэвукового сигнала; — козффициент стоячих волн, 6P - изменение разности фаз между излученным и принятым ультразвуковыми сигналами.
