Способ определения спектра акустического давления резонансного пьезоэлектрического излучателя в дальнем поле излучателя

 

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть ис«: пользовано для определения спектра акустического давления, создаваемого, нелинейным резонансным пьезоэлектрическим излучателем при сложном виде йо«|- буждающего излучатель электрического сигнала. Целью изобретения является увеличение точности определения спектра. Пьезоэлектрический излучатель возбуждают на двух близких .частотах и измеряют амплитуду акустического давления, соответствующую разностной частоте. Причем частоты возбуждения меняют в пределах полосы пропускания резонансного пьезоэлектрического излучателя, сохраняя постоянной разность между ними, вычисляют по расчетной формуле спектр акустического давления, приведенного к единичному расстоянию от центра излучателя. 1 ил. (Л с

СООЗ COBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (И) (д11 4 Н 04 R 29/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

AO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4187417/24-10 (22) 28.01.87 (46) 23.01.89. Бюл. М 3 (71) Ленинградский электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) (72) А.В.Осетров (53) 534.232(088.8) I (56) Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля./ Под общ. ред. И.Н Ермолова. — М.: Мащиностроение, 1986, с. 93-99. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРА АКУСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНОГО ПЬЕ-.

ЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ В ДАЛЬНЕМ

ПОЛЕ ИЗЛУЧАТЕЛЯ (57) Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть ис пользовано для определения спектра акустического давления, создаваемого.

° нелинейныч резонансным пьезоэлектрическим излучателем при сложном виде воз буждающего излучатель электрического сигнала. Целью изобретения является увеличение точности определения спектра.

Пьезоэлек трический излучатель возбуж» дают на двух близких.частотах и измеряют амплитуду акустического давления, соответствующую разностной частоте.

Причем частоты возбуждения меняют в пределах полосы пропускания резонансного пьезоэлектрического излучателя, сохраняя постоянной разность между ними, вычисляют по расчетной форму- ф ле спектр акустического давления, приведенного к единичному расстоянию от центра излучателя. ил.

1453624

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для определения спектра акустического давления, создаваемого нелинейным резонансным пьезоэлектричес5 ким излучателем, при сложном виде возбуждающего электрического сигнала, Цель изобретения - увеличение точности определения спектра за счет - 19 учета нелинейных искажений.

В некоторых случаях пьезоэлектрические преобразователи нельзя считать линейными приборами и требуется учитывать создаваемые ими нелинейные 15 искажения, хотя эти искажения;по уровню невелики. При этом пьезоэлек- . трический преобразователь можно описать, как и электрическую цепь, с помощью аппарата рядов Вольтерра: 39

М фОО я() = ((. ° .J «(,, ° ° Л,)"

)(à ) к

П u(t,)a

25 где M(t) - выходной сигнал;

И(1 ) — входной сигнал; (дР

>(t) = — ) K(Ju)u(JQ)e аса

2Й"

Ku(J(a()u(Ju)е е аЫ,а

- импульсная переходная функция k-го порядка.

1.(, Л л

k((1 р

00 я(и) = К(и)и()и) е - j е(Е(- - ре) )(2 " ро) "

" (3) )(и Д(И.) u Л(р + Я,) 603,.

После вычисления ядра второго порядка К(ДЫ,1 Д6), ) выходной сигнал SO (ЛО) = k(du) u,(Дя), имеет вид:

Сер

"«U,(1è) = u(pa) -!. J е(я („) )(е )j-o

2 О) g(4 Qo) u )(- -0 ) и (- +у ) ац i где U()Q). = j u(t)e Ы, К(е2) =11(о)ео "Йо — ядро оер- ()> вого порядка, обычная частотная характеристика;

К(Ы,, Ju,) =

OO oO я ((е() -до" (э "2 е е Ф и . 40

-Os eo ядро второго порядка .

При "несущественной" нелинейности ряд вида (1) с достаточной степенью точности можно аппроксимировать суммой конечного числа членов ряда. Если ограничиться одним членом ряда, то нелинейные искажения описать не удается, так как первый член представляет собой обычный интеграл свертки, использующийся при расчете линейных цепей, a k(c ) является импульсной характеристикой цепи (выходной сигнал цепи при воздействии на вход цепи

8 -функции). Обычно при описании нелинейных устройств ограничиваются двумя членами ряда (1). При этом удается описать простейшие, но наиболее важные виды нелинейных исКажений.

Два члена ряда (1) можно записать в следующей, более удобной форме:

Таким образом, выходной сигнал является суммой двух преобразований

Фурье. Первое (одномерное) соответ„ствует линейным эффектам, второе (двумерное) — нелинейным. ностной частотой и обеспечить нение условий

1 r0(Q + ) 1453624 6 ныпол- лителю 5 мощности, а приемник 7 акустического давления через управляемый переключатель 9 подключается

5 к вольтметру 10 и фаэометру 11. Изменяя с помощью управляющей ЭВМ 12

55 л г (я «)

ЬЯ

На црактике у выбирается в пределах 0,1-0,2Q,, Q, — частота резонанса пьезоэлектрического излучателя.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. 15

Устройство состоит из генераторов

1 и 2 гармонических колебаний, выход генератора 2 гармонических колебаний

° соединен с последовательно включенными сумматором 3, управляемым переключателем 4, усилителем 5 мощности и исследуемым резонансным пьезоэлектрическим излучателем 6, последонас тельно соединенных приемника 7 акустического давления, фильтра 8, управ- 25 ляемого переключателя 9, выход последнего соединен с входами вольтметра 10 и фазометра 11, а выходи нольтметра 10 и фазометра ll подключены соответственно к первому и второму входам управляющей ЭВМ 12, первый выход которой связан с входом устройства 13 вывода на печать. Выход генератора 1 гармонических колебаний подключен к второму входу сумматора 3, второму входу управляемого пе35 реключателя 4 и второму нходу фазометра 11, выход приемника 7 акустическorо давления соединен с вторым входом управляемого переключателя 9, второй и третий выходы управляющей

ЗВМ 12 подключены соответственно к входам генераторов 1 и 2 гармонических колебаний, четвертый выход управляющей ЗВМ 12 соединен с третьи;45 ми входами управляемых переключателей 4 и 9.

Устройство работает следующим образом. !

В дальней зоне пьезоэлектрического излучателя 6 располагают приемник 7 акустического давления, с помощью которого измеряют частотную зависимость комплексной амплитуды акустического давления при возбуждении излучателя 6 одночастотным сигналом. Для этого генератор 1 гармонических колебаний через управляемый переключатель 4 подключается к усичастоту генератора l гармонических колебаний, измеряют с помощью вольтметра 10 и фазометра 11 соответственно амплитуду и фазу электрического сигнала на выходе приемника 7 акустического давления, результаты измерений записываются н память упранляющей ЗВМ 1?..Затем возбуждают пьезоэлектрический излучатель 6 на двух близких частотах и измеряют амплитуду акустического давления, соответствующую разностной частоте, причем частоты возбуждения меняют в пределах полосы пропускания пьезоэлектрического излучателя 6. Для этого управляемые переключатели 4 и 9 переводят в другое положение, т.е. генератор 1 гармонических колебаний отключают от усилителя 5 мощности и к последнему подключают выход сумматора 3, а приемник 7 акустического давления подключают к вольтметру 10 через фильтр Я, настроенный на раэностную частоту.

Таким образом, днухчастотный сигнал с выхода сумматора 3 поступает на вход усилителя .5 мощности и после усиления - на вход пьезоэлектрического излучателя 6, выходной сигнал приемника 7 акустического давления фильтруется на разностной частоте фильтром 8 и амплитуда отфильтрованного сигнала измеряется вольтметром 10 и затем записывается н память управляющей ЭВМ 12. Частоты возбуждения генераторов 1 и 2 гармонических колебаний меняются под управлением управляющей ЗВМ 12 так, чтобы разность между частотами оставалась неизменной. После измерений вычисляется спектр акустического давления. Вычисления проводятся управляющей ЭВМ 12, а их результаты отображаются на устройстве 13 вывода на печать..

Формула изобретения

Способ определения спектра акустического давления резонансного пьеэоэлектрического излучателя в дальнем поле излучателя путем помещения приемника акустического давления в

1453624

Рь(3у) = О1,у(3Ы) (б) Ро (3<) = <о(du) Uî(DCO) Ф где U,(ДЫ) = п(ДУ) + — )

1 о

" г((. (O )K (+ у,) I (u(t(= гг,сос ((ог + (t +гг, (+ А соя((гс — g-(t +Юг (Для вычисления спектра ч()у) колебательной скорости по спектру

u(gQ) электрического сигнала, возбуждающего преобразонатель, достаточно знать функции К()Я) и г(Я).

Комплексная амплитуда P(Ju) акустического давления в точке дальнего поля (точке измерений) описынается выражением О

Р(,)Я) = - — --е, (5)

Р» (а) ) °" где Р (у) — комплексная амплитуда, о акустического давления, приведенная к единичному расстоянию от центра излучателя;

Для определения г (Я) на вход пьезоэлектрического излучателя подаизмеряют амплитуду выходного сигнала на разностной частоте Ь(д как функцию средней частоты у и нычисляют значение r (g) по следующей формуле

R(u„), Î BB„ г (Я) =: () ма ь

R(<6) о е

rr,(-Ы), ы О, 1

i1,(ДО1!

Алгоритм расчета спектра Р ()Ы) акустического данления, приведенноFo к единичному расстоянию, следующий:

1. Вычисление функции k (((,().

Учитыная, что k,(jB) = P (jB)/А„, где А — комплексная амплитуда электрического напряжения, поднодимого к излучателю при измерении комплексной амлитуды P(JQ) и используя выражение (5), имеем: 63 „

k (ц) = (Б Р()(()е )/А

2. Вычисление функции r ((() . Вычисление проводят по формуле (8) на

R — расстояние между центрами излучателя и приемника акустического давления; с — скорость звука.

Функция Ро(Я) хорошо аппроксимируется следующим выражением: где k, - вещественная величина, зависящая от вида пьезоэлектрического излучателя.

15 Обозначая ro 4o) = г(СД)Й1 ь, получим го(2 — Q0)K 3(- о )

u J(— Ы,) u J(-"+ M ) ао. ют двухчастотный электрический сигнал осНоВаННН измерений функции Р„ ((д) ° "1((- Ц - < Е °

3. Вычисление спектра Р (gg) по формуле (7), Величина R,, с одной стороны, должна выбираться такой, чтобы обеспечить проведение измерений н дальнем поле излучателя, т,е. R ъ ЗЛ /Ь, где D — наибольший размер излучаю40 щей системы; 9 — длина волны, соответствующая наименьшей частоте полосы йропускания пьезоэлектрического излучателя, т.е. B„ . С другой стороны, величина Б должна выбираться

45 как можно меньше, чтобы не проявлялись эффекты, вызнанные нелинейно» стью среди. Они, как правило, проявляются при Room 3, поэтому измерения по предлагаемому способу рекомен50 дуется проводить, размещая приемник акустического давления ближе к границе области дальнего поля, Выбор Ьсд должен быть таким, чтобы обеспечить фильтрацию сигнала с частотой Ьу на фоне сильного сигнала

Ь63 ЬЯ с частотами (д + — ((— — обеспе? % ? ° чить надежный уровень сигнала с pas7 l дальнюю зону пьезоэлектрического излучателя, измерения с.его помощью частотной зависимости комплексной амплитуды акустического давления при возбуждении пьезоэлектрического излучателя одночастотньи сигналом с известной комплексной амплитудой электрического напряжения, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью увеличения точности определения спектра за счет учета нелинейных искажений, дополнительно возбуждают

453624 8 двух близких частотах и измеряют амплитуду акустического давления, соответствующую разностной частоте, причем частоты возбуждения меняют в пределах полосы пронускания pesoнансного пьезоэлектрИческого излучателя, сохраняя постоянной разность между ними, спектр акустического

10 давления, приведенного к единичному расстоянию от центра излучателя, вычисляют по следующей формуле:

I пьезоэлектрический излучатель aà .. p (у) = K (gQ)g (а), ю + 1 где u (è) = и(5В) + < J r, (> -(д )к J(y - а )" е (2+Q,)к (2+Q.} (ар Я,) 3(+у.) au го (где

R(Q„), О йа ам

R(Q)i (анаойяб

R(>в) ° е г,(-О), Ыо г,(У) =

1К ЦЮ о е 30 Ир

К (gQ) = R,Р(Я),е /А, g(gQ) - спектр напряжения электрического сигнала на входе пьезоэлектрического излучателя, соответствующий подлежащему определению спектру

Р (ц) акустического

40 давления, приведенному к единичному расстоянию от центра излучателя;

P(JQ) — измеренная частотная зависимость комплексной амплитуды акустического давления при возбуждении пьезоэлектрического излучателя сигналом а комплексной амплйтудой

А электрического на» пряжения;

Р в (Я) - измеренная зависимость от Ы амплитуды акусти: ческого давления на частоте да при возбуждении пьезоэлектрического излучателя на двух близких частотах с постоянной разностью между ни ми, равной 5с0 с нолусуммой, равной сд и с амплитудами электрических напряжений А и А 1

И, И1 - соответственно нижняя и верхняя частота полосы пропускания пьезоэлектрического излучателя.1

В - расстояние между центром пьезоэлектрического излучателя и приемником акустического давления

1 с - скорость звука в среде.

1453624

Составитель С. Юдин

Техред М.Дидык Корректор Г. Решетник

Редактор H. Тупица

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 7304/57 Тираж 627 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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