Устройство для измерения акустического сопротивления однородных сред

Авторы патента:

Липовко-Половинец Петр Османович (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)

G01H15/00 - Измерение механического или акустического сопротивления

Владельцы патента RU 2564045:

Липовко-Половинец Петр Османович (RU)

Использование: для измерения акустического сопротивления однородных сред. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения акустического сопротивления однородных сред содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемой и контрольной средами соответственно, ультразвуковой генератор, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, суммирующий каскад, входы которого подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, делитель и блок функционального преобразования, связанный с выходом делителя, при этом в состав устройства введены дифференциальный усилитель и блок возведения в степень, причем первый вход дифференциального усилителя подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, а второй вход этого усилителя подключен к первому ультразвуковому преобразователю, первый вход делителя подключен к выходу дифференциального усилителя, а второй его вход подключен к выходу суммирующего каскада, выход делителя подключен к входу блока возведения в степень, а выход последнего подключен к входу блока функционального преобразования, причем блок функционального преобразования реализует заданную функциональную зависимость. Технический результат: повышение чувствительности к акустическому сопротивлению исследуемой среды. 1 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и может быть использовано при ультразвуковом контроле физико-химических характеристик различных однородных сред, например в криминалистике.

Известно устройство, предназначенное для осуществления способа измерения акустического сопротивления сред с помощью ультразвуковых импульсов (SU 1504602 A1, МПК G01N 29/00, опубл. 30.08.89. Бюл. №32). Устройство позволяет исследовать и идентифицировать акустическим методом различные газы. Указанное устройство имеет ограниченную область применения, поскольку обеспечивает повышенную чувствительность к акустическому сопротивлению исследуемой среды только при условии, что акустическое сопротивление исследуемой среды существенно меньше акустического сопротивления эталонной среды. Например, при исследовании газов с помощью твердого эталона.

Кроме того, известно устройство для измерения акустического сопротивления газообразных сред (SU 1597716 A1, МПК G01N 29/02, опубл. 07.10.90. Бюл. №37). Это устройство позволяет исследовать и идентифицировать разреженные газы, причем не только в статике, но и в динамике, за счет повышенной чувствительности в таких случаях. Однако оно имеет те же недостатки, что и выше упомянутое.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому устройству является «Устройство для измерения акустического сопротивления материалов» (SU 1589197 A1, МПК G01N 29/00, опубл. 30.08.90. Бюл. №32). Это устройство содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, параллельно включенные ультразвуковой генератор и приемную часть устройства, состоящую из последовательно соединенных суммирующего каскада, делителя и блока функционального преобразования, причем первый и второй выходы генератора подключены соответственно к первому и второму ультразвуковым преобразователям, к ним же подключены и соответствующие входы приемной части устройства, первый вход делителя подключен к выходу суммирующего каскада, а второй его вход подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, вход блока функционального преобразования подключен к выходу делителя, причем функциональный преобразователь реализует зависимость

где U_вх и U_вых - уровни его входного и выходного сигналов соответственно,

U₀ - постоянный коэффициент, равный акустическому сопротивлению известной эталонной среды в выбранной физической системе координат.

Полученные после описанной последовательности измерительных процедур величины оказываются весьма чувствительными к величине акустического сопротивления исследуемого твердого материала, что позволяет отличать (и, следовательно, распознавать) различные твердые материалы, например, чистые металлы и их сплавы, различные виды пластмасс или стекол и т.д.

Однако указанное устройство - прототип заявляемого - позволяет реализовать свое преимущество в чувствительности только в условиях, когда акустическое сопротивление исследуемого материала заметно превосходит по своей величине акустическое сопротивление эталонной среды. Например, при исследовании и идентификации металлов иммерсионным способом с дистиллированной водой в качестве эталона.

Целью изобретения является расширение области применения устройства за счет повышения его чувствительности к акустическому сопротивлению исследуемой среды во всем диапазоне исследуемых сред. Техническим эффектом выступает обеспечение независимости приемлемого значения чувствительности от величины акустического сопротивления исследуемой среды.

Поставленная цель достигается за счет того, что заявляемое устройство для измерения акустического сопротивления материалов содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, параллельно включенные ультразвуковой генератор и приемную часть устройства, состоящую из последовательно соединенных дифференциального усилителя, сумматора, делителя, блока возведения в степень и блока функционального преобразования, причем первый и второй выходы генератора подключены соответственно к первому и второму ультразвуковым преобразователям, к ним же подключены и входы дифференциального усилителя и сумматора, первый вход делителя (канал делимого) подключен к выходу дифференциального усилителя, второй его вход (канал делителя) подключен к выходу сумматора, выход делителя подключен к входу блока возведения в степень, а выход последнего подключен к входу блока функционального преобразования, причем блок функционального преобразования реализует функциональную зависимость

где U_вх и U_вых - уровни его входного и выходного сигналов соответственно,

U₀ - постоянный коэффициент, равный акустическому сопротивлению известной эталонной среды в выбранной физической системе координат,

D≥1 - постоянное число, равное показателю степени блока возведения в степень.

Таким образом, отличия заявляемого устройства для измерения акустического сопротивления однородных сред от устройства-прототипа состоят в следующем:

1) добавлен блок дифференциального усилителя, подключенный параллельно генератору, причем первый вход дифусилителя (канал уменьшаемого) подключен к второму ультразвуковому преобразователю, а второй вход (канал вычитаемого) - к первому ультразвуковому преобразователю;

2) выход дифусилителя подключен к первому каналу делителя (каналу делимого);

3) выход сумматора подключен ко второму каналу делителя;

4) добавлен блок возведения в степень, подключенный своим входом к выходу делителя, а своим выходом - к входу блока функционального преобразования;

5) блок функционального преобразования модифицирован и реализует функциональную зависимость (2) вместо зависимости (1) у прототипа.

Эти отличительные признаки заявляемого устройства от устройства-прототипа в сочетании с общими признаками двух рассматриваемых устройств позволяют достичь цели изобретения - существенного повышения чувствительности устройства к вариациям величины акустического сопротивления исследуемого материала во всем диапазоне исследуемых сред.

На чертеже представлена блок-схема заявляемого устройства для варианта исследования жидкости с помощью твердой эталонной среды.

Устройство включает первый 1 и второй 2 ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду 3 с исследуемой средой 4 и контрольной средой 5 соответственно. В качестве исследуемой среды 4 используется, например, техническое масло, в качестве эталонной среды - твердый материал с известным акустическим сопротивлением, например оргстекло, из которого изготовлены два идентичных буферных стержня 3. Контрольной средой 5 служит воздух. В состав устройства входят ультразвуковой генератор 6, дифференциальный (разностный) усилитель 7, суммирующий усилитель (сумматор) 8, делитель 9, блок возведения в степень 10 и функциональный преобразователь 11, соединенные последовательно. Ультразвуковые преобразователи 1 и 2 акустически контактируют (например, путем склейки) с идентичными буферными стержнями 3, один из которых контактирует с исследуемой жидкостью 4, а другой - с воздухом. Первый вход дифусилителя 7 (канал уменьшаемого) подключен к второму 2 ультразвуковому преобразователю, а второй его вход (канал вычитаемого) подключен к первому 1 ультразвуковому преобразователю, первый вход сумматора 8 подключен к первому ультразвуковому преобразователю, второй его вход подключен к второму ультразвуковому преобразователю, первый вход делителя 9 (канал делимого) подключен к выходу дифусилителя 7, а второй его вход подключен к выходу сумматора 8, выход делителя подключен к входу блока возведения в степень 10, выход последнего подключен к входу блока функционального преобразования 11. Устройство имеет два выхода. Первый выход 12 используется для регистрации измерительной функции H, обладающей высокой чувствительностью к величине акустического сопротивления исследуемой среды 4, а второй выход 13 используется для воспроизведения высокоточного значения указанного акустического сопротивления.

Устройство для измерения акустического сопротивления однородных сред работает следующим образом. Ультразвуковой генератор 6 генерирует на своих первом и втором выходах электрически развязанные, одинаковые по амплитуде электрические сигналы, которые преобразуются первым 1 и вторым 2 ультразвуковыми преобразователями в эквивалентные акустические сигналы. Последние после исходного уравнивания и последующего распространения в идентичных буферных стержнях 3 достигают границ акустического контакта эталонной среды 3 с исследуемой средой 4 и контрольной средой 5, отражаются в обратном направлении и, пройдя одинаковые акустические пути, поступают на те же ультразвуковые преобразователи, которые их излучили. После обратного преобразования в эквивалентные электрические сигналы последние поступают на вышеуказанные входы дифусилителя, электрически развязанные от выходов генератора, а также - на входы сумматора, электрически развязанные и от выходов генератора, и от входов дифусилителя. Сигнал с выхода дифусилителя 7 поступает на первый вход делителя 9 (канал делимого), сигнал с выхода сумматора 8 поступает на второй вход делителя 9, сигнал с выхода делителя 9 поступает на вход блока возведения в степень 10, а сигнал с выхода блока возведения в степень поступает на вход блока функционального преобразования 11.

На выходе блока 10 возведения в степень, который является одновременно и первым выходом 12 устройства, устанавливается напряжение, пропорциональное величине Н:

где A₁ и А₀ - соответственно амплитуды сигналов от исследуемого материала 4 и контрольной среды 5 соответственно,

D≥1 - постоянная величина, равная показателю степени блока возведения в степень выражения (3) и одновременно величина чувствительности устройства к значению акустического сопротивления исследуемой среды.

Величина H связана с величинами Z_x и Z₀ акустических сопротивлений соответственно исследуемой 4 и эталонной 3 сред зависимостью:

При этом величина дифференциальной чувствительности G устройства при измерении сигнала Н определяется из соотношения:

где G=D=Const(Z_x/Z₀). Следовательно, величина дифференциальной чувствительности устройства и одновременно измерительной функции H оказывается не зависящей от величины Z_x (при заданном Z₀) во всем диапазоне исследуемых сред. То есть цель изобретения достигнута, и чем больше аппаратурно обеспечивается D (или G), тем лучше. Ибо, согласно выражению (5), при изменении акустического сопротивления исследуемой среды Z_x на N % величина измерительной функции Н изменится на ND≥N %.

Блок функционального преобразования 11 и одновременно второй выход 13 заявленного устройства формирует выходное напряжение по зависимости (2), где величина U_вх, очевидно, эквивалентна величине H. Подставляя ее вместо U_вх и учитывая соотношение (4), мы придем к выводу, что на выходе блока 11 и одновременно на втором выходе 13 устройства формируется сигнал, пропорциональный измеряемому значению Z_x акустического сопротивления исследуемого материала 4. При этом коэффициент U₀, вводимый извне, играет роль Z₀, т.е. акустического сопротивления эталонной среды.

Поскольку по условиям функционирования заявляемого устройства оно одинаково эффективно во всем диапазоне исследуемых сред, исследуемая среда может быть не жидкой, как в описываемом варианте, а твердой. Тогда эталонную среду следует выбрать жидкой. При этом необходимо изменить акустическую часть устройства, сделав ее подобно прототипу (SU 1589197), сохранив в неизменном виде электрическую часть устройства.

Заявляемое устройство является промышленно применимым, т.к. промышленно применим его прототип, который не имеет от первого принципиальных отличий в промышленно-технологическом плане.

Устройство для измерения акустического сопротивления однородных сред, содержащее первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемой и контрольной средами соответственно, ультразвуковой генератор, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, суммирующий каскад, входы которого подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, делитель и блок функционального преобразования, связанный с выходом делителя, отличающееся тем, что в состав устройства введены дифференциальный усилитель и блок возведения в степень, причем первый вход дифференциального усилителя подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, а второй вход этого усилителя подключен к первому ультразвуковому преобразователю, первый вход делителя подключен к выходу дифференциального усилителя, а второй его вход подключен к выходу суммирующего каскада, выход делителя подключен к входу блока возведения в степень, а выход последнего подключен к входу блока функционального преобразования, причем блок функционального преобразования реализует функциональную зависимость
$U_{в ы х} = U_{0} \sqrt[D]{U_{в х}}$ ,
где U_вх и U_вых - уровни его входного и выходного сигналов соответственно,
U₀ - постоянный коэффициент, равный акустическому сопротивлению известной эталонной среды в выбранной физической системе координат,
D≥1 - постоянное число, равное показателю степени блока возведения в степень.

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для измерения скорости звука в естественных водоемах. Предложен способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, заключающийся в формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, которой включает измерение скорости распространения звука, температуры и давления в образцовой зоне водоема на фиксированных горизонтах, свободной от загрязнений техногенного характера, при этом полученные значения измеренной скорости распространения звука являются эталонными значениями для данного водоема и заносятся в память вычислительного устройства средства акустического мониторинга, при формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, измерения скорости распространения звука выполняют при температуре и давлении, соответствующих температуре и давлению полученных эталонных значений скорости распространения звука на фиксированных горизонтах акватории исследуемого водоема.

Способ акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой // 2561778

Использование: для акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют формирование между пьезоэлементом и контролируемой средой протектора и размещение с другой стороны пьезоэлемента демпфера, при этом толщину пьезоэлемента и толщину протектора определяют исходя из резонансной частоты пьезоэлемента fпэ=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2), где f - эффективная частота эхо-импульса, а материалы протектора и демпфера выбирают с акустическими сопротивлениями из диапазонов, удовлетворяющих определенным соотношениям.

Способ ускорения регистрации эхо-сигналов с помощью ультразвуковой антенной решетки // 2560756

Использование: для ультразвуковой дефектоскопии. Сущность изобретения заключается в том, что разбивают пьезоэлементы антенной решеткой на несколько подрешеток, присваивают каждому излучающему элементу подрешетки свой зондирующий сигнал из набора псевдоортогональных сигналов, выполняют одновременное излучение в объект контроля всеми элементами подрешетки и принимают из него ультразвуковые сигналы с помощью любой подрешетки с последующим декодированием принятых эхо-сигналов для формирования набора эхо-сигналов, который можно было бы получить при излучении и приеме всеми парами элементов антенной решетки, при этом для каждой из пар подрешеток и для каждого положения антенной решетки используется свой набор псевдоортогональных сигналов, например кодов Касами или линейно-частотно-модулированных сигналов, а декодирование для формирования набора эхо-сигналов для восстановления изображения отражателей методом C-SAFT производится методом максимальной энтропии.

Способ снижения перинатальной заболеваемости при поздних преждевременных родах // 2559775

Изобретение относится к перинатологии и предназначено для снижения перинатальной заболеваемости при поздних преждевременных родах. Сущность способа: в сроках 34-36 недель беременности при угрозе преждевременных родов проводят ультразвуковую фетометрию.

Способ исследования образцов горных пород // 2559327

Изобретение относится к технике горного дела, добыче полезных ископаемых, в частности к устройствам для изучения физико-механических свойств горных пород, и может быть использовано в геологии, горной, газовой и нефтяной промышленности для расчета предельной величины давления гидроразрыва пласта.

Аудиометр для исследования звукопоглощающих свойств жидкостей // 2559173

Изобретение относится к метрологии, в частности к устройствам для измерения звукопоглощающих свойств жидкостей. Устройство содержит тональный аудиометр, к которому подключен костный телефон-вибратор с ремешком для его фиксации в заданном положении.

Способ определения коэффициента акустоупругой связи // 2556331

Использование: для определения коэффициента акустоупругой связи. Сущность изобретения заключается в том, что образец нагружают до заданного значения напряжения в материале и измеряют время распространения акустической волны в направлении, перпендикулярном направлению нагружения, при этом растягивают или сжимают образец до напряжения σ, меньшего предела пропорциональности материала, измеряют время t1 распространения акустической волны между двумя параллельными поверхностями образца, разгружают образец, соответственно сжимают или растягивают образец до напряжения σ, измеряют время t2 распространения акустической волны между указанными поверхностями образца и определяют коэффициент акустоупругой связи по заданному математическому выражению.

Способ относительной калибровки преобразователей акустической эмиссии // 2554320

Использование: для относительной калибровки преобразователей акустической эмиссии. Сущность изобретения заключается в том, что размещают на калибровочном блоке калибруемый преобразователь акустической эмиссии, возбуждают в калибровочном блоке импульсы смещения, регистрируют полученные сигналы и выполняют их сравнение, при этом возбуждение импульсов смещения осуществляют с помощью источника акустической эмиссии трения, полученные при этом сигналы акустической эмиссии трения регистрируют, затем по ним определяют их автокорреляцию, производя, таким образом, относительную калибровку калибруемого преобразователя акустической эмиссии.

Переносная система edm для выполнения калибровочных стандартов // 2552812

Изобретение относится к системе для выполнения калибровочных отражателей на трубе. Переносная система электроэрозионной обработки для выполнения калибровочных отражателей на трубе содержит основание, монтируемое на трубу, режущий инструмент, электродвигатель, функционально соединенный с режущим инструментом для перемещения режущего инструмента в соответствии предварительно выбранной схемой, электрод, функционально соединенный с режущим инструментом, источник питания, функционально соединенный с электродом и функционально соединяемый с трубой, при этом источник питания выполнен с возможностью электрической подачи напряжения от электрода на трубу для удаления материала с трубы, источник диэлектрической текучей среды, находящийся во взаимодействии по текучей среде с трубой для удаления материала, удаляемого с трубы, при этом электродвигатель и источник питания и/или источник диэлектрической текучей среды установлены на основании.

Способ контроля динамических характеристик сейсмоакустических преобразователей // 2550761

Изобретение относится к области сейсмоакустических исследований и касается устройства контроля динамических характеристик сейсмоакустических преобразователей.

Способ измерения акустических характеристик газовых струй на срезе выходных устройств гтд и устройство для его осуществления // 2531057

Группа изобретений относится к области измерительной техники, в частности к способу и устройству диагностирования газотурбинных двигателей по изменению аэроакустических характеристик потока.

Устройство для измерения акустического сопротивления твердых материалов // 2489687

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и может быть использовано при ультразвуковом исследовании и идентификации твердых материалов, например, в криминалистике.

Способ измерения акустического сопротивления однородных сред и устройство для его осуществления // 2362128

Изобретение относится к области ультразвуковой измерительной техники и может быть использовано при акустических исследованиях биологических или технических сред, которые с течением времени заметно меняют свои физико-химические характеристики, влияющие, в свою очередь, на акустические характеристики подобных материалов.

Способ измерения входного комплексного акустического импеданса // 2282160

Изобретение относится к машиностроительной акустике и может быть использовано при определении акустических характеристик, в частности импеданса различных гидравлических устройств, например насосов и трубопроводных систем.

Акустический интерферометр // 2054714

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при оценке акустических свойств материалов. .

Способ аэроакустической диагностики проточной части авиационного газотурбинного двигателя // 2028581

Изобретение относится к измерительной технике, к способам диагностирования двигателей по изменению аэроакустических характеристик потока, протекающего через проточную часть авиационных газотурбинных двигателей.

Способ измерения звукоизоляции герметичных радиоэлектронных блоков // 2001379

Способ определения акустического сопротивления переходного слоя // 1820233

Изобретение относится к акустике и может быть использовано в измерительных акустических приборах. .

Способ регулирования мощности дизеля // 1673909

Изобретение относится к управлению и регулированию двигателей внутреннего сгорания, испытывающих значительные колебания нагрузки, и позволяет повысить производительность машинно-тракторного агрегата за счет получения плавной без изломов и большей площадью под кривой эффективной мощности скоростной характеристики дизеля, а также повышения точности регулирования параметров дизеля в диапазоне частот вращения вала от максимального холостого хода до максимального крутящего момента, включая номинальный.

Стенд для определения механических сопротивлений амортизаторов // 1627857

Устройство для измерения акустического сопротивления материалов // 2564046

Использование: для измерения акустического сопротивления материалов. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения акустического сопротивления твердых материалов, содержащее первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, ультразвуковой генератор, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, делитель и блок функционального преобразования, при этом второй вход делителя подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, а выход делителя связан с блоком функционального преобразования, при этом первый вход делителя подключен к первому ультразвуковому преобразователю, между выходом делителя и входом блока функционального преобразования введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины и экспоненциального преобразования, а блок функционального преобразования реализует заданную функциональную зависимость или в устройство введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины, аналогового инвертирования и экспоненциального преобразования, причем блок функционального преобразования в этом случае реализует другую заданную функциональную зависимость. Технический результат: повышение чувствительности к акустическому сопротивлению исследуемого материала. 2 ил.