Способ определения нелинейного акустического параметра среды

(51) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ Ж 4 тся непараичен, етный а долстатком этого сп ость измерения ред,обьем кот у для того, чтоб сдвиг, высокоча особа явля елинейно рых огра возник за тотная вол ет осколь азовый К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1(71) Институт прикладной физики АН СССР (72) В.Е.Назаров(56) Авторское свидетельство СССР М 1233032, кл. 0 01 й 29/00, 1985.Авторское свидетельство СССР М 1236363, кл. 0 01 й 29/00, 1984.Авторское свидетельство СССР М 1504604, кл, 6 01 й 29/00, 1988.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА СРЕДЫ(57) Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике и может быть использовано, например, для исследования физико-механических свойств материалов. Цель изобретения - повышение точности. Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано, например, для исследования нелинейных упругих свойств материалов.Традиционные методы акустической диагностики материалов основаны на измерении скорости звука, поглощения и рассеяния звуковой волны, Для целей диагностики используют измерения нелинейного акустического параметра, который более чувствителен к дефектам внутренней структуры материала (трещины, дислокации и т.д.),Известны способы определения нелинейного параметра среды, основанные на измерении индекса фазовой модуляции высокочастотной волны, распространяющейся,в).Ыиц 1 727047 А 1 2При измерении нелинейного акустического параметра среды исследуемую среду, сформированную в виде плоскопараллельного слоя, помещают в дополнительную твердую среду, импеданс которой больше импеданса исследуемой среды, При этом толщинуслоя выбирают в соответствии с соотношением О= Я и, где и =1,2,3: Ж-длина волны на частоте в исследуемой среде, а расстояния О,2 от слоя до границ дополнительной среды выбирают в соответствии с соотношением О,гСТ/2 ( С - скорость звука в промежуточной среде; Т- длительность импульса). После облучения исследуемой среды плоской волной осуществляют прием волны на частоте /2. В момент появления этой волны измеряют амплитуду деформации е 0 в дополнительной среде, по которой определяют нелинейный параметр, 1 ил. к излучаемой в среду низкочастоте, Так, например, известен способ, которому в исследуемой среде вознаправленные под углом друг к зкочастотный и высокочастотный осуществляют прием прошедших еду высокочастотных сигналов, изараметры фазовой модуляции низных сигналов и по фиксированным ьным значениям фазовых сдвигов алов определяют нелинейный папод углом ной волн согласно буждают другу ни сигналы, через ср меряют и кочастот Максимал этих сигн ра метр.Недоточности измерения нелинейного акустичежна пройти расстояние, превышающее длиского параметра.ну низкочастотной волны.Цель изобретения - повышение точноЕще одним недостатком способа является его сложность, о уб словленная необхо- сти.П а цель достигается тем, чтодимостью излучения в исследу у рем ю с еду 5 Поставленн яиема в х ак - согласно спосо у опрб оп еделения нелинейнотрех акустических волн и прием д у уго акустического парамет ра среды заключастических сигналов,ом что облучают исследуемуюДругой способ определе р рния па амет а ющемуся в томе ении ров- средуспараллельнымип ои противоположныминелинейности основан на измерении урьсами нормально пане и емой в среде 10 поверхностями импульсамня второй гармоники, генерируеакустической волны черезпри облучении ее плоско уй ак стической вол- дающей плоскоиеду принимают переизной частоты 1. Нелинеиныи пар р рамет оп е- промежуточную срредой акустическиея т по соотношению амплитуд лученныеисследуемоисрделя ют по соотноше николебания и определяют искомый параметрдав ел ний на частотах 1 и 21.15 с учетом амплитуды излучаемых через проНе остатком этого способа являетсяднная стем, что наря- межуточную среду импульсов, в качественизкая точность, связанная с тем, что наря- мсреды выбирают твердуюду с второй гармоникои, г р руй гене и емойисс- промежуточнои ским импедансом, большимой и оп еделяемой ее средусакустическимиледуемой средои и рского импеданса исследуемой сренелинейным параме р, р ут ом об аз ется также акустичеяние между поверхностями исст ая га моника в излучателе ды, расстояние мпаразитная вторая г рт ак - 20 ледуемой среды выбирают кратным длинеи приемнике, В измеренную амплитуду аку- ледуемои св той с е е, асстояниеч кого авления на частоте входят как излучаемой волны в этои среде, рстического давления на частотот поверхности исследуемой среды до граполезна,я так и паразитная составляющаяв ницы промежуточной среды выбирают извторой гармоники, что приводит к ошибке визмерениях и, следовательно, к снижению условия. Точность также снижается при 25СТ/2тОчнОсти. ТОчнО ье- г е С - скорость звука в промежуточнойуменьшении линейных размеров исследуе- где - скомой среды, поскольку уменьшается уровень среде;и емой с едой и Т - длительность импульса,второй гармоники, генерируемои средой,ный овень па- а переизлученные коле бания принимают наувеличивается относительный уравной половине частоты излучаеразитной второй гармоники. 30 частоте, равной половине чНаиболее близким рк изоб етению явля- мого сигнала,С бретения заключаетю ий обл чение иссле- Сущность изо рется способ, включающии уловий в акустическом резое ы сфо мированной в виде ся всозданииусловидуемой среды, ф ркоторых возникает пороговаяплоскопараллельного слоя и щи поме енного наторе, приб астоте 1/2 приля акустического согласования в дополни35 гене а ия коле ании на чр цдляс е, импульсом нор- возбуждении резонатора на частоте .СлЕДувмуЮ СРЕДУ СфОРмил ской ак стической Для этого исмально падающеи пло ув ви е плоскопараллельноговолны и измер урме ение овня второй гармони- рованную в виде плмещают в дополнительную твердуюлне асп остраняющейся от иссле- слоя, пом40 е че ез которую облучают исследуеемой с еды в обратном направлении по среду, черй волне. Нелиней- мую среду нормально падающим на нее имотношению к излученной волне. елинеи- муй ак стической волны.т оп е еляютпосоотношению пульсом плоскои акуный параметр опредт Сле ет отметить, что принципиально необмплит ак стических давлений на частоте ледует отм тходимо отсутствие зазора между исследуемои45 и дополнительной средами. Для исключения влияния отражений волны от границНе остатком этого способа являетсядл, - системы (дополнительной среды), и тем саточность Обуслл вленная тем, что несмотря на выполнение условий акустическо- мым устранения в нейбго со гласования исследуемои и границами, где субгармоника не воз уждат а ется, длительность Т импульса облучаемоидополнительной сред, коэффициент отра ется, двия 1,СТ/2, гдения по вто ой гармонике от плр е от плоскопарал- волны выбирают из условия О,2 )- асстояния от слоя до внешних границлельного слоя оказывается хотя и малым, но 1,г- расчным. Вследствиеэтогоослабления па- дополнительной среды (внутреннимиконечным. следствиграницами являются границы дополнительитная вто ая гармоника, образовавшаяя в 55 ной среды, прилегающие к плоскопараля в изл чателе и дополнительной среде, ноиме те с полезным сигна- лельному слою). Импеданс дополнительноиб блом также попадает на приемник, что при- среды вы ирают ольшет к ошибке измерения полезной дуемой, при этом плоскопараллельный слоий представляет собой акустический резонасоставляющей, и. следовательно, к низкои итор с жесткими границами, При возбуждении такого резонатора на одной из его четных собственных частотт=12 п=Со/б и (2) и превышении амплитуды волны накачки критической, так называемой пороговой амплитуды, в спектре его колебаний скачком (резко) появляется составляющая на частоте т/2 = Ьп/2 =Ь, которая также является собственной частотой резонатора. В спектре падающей на слой волны составляющая на этой частоте вообще отсутствует (в отличие от высших гармоник, обусловленных не- линейностью излучателя и дополнительной среды в прототипе).Пороговая (минимальная) амплитуда деформации ео волны накачки в дополнительной среде, при которой появляются колебания в слое на частоте т/2, определяется выражениемСо/С=р. С.р - плотность промежуточной среды; у ро, Со - параметр нелинейности, плотность и скорость звука исследуемой среды.Поскольку в спектре излучаемого сигнала составляющая на частоте /2 отсутствует, в дополнительной среде, где реализуется режим бегущей волны, она также родиться не может, то ее появление однозначно говорит, что она появилась в резонаторе - исследуемой среде - и обусловлена нелинейностью исследуемой среды. Следует отметить, что волна на частоте 1/2 может приниматься приемником по любую сторону от слоя.Из выражения (3) следует формула, позволяющая рассчитать нелинейный акустический параметр:Со/С(4)лпе 2Достоинством способа является то, что в нем в отличие от прототипа, в котором необходимы измерения амплитуд на двух частотах 1 и 21, проводится лишь одно измерение на частоте 1 накачки.На чертеже изображена блок-схема одного из вариантов устройства, с помощью которого может быть реализован предложенный способ.Исследуемая среда 1, представляющая собой плоскопараллельную пластину(слой), жестко закреплена в дополнительной твердой среде 2; изготовленной, например, в виде двух одинаковых стержней.нии в качестве дополнительной среды10 указанных стержней жидкостью заполняют зазор между ними 15 20 дуемой среды 25 30 длины импульса (1 о СТ). Приемник 4 под. ключен к частотно-селективному измерительному прибору 7 35 40 45 50 55 Для обеспечения акустических контактов твердой исследуемой и дополнительной сред они должны быть жестко скреплены, Это обеспечивается, например, склеиванием или механическим креплением. При исследовании жидких сред исследуемой жидкостью заполняется пространство между дополнительной средой, При использоваДля облучения исследуемой среды 1 предназначен излучатель 3, жестко прикрепленный к торцу одного из стержней 2. Частота излучения 1 выбирается в соответствии с условием (2). Приемник 4 ультразвуковых волн закреплен на торце того же стержня 2, что и излучатель 3, В других вариантах исполнения приемник и излучатель могут быть расположены на торцах разных стержней, т.е. по разные стороны от исслеИзлучатель 3 электрически связан с последовательно соединенными генератором 5 и модулятором 6, предназначенным для формирования ультразвуковых импульсов длительностью Т, Для устранения влияния отражений импульса от торцов стержней их общую длину 1 о=О+И выбирают больше Способ осуществляют следующим образом.Исследуемую среду 1 в виде плоскопараллельной пластинки жестко закрепляют между двумя стальными стержнями 2 одинаковой длины, С помощью излучателя 3 через стержень 2 облучают исследуемую среду, сформированную в виде плоскопараллельного слоя 1 ультразвуковым импульсом на частоте 1 длительностью Т. Для точного выполнения условия (2) в небольших пределах подстраивают частоту излучения так, чтобы уровень сигнала, принимаемого приемником 4, был минимальным (если приемник и излучатель находятся по разные, стороны от исследуемой среды, то уровень принимаемого сигнала должен быть максимальным). Это свидетельствует о том, что слой исследуемой среды является резонансным, т,е. выполняется условие (2), Выбор длительности импульса в соответствии с условием 1) позволяет устранить влияние отражений от торцов стержней 2 (границ системы) и тем самым не дать возможности для реализации во всей системе резонатора с мягкими границами, в котором субгармоника принципиально не возбуждается. Затем увеличивают амплитч(4). Составитель О,Гонч ехред М,Моргентал аровадактор Н.Швыдкая Т Коррек евская аэ 1275 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 ду деформации ео импульса, осуществляя прием волны на частоте 1/2. Измеренная пороговая амплитуда деформации ео, Нелинейный параметру определяют по формуле Формула изобретения Способ определения нелинейного акустического параметра среды,заключающийся в том, что облучают исследуемую среду с параллельными противоположными поверхностями импульсами нормально падающей плоской акустической волны через промежуточную среду, принимают переизлученные исследуемой средой акустические колебания и определяют искомый параметр с учетом амплитуды излучаемых через промежуточную среду импульсов, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в качестве промежуточной среды 5 выбирают твердую среду с акустическим импедансом, большим акустического импеданса исследуемой среды, расстояние между поверхностями исследуемой среды выбирают кратным длине излучаемой волны в этой 10 среде, расстояниеот поверхности исследуемой среды до границы промежуточной среды выбирают из условияСТ/2, где С - скорость звука в промежуточной среде; Т - длительность импульса, а переизлученные 15 колебания принимают на частоте равной половине частоты излучаемого сигнала.