Устройство для определения акустических свойств нитеподобных объектов в поперечном сечении

(71) Специализированное конструкторскоебюро с опытным производством Отдела теплофизики АН УЗССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 1010539, кл, (3 01 И 29/00, 1982,Я.С).Веппе 1, О,Нцззоп апс О,О,Кпо,"Росцзес асоцз 1 с Ьеапзз аког ассцгасе ревазетеазцггпеп 1 з", Асоцз 1 са аа 9 п 9. чо.11,1982, рр.583 - 595.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯАКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НИТЕПОДОБНЫХ ОБЪЕКТОВ В ПОПЕРЕЧНОМ СЕЧЕНИИ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано длянаучных исследований в заводских лабораториях с целью исследования или контроляакустоупругих свойств, например, скоростираспространения ультразвука в поперечномсечении и напряжения для полимерных ниИзобретение относится к измерительной технике и может использоваться для исследования акустоупругих свойств, например, скорости распространения ультразвука в поперечном сечении и напряжения дляпол-имерных нитей, металлических проволок, световолокна и других нитеподобных волокон.Известно устройство для определения скорости распространения ультразвука (УЗ) в образцах, которое состоит из двух рабочих преобразователей, установленных на определенном расстоянии друг от друга, исследуемого образца, установленного параллельно рабочим поверхностям преобтей, металлических проволок, световолокон и др. нитеподобных объектов. Целью изобретения является повышение точности измерения. Объект помещают в зону фокуса измерительного пуска по нормали к его оси симметрии, Опорный несфокусированный пучок направляют на исследуемый объект таким образом, что его ось симметрии проходит через зону фокуса измерительного пучка под углом к его оси симметрии, равным по величине значению, меньшему значения первого критическго угла для данной контактирующей пары. "исследуемый объект - иммерсионная жидкость". Расстояния от датчиков измерительного пучка до поверхности исследуемого объекта устанавливаются равными расстояниям от датчиков опорного пучка до поверхности исследуемого объекта. Зондирующие сигналы имеют одинаковое высокочастбтное заполнение ш и одинаковое количество периодов в пачке, Отличие заключается в том, что в фокусированном канале дополнительно применяется амплитудная модуляция. 1 ил,(,) разователей, электромагнитно-акустиче- О ского преобразователя (ЭМАП), располо- (;с женного соосно рабочим преобразователям, ) эталонного пьезопреобразователя и отражаа теля,"рабочие поверхности которых параллельны между собой и установлены на определенном расстоянии относительно друг друга.Известное устройство позволяе кой точностью определять скорость странения УЗ в образце.Однако при измерениях с помощью известного устройства не учитываются возможные изменения расстояний между10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 образцами и излучателями, например, при сканировании приемо-излучателей вдоль образца или, наоборот, при движении образца, например, при изготовлении нитей, проволок и т.п. Кроме того, известным устройством невозможно измерять нитеподобные объекты в основном из-за дифракционных эффектов,Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для определения напряжений в твердых телах, взятое за прототип и содержащее высокочастотный (ВЧ) генератор, управляющий вход которого соединен с выходом синхронного усилителя, выход ВЧ- генератора соединен с разделительным блоком, выход которого соединен со входом первого формирователя радиоимпульсов, выход которого соединен с излучателем опорного канала, второй выход разделительного блока соединен со входом низкочастотного модулятора, второй вход которого соединен с выходом низкочастотного(НЧ) генератора, выход НЧ-генератора соединен со входом второго формирователя радиоимпульсов, выход которого соединен с излучателем измерительного канала, приемный преобразователь которого и приемный преобразователь опорного канала соединен со входами смесителя сигналов, выход которого соединен со входом схемы стробирования, выход которой соединен со входом детектора огибающей сигнала, выход которого соединен с первым входом синхронного усилителя, второй вход которого соединен со вторым выходом НЧ-генератора.Известное устройство позволяет с высокой точностью определять фазовый сдвиг в измерительным канале при анализе объемных твердых тел, В случае анализа свойств нитеподобных обьектов точность определения фазового сдвига уменьшается из-за наличия в обьектах увеличивающихся дифракционных явлений и перекрестных помех. Кроме этого, обработка сигналов, образовавшихся в результате многократных отражений, при анализе свойств нитеподобных объектов, связана с существенными трудностями.Целью изобретения является повышение точности измерения акустоупругих свойств нитеподобных объектов.Поставленная цель достигается благодаря тому, что предлагаемое устройство для определения акустоупругих свойств нитеподобных объектов в их поперечном сечении, содержащее последовательно соединенные низкочастотный генератор, синхронный усилитель, высокочастотный генератор и первый формирователь радиоимпульсов, балансный низкочастотный модулятор, подключенный двумя входами к выходам высокочастотного и низкочастотного генераторов, формирователь стробов, акустические излучатель и приемник, акустические фокусирующие излучатель и приемник, и детектор огибающей, подключенный ко второму входусинхронного усилителя, дополнительно снабжено иммерсионной ванной, в которой размещены . акустические излучатели и приемники, и делителем частоты, включенным между выходомвысокочастотного генератора и входом формирователя стробов, последовательно соединенными элементом задержки, вход которого связан с первым выходом формирователя стробов, вторым формирователем радиоимпульсов и первым усилителем мощности, подключенным к акустическому фокусирующему излучателю, вторым усилителем мощности, включенным между выходом первого формирователя радио- импульсов и акустическим излучателем, последовательно соединенными первым двухканальным стробируемым усилителем с регулируемым усилением, подключенным к выходу фокусирующего излучателя, детектором огибающей и синхронным усилителем, последовательно соединенными вторым двухканальным усилителем с регулируемым усилением, подключенным к выходу акустического приемника, фазовращателем частоты заполнения и детектором огибающей, выход балансного низкочастотного модулятора связан со входом второго формирователя радиоимпульсов, второй выход формирователя стробов соединен со вторым входом первого формирователя радиоимпульсов, а третий выход соединен со вторым входом первого и второго двухканальных стробируемых усилителей с регулируемым усилением,Методика измерения с помощью предлагаемого устройства заключается в том, что исследуемый нитеподобный объект помещают в зону фокуса измерительного пучка по нормали к его оси симметрии,Опорный несфокусированный пучок направляют на исследуемый объекттаким образом, что его ось симметрии проходит через зону фокуса измерительного пучка под углом к его оси симметрии, равным по величине значению, меньшему значения первого критического угла для данной контактирующей пары "исследуемый объект - иммерсионная жидкость", Расстоянияот датчиков измерительного пучка до поверхности исследуемого объекта устанавливаются равными расстояниям от датчиков опорного пучка до поверхности исследуемого объекта, а фазовую разность определяют по формулегде в- круговая частота;бо - диаметр объекта;у - угол наклона оси опорного пучка по отношению к оси измерительного пучка;Ь - дифракционная поправка к фазе.При установлении разности фаз используются гармонические сигналы,Зондирующие сигналы имеют одинаковое высокочастотное заполнение в и одина 10 ковое количество периодов в пачке. Отличие заключается в том, что в фокусированном каналедополнительно применяется амплитудная модуляция низкочастотным гармоническим сигналом Гн,ч,. Принимаемые лючением того, что в сфокусированном канале есть дополнительный фазовый сдвиг, обусловленный изменением напряжения в зоне фокуса. Частотная модуляция - изме 20 нение частоты заполнения Лсо, одинаково в обоих каналах. Особенность определения фазового сдвига заключается в том, что в связи со сложностью измерения фазового сдвига на высокой частоте осуществляется 25 преобразование высокочастотных сигналов в низкочастотныйн,ч выделение низкочастотной огибающей (имеющей такой же фазовый сдвиг) с помощью синхронного детектора и сравнение его с Рн, ,о получен 30 ной непосредственно с генератора низкой частоты.Другая особенность методики, проводимых с помощью предлагаемого устройства измерений, заключается в том, что фазовый сдвиг не измеряется непосредственно, Измерение фазового сдвига осуществляют косвенно, добиваясь с помощью обратной связи изменения высокочастотного заполнения в таким образом, чтобы фа 40 зовый сдвиг был постоянным до и после измерения (т.е, здесь применяется "нулевой метод" измерения).Благодаря этому автоматически вычитаются аддитивные помехи, которые 45 вызваны температурными колебаниями, вибрациями, изменениями расстояний между преобразователями и объектом, т,е. все составляющие погрешности, которые одинаковы в обоих каналах,50 Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерения акустоупругих параметров нитеподобных объектов в непрерывном технологическом процессе его изготовления,На чертеже показана блок-схема устройства,Предлагаемое устройство содержит высокочастотный (ВЧ) генератор 1, делитель 2 частоты, формирователь 3 стробов, элемент сигналы имеют аналогичную форму за иск 4 задержки, первый и второй формирователи 5 - 1 и 5 - 2 импульсов, первый и второйусилители б - 1 и б - 2 мощности,иммерсионную ванну 7, первый и второй двухканальные стробируемые усилители 8-1 и 8 - 2 срегулируемым усилением, фазовращатель 9 частоты заполнения, детектор 10 огибающей, синхронный усилитель 11, никочастотный (НЧ) генератор 12, балансный НЧ-модулятор 13, регистрирующее устройство 14, акустические излучатель 15 иприемник, акустические фокусирующие излучатель 17 и приемник 18,Предлагаемое устройство работает следующим образом,Нитеподобный объект помещается виммерсионную жидкость таким образом, чтобы он был расположен в зоне фокуса измерительного акустического пучка понормали к его оси симметрии. При этом уголмежду осью симметрии опорного акустического пучка и осью симметрии измерительного пучка устанавливается меньшимпервого критического угла (определяетсярасчетным путем) для данной контактирующей пары "слой иммерсионной жидкости -нитеподобный объект".На акустические излучатели 15 и 17 подаются пачки радиоимпульсов, сформированных системой блоков 1, 2, 3, 4, 5 и ,преобразующиеся в УЗ-сигналы, облучающие нитеподобный объект, причем пачки радиоимпульсов фокусирующего канала17 - 18 модулируются по амплитуде НЧ-сигналом в балансном НЧ-модуляторе 13, надругой вход которого НЧ-огибающая подается с выхода НЧ-генератора 12.Принимаются акустические сигналы спомощью акустических приемников 16 и 18,усиливаются и стробируются с помощьюдвухканальных стробируемых усилителей 8,причем измерительные стробы формируются в формирователе 3 стробов,С помощью элемента 4 задержки и фазовращателя 9 частоты заполнения пачкипринимаемых сигналов измерительного иопорного каналов совмещаются по временной оси с установкой начальной фазы частоты заполнения опорного канала.В детекторе 10 огибающей выделяется из совмещенного по времени сигналасоставляющая с НЧ-огибающей, которой.модулируется частота заполнения измерительного канала. НЧ-огибающая подаетсяна вход синхронного усилителя 11, на вход1 которого подается опорный НЧ-сигнал свыхода низкочастотного генератора 12.С первого выхода синхронного усилителя 11 снимают напряжение, пропорциональное фазовому сдвигу между опорнымНЧ-сигналом и выделенной НЧ-огибающей и подают его на вход управления ВЧ-генератора 1.В исходном состоянии, например до введения натяжения нитеподобного объекта, устройство автоматически осуществляет девиацию частоты ВЧ-генератора 1 до тех пор, пока выходной сигнал синхронного усилителя 11 не будет равен нулю. В этот момент на управляющий вход регистрирующего устройства 14, например ЭВМ, подается сигнал, разрешающий считывание и запоминание частоты Ь высокочастотного заполнения,Затем, например, после введения натяжения нитеподобного объекта или изменения его акустоупругих свойств, в зоне фокуса измерительного пучка происходит фазовый сдвиг, приводящий к изменению выходного напряжения, осуществляющего девиацию частоты ВЧ-генератора 1, до нулевого значения выходного напряжения синхронного усилителя 11, В этот момент на регистрирующее устройство 14 вновь поступает сигнал разрешения на считывание и запоминание частоты Ь,По результатам нескольких измерений частоты заполнения Ь+ определяют скорость распространения УЗ-волн в поперечном сечении объекта: 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Ч 1 = боРп+ - 1 п)/К(2) р=2 т Ф/+Методика определения напряжения о основана на способе Лагранжа по формуле зависимости сдвига фазы Ь р от напряжения О:Ь ф (х,у,г) = во;(х,у,АХ-Х, У-у, 7-г)х х бх бумаг,где бо - диаметр объекта;К - постоянный коэффициент, определяемый при р = 0,5(2 п + 3) д;+ - измеренное к-ое значение частоты ВЧ-заполнения;1 - начальное значение частоты ВЧ-заполнения.Полученное значение Ч 1 используют для нахождения дифракцион ной поправки к фазе, вычисляемой численным способом при заданных значениях диаметров акустических пучков, диаметра объекта и расстояния между преобразователями и объектом.Далее уравнение,2) решается относительно и, при Ч = Ч 1 и округляется до целого числа и следующее выражение решается относительно Ч: где Гя - функция, определяемая только геометрией фокусированного пучка;в- круговая частота.Заявляемое устройство было реализовано следующим образом,В качестве исследуемого образца использовалась медная проволока диаметром0,75 мм с известным значением скоростиУЗ-волн С = 4060 м/с, в качестве иммерсионной жидкости - дистиллированная вода сизвестными значениями Со = 1493 м/с. Длявозбуждения УЗ-волн использовались пачки радиоимпульсов с частотой заполнения 1,равной 5 Мгц. При атом конфигурация фокусирующего излучателя и приемника былавыбрана такой, чтобы получить радиус фокального пятна ро, равным 0,55 мм, Это выполнимо при фокусном расстоянии,равном 45,4 мм; радиусе пьезоэлемента,равном 15 мм,Размер пьезоэлементов опорногопучка выбирался иэ условия минимальных перекрестных наводок между фокусированным и опорным каналами подиаграмме направленности при данномрасположении. Критический угол наклонадля данной контактирующей пары - "иммерсионный слой жидкости - образец" определялся расчетным путем и составил 72 О.Используя формулы (1), (2), (3), были получены значения скорости УЗ-волн в поперечном сечении с точностью определениязначений не более 0,2 - 0,3)ь, Были такжеполучены значения вариаций напряжения сточностью не более 0,5%.Предлагаемый способ определенияакустоупругих свойств нитеподобныхобъектов позволяет с высокой точностьюопределять скорость распространенияУЗ-волн в поперечном сечении и вариации напряжения и в образце по длине.При этом автоматически исключаются погрешности, обусловленные вибрациями,температурными колебаниями, изменениемрасстояния между датчиками и образцами,что позволяет контролировать образец в непрерывном технологическом процессе егоизготовления.Формула изобретенияУстройство для определения акустических свойств нитеподобных объектов в поперечном сечении, содержащеепоследовательно соединенные низкочастотный генератор, синхронный усилитель,высокочастотный генератор и первый формирователь радиоимпульсов, балансныйнизкочастотный модулятор, подключенныйдвумя входами к выходам высокочастотногои низкочастотного генераторов, формирователь стробов, акустические излучатель и приемник, акустические фокусирующие излучатель и приемник и детектор огибающей, подключенный к второму входу синхронного усилителя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено иммерсионной ванной, в которой размещены акустические излучатели и приемники, делителем частоты, включенным между выходом высокочастотного генератора и входом формирователя стробов, последовательно соединенными элементом задержки, вход которого связан с первым выходом формирователя стробов, вторым формирователем радиоимпульсов и первым усилителем мощности, подключенным к акустическому фокусирующему излучателю, вторым усилителем мощности, включенным между выходом первого формирователя радиоимпульсов и акустическим излучателем, последовательно соединенными первым двухканальным стробируемым усилителем с регулируемым усилением, подключенным к выходу фокусирующего излуча теля, детектором огибающей и синхроннымусилителем, последовательно соедиенными вторым двухканальным стробируемым усилителем с регулируемым усилением, подключенным к выходу акустического приемника, и 10 фазовращателем частоты заполнения, выходкоторого связан с вторым входом детектора огибающей, выход балансного низкочастотного модулятора связан с входом второго формирователя радиоимпульсов, второй вы ход формирователя стробов соединен с вторым входом первого формирователя радиоимпульсов, а третий выход соединен с вторым входом первого и второго двухканальных стробируемых усилителей с регули руемым усилителем.