Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и может быть использовано при ультразвуковом контроле физико-химических характеристик твердых и жидких 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 не позволяет исследовать и идентифицировать твердые материалы ввиду своей недостаточной чувствительности в таких случаях.

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 также не позволяет исследовать и идентифицировать твердые материалы ввиду своей низкой чувствительности к величине их акустического сопротивления.

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, а выход блока функционального преобразования является выходом устройства, 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 идентификации металла вольфрама, акустическое сопротивление которого равно 100 МПа·с/м, иммерсионным методом с дистиллированной водой (акустическое сопротивление 1,50 МПа·с/м) дифференциальная чувствительность D устройства имеет расчетное значение

(см. описание устройства-прототипа SU 1589197). То есть изменение акустического сопротивления вольфрама на 1% вызовет изменение измерительной функции P примерно на ту же величину (см. там же). Если же акустические сопротивления исследуемого материала и эталонной среды близки (например, у полистирола акустическое сопротивление равно 2,42 МПа·с/м), то чувствительность устройства-прототипа падает

Между тем в практике ультразвукового контроля могут встретиться случаи, когда при заданной исследуемой среде выбор эталонной среды предопределен, и значение акустического сопротивления последней близко к соответствующему значению первой. Например, при исследовании приработки поверхности технической резины (акустическое сопротивление 1,65 МПа·с/м) в морской воде. В этом случае применение устройства-прототипа с дистиллированной водой в качестве эталона позволит достичь чувствительности

Эта величина может оказаться недостаточной, и потребуется увеличение чувствительности. В заявляемом устройстве при аналогичных условиях измерения обеспечивается чувствительность

(расчеты приводятся ниже).

Целью изобретения является расширение возможностей устройства при измерении акустического сопротивления материалов в условиях, когда акустические сопротивления исследуемого материала и эталонной среды близки друг к другу. Техническим эффектом выступает повышение чувствительности устройства к величине акустического сопротивления исследуемого материала.

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 делителя, блока вычисления обратной величины, блока экспоненциального преобразования 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 делителя, причем его первый вход (канал делимого) подключен к первому ультразвуковому преобразователю, а второй его вход (канал делителя) подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, выход делителя подключен к цепи последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины, экспоненциального преобразования и функционального преобразования, причем выход блока экспоненциального преобразования является первым выходом устройства, выход блока функционального преобразования - вторым выходом устройства, а блок функционального преобразования реализует функцию в соответствии с выражением

обозначения те же, что и в выражении (1).

Таким образом, отличия заявляемого устройства для измерения акустического сопротивления материалов от его прототипа состоят в том, что в первом:

1) исключен суммирующий блок,

2) первый вход делителя подключен не к выходу суммирующего блока, а к первому ультразвуковому преобразователю,

3) между выходом делителя и входом блока функционального преобразования добавлены последовательно соединенные блоки: вычисления обратной величины, экспоненциального преобразования;

4) модифицирован блок функционального преобразования путем изменения реализуемой функции в соответствии с выражением (6) взамен выражения (1).

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 в условиях близости акустических сопротивлений исследуемого материала и эталонной среды.

Вариативным решением для заявляемого устройства измерения акустического сопротивления материалов является устройство, у которого в цепочку последовательно соединенных блоков между выходом делителя и входом блока функционального преобразования добавлен аналоговый инвентор, размещенный между блоком вычисления обратной величины и блоком экспоненциального преобразования. Кроме того, в таком решении функциональное преобразование осуществляют не по зависимости (6), а по зависимости

где все обозначения прежние. В этом случае чувствительность устройства к вариациям акустического сопротивления изменяет знак, оставаясь неизменной по абсолютной величине (модулю).

На фиг.1 представлена блок-схема заявляемого устройства, на чертеже фиг.2 - вариативная часть устройства (выносной фрагмент).

Устройство включает первый 1 и второй 2 ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду 3 с исследуемым материалом 4 и контрольной средой 5 соответственно. В качестве исследуемого материала 4 используется, например, техническая резина, в качестве эталонной среды - жидкость с известным значением акустического сопротивления, например дистиллированная вода, поверхности которой касается фиксированный исследуемый материал 4. Контрольной средой 5 служит воздух. Ультразвуковые преобразователи 1 и 2 акустически связаны с эталонной средой 3, например, путем приклейки к дну камеры 6, которую эта среда заполняет. Устройство также содержит ультразвуковой генератор 7, выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям. В состав устройства также входит делитель 8, первый вход которого (канал делимого) соединен с первым ультразвуковым преобразователем 1, а второй вход (канал делителя) соединен со вторым ультразвуковым преобразователем 2, выход делителя 8 соединен с цепочкой блоков: вычисления обратной величины 9, экспоненциального преобразования 10 и функционального преобразования 11, соединенных последовательно. Причем блок функционального преобразования реализует функцию (6). Устройство имеет два выхода, из которых первый выход 12 используется для регистрации измерительной функции Т, обладающей высокой чувствительностью к величине акустического сопротивления исследуемого материала 4, а второй выход 13 используется для воспроизведения высокоточного значения указанного акустического сопротивления.

Устройство для измерения акустического сопротивления материалов работает следующим образом. Ультразвуковой генератор 7 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 эталонной среде 3 достигают границ акустического контакта эталонной среды 3 с исследуемым материалом 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 соответствующие входы делителя, электрически развязанные от выходов генератора. С выхода делителя результирующий электрический сигнал поступает на цепь последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины 9, экспоненциального преобразования 10 и функционального преобразования 11. На выходе блока 10 экспоненциального преобразования, который является одновременно и первым выходом 12 устройства, устанавливается напряжение, пропорциональное величине Т

где A₁ и A₀ - соответственно амплитуды сигналов от исследуемого материала 4 и контрольной среды 5 соответственно.

Величина Т связана с величинами Z_x и Z₀ акустических сопротивлений соответственно исследуемого материала 4 и эталонной среды 3 зависимостью

При этом величина дифференциальной чувствительности F устройства при измерении сигнала T определяется из соотношения

где . Таким образом, при исследовании технической резины (Z_x=1,65 МПа·с/м) с помощью эталонной среды - дистиллированной воды (Z₀=1,50 МПа·с/м) дифференциальная чувствительность F заявляемого устройства составит F=220. То есть на вариацию акустического сопротивления резины в 0,1% придется изменение измерительной функции на 22% (сравнить значения (2), (3) и (4) для прототипа и (5) - для заявляемого устройства).

Блок функционального преобразования 11 формирует выходное напряжение по зависимости (6), где величина U_вх, очевидно, эквивалентна величине Т. Подставляя ее вместо U_вх и учитывая соотношение (8), 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.

Для варианта заявляемого устройства (см. фиг.2) установлены два отличия от рассмотренного (ср. с фиг.1): добавлен блок аналогового инвертирования 14, включаемый между выходом 9 блока вычисления обратной величины и входом блока 10 экспоненциального преобразования, и изменена математическая зависимость, реализуемая блоком 11 функционального преобразования. Соответственно, в вариант заявляемого устройства для его осуществления необходимо внести изменения, касающиеся добавления блока 14 аналогового инвертирования и замены блока 11 функционального преобразования на блок 15, реализующий функцию (7), что отображено на фиг.2. Изменение схемного решения заявляемого устройства (сравнить фиг.1 и 2) отразится на его работе очевидным образом и не требует дополнительных пояснений, за исключением изменения вида вышеприведенных математических зависимостей. А именно для рассматриваемого случая справедливы формулы

Поскольку условия функционирования заявляемого устройства предусматривают близость акустических сопротивлений исследуемого материала и эталонной среды, эти среды можно поменять местами, т.е. выбрать эталонную среду твердой, а исследуемый материал - жидким. При этом необходимо изменить акустическую часть устройства (см. а.с. СССР №№ SU 1504602 и SU 1597716), 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.