СПОСОБ КОНТРОЛЯ НАЛИЧИЯ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
METHOD OF DETECTING ACOUSTIC VIBRATIONS

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к акустическим измерениям, и может быть использован при контроле наличия акустических колебаний при работе акустических приборов ультразвуковой частоты.
Необходимость контроля наличия акустических колебаний актуальна, в основном, для ультразвуковых установок, в которых их присутствия человек не слышит.
Известен способ определения наличия акустических колебаний (Макаров Л.О. Акустические измерения в процессе ультразвуковой технологии. - М.: Машиностроение, 1983, с.5), заключающийся в том, что колебательную систему располагают так, что ее акустическая ось перпендикулярна оптической оси источника светового излучения, совмещают с ней неподвижно установленную излучающую поверхность колебательной системы, освещают колеблющуюся поверхность и по изменению ширины зоны частичной тени визуально измеряют наличие колебаний. При работе ультразвуковой колебательной системы излучающая поверхность движется по гармоническому закону. Исходя из этого положение границы раздела освещенной зоны и зоны перекрытия светового потока (зона тени) изменяется также по гармоническому закону.
Недостаток рассмотренного способа связан с особенностями человеческого зрения, а именно с тем, что частота ультразвуковых колебаний излучающей поверхности значительно превышает предельную частоту восприятия глаза и отдельные колебания не воспринимаются глазом. В то же время, именно эта особенность дает возможность определить наличие колебаний по величине тени. Но все это требует использования такого оборудования, которое позволяет проводить измерения только в лабораторных условиях, но не в производственном процессе.
Известен способ контроля наличия акустических колебаний (Патент РФ №2225599), при котором между источником светового излучения и отражающим свет зеркалом наклонно установлен частично пропускающий слой, который рассеивает или поглощает энергию электромагнитных колебаний стоячей световой волны. В слое образуется система интерференционных полос, регистрацию которой можно осуществить в виде сигнала пространственной частоты с периодом следования d. Период следования определяется из соотношения: sinΘ=λ/2d, где Θ - угол между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны. При воздействии на частично пропускающий слой одновременно со световым излучением звуковыми колебаниями изменяется период следования d интерференционных полос, так как тонкий слой прогибается как мембрана под действием звукового давления и при этом меняется угол Θ. Достоинством рассматриваемого способа является возможность контроля наличия акустических колебаний в широком диапазоне частот. Но для реализации рассмотренного способа требуется использование сложного дорогостоящего оборудования.
Наиболее простые способы определения наличия акустических колебаний в производственных условиях основаны на преобразовании звукового давления в электрический сигнал. К таким способам относится, в частности, регистрация звукового давления микрофонами пьезоэлектрического типа, электретного или конденсаторного микрофона, мембрану которого выполняют в виде тонкой натянутой металлической обкладки конденсатора. Под воздействием звукового давления мембрана прогибается и происходит изменение емкости конденсатора (Блинова Л.П., Колесников А.Е. и др. Акустические измерения. - М.: Издательство стандартов, 1971, с.26-28). Способ определения наличия колебаний микрофоном является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому.
Основной его недостаток - низкая граница верхнего частотного диапазона, она расположена в низкочастотной области ультразвукового диапазона частот.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является разработка простого, пригодного для использования в производственных условиях способа определения наличия колебаний ультразвуковой частоты в широком диапазоне частот.
Поставленная задача решается за счет того, что, как и в известном, в предлагаемом способе звуковое давление преобразуют в электрический сигнал, по которому судят о наличии акустических колебаний, но, в отличие от известного, в предлагаемом способе на пути распространения звуковых волн устанавливают дополнительную мембрану, зеркально отражающую звуковые волны, размеры которой не меньше длины волны в нижнем ультразвуковом диапазоне частот контролируемых приборов, и перемещают ее в направлении или против распространения колебаний, а давление стоячей волны, воспринимаемое дополнительной мембраной, передают на мембрану микрофона.
Достигаемым техническим результатом является расширение частотного диапазона применения предлагаемого способа. Это означает расширение номенклатуры по частоте ультразвуковых приборов, которую можно контролировать предлагаемым способом в производственном процессе.
Изобретение основывается на том, что для измерений используют мембрану со свойствами, которые позволяют сформировать стоячую волну: она должна зеркально отражать звуковые волны, а минимальный ее размер не должен быть больше длины ультразвуковой волны в нижнем контролируемом диапазоне. Стоячая волна может формироваться только на определенных теоретически известных расстояниях от источника звуковых колебаний. Перемещение мембраны вдоль направления распространения колебаний обеспечивает ее последовательное попадание в плоскости, обеспечивающие создание условий образования стоячей волны, в которых давление будет максимальным. Это давление воспринимается дополнительной мембраной и передается на мембрану микрофона. Частота появления пучностей давления ниже частоты ультразвуковых колебаний на несколько порядков, поэтому обычный микрофон может их отработать.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором приведена схема реализации способа контроля наличия ультразвуковых колебаний.
Рассмотрим пример реализации способа. На чертеже показан источник 1 ультразвуковых колебаний. На пути распространения ультразвуковых колебаний установлена дополнительная мембрана 2, зеркально их отражающая. В рассматриваемом примере ее размер равен 8 см, т.е в несколько раз больше, чем длина волны на частоте 20 кГц. Дополнительная мембрана соединена стержнем 3 с мембраной микрофона 4, соединенного через усилитель 5 с индикатором 6. Дополнительная мембрана может быть выполнена в виде тонкой никелевой пластины, такой же, как и пластина микрофона.
Для контроля наличия ультразвуковых колебаний помещают дополнительную мембрану напротив излучающего торца ультразвукового преобразователя и начинают перемещать мембрану в направлении распространения колебаний. Так как материал мембраны выбран из условия максимального отражения, происходит практически полное отражение звуковых волн. В плоскостях, которые не обеспечивают образование стоячей волны, колебания взаимно гасят друг друга. В моменты прохождения мембраной плоскости образования стоячей волны на мембрану будет воздействовать максимальное давление. Дополнительная мембрана соединена стержнем с мембраной микрофона, в котором формируется электрический сигнал при воздействии на него звукового давления. Электрическая цепь микрофона включает усилитель, который соединен с индикатором. В качестве последнего могут быть использованы самые простые приборы, в том числе и вольтметр, смещение стрелки которого будет сигнализировать о наличии звуковых колебаний. Перемещать дополнительную мембрану можно как в направлении от излучателя, так и в противоположном. При контроле работы ультразвукового преобразователя, частота которого равна 20 кГц, и при перемещении мембраны со скоростью приблизительно 8 см/с, регистрируемая частота не превышает 10 Гц (λ=c/f, где λ - длина волны, с - скорость ультразвука в воздухе, f - частота ультразвуковых колебаний). При частоте ультразвукового излучателя, равной 200 кГц, регистрируемая частота равна 100 Гц, при 2 МГц регистрируемая частота равна 1000 Гц. Эти значения частот вполне укладываются в частотный диапазон микрофона. При уменьшении скорости перемещения дополнительной мембраны регистрируемая частота уменьшается пропорционально уменьшению скорости.
Описание предлагаемого способа доказывает возможность его осуществления и достижение технического результата - расширение номенклатуры по частоте ультразвуковых приборов, которую можно контролировать предлагаемым способом в производственном процессе.