Измерение времени распространения продольных и поперечных акустических волн в твердых телах

ти (в ближней к экранирующей системе) некоторое преимущество имеет однощелевой экран. На других уровнях подавления картина повторяется. Поэтому при практическом выборе типа экрана это обстоятельство должно быть учтено. Не последнюю роль играют и размеры экрана, поэтому при обеспечении требуемых размеров области подавления должны быть учтены и размеры самих экранов (как известно, в данном случае размеры однощелевых экранов заметно меньше, чем других).

И, наконец, на рис. 4 представлены для сравнения пространственные картины ослабления поля, полученные графоаналитическим способом и итерационным методом Ньютона. Как показало сравнение, уточнение данных по параметрам Uj, полученное итерационным методом Ньютона, выразилось в третьем знаке, что свидетельствует о достаточно высокой точности самого графо-аналитического способа. Такое уточнение приводит лишь к небольшому изменению структуры области подавления вблизи фокальной точки (x0, 0, 0).

Однако, несмотря на кажущуюся незначительность уточнения значение такого усовершенствования возрастает при укорочении длины волны и становится решающим при сравнительном анализе пространственных характеристик областей подавления, создаваемых различными видами экранов вблизи локальных минимумов.

Литература

1. Becker J.E. Design Study for AMRAD anti-clutter fence. N.Y.: Wheller labs., Inc., Smith town. Rept., 1964, V.22. - 1233 р.

2. Мельников Ю.М. Щелевое антенное защитное устройство. Труды науч.-исслед. ин-та радио. - М., 1975. -№1. - С. 86-92.

3. Becker J.E. Millett R.E. IEEE double-slot radar fence for increased clutter suppression // IEEE Trans. Antennas and Propag. - 1968, AP-16, №1. - Р. 103-108.

4. Preikschat F.K. Screening fences for ground reflection reduction // J. Microwave. - 1964. - V.7. - №8б. -Р. 103-108.

5. Методы увеличения помехозащищенности радиолиний / В.Л. Локшин и др. // Электросвязь. - 1975. - №1. - С. 6-11.

Батороев Анатолий Сократович, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт физического материаловедения СО РАН, Улан-Удэ, 670047, ул. Сахьяновой 6, e-mail:abatoroev@mail.ru

Шолохов Евгений Сергеевич, младший научный сотрудник, Институт физического материаловедения СО РАН, Улан-Удэ, 670047, ул. Сахьяновой 6, e-mail:eshol@ya.ru

Ширеторов Игорь Дондупович, ведущий инженер, Институт физического материаловедения СО РАН, Улан-Удэ, 670047, ул. Сахьяновой 6, e-mail:shiret@mail.ru

Batoroev Anatoly Sokratovich, candidate of physical and mathematical sciences, leading researcher, Institute of Physical Materials Science SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhyanova Str., 6, e-mail:abatoroev@mail.ru

Sholokhov Evgeny Sergeevich, researcher, Institute of Physical Materials Science SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhyanova Str., 6, e-mail:eshol@ya.ru

Shiretorov Igor Dondupovich, leading engineer, Institute of Physical Materials Science SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhyanova Str., 6, e-mail:shiret@mail.ru

УДК 534.21 © В.Н. Парфенов, Ш.Б. Цыдыпов, Е.И. Герман

ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ И ПОПЕРЕЧНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

Для определения скорости продольных и поперечных волн в твердых аморфных телах использованы импульсный и фазовый методы на основе современных цифровых двухканального осциллографа и генератора сигналов. В фазовом методе предложена методика определения времени распространения акустических колебаний на основе представления синусоидальных сигналов с источника и приемника звука в частотном виде с помощью дискретного преобразования Фурье. Проведены контрольные измерения.

Ключевые слова: акустические колебания, дискретный преобразователь Фурье.

V.N. Parfyonov, Sh.B. Tsydypov, E.I. German.

MEASUREMENT OF TIME DISTRIBUTION OF LONGITUDINAL AND CROSS ACOUSTIC WAVES IN SOLID BODIES

The impulse and phase methods have been used to determine the speed of longitudinal and cross waves in amorphous solid bodies on the basis of a modern digital two-channel oscillograph and a generator of signals. In a phase method the technique of definition the time distribution of acoustic fluctuations has been proposed on the basis of sinusoidal signals representation from a source and a sound receiver in a frequency view with the help of Fourier’s discrete transformation. Control measurements have been carried out.

Keywords: acoustic fluctuations, Fourier’s discrete transformation.

Величина скорости распространения акустических волн в твердых телах определяется их структурными и упругими характеристиками, поддерживающими волновое движение, и поэтому является одним из важнейших диагностических параметров при исследовании этих сред [1, 2].

В работе рассматриваются две методики измерения времени распространения звука в твердых аморфных телах - импульсная и фазовая. Блок-схема установки для обоих методов представлена на рис. 1.

Канал

RIGOL DG4162 синхронизации—> RIGOL DS1302

(2-Канальный ге- (2-Канальный ос-

нератор) циллограф) i к и

CH1 Сигнал на излучатель

CH1 (Сигнал с

___излучателя)___

ч

^Образсцтв. тела^

I)

CH2 Сигнал с приемника

Рис. 1. Блок-схема установки для измерения времени распространения акустических волн импульсным и фазовым методом: 1 - излучающий акустический преобразователь, 2 - принимающий акустический преобразователь

Двухканальный цифровой генератор RIGOL DG4162 может выдавать на обоих каналах до 150 различных форм сигналов с частотой до 160 МГЦ, из которых нас будут интересовать для импульсного метода сигналы в виде прямоугольных импульсов малой длительности и синусоидальные сигналы для фазового метода.

Цифровой двухканальный стационарный осциллограф-анализатор RIGOL DS1302 с полосой пропускания 300 МГц и встроенным частотомером позволяет с помощью курсора измерять время сигналов на обоих каналах с точностью до 3 нс. Эта возможность использована нами в импульсном методе. В фазовом методе нами использована возможность данного осциллографа преобразовывать аналоговые сигналы каналов в цифровые с частотой дискретизации 2 ГГц и сохранять его в своей памяти в виде массива данных до 5200 значений. Скорость звука c в обоих методах может быть найдена на основе измерения времени t, которое волна затрачивает на прохождение расстояния х, равное длине образца: t= %/с (!)• В импульсном методе волна возбуждается коротким импульсом прямоугольной формы (< 0.1 мкс), подаваемым на акустический преобразователь (рис. 1). Волна имеет четкую локализацию во времени и в пространстве, что отчетливо просматривается (рис. 2) на экране осциллографа, на входы которого поданы сигналы от преобразователей. Верхний сигнал на рис. 2 получен от источника волн, а нижний от приемника. Также, внизу экрана (рис. 2) видно значение времени 51,60 цс, измеренное с помощью курсора на экране осциллографа между двумя одинаковыми по порядку пиками осциллограмм от источника и приемника волн при комнатной температуре 22 оС.

RIGOL Т D мк S ft 520mU

О & \ 1 і і і і    1 • III  1 1 1 —т—    і • •її  і і і і    і і і і

Ik, . ;

Г ;

-1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 lili lili 1 1 1 1 + 1 1 1 1 lili lili 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 -

;

CHI- 5.00U M!Mn50.0mU Time 10.00us D»51.60us

Рис. 2. Осциллограммы от акустических преобразователей на образце твердого тела. Верхняя- от источника, нижняя-от приемника. Внизу экрана осциллографа: 5В на деление шкалы для 1 канала, 50 мВ на деление для 2 канала, 10 цс на деление по горизонтали для обоих каналов, 51,6 цс -время между двумя положениями курсора (двумя одинаковыми по порядку пиками верхней и нижней осциллограмм), отмечаемых пользователем

Для реализации фазового метода измерения скорости звука используется та же установка, что и в импульсном методе (рис. 1). На акустический преобразователь-источник 1 подаются от генератора RIGOL DG4162 сигналы синусоидальной формы. Эти же сигналы подаются на вход канала 1 осциллографа. Гармоническая волна за время t проходит образец длиной х и возбуждает в приемнике-преобразователе синусоидальные сигналы, подаваемые на вход канала 2 цифрового осциллографа.

Сигналы с обоих каналов записываются в память осциллографа в виде двух массивов дискретных данных. Время t может быть измерено однозначно, если оно не превышает периода волны, т.к. увеличение числа периодов еще на один период, входящий в t, не меняет вида гармонической волны.

Фаза волны, распространяющейся в положительном направлении оси х, имеет вид:

(p(x, t) = cot - kx + p0

На источнике фаза волны (при х=0) равна р(0^) = М + р0. Тогда разность фаз Ар между сигналами источника и приемника не зависит от времени и является при постоянном расстоянии х в твердом теле линейной функцией частоты /.

В твердом теле на расстоянии x между источником и приемником измеряется зависимость сдвига фаз Лф от частоты f и из наклона получившейся прямой вычисляется время:

Разность фаз Лф можно вычислить из массивов дискретных данных, записанных в файлы на ПК [3-4]. Для этого необходимо эти данные представить в частотном представлении с помощью дискретного преобразования Фурье:

X

где N - количество компонентов разложения; х(п&), п=0,1...Ы-1, - измеренные значения сигнала; Х(к<1£), п=0,1...Ы-1, - комплексные амплитуды синусоидальных сигналов, слагающих исходный массив; &/- дискретность частоты; & - дискретность времени.

Фаза сигнала, соответствующего частоте /=кй/, определяется как арктангенс отношения мнимой и действительной части элемента Фурье ряда:

flm&Qalfyh <p = arctg\-

4te(X(kdf)y

Тогда разность фаз сигналов с приемника и излучателя определится по формуле:

что позволяет вычислить время распространения звука в образце твердого тела из выражения (4).

Нами были проведены контрольные измерения в образце твердого тела с известным временем распространения ультразвуковых волн 51,7 цс при t=22 oC, использовался ультразвуковой дефектоскоп Пульсар 1.2.

Из массивов данных, записанных на ПК, нами вычислены разности фаз Ар гармонической волны на источнике и приемнике для разных частот f в контрольном образце при комнатной температуре 26 оС. Результаты измерений в виде зависимости разности фаз Ар от частоты f приведены нарис. 3.

Наклон получившейся прямой rfCO вычислен с помощью приложения Excel (рис. 3) и равен 0,000321 рад/Гц. Вычисленное с помощью выражения (4) время распространения ультразвуковой волны в контрольном образце равно 51,08 цс, при комнатной температуре 26°С. Отсюда можно сделать вывод, что время распространения ультразвука в твердых образцах в импульсном и фазовом методе близки друг другу и в пределах погрешности совпадают с временем в контрольном образце. Обе методики измерения пригодны для дальнейших акустических исследований.

Литература

1. Михайлов И.Г., Соловьев В.А., Сырников Ю.П. Основы молекулярной акустики. - М.: Наука, 1964. -514 с.

2. Мэзона У. Физическая акустика. Методы и приборы ультразвуковых исследований. - М.: Мир, 1966. -Т.1. - 327 с.

3. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: Питер, 2006. - 752 с.

4. Измерение скорости и поглощения звука с использованием методов цифровой обработки сигналов / Е.И. Герман и др. // Вестник Бурят. гос. ун-та. - 2010. - Вып. 3. - С. 138-139.

Парфенов Владимир Николаевич, аспирант, кафедра общей физики, Бурятский госуниверситет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а.

Цыдыпов Шулун Балдоржиевич, доктор технических наук, зав. кафедрой общей физики, Бурятский госуниверситет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, e-mail:shulun@bsu.ru

Герман Евгений Иванович, преподаватель, кафедра общей физики, Бурятский госуниверситет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а.

Parfyonov Vladimir Nikolaevich, postgraduate student, Department of General Physics, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolin Str., 24a.

Tsydypov Shulun Baldorzhievich, doctor of technical sciences, Head of the Department of General Physics, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolin Str., 24a, e-mail:shulun@bsu.ru

Herman Evgeny Ivanovich, lecturer, Department of General Physics, Buryat State University, 670000, Ulan-Ude, Smolin Str., 24a.

7.0

6.0

5.0

4.0

3.0

2.0 1.0 0.0

Лф;:.ь:г: ) V = 0.000321х -218.7 >

НчГл)

679

684

689

694

699

Рис. 3. Зависимость разности фаз гармонических волн на источнике и приемнике ультразвука от частоты