УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
MEASURING DEVICE OF ACOUSTIC RESISTANCE OF SOLID MATERIALS

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и может быть использовано при ультразвуковом исследовании и идентификации твердых материалов, например, в криминалистике.
Известно устройство, предназначенное для осуществления способа измерения акустического сопротивления сред с помощью ультразвуковых импульсов (SU 1504602 A1, 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, опубл. 07.10.90, Бюл. №37). Это устройство позволяет исследовать и идентифицировать разреженные газы, причем не только в статике, но и в динамике. Однако оно так же 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, 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
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>2</mn><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
вх
вых
где U и U - уровни его входного и выходного сигналов соответственно,
0
U - 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 - обладает недостаточными возможностями для исследования и идентификации твердых материалов с малыми отличиями по физико-химическим свойствам и не позволяет решить задачи идентификации твердых материалов в тех случаях, когда требуется дифференцировать подобные материалы с гораздо меньшими физико-химическими отличиями, чем те, на которые оно рассчитано. Это сужает возможности его применения, когда перед исследователями встают задачи идентификации, например, марок металлов или их сплавов; марок керамик; образцов тех же твердых материалов, но полученных при разных технологических условиях (на разных заводах или на одном заводе, но в разное время и т.п.). Можно привести достаточно убедительных примеров. Алюминий имеет акустическое сопротивление 16,9 МПа·с/м, магний 10,1 МПа·с/м, а дюралюминий (их сплав с малыми добавками) - 17,2-17,5 МПа·с/м в зависимости от марки (см. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. Т.2. / Под ред. В.В. Клюева. // М.: Машиностроение, 1986. - С.193.). Пьезокерамический материал цирконат-титанат свинца марки ЦТС-19 имеет акустическое сопротивление 23 МПа·с/м, а марки ЦТБС-2 - 23,4 МПа·с/м (там же, с.205). Эти примеры наглядно доказывают необходимость расширения возможностей известного устройства на случаи малых отличий твердых материалов по своим физико-химическим свойствам.
Целью изобретения является расширение возможностей устройства для измерения акустического сопротивления твердых материалов за счет технического эффекта - повышения чувствительности устройства к величине акустического сопротивления исследуемого материала. Поставленная цель достигается за счет того, что заявляемое устройство для измерения акустического сопротивления твердых 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 суммирующего каскада, делителя, блока вычисления обратной величины, аналогового инвертора, 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 суммирующего каскада, первый вход делителя подключен к выходу суммирующего каскада, а второй его вход подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, выход делителя подключен к цепи последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины, аналогового инвертирования, 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
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi></mi><mi>l</mi><mi>n</mi><mi></mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
обозначения прежние.
Таким образом, отличия заявляемого устройства для измерения акустического сопротивления твердых материалов от его прототипа состоят в том, что в первом:
1) добавлены последовательно соединенные блоки: вычисления обратной величины, инвертирования, экспоненциального преобразования;
2) модифицирован блок функционального преобразования путем изменения реализуемой функции в соответствии с выражением (2) взамен выражения (1).
Эти отличия в их совокупности позволяют достичь цели изобретения - существенного повышения чувствительности способа к вариациям величины акустического сопротивления исследуемого твердого материала.
Примечание. Блоки вычисления обратной величины и инвертирования можно поменять местами, т.к. изменение знака любой величины эквивалентно умножению ее на (-1), а от изменения порядка сомножителей произведение не меняется. Таким образом, указанное изменение позиции не является принципиальным с математической точки зрения и не может относиться к существенным признакам с патентоведческой точки зрения.
Вариантом заявляемого устройства для измерения акустического сопротивления твердых материалов является устройство, у которого исключено добавление к прототипу аналогового инвертора. Кроме того, в таком варианте функциональное преобразование осуществляют не по зависимости (2), а по зависимости:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi></mi><mi>l</mi><mi>n</mi><mi></mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где все обозначения прежние. В этом случае чувствительность устройства к вариациям акустического сопротивления изменяет знак, оставаясь неизменной по абсолютной величине (модулю).
На чертеже фиг.1 представлена блок-схема заявляемого устройства, на чертеже фиг.2 - вариативная часть состава 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 используется твердый материал с высоким значением акустического сопротивления, в качестве контрольной среды - воздух (акустическое сопротивление равно нулю). Эталонной средой служит жидкость с известным значением акустического сопротивления, например, дистиллированная вода, поверхности которой касается фиксированный исследуемый материал 4. Ультразвуковые преобразователи 1 и 2 акустически связаны с эталонной средой 5, например, путем приклейки к дну камеры 6, которую среда заполняет. Устройство также содержит ультразвуковой генератор 7, выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, суммирующий каскад 8, входы которого подключены к соответствующим выходам ультразвукового генератора 7 и, следовательно, к первому и второму ультразвуковым преобразователям. В состав устройства также входит делитель 9, первый вход которого соединен с выходом суммирующего каскада 8, а второй вход соединен со вторым ультразвуковым преобразователем 2, выход делителя 9 соединен с цепочкой блоков: вычисления обратной величины 10, аналогового инвертирования 11, экспоненциального преобразования 12 и функционального преобразования 13, соединенных последовательно. Причем блок функционального преобразования реализует функцию (2). Устройство имеет два выхода, из которых первый выход 14 используется для регистрации измерительной функции, обладающей высокой чувствительностью к величине акустического сопротивления исследуемого материала 4, а второй выход 15 используется для воспроизведения высокоточного значения указанного акустического сопротивления.
Устройство для измерения акустического сопротивления твердых 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 уравнивания и 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 суммирующего каскада 8, с выхода которого суммарный сигнал поступает на первый вход делителя 9, на второй вход последнего поступает сигнал со второго ультразвукового преобразователя 2. Сигнал с выхода делителя 9 проходит по цепочке последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины 10, аналогового инвертирования 11, экспоненциального преобразования 12 и функционального преобразования 13. На выходе блока 12 экспоненциального преобразования, который является одновременно и первым выходом 14 устройства, устанавливается напряжение, пропорциональное величине Q:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>e</mi><mi>x</mi><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>A</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
0
где A и A - соответственно амплитуды сигналов от исследуемого материала 4 и контрольной среды 5 соответственно.
x
0
Величина Q связана с величинами Z и Z акустических сопротивлений соответственно исследуемого материала 4 и контрольной среды 5 зависимостью
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>e</mi><mi>x</mi><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>-</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>x</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Z</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>Z</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
При этом величина дифференциальной чувствительности Е устройства при измерении сигнала Q определяется из соотношения
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>Q</mi></mrow><mi>Q</mi></mfrac><mo>=</mo><mi>E</mi><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>Z</mi><mi>x</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>x</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>x</mi></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>Z</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
x
0
где
. Таким образом, при исследовании и идентификации золота (Z=62,5 МПа·с/м) при посредстве эталонной среды - воды (Z=1,5 МПа·с/м) дифференциальная чувствительность заявляемого устройства составит Е=-20,8. То есть на вариацию акустического сопротивления золота в 1% придется изменение измерительной функции на 20,8%.
вх
вx
x
0
0
Блок функционального преобразования 13 формирует выходное напряжение по зависимости (2), где величина U, очевидно, эквивалентна величине Q. Подставляя ее вместо U и учитывая соотношение (4), мы придем к выводу, что на выходе блока 13 и одновременно на втором выходе 15 устройства формируется сигнал, пропорциональный измеряемому значению Z акустического сопротивления исследуемого материала 4. При этом роль Z, т.е. акустического сопротивления эталонной среды, играет коэффициент U, вводимый извне.
Для варианта заявляемого устройства (см. фиг.2) установлены два отличия от рассмотренного (см. фиг.1): ликвидация процедуры (и соответствующего блока) изменения знака дроби в показателе степени функции Q и изменение математической зависимости для оконечного блока функционального преобразования. Соответственно, в вариант заявляемого устройства для его осуществления необходимо внести изменения, касающиеся изъятия блока 11 аналогового инвертирования и замены блока 13 функционального преобразования на блок 16, реализующий функцию (3), что отображено на чертеже фиг.2. Изменение схемного решения заявляемого устройства (сравнить фиг.1 и фиг.2) отразится на его работе очевидным образом и не требует дополнительных пояснений, за исключением изменения вида выше приведенных математических зависимостей. А именно, для рассматриваемого варианта справедливы формулы:
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>e</mi><mi>x</mi><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>A</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>A</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>e</mi><mi>x</mi><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>x</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>Z</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>Z</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>E</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Z</mi><mi>x</mi></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><msub><mi>Z</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
;
;
и физический аналог выражения (3).
Заявляемое устройство является промышленно применимым, т.к. промышленно применим его прототип, который не имеет от первого принципиальных отличий в промышленно-технологическом плане.