измеритель скорости звука в неоднородных средах

Формула изобретения

Измеритель скорости звука в неоднородных средах, содержащий последовательно соединенные приемоизлучающий акустический преобразователь и приемный усилитель, импульсный генератор, выход которого соединен с входом приемного усилителя, аналого-цифровой преобразователь и блок выдачи данных, отличающийся тем, что приемный усилитель выполнен с возможностью управления его коэффициентом усиления, блок выдачи данных выполнен по меньшей мере с двумя индикаторами значений скоростей звука, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом приемного усилителя, введен блок микропроцессора, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, первый порт выхода соединен с управляющим входом импульсного генератора, второй порт выхода соединен с управляющим входом приемного усилителя, а третий порт выхода соединен с входом блока выдачи данных.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области импульсной акустической измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости звука в неоднородных средах, преимущественно для томографии.

Известно устройство для измерения скорости ультразвуковых колебаний в образцах [1], содержащее в качестве исследуемой среды однородный образец, синхронизатор, возбуждающий генератор, линию задержки, пьезоизлучатель, измерительный триггер, пьезоприемник, усилитель, селектор, амплитудный дискриминатор, схему запоминания, преобразователь время-напряжение, индикатор и самописец. Недостатком устройства является невозможность измерения скорости звука в неоднородных средах.

Известно устройство для измерения времени распространения ультразвуковых колебаний [2], содержащее в качестве исследуемой среды однородную среду с флюктуирующими акустическими параметрами, генератор, излучатель, приемник ультразвуковых колебаний, два селектора, схему памяти, амплитудный дискриминатор и измеритель временного интервала. Недостатком устройства является невозможность измерения скорости звука в неоднородных средах.

Известен измеритель скорости звука в жидких средах [3], содержащий в качестве исследуемой среды однородную жидкую среду с флюктуирующими акустическими параметрами, импульсный генератор, приемоизлучающий акустический преобразователь, акустический отражатель, приемный усилитель, временной селектор, аналого-цифровой преобразователь, схему памяти, цифровое вычислительное устройство, тактовый генератор, блок управления и блок выдачи данных. Недостатком устройства является невозможность измерения скорости звука в неоднородных средах.

Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым устройством, состоит в расширении функциональных возможностей за счет получения значений скоростей звука в каждой из однородных сред, составляющих исследуемую неоднородную среду, путем использования единственного зондирующего акустического импульса.

Технический результат обеспечивается тем, что в устройстве, содержащем последовательно соединенные приемоизлучающий акустический преобразователь и приемный усилитель, импульсный генератор, выход которого соединен с входом приемного усилителя, аналого-цифровой преобразователь и блок выдачи данных, приемный усилитель выполнен с возможностью управления его коэффициентом усиления, блок выдачи данных выполнен по меньшей мере с двумя индикаторами значений скоростей звука, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом приемного усилителя, введен блок микропроцессора, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, первый порт выхода соединен с управляющим входом импульсного генератора, второй порт выхода соединен с управляющим входом приемного усилителя, а третий порт выхода соединен с входом блока выдачи данных.

Структурная схема устройства приведена на чертеже.

Устройство содержит в качестве исследуемой среды неоднородную среду 1, приемоизлучающий акустический преобразователь 2, импульсный генератор 3, приемный усилитель 4, аналого-цифровой преобразователь 5, блок 6 микропроцессора и блок 7 выдачи данных.

Измеритель скорости звука в неоднородных средах работает следующим образом. На исследуемую неоднородную среду 1, состоящую из слоев однородных материалов, например "металл-керамика-металл" или "мягкие биоткани-кость-биоткани", направляется по нормали к ее поверхности зондирующий акустический импульс приемоизлучающего акустического преобразователя 2, возбужденного видеоимпульсом импульсного генератора 3 в момент времени t0 по управляющему сигналу с соответствующего выхода блока 6 МП. Зондирующий акустический импульс проходит последовательно со скоростями v1, v2, v3, ... слои однородных материалов, толщина которых b1, b2, b3, ..., причем от каждой границы слоев часть энергии зондирующего акустического импульса отражается, поступает на приемоизлучающий акустический преобразователь 2, на выходе которого формируются в моменты времени t1, t2, t3, ... электрические радиоимпульсы, которые усиливаются в приемном усилителе 4 с коэффициентом усиления, определяемым управляющим сигналом с соответствующего выхода блока 6 МП, и после оцифровки в АЦП 5 поступают на вход блока 6 МП, в котором производятся вычисления скоростей звука v1, v2, v3, ... в соответствующих однородных материалах, значения которых поступают для индикации на блок 7 выдачи данных. Для повышения точности измерений расчеты в блоке 6 МП могут производиться по нескольким последовательным зондирующим импульсам с использованием статистических методов.

Измеритель скорости звука в неоднородных средах может быть выполнен из типовых модулей и на доступной элементной базе. Конструктивное выполнение ряда блоков может совпадать или включать конструкции того же функционального назначения прототипа и аналогов. Например, блоки 2, 3, 5 могут совпадать по конструкции с блоками 2, 1, 6 прототипа. Блоки 4 и 7 могут в основном совпадать с конструкциями блоков 4 и 12, дополненными указанными выше возможностями. Конструкция блока 6 МП и его программное обеспечение определяются функциональным назначением и являются типовыми, известными либо очевидными из уровня техники в применяемых временном и частотном диапазонах. Например, вычислительная часть программы блока 6 МП может быть выполнена с применением стандартной программы Minerr:

1.	v1o:=1540	v2o:=4080	v3o:=1540
2.	b1:=0.02	b2:=0.01	b3:=0.01
3.	t1:=0.00002597	t2:=0.00003087	t3:=0.00004386
4.	v1:=1000	v2:=1000	v3:=1000
5.	Given
6.
7.	Z:=Minerr(v1, v2, v3)
8.
9.

Программа предназначена для исследования неоднородной среды, состоящей из трех слоев материалов, например, "биоткань-кость-биоткань" (условно - "запястье руки"). Операторы в строках программы имеют следующее содержание.

1. v1o, v3o - скорость звука в м/с табличная в биотканях; v20 - в кости.

2. b1, b2, b3 - толщина слоев в метрах.

3. t1, t2, t3 - моменты времени поступления отраженных от границ слоев импульсов (относительно t0) в с.

4. v1, v2, v3 - начальные значения для искомых скоростей в м/с.

5. Начало процедуры решения системы уравнений.

6. Система уравнений.

7. Вывод результатов решения: Z ₀ - оценка v1, Z₁ - оценка v2, Z ₂ - оценка v3.

8, 9. Расчет относительных погрешностей оценок скоростей по сравнению с табличными значениями.

Библиографический список

1. А.с. №402734. Устройство для измерения скорости ультразвуковых колебаний в образцах / Т.С.Лебедев и др. // БИ №42. 1973.

2. А.с. №640221. Устройство для измерения времени распространения ультразвуковых колебаний / В.Т.Адов и др. // БИ №48. 1978.

3. Патент №2208223 (RU). Измеритель скорости звука в жидких средах / К.И.Полканов и др. // БИ №19. 2003.