PL213143B1 - Urządzenie do bezkontaktowego pomiaru drgań powierzchni - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do bezkontaktowego pomiaru drgań powierzchni, przeznaczone w szczególności do badania pudeł rezonansowych instrumentów muzycznych, drgań twarzoczaszki, jak również w diagnostyce narządu słuchu do pomiaru amplitudy drgań pobudzanej akustycznie błony bębenkowej.

Układ do kontroli jakości nawierzchni jezdni znany z japońskiego opisu patentowego nr JP61037515, ma głowicę pomiarową zamontowaną w przedniej części pojazdu, która zawiera ultradźwiękowy przetwornik nadawczy skierowany pionowo w kierunku jezdni, pobudzany do drgań sygnałem z generatora, oraz ultradźwiękowy przetwornik odbierający sygnały akustyczne odbite od powierzchni jezdni, które uformowane w układzie filtracji kierowane są do następnego układu logicznego urządzenia. Ponadto na czterech amortyzatorach pojazdu zamontowane są czujniki siły tłumienia podłączone do układu logicznego, co pozwala wyeliminować zakłócenia spowodowane kołysaniem pojazdu podczas ruchu. Wartości sił tłumienia zależą również od stanu nawierzchni jezdni.

Istota urządzenia, według wynalazku, polega na tym, że tor nadawczy ma generator kwarcowy połączony poprzez dzielnik częstotliwości, filtr wąskopasmowy nadajnika oraz wzmacniacz mocy nadajnika z ultradźwiękowym przetwornikiem nadawczym. Natomiast tor odbiorczy ma ultradźwiękowy przetwornik odbiorczy połączony poprzez wzmacniacz odbiornika, detektor fazy, filtr dolnoprzepustowy i wzmacniacz małej częstotliwości z układem rejestrująco-analizującym. Ponadto detektor fazy jest włączony pomiędzy dzielnik częstotliwości i filtr wąskopasmowy nadajnika.

Korzystnym jest, gdy dzielnik częstotliwości jest dodatkowo połączony poprzez pierwszy przestrajany wąskopasmowy filtr akustyczny i wzmacniacz akustyczny nadajnika z głośnikiem oraz to, że pomiędzy filtr dolnoprzepustowy i wzmacniacz małej częstotliwości jest włączony wzmacniacz akustyczny odbiornika i drugi przestrajany wąskopasmowy filtr akustyczny nastrojony na tę samą częstotliwość co pierwszy.

Zaletą urządzenia do bezkontaktowego pomiaru drgań powierzchni jest łatwość dokonywania pomiarów i analizy wyników, oraz możliwość skanowania drgającej powierzchni bez dodatkowego obciążania jej.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy urządzenia do bezkontaktowego pomiaru amplitudy i częstotliwości samoistnie drgającej powierzchni, a fig. 2 - schemat blokowy urządzenia do bezkontaktowego pomiaru amplitudy drgań powierzchni pobudzonej sygnałem dźwiękowym o określonym natężeniu i częstotliwości akustycznej wychodzącym z głośnika.

P r z y k ł a d 1

Urządzenie do bezkontaktowego pomiaru amplitudy x i częstotliwości fA samoistnie drgającej powierzchni, ma dwa ultradźwiękowe tory sygnałowe nadawczy i odbiorczy. Tor nadawczy ma generator kwarcowy GK o częstotliwości 24 MHz, połączony poprzez dzielnik częstotliwości DC, który daje sygnał prostokątny o częstotliwości fN wynoszącej 300 kHz dla toru nadajnika, indukcyjno-pojemnościowy filtr wąskopasmowy nadajnika FN oraz wzmacniacz mocy nadajnika WN z ultradźwiękowym przetwornikiem nadawczym PN. Tor odbiorczy ma ultradźwiękowy przetwornik odbiorczy PO połączony poprzez wzmacniacz odbiornika WO, detektor fazy DF, filtr dolnoprzepustowy FD i wzmacniacz małej częstotliwości WZ z układem rejestrująco - analizującym RA. Układ rejestrująco-analizujący RA stanowi komputer zaopatrzony w kartę oscyloskopową i monitor. Ponadto detektor fazy DF jest włączony pomiędzy dzielnik częstotliwości DC i filtr wąskopasmowy nadajnika FN.

P r z y k ł a d 2

Urządzenie do bezkontaktowego pomiaru amplitudy drgań powierzchni stanowi urządzenie wyposażone w głośnik G generujący sygnał akustyczny o określonym natężeniu i częstotliwości pobudzający powierzchnię do drgań, również ma dwa ultradźwiękowe tory sygnałowe: nadawczy i odbiorczy. Tor nadawczy ma generator kwarcowy GK o częstotliwości 24 MHz, połączony z dzielnikiem częstotliwości DC, na wyjściu którego otrzymuje się sygnał prostokątny wykorzystany do pobudzenia akustycznego o częstotliwości fA wynoszącej 500 Hz, 1000 Hz lub 2000 Hz oraz sygnał o częstotliwości fN wynoszącej 300 kHz wykorzystywany w torze nadawczym. Wyjście dzielnika częstotliwości DC połączone jest poprzez indukcyjno-pojemnościowy filtr wąskopasmowy nadajnika FN formujący z prostokątnego przebiegu o częstotliwości 300 kHz przebieg sinusoidalny oraz wzmacniacz mocy nadajnika WN z ultradźwiękowym przetwornikiem nadawczym PN typu piezoceramicznego. Dzielnik częstotliwości DC jest połączony poprzez pierwszy wąskopasmowy filtr akustyczny FA1 nastrojony na

PL 213 143 B1 częstotliwość fA i wzmacniacz akustyczny nadajnika AN z głośnikiem G. Tor odbiorczy ma ultradźwiękowy przetwornik odbiorczy PO typu piezoelektrycznego, połączony poprzez wzmacniacz odbiornika WO, detektor fazy DF, filtr dolnoprzepustowy FD odfiltrowujący zakłócające sygnały o częstotliwościach wyższych od akustycznych, wzmacniacz akustyczny odbiornika AO, drugi wąskopasmowy filtr akustyczny FA2 nastrojony na tę samą częstotliwość akustyczną co filtr pierwszy i wzmacniacz małej częstotliwości WZ z układem rejestrująco-analizującym RA, którym jest komputer ze specjalną kartą pomiarową wraz z odpowiednim oprogramowaniem i monitorem. Strojenie filtrów FA1 i FA2 na częstotliwość akustyczną fA i ustalenie natężenia sygnału akustycznego poprzez dobór wzmocnienia wzmacniacza akustycznego nadajnika AN, dokonuje się z klawiatury komputera. Ponadto detektor fazy DF jest włączony pomiędzy dzielnik częstotliwości DC i filtr wąskopasmowy nadajnika FN. Zastosowany w tym rozwiązaniu detektor fazy DF ma czułość większą od 0,1 mrad, zbudowany jest na szybkim układzie mnożącym. W detektorze fazy DF znormalizowany amplitudowo sygnał ze wzmacniacza akustycznego odbiornika WO, wcześniej zmodulowany fazowo przez drgającą powierzchnię P, jest mnożony przez sygnał odniesienia, identyczny z sygnałem podawanym na filtr wąskopasmowy nadajnika FN z dzielnika częstotliwości DC. Z detektora fazy DF, wychodzi sygnał zawierający składową stałą, proporcjonalną do stałego przesunięcia fazy pomiędzy mnożonymi sygnałami i z pominięciem różnicy fazy wynoszącej wielokrotność całego okresu - k · 2π, oraz składową zmienną, której częstotliwość fA jest równa częstotliwości drgań badanej powierzchni P, przy czym amplituda sygnału jest wprost proporcjonalna do amplitudy drgań badanej powierzchni P. Po wyfiltrowaniu składowej zmiennej, sygnał u na wyjściu wzmacniacza małej częstotliwości WZ opisany jest równaniem:

u = A · cos(2n · f_A · t) gdzie:

A oznacza amplitudę zmiennego sygnału wprost proporcjonalną do amplitudy zmian przesunięcia fazowego sygnałów dochodzących do detektora fazy DF, a t - czas.

Amplitudę drgań x badanej powierzchni można wyznaczyć z zależności:

v ·Δφ x =-—

4nf gdzie:

v oznacza prędkość dźwięku (330 m/s - dla powietrza), a Δφ - amplituda zmian fazy.

Dla detektora fazy DF o czułości 0,1 mrad i częstotliwości sygnału w torze nadawczym fN wynoszącej 300 kHz, z zastosowaniem generatora kwarcowego GK o częstotliwości 24 MHz ± 0,001% dokładność pomiaru amplitudy drgań x badanej powierzchni P zmierzonej w powietrzu wynosi około 15 nm.

Działanie urządzenia do bezkontaktowego pomiaru drgań powierzchni przebiega następująco. W kierunku badanej powierzchni P drgającej pod wpływem zewnętrznego dźwięku z zakresu akustycznego o określonym natężeniu i częstotliwości wysyłana jest ciągła fala ultradźwiękowa o małym natężeniu i częstotliwości 300 kHz. Czyli znacznie wyższej od słyszalnej i będącej poza podatnością akustyczną badanej powierzchni. Fala ta po odbiciu od drgającej powierzchni P ulega modulacji fazowej. Głębokość tej modulacji jest wprost proporcjonalna do amplitudy drgań powierzchni P. Dokonując pomiaru głębokości modulacji w układzie detektora fazowego DF, można określić bezwzględną amplitudę drgań badanej powierzchni P przy zadanych parametrach jej pobudzenia.

P r z y k ł a d 3

Urządzenie do bezkontaktowego pomiaru drgań powierzchni, wykonane jak w przykładzie drugim z tą różnicą, że jest wyposażone w ultradźwiękową sondę pomiarową, a badaną powierzchnią P jest błona bębenkowa ucha. Sonda zawiera trzy falowody. Dwa z nich - metalowe połączone są z ultradźwiękowymi przetwornikami nadawczym PN i odbiorczym PO, a jeden - silikonowy podłączony jest do miniaturowego głośnika G. Falowody do propagacji ultradźwięków muszą być od siebie dobrze odseparowane akustycznie. Powinny być krótkie i w miarę możliwości proste, ponieważ wykazują stosunkowo duże tłumienie. Końcówka sondy zakończona wkładką z tworzywa sztucznego o małej przewodności cieplnej wkładana jest do kanału słuchowego badanego ucha. Średnica zewnętrzna wkładki jest dobierana do przekroju kanału usznego pacjenta w taki sposób, aby koniec wkładki był oparty w okolicy części bębenkowej kości skroniowej. Dodatkowo sonda unieruchomiona jest w specjalnym przegubowym uchwycie znajdującym się na opasce założonej na głowę pacjenta. Na opasce tej jest umieszczony również miniaturowy głośnik G.

Claims (3)

1. Urządzenie do bezkontaktowego pomiaru drgań powierzchni ma dwa ultradźwiękowe tory sygnałowe nadawczy i odbiorczy, przy czym tor nadawczy ma generator kwarcowy połączony z ultradźwiękowym przetwornikiem nadawczym, natomiast tor odbiorczy ma ultradźwiękowy przetwornik odbiorczy oraz filtr, znamienny tym, że tor nadawczy ma generator kwarcowy (GK) połączony poprzez dzielnik częstotliwości (DC), filtr wąskopasmowy nadajnika (FN) oraz wzmacniacz mocy nadajnika (WN) z ultradźwiękowym przetwornikiem nadawczym (PN), natomiast tor odbiorczy ma ultradźwiękowy przetwornik odbiorczy (PO) połączony poprzez wzmacniacz odbiornika (WO), detektor fazy (DF), filtr dolnoprzepustowy (FD) i wzmacniacz małej częstotliwości (WZ) z układem rejestrująco-analizującym (RA), ponadto detektor fazy (DF) jest włączony pomiędzy dzielnik częstotliwości (DC) i filtr wąskopasmowy nadajnika (FN).

2. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że dzielnik częstotliwości (DC) jest połączony poprzez pierwszy wąskopasmowy filtr akustyczny (pasmowy o dużej dobroci) (FA1) i wzmacniacz akustyczny nadajnika (AN) z głośnikiem (G).

3. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że pomiędzy filtr dolnoprzepustowy (FD) i wzmacniacz małej częstotliwości (WZ) jest włączony wzmacniacz akustyczny odbiornika (AO) i drugi wąskopasmowy filtr akustyczny (FA2).