Частотное преобразование акустического сигнала. Технические средства измерений, контроля и диагностики на основе ультразвуковых колебаний. Отражение и преломление звука. Прохождение звука через границу раздела двух сред. Разработка модуля программы.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

• Введение
• 1. Выбор метода реализации задачи
• 1.1 Оценка предметной области и выбора метода решения задачи
• 1.1.1 Физическая природа звуковых и ультразвуковых колебаний
• 1.1.2 Отражение и преломление звука. Прохождение звука через границу раздела двух сред
• 1.1.3 Ультразвуковые методы контроля качества изделий и материалов
• 1.2 Выделение функциональных частей
• 1.3 Составление общего алгоритма
• 1.4 Обоснование алгоритмов отдельных функциональных частей
• 2. Разработка тестовых примеров
• 3. Разработка программы
• 4. Тестирование и анализ результатов
• Заключение
• Список использованной литературы

Введение

В настоящее время ультразвук получил широкое применение в военной технике, технологии, а также в измерительных приборах, в средствах технической и медицинской диагностики. Технические средства измерений, контроля и диагностики на основе ультразвуковых колебаний были разработаны и получили распространение на несколько десятилетий ранее, чем аналогичные средства, работающие с использованием электромагнитных волн и полей.

Зависимость скорости распространения и затухания акустических волн от свойств вещества и процессов в них происходящих, используется в таких исследованиях:

o изучение молекулярных процессов в газах, жидкостях и полимерах

o изучение строения кристаллов и других твёрдых тел,

o контроль протекания химических реакций, фазовых переходов, полимеризации и др.

o определение концентрации растворов,

o определение прочностных характеристик и состава материалов.

o определение наличия примесей.

Большая группа методов измерения основана на отражении и рассеянии УЗ волн на границах между средами. Эти методы позволяют точно определять местонахождение инородных для среды тел и используются в таких сферах как:

o гидролокация,

o неразрушающий контроль и дефектоскопия,

o медицинская диагностика,

o определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых ёмкостях,

o определения размеров изделий,

o визуализация звуковых полей - звуковидение и акустическая голография.

o определение скорости течения жидкости и газа

Недаром темой курсового проекта стало исследование частотного преобразования акустического сигнала. Она является очень важной частью любого, из приведённых выше, способа использования ультразвука, поскольку представляет собой фундаментальные, теоретические принципы, лежащие в основе всех методов использования ультразвука.

Перед нами лежала задача нахождения вида отражённого сигнала, при заданном виде отражения, а также вычисления для результирующего импульса различных информационных коэффициентов (динамики постоянной составляющей и максимального отклонения от постоянной составляющей в сторону меньших значений).

В проведении вычислений использовался математический пакет MatLab, предоставляющий весь необходимый инструментарий для работы.

1. Выбор метода реализации задачи

1.1 Оценка предметной области и выбора метода решения задачи

1.1.1 Физическая природа звуковых и ультразвуковых колебаний

Звуковые и ультразвуковые колебания - это продольные к направлению распространения упругие колебания материальных частиц. Это означает, что звук и ультразвук может возникать и распространяться только в материальных средах и материалах. В вакууме ни звук, ни ультразвук существовать не могут.

Под ультразвуковыми колебаниями в акустике понимают такие колебания, частота которых лежит за верхним пределом слышимости человеческого уха, т.е. превосходит примерно 20 кГц.

Звуковые колебания, по частоте превышающие эту величину, относят к ультразвуковым. В настоящее время удается получить ультразвуковые колебания с частотой до 106 кГц и более.

Следовательно, область ультразвуковых колебаний превышает 16 октав. В длинах волн это означает, что ультразвуковые волны занимают очень широкий диапазон, простирающийся:

в воздухе (скорость распространения звука с ? 330 м/с, а длины волн соответственно от л ? 1,6 до л ? 0,3·10-4 см);

в жидкостях (скорость примерно с ? 1200 м/с, а длины волн от л ? 6 дол ? 1,2·10-4 см);

в твердых телах (примерная скорость распространения с ? 4000 м/с,

а длины волн, учитывая частотный диапазон в 16 октав, от л ? 20 до л ? 4·10-4 см).

Таким образом, длина наиболее коротких ультразвуковых волн по порядку величины сравнима с длиной видимых световых волн. Именно малость длин ультразвуковых колебаний и обусловила их применение во всех областях техники, технологии, медицины.

Ультразвук является своеобразной физической основой получения информации при различных измерениях, контроле и дефектоскопии. Заметим, что, кроме распространяющихся в материальных средах чисто продольных волн, к ультразвуковым колебаниям относятся колебания поперечные, поверхностные, изгиба и сдвига. Эти виды ультразвуковых колебаний имеют ту же физическую природу (т.е. колебания материальной среды или частиц материала).

Так, например, из-за неоднородности среды отраженные волны могут распространяться и в плоскости, перпендикулярной к начальному направлению - это и будут поперечные волны. На поверхности раздела двух материальных сред могут возникать и распространяться ультразвуковые волны, связанные с обеими средами - это и есть поверхностные волны.

Однако все виды ультразвуковых колебаний объединяет один физический факт - всегда направление переноса ультразвуковой энергии совпадает с направлением, в котором колеблются материальные частицы среды или материала. Реально в окружающем нас пространстве, в контролируемых с помощью ультразвука изделиях, в анизотропных средах, на границах раздела сред и т.п. в силу неоднородности последних всегда имеем дело с совокупностью видов звуковых и ультразвуковых колебаний.

Кроме того, при некоторых условиях возможны резонансные явления, а также явления сложения и вычитания (компенсация) колебаний. По этой причине, по аналогии с электромагнитным полем, следует говорить об акустическом поле.

Анализировать и аналитически описать звуковое поле весьма сложно. Основополагающие законы ультразвука получены в результате исследования одной продольной волны, но они как исходные, применяются и для анализа сложных акустических полей.

Законы акустики слышимого диапазона действуют без изменения в области ультразвука. Однако наблюдаются некоторые особые явления, не имеющие места в слышимом диапазоне, и обусловленные очень малыми длинами волн ультразвукового диапазона.

В первую очередь, это возможность визуального наблюдения ультразвуковых волн оптическими методами, которая позволяет реализовать многочисленные способы измерения различных констант материалов.

Ультразвуковой диапазон позволил создать новый класс акустооптических приборов и новое научно-техническое направление - акустооптику. Далее, благодаря малым длинам ультразвуковой волны допускают отличную фокусировку и, следовательно, получение остронаправленного излучения. Здесь можно говорить об ультразвуковых лучах и строить на их основе звукооптические системы, обладающие повышенной локальностью при контроле и диагностике изделий.

Сравнительно простыми техническими средствами удается получить ультразвуковые колебания больших интенсивностей, которые трудно получить в акустике слышимого диапазона. Последнее позволяет строить мощные гидролокационные станции, и применять ультразвук в различных технологических процессах в качестве своеобразного и эффективного инструмента при обработке твердых материалов и изделий, а также при смешивании, или разделении материалов, находящихся в жидкой фазе.

Прежде чем говорить о физических методах получения информации с помощью ультразвука, необходимо рассматривать основные законы распространения ультразвука и выявить величины, характеризующие звуковое поле и обладающие признаками информативности.

Таким образом, теория ультразвуковых колебаний является основой построения и применения ультразвуковых технических средств контроля, измерений и диагностики, т.е. технических средств получения полезной информации с использованием ультразвуковых колебаний.

1.1.2 Отражение и преломление звука. Прохождение звука через границу раздела двух сред

При падении плоской звуковой волны на границу раздела двух сред, обладающих различными плоскостями и скоростями звука (т.е. с разными акустическими сопротивлениями), часть энергии отражается, а другая проходит во вторую среду.

Причем, угол отражения равен углу падения, а энергия, проходящая во вторую среду, подчиняется закону преломления Снеллиуса, который гласит, что отношение синусов углов падения и отражения равно отношению скоростей звука в обеих средах.

Здесь видна опр...