ПРИСТРІЙ ВИМІРЮВАННЯ ШВИДКОСТІ ПРОХОДЖЕННЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЇ ХВИЛІ В ПОЛІМЕРНОМУ НАНОКОМПОЗИТІ ЗА ДОПОМОГОЮ МІТОК КАЛІБРАЦІЇ

Пристрій вимірювання швидкості проходження ультразвукової хвилі в полімерному нанокомпозиті за допомогою міток калібрації, який генерує і вимірює швидкість ультразвукової хвилі за допомогою послідовно встановлених частотоміра (1), генератора дільника частоти (3), генератора прямокутних імпульсів (4), п'єзоперетворювача (5), який встановлений на зразок (7) полімерного нанокомпозиту та резонансного підсилювача (8), який відрізняється тим, що зразок (7) полімерного нанокомпозиту з'єднаний з буфером з плавленого кварцу (6), а сам пристрій додатково містить синтезатор частоти (2), напряму з'єднаний, як і генератор прямокутних імпульсів (4), з двопроменевим осцилографом (9) з входом U1 та входом U2, при цьому на вхід U1 подається ультразвукова хвиля ехоімпульсів U частотою f=1/T і часом Т проходження ультразвукової хвилі в полімерному нанокомпозиті товщиною h, а на вхід U2 подається число міток калібрації n UMK частотою fMK з cинтезатора частоти (2), при цьому максимум кожного ехоімпульсу U поєднано з максимумом гармонійних коливань UMK.

Корисна модель належить до пристроїв вимірювання швидкості проходження поздовжньої (далі - поздовжня швидкість V||УЗ або Vпозд) та поперечної (далі - поперечна швидкість VтУЗ або Vпопер) ультразвукової хвилі (УЗХ) в полімерних нанокомпозитах, які використовуються в приладобудуванні, радіотехніці, автомобілебудуванні, авіа- та космічній техніці. Відомі пристрої вимірювання поздовжньої і поперечної швидкостей УЗХ шляхом суміщання ехосигналів [1-10], які випромінюють і приймають акустичний імпульс. Недолік відомих пристроїв пов'язаний з похибкою, яка обумовлена візуальним суміщенням ехосигналів на екрані осцилографа. За найбільш близький аналог прийнятий відомий пристрій для вимірювання швидкості розповсюдження ультразвуку [11]. Пристрій містить послідовно з'єднані частотомір (1), генератор дільника частоти (3), генератор зондувальних імпульсів (4), п’єзоперетворювач (5), включено акустично контрольоване середовище (зразок полімерного нанокомпозиту) (7) та резонансний підсилювач (8). Відповідно до найбільш близького аналога тривалість інтервального імпульсу швидкодіючого формувача дорівнює Dt = Тпошир - nΤповт, де n - кількість періодів, на яке відстоїть імпульс дешифратора від зондованого імпульсу, Τповт - період повторення імпульсу перетворювача напруги в частоту, Тпошир - час поширення акустичного сигналу (ультразвуку) через контрольоване середовище (зразок). Дешифратор 15 управляється комбінацією сигналів з виходу дільника частоти 14 і при певному стані останнього видає на своєму виході імпульс, точно віддалений за часом від зондувального імпульсу на задану кількість n повторення імпульсів 11 перетворювача напруги в частоту. Крім того, положення імпульсу першого дешифратора 15 строго синхронізовано з імпульсами 11 перетворювача напруги в частоту [11]. Пристрій за найбільш близьким аналогом має недоліки: неможливість вимірювання швидкості ультразвуку VУЗ в тонких полімерних нанокомпозитах товщиною h = 0,111 мм, оскільки при таких розмірах полімерних нанокомпозитів ехосигнали прямують за малі проміжки часу порядку t t 1 мксек. Такий пристрій характеризується низькою точністю, а тому недостатньою надійністю, складністю конструкції та відносно високою вартістю приладів, які реалізують даний пристрій. Задачею корисної моделі є підвищення точності та надійності вимірювання швидкості поздовжньої V||УЗ та поперечної VтУЗ УЗХ з забезпеченням можливості його використання для вимірювання в тонких полімерних нанокомпозитах товщиною h 1 мм. Поставлена задача вирішується тим, що, згідно з корисною моделлю, пристрій вимірювання поздовжньої V||УЗ та поперечної V УЗ швидкості проходження УЗХ в полімерному нанокомнозиті за допомогою міток калібрації, який генерує і вимірює УЗХ за допомогою послідовно встановлених частотоміра (1), генератора дільника частоти (3), генератора прямокутних імпульсів (4), п’єзоперетворювача (5), який встановлений на зразок (7) полімерного нанокомпозиту через буфер з плавленого кварцу (6), резонансного підсилювача (8) та двопроменевого осцилографа (9), при цьому генератор прямокутних імпульсів (4) з’єднаний з двопроменевим осцилографом (9) напряму, при цьому пристрій додатково містить синтезатор частоти (2), встановлений після частотоміра (1) та з’єднаний з осцилографом (9) напряму, осцилограф (9) виконаний двопроменевим з входом U1 та входом U2, при цьому на вхід U1 направляють УЗХ U, а на вхід U2 подаються мітки калібрації UМК з синтезатора частоти (2). Частоту f проходження УЗХ в зразку (7) полімерного нанокомпозиту визначають за формулою f = fMK/n, а швидкість проходження УЗХ визначають за формулою V||УЗ = 2h/T = 2h f = 2h fMK/n|| та V УЗ = 2h/T = 2h f = 2h fMK/nn. Тут і далі використані наступні скорочення та позначення: VУЗ - швидкість проходження поздовжньої ультразвукової хвилі; V||УЗ або Vпозд - швидкість проходження поздовжньої ультразвукової хвилі; VVУЗ або Vпопер - швидкість проходження поперечної ультразвукової хвилі; УЗХ - ультразвукова хвиля; h - товщина полімерного нанокомпозиту; Τ - час проходження УЗХ в полімерному нанокомпозиті; f - частота проходження УЗХ в полімерному нанокомпозиті; fMK - частота гармонійних коливань синтезатора частоти (2); n UMK - число міток калібрації; n|| або nпозд - число міток калібрації поздовжньої ультразвукової хвилі: nn або nпoпep - число міток калібрації поперечної ультразвукової хвилі; U1 та U2 - входи двопроменевого осцилографа (9); U - максимум ехоімпульсів; UМК - максимум гармонійних коливань міток калібрації. Корисна модель пояснюється кресленням, на якому зображено блок-схему пристрою. Пристрій складається з частотоміра (1), синтезатора частоти (2), генератора дільника частоти (3), генератора прямокутних імпульсів (4), п’єзоперетворювача (5), буфера з плавленого кварцу (6), зразка вимірюваного полімерного нанокомпозиту (7), резонансного підсилювача (8), двопроменевого осцилографа (9). Пристрій працює наступним чином. Гармонійні, високостабільні синусоїдальні коливання, які використовуються як мітки калібрації UМК, з виходу синтезатора частоти (2) спрямовані на частотомір (1) для вимірювання частоти та запускають генератор дільника частоти (3). Вибір коефіцієнта ділення частоти визначаться величиною затухання ультразвуку в полімерному нанокомпозиті (7). Прямокутні негативні імпульси з виходу генератора дільника частоти (3) запускають зондувальний генератор прямокутних імпульсів (4), який виробляє негативні імпульси більшою амплітуди для збудження УЗХ в полімерному нанокомпозиті (7) за допомогою п’єзоперетворювача (5). Генератор (4) також формує прямокутні імпульси для запуску генератора розгортання двопроменевого осцилографа (9). УЗХ поширюється через буфер з плавленого кварцу (6), відбившись від межі буфер-зразок і зразок-повітря, перетворений вдруге п’єзоперетворювачем (5), електричний сигнал надходить на вхід резонансного підсилювача (8). Посилені відбиті сигнали подаються на перший вхід U1 двопроменевого осцилографа (9) і спостерігаються на екрані у вигляді затухаючої послідовності ехоімпульсів U, на другий вхід U2 осцилографа з синхронної розгорткою обох променів подаються високостабільні, гармонійні коливання з виходу синтезатора частоти (2), які використовуються як мітки калібрації UМК. Змінюючи частоту міток калібрації fМК - гармонійних коливань синтезатора частоти (2), між відповідними максимумами ехоімпульсів U на екрані двопроменевого осцилографа (9) укладають однакове число міток калібрації n UМК і при цьому максимум кожного ехоімпульсу U поєднують з максимумом гармонійних коливань UМК. Амплітуда ехоімпульсів U в полімерному напокомпозиті товщиною h 1 мм достатньо велика для реєстрації. Таким чином, вимір часу Τ проходження УЗХ в полімерному нанокомпозиті зводять до вимірювання частоти покладених міток калібрації fМК і підрахунку числа періодів цих міток n між відповідними максимумами ехоімпульсів за формулою Т = 1/f= n/fМК. Техніко-економічні переваги корисної моделі перед аналогічними, що належать до найбільш прогресивних технічних рішень, складаються в спрощенні конструкції та зменшенні вартості пристроїв, що реалізують пристрій. Виконано задачу для створення пристрою вимірювання швидкості поздовжньої V||УЗ та поперечної VтУЗ ультразвукової хвилі в полімерному нанокомпозиті з товщиною h 1 мм. Джерела інформації: 1. Новик Α., Берри Б. Релаксационные явления в кристалах, Москва, Агомиздат. 1975. 2. Шпак А.П., Куницкий Ю.А., Карбовский В.Л. Кластерные и наноструктурные материалы, Киев, Академпериодика. 2001. 3. Молодкин В.Б., Низкова А.И., Шпак А.П. и др. Дифрактометрия наноразмерных дефектов и гетерослоев кристаллов, Киев, Академпериодика. 2005. 4. Александров Л.Н., Зотов М.И. Внутреннее трение и дефекты в полупроводниках, Новосибирск, Наука. 1979. 5. Кузнецов Н.А., Потехин Д.С., Тарасов И.Е., Тетерин Е.П. Способ одновременного определения скорости продольных и сдвиговых акустических волн. Патент на изобретение № 2382358. РФ, заявл. 7.11.2006; опубл. 20.02.2010. 6. Соколов И.В., Качанов В.К. Тимофеев Д.В., Конов Μ.Μ, Синицын А.Α., Родин А.Б. Способ ультразвуковой эхо-импульсной толщинометрии. Патент на изобретение № 2422769. РФ, заявл. 30.03.2010; опубл. 27.06.2011. Бюл. № 18. - 9 с. 7. Весна В.Т. Способ неразрушающего контроля качества спеченных изделий из поликристаллических сверхтвердых материалов / В.Т. Весна, Н.Я. Горидыш, В.П. Маслов, Н.Н. Новиков, А.П. Онанко // А.С. № 4361508. - 1989. - 4 с. 8. Онанко А.П., Заболотний М.А., Дмитренко О.П., Куліш М.П. та ін. Спосіб визначення поглинутої дози радіоактивного опромінення металами. Патент на винахід № 98078. Україна, заявл. 21.04.2011; опубл. 10.04.2012. Бюл. № 7. - 7 с. 9. Онанко А.П., Буско Т.О., Дмитренко О.П., Куліш М.П., Пінчук-Ругаль Т.М., Місюра А.І. Спосіб вимірювання швидкості ультразвукової хвилі в полімерних нанокомпозитах за допомогою міток калібрації. Патент на KM № 150325. Україна, зареєстровано 02.02.2022. - 6 с. 10. Недбай А.И. Импульсно-интерференционный способ измерения скорости ультразвука. Авторское Свидетельство СССР № 1191815, МПК G01N 29/00, заявл. 26.07.1982, опубл. 15.11.1985. Бюл. № 42. - 8 с. 11. Устройство для измерения скорости распространения ультразвука. Авторское Свидетельство СССР № 822013, МПК G01N 29/00, заявл. 26.12.1978, опубл. 15.04.1981. (найбільш близький аналог).