"Dispositif ultrasonore impulsionnel pour le contrôle des matériaux de construction" La présente invention concerne les dispositifs pour étudier les matériaux à l'aide d'ondes ultrasonores, et a
plus précisément pour objet un dispositif ultrasonore impulsionnel pour le contrôle des matériaux de construction:
Ce dispositif est utilisé pour-contrôler les matériaux de construction et les roches, tels que le granit , le marbre, le calcaire, le béton, sur les chantiers de construction, dans les carrières et les laboratoires scientifiques pour déceler dans les matériaux des hétérogénéités, des dédoublements, des macrodéfauts, des zones de fissuration volumique et des dislocations des roches en mesurant la durée de propagation des impulsions d'oscillations ultrasonores ayant traversé le ma-. tériau à étudier.
En outre, ce dispositif peut être appliqué pour la mesure de la vitesse de propagation des oscillations ultrasonores dans ces matériaux. ,
On connaît déjà un dispositif à ultra-sons impulsionnel pour le contrôle des matériaux. Ce dispositif comporte un générateur pilote pour mesurer le temps de propagation des impulsions ultrasonores à travers le matériau à contrôler, dont la sortie est raccordée à un générateur d'impulsions de sondage relié à un convertisseur électroacoustique émetteur qui,lors du contrôle, est disposé à la surface du matériau à contrôler, de même qu'un convertisseur électroacoustique récepteur dont
<EMI ID=1.1>
est raccordée à l'une des entrées d'un formateur d'intervalles de temps, dont l'autre entrée est reliée électriquement à la sortie du générateur pilote, la sortie dudit formateur étant reliée à l'entrée d'un convertisseur des intervalles de temps
<EMI ID=2.1>
Le contrôle des matériaux de construction à l'aide du dispositif ultrasonore impulsionnel est réalisé de la façon suivante. On place sur le matériau de construction à contrôler, ou sur un produit fabriqué en ce matériau, sur une base acoustique choisie de 0,1 à 2 m, les convertisseurs électroacoustiques récepteur et émetteur. Le générateur pilote débite périodiquement des impulsions qui déclenchent le formateur d'intervalle de temps et.le générateur d'impulsions de soudage, ce
<EMI ID=3.1> envoie les impulsions ultrasonores dans le matériau à étudier. Les impulsions ultrasonores qui ont traversé le matériau sont reçues par le convertisseur électroacoustique récepteur, sont amplifiées et attaquent l'une des entrées du formateur d'intervalle de temps. De la sortie du formateur d'intervalle de temps; des impulsions rectangulaires dont la durée est égale au
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sont appliquées au convertisseur d'intervalle de temps en code numérique, et le résultat est affiché sur un indicateur. Le résultat obtenu, qui est la durée de passage des oscillations ultrasonores, est recalculée, la base acoustique étant connue, en célérité de l'ultra-son.
Lors du contrôle des roches en blocs et dans un massif, étant donné la présence d'hétérogénéités de structure, on détermine au préalable la vitesse moyenne de l'ultra-son dans une zone sans défauts du milieu à étudier et on construit
une courbe de tarage "célérité de l'ultra-son - indice de défectuosité". Ensuite le résultat de la mesure de la célérité de l'ultra-son est comparé aux données de la courbe de tarage afin de juger du degré de défectuosité et de la qualité du produit.
Toutefois ce dispositif connu ne peut être utilisé sur les chantiers de construction et dans les carrières, lorsque le niveau des bruits acoustiques d'origine industrielle est élevé (bétonnières, débiteuses, fraises pour la coupe des blocs de roche, mécanismes à percussion, etc.), car le convertisseur électroacoustique récepteur est attaqué, en plus du signal utile, par des signaux aléatoires et des bruits provenant des mécanismes et machines en action et qui peuvent provoquer des pannes du conformateur d'intervalle de temps, le dispositif affichant alors une information erronnée sur la qualité du matériau contrôlé.
La présente invention vise un dispositif impulsionnel ultrasonore pour le contrôle des matériaux de construction, qui serait conçu de manière à exclure le fonctionnement du conformateur d'intervalle de temps sous l'action des bruits impulsionnels non synchrones de type déterminé et à assurer
un fonctionnement correct et fiable du dispositif en présence de bruits acoustiques.
Ce problème est résolu grâce à un dispositif ultra- <EMI ID=5.1>
impulsions ultrasonores à travers le matériau à contrôler, un générateur pilote dont la sortie est raccordée à l'entrée d'un générateur d'impulsions de sondage, raccordé à un convertisseur
<EMI ID=6.1>
raccordée à un amplificateur, un formateur d'intervalle de Temps dont la sortie est reliée à 3.'entrée d'un convertisseur de l'intervalle de temps en code numérique, ledit dispositif
<EMI ID=7.1> fréquence de référence.
Une telle conception du dispositif permet de réaliser un contrôle correct et fiable du matériau de construction dans des conditions où le convertisseur électroacoustique récepteur est soumis à l'action, non seulement du signal utile, mais aussi à celle de bruits impulsionnels asynchrones de type déterminé, avec un rapport de l'amplitude de bruit à l'amplitude
<EMI ID=8.1>
possibilités du dispositif du point de vue des conditions d'exploitation.
Cependant, l'ensemble de ces caractéristiques ne protège pas entièrement l'appareil contre l'action des bruits, car le convertisseur électroacoustique récepteur, lorsqu'il fonctionne dans une carrière, est soumis à l'action de machines
et de mécanismes en fonctionnement, qui produisent un bruit lisse du type "bruit blanc" .
Pour supprimer cet inconvénient, il est avantageux d'introduire dans le dispositif encore un amplificateur et un multiplieur de signaux dont une entrée, est raccordée à la sortie de l'un des amplificateurs, et une autre eritrée, à
la sortie de l'autre amplificateur, la sortie dudit multiplieur de signaux étant reliée au conformateur intégrateur des impulsions retardées, et de réaliser le convertisseur électroacoustique récepteur sous forme de deux résonateurs piézoélectriques branchés en concordance de_phases, la sortie de l'un
<EMI ID=9.1>
cateurs, la sortie du deuxième résonateur, à l'entrée de l'autre amplificateur, l'un des résonateurs étant monté directement à la surface du matériau, et le deuxième résonateur étant monté à la surface du matériau par l'intermédiaire d'une ligne à retard acoustique, dont la base de retard est égale
à la moitié de la longueur d'onde du résonateur.
Les caractéristiques de 1 ' inventa or. ressortiront plus clairement de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif en se référant aux dessins annexés, qui représentent :
- la figure 1, le schéma synoptique d'un dispositif ultrasonore impulsionnel, selon l'invention;
- la figure 2, le schéma synoptique d'une variante de réalisation du conformateur intégrateur des impulsions retardées.selon l'invention;
- la figure 3, le schéma synoptique d'une variante de réalisation du discriminateur de durée d'impulsion;
- la figure 4, les diagrammes temporels des tensions illustrant le fonctionnement du dispositif selon l'invention;
- la figure 5, les diagrammes temporels des tensions, illustrant le fonctionnement du discriminateur de durée d'impulsions, selon -l'invention;
- la figure 6, les diagrammes temporels des tensions, illustrant le fonctionnement du multiplieur des signaux l'un par l'autre, selon l'invention.
Le dispositif ultrasonore impulsionnel pour le contrôle des matériaux de construction comporte un générateur pilote 1 (figure 1), dont la sortie 2 est raccordée à l'entrée d'un générateur d'impulsions de sondage 3, à l'entrée d'un bloc de retard 4 et l'entrée 5 d'un discriminateur de durée d'impulsion 6. Le générateur pilote 1 est réalisé sous forme
<EMI ID=10.1>
(quartz), et est destiné à la synchronisation du fonctionnement du dispositif.
La sortie du générateur d'impulsions de sondage 3 est raccordée à un convertisseur électrcacoustique émetteur 7,
qui est monté à la surface du matériau à contrôler 8.
Le générateur 3 est réalisé comme un commutateur à
haute tension et est destiné à exciter le convertisseur électroacoustique émetteur 7, celui-ci étant réalisé, par exemple,
à base d'un résonateur piézo-électrique servant à transformer l'énergie électrique de l'impulsion du générateur d'impulsions de sondage 3 en énergie mécanique des oscillations ultrasonores.
A la surface du matériau à contrôler 8, à une distance choisie du convertisseur électroacoustique émetteur 7, est monté un convertisseur électroacoustique récepteur 9 dont les sorties 10, 11 sont raccordées aux entrées des amplificateurs
12 et 13, respectivement. Le convertisseur électroacoustique récepteur 9 est réalisé sous forme de deux résonateurs piézoélectriques branchés en concordance de phase et ayant une
meme fréquence de travail, l'un desdits résonateurs étant monté à .la surface du matériau à contrôler 8 directemént, et l'autre, par l'intermédiaire d'une ligne à retard acoustique, dont la base de retard est égale à la moitié de la longueur d'onde des résonateurs.
Les sorties des amplificateurs 12 et 13 sont reliées
aux entrées d'un multiplieur 14 dont la sortie est raccordée
à l'entrée d'un conformateur intégrateur 15 des impulsions retardées.
Le multiplieur 14 est destiné à multiplier l'une par l'autre les amplitudes de deux signaux de même fréquence, décalés l'un par rapport à l'autre d'une demi-période d'oscillation....
<EMI ID=11.1> <EMI ID=12.1>
formateur d'intervalle de temps 18 et à une entrée 19 du discriminateur de durée d'impulsion 6.
Une deuxième entrée 20 du formateur d'intervalle de temps 18 est raccordée à la sortie du bloc de retard 4, la sortie de ce formateur étant raccordée à l'une des entrées 21 d'un convertisseur de l'intervalle de temps en code numérique 22, dont une deuxième entrée 23 est raccordée 'à la sortie du discriminateur de durée d'impulsion 6.
Le formateur d'intervalle de temps 18 est réalisé par exemple sous forme d'une bascule et est destiné à la formation de l'intervalle de temps entre le moment d'application au produit à contrôler de l'impulsion ultrasonore retardée pour une durée déterminée par le bloc de retard 4, et le moment de réception du signal ultrasonore ayant traversé le produit à contrôler 8, retardé pour une durée déterminée par le retard du conformateur intégrateur d'impulsions retardées
15.
Le bloc de retard 4 se présente sous forme d'un formateur d'impulsions rectangulaires de durée déterminée t .
<EMI ID=13.1>
se compose d'un formateur d'impulsions vidéo 24 (figure 2), dont l'entrée constitue l'entrée du conformateur intégrateur d'impulsions retardées 15, d'un circuit logique "ET" 25 et d'un additionneur numérique 26 associé à un décodeur, dont' la sortie constitue la sortie 16 du conformateur intégrateur d'impulsions retardées 15, lesdits éléments 24, 25 et 26 étant connectés en série. A une deuxième entrée 27 du circuit "ET" 25 est raccordée la sortie d'un générateur de fréquence de référence 28.
Le formateur d'impulsions vidéo 24 est destiné à la formation d'une impulsion rectangulaire, dont le début coïncide avec le début du signal reçu de la sortie du multiplieur de signaux 12, la fin de ladite impulsion vidéo coïncidant avec la cessation dudit signal.
Le formateur d'impulsions vidéo 24 peut être réalisé, par exemple, sous forme d'un détecteur d'amplitude de signal à deux alternances et d'une- bascule de ..Schmitt, branchés en série.
L'additionneur numérique 26 à décodeur se présente sous forme d'un compteur des impulsions provenant du générateur de fréquence de référence'28 par l'intermédiaire du circuit "ET" 25, ce comptage se produisant lors de l'appli'cation à une autre entrée 29 du circuit "ET" 25 d'une impulsion provenant du formateur d'impulsions vidéo 24.
Le temps de remplissage de l'additionneur numérique 26 jusqu'au moment de son débordement est égal au retard du bloc de retard 4, de sorte que le début et la fin de l'impulsion attaquant le formateur d'intervalle de temps 18 sont décalés dans le temps d'une même valeur, le signal de sortie du formateur d'intervalle de temps 18 étant donc égal à la durée de passage des oscillations ultrasonores à travers le matériau.
Le générateur de fréquence de référence 28 est réalisé sous forme d'un générateur relaxateur stabilisé par cristal
(quartz).
Le discriminateur de durée d'impulsion 6 comporte une bascule synchronisatrice 30 (figure 3), dont l'entrée constitue l'entrée du discriminateur 6 et dont la sortie est raccordée aux entrées 31, 32, 33 des circuits "ET" 34, 35,
36, respectivement, et à l'entrée d'un conformateur 37. Les entrées 38 et 39, respectivement, des circuits "ET" 34 et
35 constituent une autre sortie 19 du discriminateur de durée d'impulsion 6.
L'entrée 40 du circuit "ET" 36 constitue elle-aussi une entrée du discriminateur 6. Les sorties des circuits "ET" 34 et 35 sont raccordées aux entrées d'un formateur d'intervalle de contrôle 41, dont la sortie est raccordée
à une des entrées 42 d'un circuit "ET" 43, dont l'autre entrée 44 constitue une entrée du discriminateur de durée d'impulsion 6.
La sortie du circuit "ET" 43 est raccordée à une entrée 45 d'un compteur d'impulsions 46 de contrôle, dont l'autre entrée 47 est raccordée à la sortie du circuit "ET"
36. La sortie du compteur d'impulsions 46 de contrôle est raccordée à une entrée 48 d'un décodeur 49, dont une deuxième entrée est raccordée à la sortie du conformateur 37, et la sortie, à l'entrée 23 du convertisseur de l'intervalle de temps en code numérique 22. A l'entrée 23 est raccordée également la sortie du conformateur 37.
Le fonctionnement du dispositif est illustré sur la figure 4 par des diagrammes temporels des tensions, à savoir :
<EMI ID=14.1>
rateur pilote 1;
<EMI ID=15.1>
plieur de signaux 14;
<EMI ID=16.1>
teur d'impulsions vidéo 24;
d, le diagramme de la tension U4 à la sortie du circuit "ET" 25;
<EMI ID=17.1>
tionneur numérique 26 à décodeur;
f, le diagramme de la tension U6 à l'entrée 20 du formateur d'intervalle de temps 18;
<EMI ID=18.1>
vertisseur de l'intervalle dé temps en code numérique 22;
<EMI ID=19.1>
49 du discriminateur de durée d'impulsion 6.
Sur la figure 5 sont représentés les diagrammes suivants :
<EMI ID=20.1>
cuit "ET" 35;
d, le diagramme de la tension U12 à la sortie du formateur de l'intervalle de contrôle 41;
<EMI ID=21.1>
formateur 37.
Sur la figure 6 sont représentés les diagrammes temporels suivants :
a, le diagramme de la tension U16 du signal ultrasonore à la sortie du convertisseur électroacoustique récepteur 9;
04 de de**
<EMI ID=22.1> . plificateur 13;
d, le diagramme des tensions !Il 9 à la sortie du multiplieur de signaux 14, où Uo est le niveau de bruit.
Le dispositif ultrasonore impulsionnel décrit fonctionne de la façon suivante :
Le générateur pilote 1 débite une séquence ininterrompue
<EMI ID=23.1>
termédiaire du bloc de retard 4 l'entrée 20 (mise en marche) du formateur d'intervalle de temps 18.
Le générateur d'impulsions de sondage 3 débite des impulsions qui excitent le convertisseur électroacoustique
<EMI ID=24.1>
traversé le matériau à étudier 8 sont reçues par le convertisseur électroacoustique récepteur 9 et sont amplifiées par l'amplificateur 12 jusqu' à U17 (figure 6b).
<EMI ID=25.1>
<EMI ID=26.1>
x, une fonction qui dépend de la forme du signal ultrasonore reçu;
t, la durée de passage des oscillations ultrasonores à travers le matériau, '
<EMI ID=27.1>
L'amplitude IL,8 = k2x (t) (<2>)
où k2 est le gain de l'amplificateur 13. Sur les figures 6b et 6c le signal de sortie de l'amplificateur est représenté pour un rapport
<EMI ID=28.1>
est l'amplitude de la première alternance du signal ultrasonore reçu.
Des sorties des amplificateurs 12 et 13, les signaux
<EMI ID=29.1>
multiplieur 14.
Les signaux utiles qui sont appliqués aux entrées du multiplieur 14 et qui sont de même phase sont additionnés de telle manière que la première alternance de travail.du signal ultrasonore reçu augmente de plusieurs fois.
Ainsi, dans le multiplieur 14 est réalisé la résolution de la fonction d'autocorrélation, et à sa sortie appa-
<EMI ID=30.1>
à
<EMI ID=31.1>
dont le début coïncide avec le début du signal acoustique
à l'échelle de temps réelle.
L'utilisation d'une ligne à retard acoustique dans le convertisseur électroacoustique récepteur 9 et d'un multiplieur de-signaux 14 ont permis d'améliorer le rapport signal/bruit, car la fonction d'autocorrélation d'un bruit lisse non lié statistiquement au signal utile (ladite fonction possédant des phases et des amplitudes aléatoires) est partiellement compensée dans le multiplieur 14 et le signal utile de périodicité prévue est séparé grâce à la corrélation avec un signal de référence de comparaison possédant la rnSme périodicité, même en présence de bruits importants masquant le signal utile, comme cela est représenté sur la figure 6d.
Dans le dispositif considéré, par exemple quand, aux entrées des amplificateurs, le rapport de l'amplitude du signal utile à l'amplitude d'un bruit du type "bruit blanc" est de 1/1, à la sortie du multiplieur 14 ce rapport est amélioré de plusieurs fois (pour un régime de fonctionnement optimal du multiplieur, jusqu'à 4/1).
De la sortie du multiplieur de signaux 14, le signal
<EMI ID=32.1>
attaque le formateur d'impulsions vidéo 24, où s'effectue la détection et la formation d'impulsions rectangulaires dont les flancs avant coïncident avec les flancs avant des signaux reçus U (figure 4c).
Lorsque l�entrée 29 du circuit "ET" 25 est attaquée
<EMI ID=33.1>
<EMI ID=34.1>
débités par le générateur de fréquence de référence 28, attaquent l'entrée de l'additionneur numérique 26 doté d'un décodeur.
<EMI ID=35.1>
à la capacité de l'additionneur numérique 26 à décodeur, la pause qui suit la cessation de l'impulsion vidéo remet immédiatement à zéro le nombre affiché et prépare l'additionneur numérique 26 à la réception de l'impulsion vidéo suivante.
La capacité de l'additionneur numérique 26 à décodeur est choisie de telle maniera que lorsqu'à son entrée est. appliqué le signal utile, le nombre d'impulsions attaquant
<EMI ID=36.1>
rence 28, soit de plusieurs fois plus grand.
Ainsi, lorsque le signal utile arrive, à l'opposé de ce qui ce produit en cas d'arrivée d'une impulsion de bruit, l'additionneur numérique 26 à décodeur sera toujours débor-
<EMI ID=37.1>
<EMI ID=38.1>
<EMI ID=39.1>
tériau.
Les impulsions IL (figure 4a) provenant: de la sortie 2 du générateur pilote 1 attaquent la bascule synchronisatrice
<EMI ID=40.1>
générateur par deux.
La sortie de la bascule synchronisatrice 30 est chargée par les entrées des deux circuits "ET" 34 et 35. La deuxième entrée 38 du circuit 34 est attaquée par une impul-
<EMI ID=41.1>
flanc arrière de l'intervalle de temps dujformateur d'inter-
<EMI ID=42.1>
34 sont appliqués simultanément des signaux d'unité logique le circuit 34 fonctionne et met en marche le conformateur d'intervalle de contrôle 41.
Aux entrées du circuit 35 arrivent également les signaux provenant du décodeur de l'additionneur numérique 26 et correspondant à la formation des nombres 98 et 99. Lors-
<EMI ID=43.1>
apparaissant à sa sortie est appliqué à l'entrée du conformateur d'intervalle de contrôle 41.
<EMI ID=44.1>
conformateur d'intervalle de contrôle 41 attaque l'entrée 42 du circuit "ET" 43 qui sert à remplir l'intervalle de contrôle avec les impulsions de référence du générateur pilote 1 par l'entrée 44 du circuit "ET" 43. Ainsi, à la sortie du
<EMI ID=45.1>
(figure 5e), dont la durée est multiple de la période de répétition des impulsions stabilisées par quartz et provenant de la sortie 2 du générateur pilote 1.
Ces paquets d'impulsions sont appliqués à l'entrée 45 du compteur d'impulsions 46 de contrôle, qui se compose d'une décade du diviseur de fréquence avec le décodeur 49 du chif-
<EMI ID=46.1>
lors de la coïncidence dans le temps des signaux provenant
<EMI ID=47.1>
chronisation 30.
<EMI ID=48.1>
<EMI ID=49.1>
avec le flanc avant du signal ultrasonore, reçu, ce dernier fluctue sans cesse dans le temps et dans une partie des éléments de signal. Le flanc avant du signal utile est séparé des impulsions de bruit par une pause. Dans ces conditions, la durée de l'intervalle de temps formé par le formateur d'intervalle de temps 18, de même que la durée de l'impulsion du conformateur d'intervalle de contrôle 41 du discriminateur de durée d'impulsion 6, varient elles aussi, ainsi que par conséquent, le nombre d'impulsions de fréquence de référence attaquant le compteur d'impulsions 46 de contrôle.
Si la durée de l'impulsion du formateur d'intervalle
<EMI ID=50.1>
des impulsions stabilisées par quartz et provenant de la sortie 2 du générateur pilote 1 (ce qui correspond à la présence d'une pause entre l'impulsion de brùit et le flanc avant du signal utile), dans le compteur d'impulsions 46 de contrôle
<EMI ID=51.1>
Alors, à l'entrée 23 du convertisseur d'intervalle de temps 22, par l'intermédiaire du décodeur 49, est appliquée
<EMI ID=52.1>
l'affichage du résultat sur l'indicateur.
En cas de présence de bruits coïncidant avec le flanc avant du signal ultrasonore, les périodes de répétition des
<EMI ID=53.1>
mérique 26 à décodeur et du générateur pilote 1 ne coïncident pas, le compteur d'impulsions 46 de contrôle ne se met pas en position "9", et, par conséquent n'applique pas au décodeur 49 le signal d'autorisation. Si le décodeur 49 ne fournit pas un signal d'autorisation d'affichage au convertis-
<EMI ID=54.1>
qué par des impulsions de mise à zéro, à la fréquence de la bascule de synchronisation 30.
Sur les indicateurs numériques sont affichés des zéros. Ainsi, le bruit du type impulsionnel, non confondu avec le signal utile, est éliminé par l'additionneur numérique 26, et le bruit coïncidant avec le signal utile est éliminé'par le discriminateur de durée d'impulsion 6. Pour l'affichage du résultat des mesures sur le convertisseur de l' int ervalle de temps en code numérique 22, il suffit que l'impulsion de bruit forme une seule pause devant le flanc avant du signal utile au moins dans un élément de signal de
50 à 100 éléments de signal ultrasonore, de sorte que le processus d'une mesure unitaire effectuée par le dispositif n'exige que 1 à 2 s, sans compter le temps de remise à zéro des convertisseurs électroacoustiques.
Ainsi, dans le dispositif en question est réalisé un système de protection contre les bruits, permettant de procéder à la mesure de la durée de propagation des oscillations ultrasonores lorsqu'à l'entrée du dispositif agissent des perturbations acoustiques provenant de machines et de mécanismes en action, et il y est aussi réalisé un système de protection contre l'action des bruits impulsionnels non synchrones de type déterminé et contre l'action d'un bruit lisse du type bruit "blanc", ce qui est obtenu en faisant appel à une analyse d'autocorrélation du signal ultrasonore utile reçu, et en utilisant des circuits logiques de recherche et de comparaison du signal utile.
Ceci permet d'utiliser le dispositif pour le contrôle de la qualité des matériaux, par exemple dans les carrières, à proximité immédiate des machines et des mécanismes en action, et de procéder au contrôle sans avoir à arreter le fonctionnement des machines de coupe.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple . En particulier, elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent.
REVENDICATIONS
1. Dispositif ultrasonore impulsionnel pour le contrôle des matériaux de construction, du type comportant,
pour la mesure de la durée de propagation des impulsions ultrasonores à travers le matériau à contrôler, un générateur pilote dont la sortie est raccordée à l'entr.ée d'un générateur d'impulsions de sondage raccordé à un convertisseur électroacoustique émetteur qui lors du contrôle, est disposé à la surface du matériau à contrôler, un convertisseur électroacoustique récepteur disposé lui aussi à la surface .du matériau à contrôler et dont la sortie est raccordée
à un amplificateur, et un formateur d'intervalle de temps
dont la sortie est raccordée à l'entrée d'un convertisseur d'intervalle de temps en code numérique, caractérisé en ce qu'il comporte un bloc de retard dont l'entrée est raccordée
à la sortie du générateur pilote, et la sortie, à l'une des entrées du formateur d'intervalle de temps, un discriminateur de durée d'impulsion et un conformateur intégrateur
des impulsions retardées, dont l'entrée est reliée électriquement à la sortie de l'amplificateur, et la sortie, à
une autre entrée du formateur d'intervalle de temps et, par l'intermédiaire du discriminateur de durée d'impulsion à l'une des entrées du convertisseur d'intervalle de temps en code numérique, une deuxième entrée du discriminateur de durée .
<EMI ID=55.1>
The present invention relates to devices for studying materials using ultrasonic waves, and to
more precisely for object a pulsed ultrasonic device for the control of building materials:
This device is used to-check building materials and rocks, such as granite, marble, limestone, concrete, on construction sites, in quarries and scientific laboratories to detect heterogeneities in materials, splitting, macrodefects, volume cracking zones and rock dislocations by measuring the propagation time of the ultrasonic oscillation pulses which have passed through the ma-. material to study.
In addition, this device can be applied for the measurement of the propagation speed of ultrasonic oscillations in these materials. ,
A pulsed ultrasound device is already known for checking materials. This device comprises a pilot generator for measuring the propagation time of the ultrasonic pulses through the material to be tested, the output of which is connected to a sounding pulse generator connected to an emitting electroacoustic converter which, during the test, is placed at the surface of the material to be tested, as well as an electroacoustic converter receiving
<EMI ID = 1.1>
is connected to one of the inputs of a time interval formatter, the other input of which is electrically connected to the output of the pilot generator, the output of said trainer being connected to the input of an interval converter. time
<EMI ID = 2.1>
The control of building materials using the pulsed ultrasonic device is carried out as follows. The receiver and transmitter electroacoustic converters are placed on the construction material to be controlled, or on a product made of this material, on an acoustic basis chosen from 0.1 to 2 m. The pilot generator periodically outputs pulses which trigger the time interval trainer and the welding pulse generator.
<EMI ID = 3.1> sends the ultrasonic pulses into the material to be studied. The ultrasonic pulses that have passed through the material are received by the receiving electroacoustic converter, are amplified, and drive one of the inputs of the time interval former. From the output of the time interval trainer; rectangular pulses whose duration is equal to
<EMI ID = 4.1>
are applied to the time interval converter to digital code, and the result is displayed on an indicator. The result obtained, which is the duration of the passage of the ultrasonic oscillations, is recalculated, the acoustic basis being known, in terms of the speed of the ultra-sound.
When checking rocks in blocks and in a massif, given the presence of structural heterogeneities, we first determine the average speed of the ultrasound in a zone without defects of the medium to be studied and we construct
a "speed of the ultrasound - defect index" rating curve. Then the result of the measurement of the speed of the ultrasound is compared with the data of the rating curve in order to judge the degree of defect and the quality of the product.
However, this known device cannot be used on construction sites and in quarries, when the level of acoustic noise of industrial origin is high (concrete mixers, sawing machines, cutters for cutting rock blocks, percussion mechanisms, etc. ), because the receiving electroacoustic converter is attacked, in addition to the useful signal, by random signals and noises coming from the mechanisms and machines in action and which can cause failures of the time interval shaper, the device then displaying information erroneous on the quality of the checked material.
The present invention relates to an ultrasonic pulse device for the control of building materials, which would be designed so as to exclude the operation of the time interval shaper under the action of non-synchronous pulse noises of a determined type and to ensure
correct and reliable operation of the device in the presence of acoustic noises.
This problem is solved with an ultra- <EMI ID = 5.1> device
ultrasonic pulses through the material to be tested, a pilot generator whose output is connected to the input of a sounding pulse generator, connected to a converter
<EMI ID = 6.1>
connected to an amplifier, a Time interval former, the output of which is connected to the input of a converter of the time interval into digital code, said device
<EMI ID = 7.1> reference frequency.
Such a design of the device makes it possible to carry out a correct and reliable control of the construction material under conditions where the receiving electroacoustic converter is subjected to the action, not only of the useful signal, but also to that of asynchronous impulse noises of a determined type, with a ratio of the noise amplitude to the amplitude
<EMI ID = 8.1>
possibilities of the device from the point of view of operating conditions.
However, all of these characteristics do not fully protect the device against the action of noise, because the receiving electroacoustic converter, when operating in a quarry, is subjected to the action of machinery.
and operating mechanisms, which produce a smooth "white noise" type noise.
To eliminate this drawback, it is advantageous to introduce into the device also an amplifier and a signal multiplier, one input of which is connected to the output of one of the amplifiers, and another, to
the output of the other amplifier, the output of said signal multiplier being connected to the integrator of the delayed pulses, and to realize the receiving electroacoustic converter in the form of two piezoelectric resonators connected in phase concordance, the output of one
<EMI ID = 9.1>
cators, the output of the second resonator, at the input of the other amplifier, one of the resonators being mounted directly to the surface of the material, and the second resonator being mounted to the surface of the material via a acoustic delay line, whose delay base is equal
at half the wavelength of the resonator.
The characteristics of the inventa or. Will emerge more clearly from the following description given by way of nonlimiting example with reference to the accompanying drawings, which represent:
- Figure 1, the block diagram of a pulsed ultrasonic device, according to the invention;
- Figure 2, the block diagram of a variant embodiment of the integrator of the delayed pulses according to the invention;
FIG. 3, the block diagram of an alternative embodiment of the pulse duration discriminator;
FIG. 4, the time diagrams of the voltages illustrating the operation of the device according to the invention;
FIG. 5, the time diagrams of the voltages, illustrating the operation of the pulse duration discriminator, according to the invention;
FIG. 6, the time diagrams of the voltages, illustrating the operation of the multiplier of the signals one by the other, according to the invention.
The pulsed ultrasonic device for the control of building materials has a pilot generator 1 (figure 1), the output of which 2 is connected to the input of a probing pulse generator 3, to the input of a block delay 4 and the input 5 of a pulse duration discriminator 6. The pilot generator 1 is implemented as
<EMI ID = 10.1>
(quartz), and is intended for the synchronization of the operation of the device.
The output of the sounding pulse generator 3 is connected to an emitting electracoustic converter 7,
which is mounted on the surface of the material to be tested 8.
Generator 3 is designed as a switch to
high voltage and is intended to excite the emitting electroacoustic converter 7, the latter being produced, for example,
based on a piezoelectric resonator serving to transform the electrical energy of the pulse of the probing pulse generator 3 into mechanical energy of the ultrasonic oscillations.
On the surface of the material to be tested 8, at a chosen distance from the emitting electroacoustic converter 7, is mounted an electroacoustic receiver converter 9, the outputs 10, 11 of which are connected to the inputs of the amplifiers
12 and 13, respectively. The receiving electroacoustic converter 9 is made in the form of two piezoelectric resonators connected in phase match and having a
same working frequency, one of said resonators being mounted on the surface of the material to be controlled 8 directly, and the other, via an acoustic delay line, the delay base of which is equal to half the wavelength of the resonators.
The outputs of amplifiers 12 and 13 are connected
to the inputs of a multiplier 14 whose output is connected
at the input of an integrating shaper 15 of the delayed pulses.
The multiplier 14 is intended to multiply one by the other the amplitudes of two signals of the same frequency, offset with respect to each other by half an oscillation period ....
<EMI ID = 11.1> <EMI ID = 12.1>
time interval formatter 18 and to an input 19 of the pulse width discriminator 6.
A second input 20 of the time slot formatter 18 is connected to the output of the delay block 4, the output of this formatter being connected to one of the inputs 21 of a converter of the time slot to digital code. 22, a second input 23 of which is connected to the output of the pulse width discriminator 6.
The time interval trainer 18 is produced, for example, in the form of a flip-flop and is intended for forming the time interval between the moment of application to the product to be monitored of the ultrasonic pulse delayed for a determined duration by the delay block 4, and the moment of reception of the ultrasonic signal having passed through the product to be tested 8, delayed for a period determined by the delay of the integrator of delayed pulses
15.
The delay block 4 is in the form of a rectangular pulse generator of fixed duration t.
<EMI ID = 13.1>
consists of a video pulse generator 24 (FIG. 2), the input of which constitutes the input of the integrator delay pulse generator 15, an "AND" logic circuit 25 and an associated digital adder 26 to a decoder, the output of which constitutes the output 16 of the delayed pulse integrator 15, said elements 24, 25 and 26 being connected in series. To a second input 27 of the "AND" circuit 25 is connected the output of a reference frequency generator 28.
The video pulse former 24 is intended for forming a rectangular pulse, the start of which coincides with the start of the signal received from the output of the signal multiplier 12, the end of said video pulse coinciding with the termination of said signal.
The video pulse former 24 may be implemented, for example, as a two-wave signal amplitude detector and ... Schmitt flip-flop, connected in series.
The decoder digital adder 26 takes the form of a counter of the pulses coming from the reference frequency generator 28 through the "AND" circuit 25, this counting occurring during the application to a. another input 29 of the "AND" circuit 25 of a pulse from the video pulse generator 24.
The filling time of the digital adder 26 until the moment of its overflow is equal to the delay of the delay block 4, so that the start and end of the pulse driving the timeslot formatter 18 are shifted. in time of the same value, the output signal of the time interval former 18 therefore being equal to the duration of the passage of the ultrasonic oscillations through the material.
The reference frequency generator 28 is designed as a crystal stabilized relaxer generator.
(quartz).
The pulse duration discriminator 6 comprises a synchronizing flip-flop 30 (FIG. 3), the input of which constitutes the input of the discriminator 6 and the output of which is connected to the inputs 31, 32, 33 of the "AND" circuits 34, 35 ,
36, respectively, and at the input of a shaper 37. The inputs 38 and 39, respectively, of the "AND" circuits 34 and
35 constitute another output 19 of the pulse duration discriminator 6.
The input 40 of the "AND" circuit 36 also constitutes an input of the discriminator 6. The outputs of the "AND" circuits 34 and 35 are connected to the inputs of a control interval formatter 41, the output of which is connected.
to one of the inputs 42 of an "AND" circuit 43, the other input 44 of which constitutes an input of the pulse duration discriminator 6.
The output of the "AND" circuit 43 is connected to an input 45 of a control pulse counter 46, the other input 47 of which is connected to the output of the "AND" circuit.
36. The output of the control pulse counter 46 is connected to an input 48 of a decoder 49, a second input of which is connected to the output of the shaper 37, and the output to the input 23 of the converter. time interval in digital code 22. At the input 23 is also connected the output of the shaper 37.
The operation of the device is illustrated in FIG. 4 by time diagrams of the voltages, namely:
<EMI ID = 14.1>
pilot rator 1;
<EMI ID = 15.1>
signal folder 14;
<EMI ID = 16.1>
video pulse generator 24;
d, the diagram of the voltage U4 at the output of the "AND" circuit 25;
<EMI ID = 17.1>
digital actuator 26 with decoder;
f, the diagram of the voltage U6 at the input 20 of the time interval formatter 18;
<EMI ID = 18.1>
digital code time interval vertiser 22;
<EMI ID = 19.1>
49 of the pulse width discriminator 6.
In Figure 5 are shown the following diagrams:
<EMI ID = 20.1>
cooked "AND" 35;
d, the diagram of the voltage U12 at the output of the formatter of the control interval 41;
<EMI ID = 21.1>
trainer 37.
In Figure 6 are shown the following timing diagrams:
a, the diagram of the voltage U16 of the ultrasonic signal at the output of the receiving electroacoustic converter 9;
04 of of **
<EMI ID = 22.1>. plifier 13;
d, the diagram of the voltages! Il 9 at the output of the signal multiplier 14, where Uo is the noise level.
The described pulsed ultrasound device operates as follows:
Pilot generator 1 delivers an uninterrupted sequence
<EMI ID = 23.1>
Intermediate delay block 4 input 20 (power on) of time slot formatter 18.
The sounding pulse generator 3 outputs pulses which excite the electroacoustic converter
<EMI ID = 24.1>
passed through the material to be studied 8 are received by the receiving electroacoustic converter 9 and are amplified by the amplifier 12 up to U17 (FIG. 6b).
<EMI ID = 25.1>
<EMI ID = 26.1>
x, a function which depends on the shape of the received ultrasonic signal;
t, the duration of passage of the ultrasonic oscillations through the material, '
<EMI ID = 27.1>
The amplitude IL, 8 = k2x (t) (<2>)
where k2 is the gain of amplifier 13. In Figures 6b and 6c the output signal of the amplifier is shown for a ratio
<EMI ID = 28.1>
is the amplitude of the first half wave of the received ultrasonic signal.
From the outputs of amplifiers 12 and 13, the signals
<EMI ID = 29.1>
multiplier 14.
The useful signals which are applied to the inputs of the multiplier 14 and which are of the same phase are added in such a way that the first working half-wave of the received ultrasonic signal increases by several times.
Thus, in the multiplier 14 is carried out the resolution of the autocorrelation function, and at its output appears.
<EMI ID = 30.1>
at
<EMI ID = 31.1>
the start of which coincides with the start of the acoustic signal
on the real time scale.
The use of an acoustic delay line in the receiving electroacoustic converter 9 and of a signal multiplier 14 made it possible to improve the signal-to-noise ratio, because the autocorrelation function of a smooth noise not statistically linked the useful signal (said function having random phases and amplitudes) is partially compensated in the multiplier 14 and the useful signal of predicted periodicity is separated thanks to the correlation with a comparison reference signal having the same periodicity, even in the presence of significant noise masking the useful signal, as shown in FIG. 6d.
In the device under consideration, for example when, at the inputs of the amplifiers, the ratio of the amplitude of the useful signal to the amplitude of a noise of the "white noise" type is 1/1, at the output of the multiplier 14 ce ratio is improved by several times (for optimum operating speed of the multiplier, up to 4/1).
From the output of the signal multiplier 14, the signal
<EMI ID = 32.1>
drives the video pulse generator 24, where the detection and formation of rectangular pulses takes place, the leading edges of which coincide with the leading edges of the received signals U (FIG. 4c).
When input 29 of the "AND" circuit 25 is attacked
<EMI ID = 33.1>
<EMI ID = 34.1>
charged by the reference frequency generator 28, drive the input of the digital adder 26 provided with a decoder.
<EMI ID = 35.1>
At the capability of the decoder digital adder 26, the pause following the cessation of the video pulse immediately resets the displayed number to zero and prepares the digital adder 26 to receive the next video pulse.
The capability of digital adder 26 to decoder is chosen such that when at its input is. applied the useful signal, the number of pulses attacking
<EMI ID = 36.1>
number 28, or several times greater.
Thus, when the useful signal arrives, contrary to what it produces in the event of the arrival of a noise pulse, the digital adder 26 with decoder will always be overflowed.
<EMI ID = 37.1>
<EMI ID = 38.1>
<EMI ID = 39.1>
terial.
The IL pulses (figure 4a) coming from: the output 2 of the pilot generator 1 drive the synchronizing rocker
<EMI ID = 40.1>
generator by two.
The output of the synchronizing flip-flop 30 is loaded by the inputs of the two "AND" circuits 34 and 35. The second input 38 of the circuit 34 is driven by a pulse.
<EMI ID = 41.1>
trailing edge of the inter-
<EMI ID = 42.1>
34 are simultaneously applied logic unit signals circuit 34 operates and turns on check interval shaper 41.
At the inputs of circuit 35 also arrive the signals coming from the decoder of the digital adder 26 and corresponding to the formation of the numbers 98 and 99. When-
<EMI ID = 43.1>
appearing at its output is applied to the input of the inspection interval shaper 41.
<EMI ID = 44.1>
control interval shaper 41 drives the input 42 of the "AND" circuit 43 which serves to fill the control interval with the reference pulses of the pilot generator 1 through the input 44 of the "AND" circuit 43. Thus, at the end of
<EMI ID = 45.1>
(Figure 5e), the duration of which is a multiple of the repetition period of the pulses stabilized by quartz and coming from output 2 of pilot generator 1.
These pulse packets are applied to input 45 of the control pulse counter 46, which consists of a decade of the frequency divider with the decoder 49 of the digit.
<EMI ID = 46.1>
when the signals from
<EMI ID = 47.1>
chronization 30.
<EMI ID = 48.1>
<EMI ID = 49.1>
with the leading edge of the received ultrasonic signal, the latter constantly fluctuates in time and in part of the signal elements. The leading edge of the wanted signal is separated from the noise pulses by a pause. Under these conditions, the duration of the time interval formed by the time interval formatter 18, as well as the duration of the pulse of the control interval shaper 41 of the pulse duration discriminator 6, vary. they too, as well as consequently, the number of reference frequency pulses driving the control pulse counter 46.
If the duration of the pulse of the interval trainer
<EMI ID = 50.1>
pulses stabilized by quartz and coming from output 2 of pilot generator 1 (which corresponds to the presence of a pause between the noise pulse and the leading edge of the useful signal), in the control pulse counter 46
<EMI ID = 51.1>
Then, to the input 23 of the time slot converter 22, through the decoder 49, is applied
<EMI ID = 52.1>
display of the result on the indicator.
In case of the presence of noises coinciding with the leading edge of the ultrasonic signal, the repetition periods of the
<EMI ID = 53.1>
The decoder unit 26 and the pilot generator 1 do not coincide, the control pulse counter 46 does not move to the "9" position, and therefore does not apply the authorization signal to the decoder 49. If the decoder 49 does not provide a display enable signal to the converter
<EMI ID = 54.1>
qué by zeroing pulses, at the frequency of the synchronization rocker 30.
On the digital indicators are displayed zeros. Thus, the noise of the pulse type, not confused with the useful signal, is eliminated by the digital adder 26, and the noise coinciding with the useful signal is eliminated by the pulse duration discriminator 6. For the display of the result of the measurements on the time interval to digital code converter 22, it suffices that the noise pulse forms a single pause in front of the leading edge of the useful signal at least in one signal element of
50 to 100 ultrasonic signal elements, so that the process of a unit measurement performed by the device requires only 1 to 2 s, not including the reset time of the electroacoustic converters.
Thus, in the device in question, a noise protection system is produced, making it possible to measure the propagation time of the ultrasonic oscillations when, at the input of the device, acoustic disturbances from machines and mechanisms act. action, and there is also produced a system of protection against the action of non-synchronous impulse noise of a determined type and against the action of a smooth noise of the "white" noise type, which is obtained by using a autocorrelation analysis of the received useful ultrasonic signal, and using logic circuits for searching and comparing the useful signal.
This makes it possible to use the device for controlling the quality of materials, for example in quarries, in the immediate vicinity of the machines and mechanisms in action, and to carry out the control without having to stop the operation of the cutting machines.
Of course, the invention is in no way limited to the embodiment described and shown which has been given only by way of example. In particular, it comprises all the technical equivalents of the means described, as well as their combinations, if these are carried out according to its spirit and implemented within the framework of the following claims.
CLAIMS
1. Pulse ultrasonic device for checking construction materials, of the type comprising,
for the measurement of the duration of propagation of the ultrasonic pulses through the material to be tested, a pilot generator whose output is connected to the input of a sounding pulse generator connected to an emitting electroacoustic converter which during the control, is placed on the surface of the material to be tested, an electroacoustic converter receiver also placed on the surface of the material to be tested and whose output is connected
to an amplifier, and a time interval trainer
the output of which is connected to the input of a time slot converter into digital code, characterized in that it comprises a delay block whose input is connected
at the output of the pilot generator, and at the output, at one of the inputs of the time interval formatter, a pulse duration discriminator and an integrating modifier
delayed pulses, the input of which is electrically connected to the output of the amplifier, and the output, to
another input of the time slot formatter and, through the pulse duration discriminator to one of the inputs of the time slot to digital code converter, a second input of the duration discriminator.
<EMI ID = 55.1>