Circuit qui mesure la vitesse du son dans le béton

J'ai besoin d'un circuit pour mesurer la vitesse du son dans le béton à 1 μs ou mieux. Il s'agit d'une démonstration scolaire où les étudiants qui étudient la construction utiliseront ce circuit pour mesurer la vitesse du son dans un échantillon de béton afin de déterminer la qualité du béton.

J'ai deux transducteurs à 40 kHz: l'un pour transmettre l'impulsion et l'autre pour détecter l'impulsion de l'autre côté de l'échantillon de béton d'environ 10 cm d'épaisseur.

J'ai des processeurs PIC pour générer l'impulsion et puis détecter l'impulsion.

Cependant, quand je regarde les nombreux testeurs de béton ultrasoniques commerciaux sur

http://www.alibaba.com/trade/search?sb=y&IndexArea=product_en&CatId=&SearchText=Ultrasonic+Concrete+Tester

Il ressort de leurs spécifications qu'ils fonctionnent avec des transducteurs khz, pas mhz. Ils ne mentionnent pas de fréquences supérieures à 200 kHz. Peut-être existe-t-il une limitation de la bonne transmission du son dans le béton aux fréquences khz parce que les fréquences mhz sont atténuées?

J'ai besoin de construire un système étudiant TRÈS FAIBLE COÛT, et je ne trouve que des transducteurs 40 kHz peu coûteux. Les transducteurs Mhz que je peux trouver sont beaucoup trop chers pour mes besoins.

Il ressort des spécifications des appareils commerciaux qu'ils utilisent des impulsions de 20 à 20 ms, puis attendent la détection d'un récepteur avant d'envoyer une autre impulsion. Ainsi, l'impulsion la plus courte serait juste une onde sinusoïdale complète de 40 kHz et les impulsions plus longues seraient plusieurs ondes sinusoïdales complètes de 40 kHz. Toute distorsion peut être sans importance car ils ne détectent pas une fréquence à bande étroite, mais juste la première augmentation de l'impulsion du récepteur?

Est-ce que ceci signifie quelque chose pour quelqu'un? Je veux dire, quelqu'un peut-il m'aider à résoudre ce problème ...

Je vous remercie.

Ayant travaillé dans l'industrie des ultrasons / CND industriels (bien qu'il y ait environ 30 ans :)), je vais essayer d'ajouter aux excellents conseils que vous avez déjà reçus.

Kaz fait un très bon point que vous devez utiliser un oscilloscope. C'est potentiellement un projet très difficile et vous devez faire la R&D nécessaire sur les ultrasons avant de faire trop de conception de circuits.

Il y a quelques problèmes avec les transducteurs 40 kHz que vous pouvez ou ne pouvez pas surmonter. Tout d'abord, comme l'a souligné Andy aka, le temps passé par les ultrasons à travers le béton n'est pas très différent de la période d'une onde de 40 kHz. Vous POUVEZ être en mesure de surmonter cela en mesurant la phase du signal reçu par rapport au signal transmis. Deuxièmement, vos transducteurs étaient probablement conçus pour être utilisés dans l'air. En raison du grand changement de densité lorsque les ultrasons entrent et sortent du béton, vous perdrez la plupart de votre signal en raison des réflexions. Le signal n'est peut-être pas suffisant au niveau du récepteur. Puisque c'est probablement votre solution la plus simple, cela vaut la peine de le tester avec un oscilloscope.

Maintenant, les choses deviennent plus complexes. Vous aurez peut-être besoin d'un couplant autre que de l'air pour réduire la non-correspondance de densité. Le couplant est le milieu entre les transducteurs et le matériau testé. Si vous pouvez immerger votre échantillon, l'eau est probablement le meilleur choix. Si vous ne pouvez pas immerger l'échantillon, vous pouvez éventuellement utiliser de la graisse, de la gelée de pétrole, de l'huile minérale ou un type de gel (je connaissais un ingénieur d'applications ultrasons qui a juré par le gel capillaire Dippity-Do, mais je ne pense pas que cela soit fait plus). Vos transducteurs de 40 khz peuvent ne pas être compatibles avec des couplants autres que l'air. Le couplant fluide doit remplacer tout l'air entre la surface du transducteur et l'échantillon testé.

Andy aka a également fait la suggestion de transducteurs de fréquence plus élevée. Vous devez savoir que lorsque vous entrez dans la gamme Mhz, vous aurez certainement besoin d'un couplant autre que l'air car les ultrasons à ces fréquences s'atténuent très rapidement dans l'air. Je suis loin de l'entreprise et je ne connais plus les prix ou les sources des transducteurs, mais Google vous y aidera. Edit: D'après des recherches supplémentaires, je constate que les fréquences adaptées à l'inspection du béton se situent généralement dans la plage de 24 kHz à 200 kHz (voir "Recherches supplémentaires" ci-dessous).

Ces transducteurs de fréquence plus élevée sont généralement pulsés avec une impulsion haute tension très rapide, généralement peut-être 300 V ou plus en <10 ns (le plus rapide sera le mieux). Ceci est généralement réalisé avec un SCR rapide ou, selon la tension, des circuits impliquant plusieurs SCR en série. C'est un peu comme sonner une cloche avec un marteau.

Concernant la mesure de la vitesse: Si vos transducteurs ne sont pas en contact avec l'échantillon, vous devrez soustraire le temps de parcours à travers le couplant (eau ou air ou autre). La vitesse du son dans le couplant peut varier en raison de divers facteurs (tels que la température et les contaminants), donc pour une meilleure précision, vous pouvez le mesurer sans le béton en place en connaissant la séparation entre les transducteurs. Vous devez ensuite soustraire l'épaisseur du béton de la séparation du transducteur pour déterminer la distance parcourue à travers le couplant, puis en connaissant la distance à travers le couplant et la vitesse du son à travers le couplant, vous pouvez calculer le temps passé à traverser le couplant.

Concernant votre horloge d'échantillonnage et votre résolution de mesure de vitesse: Une technique utilisée dans l'industrie des ultrasons pour augmenter "efficacement" la résolution consiste à utiliser des horloges asynchrones distinctes. Une horloge pour dériver le déclencheur de votre impulsion de transmission et une horloge différente pour la mesure du temps. Vous prenez ensuite la moyenne de nombreuses mesures. Bien sûr, si vous n'avez besoin que d'une résolution de 1 μs dans votre minuterie, cela ne sera pas nécessaire.

Je viens de trouver le test de vitesse d'impulsion ultrasonique du béton sur youtube. Il n'y a pas beaucoup d'informations techniques sur les ultrasons eux-mêmes, mais cela peut fournir des informations utiles. Il existe également des liens vers d'autres vidéos connexes. Je vois qu'ils utilisent un contact direct entre les transducteurs et le béton recommandant de la graisse ou de la vaseline comme couplant.

Le NDT Resource Center possède également de nombreuses informations utiles sur les tests ultrasoniques.

Modifier ... Recherche supplémentaire :

Selon les transducteurs ultrasoniques à basse fréquence et à impulsion courte avec contact à point sec. Développement et application. :

Le contrôle par ultrasons du béton et du béton armé est possible sur les fréquences pas plus de 150 - 200 kHz.

Cet article continue en discutant un transducteur "Dry Point Contact" (DPC) qui n'utilise apparemment aucun couplant.

Je ne sais pas si vous trouverez quelque chose d'utile ici, mais il est bon de connaître des approches alternatives.

L'AMÉLIORATION DES APPAREILS À ULTRASONS POUR L'INSPECTION COURANTE DU BÉTON est un document très informatif sur le sujet. Sont particulièrement intéressants:

• 2.3 Techniques d'inspection du béton et non destructives (traite de diverses techniques à ultrasons et d'autres techniques alternatives)
• 2.4 L'équipement de test PUNDIT (traite des blocs composant la conception de l'équipement à ultrasons utilisé ainsi que des transducteurs utilisés)

Cet article discute également des fréquences utilisées pour les essais de béton:

Différentes tailles d'élément piézo-électrique et de boîtier permettent une gamme de fréquences centrales de transducteur de 24 kHz à 200 kHz adaptée aux tests du béton.

Remarque finale: Étant donné que l'utilisation de transducteurs coûteux et de pulseurs haute tension peut être en dehors de votre budget en temps et en argent pour un projet étudiant, si cela ne vous dérange pas de risquer quelques transducteurs sur certains projets de R&D, je vous suggère de faire quelques tentatives de modification de certains transducteurs d'air à 40 kHz peu coûteux pour permettre l'utilisation d'un couplant. Utilisez une transmission directe avec contact direct sur le béton (d'une épaisseur connue) et voyez si vous pouvez recevoir un signal. Il y a beaucoup d'aide sur le Web concernant les circuits de ces transducteurs. Vous pouvez commencer par Comment câbler un transducteur à ultrasons

Vous n'avez pas besoin d'un circuit, j'utiliserais:

• marteau (voir le commentaire @hoosierEE, le marteau peut être exagéré)
• deux petits microphones piézoélectriques (même un haut-parleur piézo peut fonctionner)
• Oscilloscope numérique à 2 canaux

Collez / collez un microphone piézo de chaque côté du béton. Connectez le piezo 1 à la sonde 1, l'autre à la sonde 2. Activez les deux canaux. Réglez la portée pour déclencher et retenir la sonde 1. Tapez sur le béton avec le marteau à côté du piézo 1. La portée devrait se déclencher et vous pourrez ensuite calculer la différence entre les impulsions initiales et finales. Effectuez plusieurs mesures pour augmenter la précision.

Cela coûtera beaucoup moins cher et prendra moins de temps que les autres projets. En prime, vous aurez un oscilloscope numérique pour d'autres pracs tels que les moteurs, les microphones, etc.

La vitesse du son dans le béton (selon uk.ask.com ) est d'environ 3400 m / s et il faudra donc environ$\dfrac{10 cm}{3400 m/s}$ secondes pour parcourir un bloc de béton de 10 cm - soit environ 29$\mu s$.

Un transducteur à ultrasons de 40 kHz veut produire une onde sinusoïdale à 40 kHz et donc la réception de ce que vous pensez être une impulsion va être soumise à beaucoup de filtrage passe-bande (en raison du transducteur à 40 kHz).

Hormis la lenteur du signal reçu, 40 kHz a une période de 25$\mu s$ et c'est à peu près la durée prévue pour que le son traverse le béton.

Je crois que vous devriez rechercher des transducteurs qui ont une fréquence de résonance massivement plus élevée, peut-être aussi élevée que 10 MHz. Cela signifie que vous pouvez appliquer une impulsion qui ne dure que quelques microsecondes et vous attendre à ce que les fronts de l'impulsion soient fiables pour déclencher des compteurs afin de calculer le retard.

Voici la première page d'une fiche technique pour un appareil à ultrasons typique à 40 kHz: -

Notez (dans l'encadré rouge) la bande passante limitée - cela signifie qu'une impulsion délivrée à l'appareil produira une série d'oscillations de sonnerie en décroissance de 40 kHz, ce qui rend les mesures sensibles un peu dénuées de sens. Idem lors de la réception d'un signal qui pourrait être une impulsion.

Pour simplifier le projet, je n'essaierais pas de faire un mécanisme électronique pour générer l'impulsion à l'intérieur du béton. Frappez simplement le béton avec un objet dur. Utilisez des capteurs uniquement pour capter le son.

Peut-être qu'une sorte de solénoïde peut être montée pour vibrer d'avant en arrière et taper sur le béton tant de fois par seconde.

Mon commentaire mentionne déjà l'oscilloscope. En utilisant cela, vous pourrez peut-être obtenir un delta temporel entre deux points sur le bloc de béton.

Connaissant la position de ces deux blocs et la position où le béton est frappé, en supposant une vitesse uniforme du son dans toutes les directions dans le béton, vous pouvez trianguler pour obtenir la vitesse.

Je parie que si vous pouvez taper sur le béton, disons, au moins 30 fois par seconde, vous pourrez peut-être obtenir une image de trace stable avec une ancienne portée analogique peu coûteuse. Le balayage peut être déclenché par un canal (correspondant au transducteur précédent).

Je me demande si rien de plus qu'un outil de gravure électrique bon marché ne suffirait pas à générer des signaux sonores suffisamment utiles dans le béton. Ces outils ont une pointe métallique pointue qui vibre. Ils sont utilisés comme un stylo pour graver des marques d'identification sur des objets (généralement en plastique ou en métal). Le point de ciseau métallique est tapé à un multiple de fréquence de ligne comme 120 Hz. Lorsque vous déplacez l'outil trop rapidement, vous pouvez voir les robinets individuels dans la trace résultante sur le matériau à graver.

Nous n'avons pas besoin des impulsions pour arriver avec une fréquence élevée; juste quelque chose d'assez haut pour obtenir un affichage visuel stable (mais suffisamment bas pour que tous les échos internes dans le bloc de béton puissent s'éteindre avant l'impulsion suivante). Nous voulons que les impulsions aient individuellement un contenu haute fréquence: avoir un bord tranchant. Lorsque des objets durs sont frappés, cela a tendance à produire des signaux nets, avec un contenu en fréquence dans la gamme des ultrasons.

Je suis loin de mes connaissances, mais je doute fort que vous puissiez vous fier au PIC pour le timing. Cela signifie que si vous notez simplement l'heure, envoyez le stimulus, recevez la réponse et comparez ensuite l'heure, je peux imaginer qu'il pourrait être très difficile d'obtenir une lecture précise. Vous avez besoin d'un circuit qui émettra le stimulus, lira la réponse et émettra une valeur représentative du temps écoulé en une seule étape purement analogique. Il existe probablement un circuit intelligent qui fait exactement cela. Qu'est-ce que je n'ai aucune idée. Examinez peut-être d'anciens circuits de sonar. Mais je peux deviner que cela aurait quelque chose à voir avec le temps qu'il faut pour qu'un condensateur se décharge (ou se charge) à travers une résistance uniquement parce que les condensateurs et les inductances sont les seuls composants passifs qui ont une "mémoire". Et vous aurez besoin d'un "échantillon et maintenez" pour enregistrer la valeur de sortie autrement éphémère. Notez qu'un ampli op n'est pas nécessairement assez rapide non plus. Quelle est la vitesse du son dans le béton normalement? Je suppose que c'est un peu plus rapide que la vitesse du son dans l'air. Si un ampli op est assez rapide, vous pouvez charger un condensateur avec le stimulus et le comparer à la sortie du transducteur de réponse. Si vous faites en sorte que les deux tensions se croisent, la sortie de l'ampli op peut en quelque sorte refléter le temps entre le stimulus et la réponse. Cela signifie que si le temps est court, la sortie est "élevée" et si le temps est plus long, le condensateur a plus de temps pour se décharger et la sortie n'est pas aussi élevée. s un peu plus rapide que la vitesse du son dans l'air. Si un ampli op est assez rapide, vous pouvez charger un condensateur avec le stimulus et le comparer à la sortie du transducteur de réponse. Si vous faites en sorte que les deux tensions se croisent, la sortie de l'ampli op peut en quelque sorte refléter le temps entre le stimulus et la réponse. Cela signifie que si le temps est court, la sortie est "élevée" et si le temps est plus long, le condensateur a plus de temps pour se décharger et la sortie n'est pas aussi élevée. s un peu plus rapide que la vitesse du son dans l'air. Si un ampli op est assez rapide, vous pouvez charger un condensateur avec le stimulus et le comparer à la sortie du transducteur de réponse. Si vous faites en sorte que les deux tensions se croisent, la sortie de l'ampli op peut en quelque sorte refléter le temps entre le stimulus et la réponse. Cela signifie que si le temps est court, la sortie est "élevée" et si le temps est plus long, le condensateur a plus de temps pour se décharger et la sortie n'est pas aussi élevée.

Une dernière suggestion, ce que vous voulez vraiment faire, c'est mesurer la réponse en fréquence. Cela signifie prendre la FFT de la réponse. C'est l'équivalent électronique de taper sur quelque chose et d'énumérer son son. Si cela semble terne, ce qui signifie qu'il n'a que des basses fréquences, alors ce n'est pas solide. Mais si elle transmet toutes les fréquences, elle pourrait être fragile. Ou s'il transmet très bien une fréquence, il résonne, ce qui pourrait être mauvais ou bon, donno.