コンクリートの音速を測定する回路

具体的には1μs以上の音速を計測する回路が必要です。これは、建設を勉強する学生がこの回路を使用して、コンクリートのサンプルの音速を測定し、コンクリートの品質を判断する学校のデモ用です。

私は2つの40kHzトランスデューサーを使用しています。1つはパルスを送信し、もう1つは厚さが約10cmのコンクリートサンプルの反対側でパルスを検出します。

PICプロセッサを使用してパルスを生成し、パルスを検出します。

しかし、多くの市販の超音波コンクリート試験機を見ると

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

彼らの仕様から、それらはmhzではなくkhzトランスデューサで動作しているように見えます。彼らは200kHzより高い周波数については触れていません。おそらく、mhz周波数が減衰されるため、khz周波数へのコンクリートの音の良好な伝達には制限があるのでしょうか？

非常に低コストの学生用システムを構築する必要があり、安価な40kHzトランスデューサーしか見つかりません。私が見つけることができるMhzトランスデューサーは私の要件に対して高すぎる。

商用デバイスの仕様から、20us〜20msのパルスを使用し、レシーバーの検出を待ってから別のパルスを送信するように見えます。したがって、最も短いパルスは1つの完全な40 kHzの正弦波になり、長いパルスはいくつかの完全な40 kHzの正弦波になります。彼らは狭帯域周波数を検出していないので、歪みは重要ではないかもしれませんが、受信機からのパルスの最初の立ち上がりだけですか？

これは誰にとっても意味がありますか？つまり、誰かがこの問題を解決するのを手伝ってくれる...

ありがとうございました。

工業用超音波/ NDT業界で働いていた（それは約30年前だったが:)）、私はあなたが既に受け取った優れたアドバイスに追加しようと努めます。

Kazは、オシロスコープを使用する必要があることを非常に強調しています。これは潜在的に非常に難しいプロジェクトであり、あまりにも多くの回路設計を行う前に、超音波で必要なR＆Dを行う必要があります。

40kHzのトランスデューサにはいくつかの問題があり、克服できる場合とできない場合があります。まず、Andy akaが指摘したように、超音波がコンクリートを通過する時間は、40kHzの波の周期とそれほど変わりません。送信信号に対する受信信号の位相を測定することで、これを克服できる場合があります。第二に、トランスデューサーはおそらく空気中で使用するように設計されています。超音波がコンクリートに出入りするときに密度が大きく変化するため、反射によって信号のほとんどが失われます。レシーバーに十分な信号がない可能性があります。これがおそらく最も簡単なソリューションであるため、オシロスコープでテストする価値があります。

今、物事はより複雑になります。密度のミスマッチを減らすには、空気以外の接触媒質が必要になる場合があります。接触媒質は、トランスデューサとテスト対象の材料の間の媒体です。サンプルを浸すことができる場合は、水がおそらく最良の選択です。サンプルを浸せない場合は、グリース、ワセリン、ミネラルオイル、または何らかのタイプのゲルを使用することができます（Dippity-Doヘアジェルを使用していた超音波アプリケーションエンジニアは知っていましたが、それはできていないと思いますもう）。40kHzのトランスデューサーは、空気以外の接触媒質と互換性がない場合があります。液体接触媒質は、トランスデューサの表面とテストするサンプルの間のすべての空気を置き換える必要があります。

Andy akaは、より高い周波数のトランスデューサの提案も行いました。これらの周波数の超音波は空気中で非常に速く減衰するため、Mhzの範囲に入るときは、空気以外の接触媒質が必ず必要になることに注意してください。私はビジネスから離れており、トランスデューサーの価格やソースに精通していませんが、Googleがお手伝いします。編集：追加の調査から、コンクリート検査に適した周波数は通常24kHzから200kHzの範囲にあることがわかります（以下の「追加の調査」を参照）。

これらの高周波トランスデューサーは、通常、非常に高速の高電圧パルスでパルス化され、通常は10ns未満で300V以上になる可能性があります（高速であるほど優れています）。これは通常、高速SCR、または電圧に応じて、複数のSCRを直列に接続した回路で実現されます。ハンマーでベルを鳴らすようなものです。

体積測定について：トランスデューサーがサンプルと接触していない場合は、接触媒質（水または空気など）を通過する時間を差し引く必要があります。カプラントの音速はさまざまな要因（温度や汚染物質など）によって変化する可能性があるため、最高の精度を得るには、トランスデューサ間の距離を知ることにより、コンクリートを設置せずに測定できます。次に、トランスデューサーの間隔からコンクリートの厚さを差し引いて、接触媒質を通過した距離を決定します。次に、接触媒質を通過した距離と、接触媒質を通過した音速を知ると、接触媒質を通過した時間を計算できます。

サンプルクロックと速度測定の解像度について：超音波業界で解像度を「効果的に」向上させるために使用される手法は、個別の非同期クロックを使用することです。1つのクロックで送信パルスのトリガーを導き出し、別のクロックで時間測定を行います。次に、多くの測定値の平均を取ります。もちろん、タイマーに1μsの分解能しか必要ない場合、これは必要ありません。

YouTube でコンクリートの超音波パルス速度テストを見つけました。超音波自体に関する技術情報は多くありませんが、いくつかの有用な情報が得られる場合があります。他の関連動画へのリンクもあります。トランスデューサーとコンクリートの間を直接接触させて、接触媒質としてグリースまたはワセリンを推奨しているようです。

NDTリソースセンターはまた、超音波検査の多くの有用な情報を持っています。

編集...追加調査：

ドライポイントコンタクトを備えた超音波低周波短パルストランスデューサによると、開発と応用。：

コンクリートおよび鉄筋コンクリートの超音波試験は、150〜200 kHz以下の周波数で可能です。

このペーパーでは、接触媒質を使用していないように見える「ドライポイントコンタクト」（DPC）トランスデューサについて説明します。

ここで何か役立つものがあるかどうかはわかりませんが、別の方法を知っておくとよいでしょう。

コンクリートの日常点検のための超音波装置の改善は、この主題に関する非常に有益な論文です。特に興味深いのは：

• 2.3コンクリートおよび非破壊検査技術（さまざまな超音波技術およびその他の代替技術について話し合う）
• 2.4 PUNDITテスト機器（使用する超音波機器および使用するトランスデューサーの設計を構成するブロックについて説明します）

このペーパーでは、具体的なテストに使用される周波数についても説明します。

圧電素子とケースのサイズが異なるため、コンクリートの試験に適した24kHz〜200kHzのトランスデューサ中心周波数の範囲が可能になります。

最後の注意：学生のプロジェクトでは、高価なトランスデューサーと高電圧パルサーの使用は時間と費用の両面で予算の範囲外になる可能性があるため、一部のR＆Dで2つのトランスデューサーを危険にさらすことを気にしない場合は、接触媒質の使用を可能にするために、いくつかの安価な40kHz空気トランスデューサーを変更するいくつかの試み。（既知の厚さの）コンクリートに直接接触する透過伝送を使用し、信号を受信できるかどうかを確認します。これらのトランスデューサーの回路については、ウェブ上で多くの助けがあります。あなたは超音波トランスデューサーを配線する方法から始めるかもしれません

あなたは回路を必要としません、私は使います：

• ハンマー（@hoosierEEのコメントを参照してください。ハンマーはやりすぎかもしれません）
• 2つの小さな圧電マイク（ピエゾスピーカーでも機能する場合があります）
• 2チャネルデジタルオシロスコープ

接着剤/コンクリートの両側に圧電マイクをテープで固定します。ピエゾ1をプローブ1に接続し、もう1つをプローブ2に接続します。両方のチャネルをオンにします。プローブ1をトリガーしてホールドするようにスコープを設定します。ピエゾ1の横にあるハンマーでコンクリートをタップします。スコープがトリガーされ、初期パルスと最終パルスの差を計算できます。複数の測定を行って精度を高めます。

これは、他のプロジェクトよりもはるかに安価で時間もかかりません。ボーナスとして、モーター、マイクなどの他の機器用のデジタルオシロスコープがあります。

コンクリートの音速（uk.ask.comによる）は約3400 m / sであるため、約$\dfrac{10 cm}{3400 m/s}$ 10 cmのコンクリートブロックを通過する秒数-約29秒$\mu s$。

40 kHzの超音波トランスデューサは、40 kHzで正弦波を生成する必要があるため、パルスであると思われるものを受信すると、（40 kHzトランスデューサにより）バンドパスフィルタリングが大量に行われます。

受信信号のだらしさは別として、40 kHzの周期は25です。$\mu s$ これは、音がコンクリートを通過するのに予想される時間の長さです。

私は、おそらく10 MHzと非常に高い共振周波数を持つトランスデューサを探すべきだと思います。これは、数マイクロ秒の長さのパルスを適用し、パルスのエッジが時間遅延を計算するためにカウンターをトリガーするために信頼できると期待できることを意味します。

これは、典型的な40kHz超音波デバイスのデータシートの最初のページです。

（赤いボックスで）帯域幅が制限されていることに注意してください。これは、デバイスに送信されるパルスが一連の40 kHz減衰リンギング発振を生成し、実用的な測定が少し意味をなさないことを意味します。パルスである可能性のある信号を受信したときの同上。

プロジェクトを簡略化するために、コンクリート内部でパルスを生成するための電子メカニズムを作成しようとはしません。硬い物体でコンクリートを打つだけです。センサーは音を拾うためだけに使用してください。

おそらく、ある種のソレノイドが前後に振動し、1秒に何回もコンクリートを叩くために装備されている可能性があります。

私のコメントはすでにオシロスコープについて述べています。これを使用すると、コンクリートブロックの2点間の時間差を取得できる場合があります。

これらの2つのブロックの位置とコンクリートが打たれている位置がわかっていれば、コンクリート内のすべての方向で音の速度が均一であると仮定すると、三角測量して速度を取得できます。

確かに、たとえば1秒あたり少なくとも30回、コンクリートを叩くことができれば、安価な古いアナログスコープで安定したトレース画像を取得できるかもしれません。スイープは、1つのチャネル（前のトランスデューサーに対応）でトリガーできます。

安価な電気彫刻ツール以外に、コンクリートで十分に有用な音響信号を生成するだけの方法ではないのではないかと思います。これらのツールは、振動する鋭い金属点を持っています。それらは、オブジェクト（通常はプラスチックまたは金属のマーク）に識別マークを刻むためにペンのように使用されます。金属のチゼルポイントは、120 Hzなどのライン周波数の倍数でタップされます。ツールの移動が速すぎると、彫刻されている素材のトレースで個々のタップを確認できます。

高周波で到達するためにパルスを必要としません。安定した視覚的表示を得るのに十分な高さ（ただし、コンクリートブロック内のすべての内部エコーが次のパルスの前に停止するほど十分に低い）。パルスには個別に高周波成分が必要です：鋭いエッジを持ちます。硬い物体にぶつかると、周波数成分が超音波範囲に入る鋭い信号が生成される傾向があります。

私はこれについてあまり深く理解していませんが、PICにタイミングを任せることができるかどうかは非常に疑問です。時間に注意し、刺激を送信し、応答を受信し、時間を比較するだけの場合、正確な測定値を取得することは非常に難しいと想像できます。刺激を放出し、応答を読み取り、すべてが経過した時間を表す値を1つの純粋なアナログステップで放出する回路が必要です。まさにそれを行う賢い回路があるでしょう。何なのか分かりません。多分古いソナー回路を調べてください。しかし、コンデンサとインダクタは「メモリ」を備えた唯一の受動部品であるため、コンデンサが抵抗を介して放電（または充電）するのにかかる時間と関係があると推測できます。そして、「サンプルとホールド」が必要です 一時的な出力値を保存する回路。オペアンプも必ずしも十分に高速であるとは限らないことに注意してください。通常、コンクリートの音速はどれくらいですか？空気中の音速よりもかなり速いと思います。オペアンプが十分に高速である場合、刺激でコンデンサを充電し、それを応答トランスデューサの出力と比較することができます。2つの電圧が交差するように調整すると、オペアンプの出力は、刺激と応答の間の時間を何らかの形で反映する可能性があります。時間が短い場合、出力は「ハイ」であり、時間が長い場合、コンデンサは放電する時間が長くなり、出力はそれほど高くありません。空気中の音速よりもかなり速い。オペアンプが十分に高速である場合、刺激でコンデンサを充電し、それを応答トランスデューサの出力と比較することができます。2つの電圧が交差するように調整すると、オペアンプの出力は、刺激と応答の間の時間を何らかの形で反映する可能性があります。時間が短い場合、出力は「ハイ」であり、時間が長い場合、コンデンサは放電する時間が長くなり、出力はそれほど高くありません。空気中の音速よりもかなり速い。オペアンプが十分に高速である場合、刺激でコンデンサを充電し、それを応答トランスデューサの出力と比較することができます。2つの電圧が交差するように調整すると、オペアンプの出力は、刺激と応答の間の時間を何らかの形で反映する可能性があります。時間が短い場合、出力は「ハイ」であり、時間が長い場合、コンデンサは放電する時間が長くなり、出力はそれほど高くありません。

最後に、本当にやりたいことは、周波数応答を測定することです。つまり、応答のFFTを取ります。これは、何かをタップして、それがどのように聞こえるかを一覧表示することと同じです。鈍く聞こえる場合、つまり低周波数のみであることを意味する場合、それはしっかりしていません。しかし、すべての周波数を送信する場合は、もろくなるかもしれません。または、1つの周波数を非常によく伝達する場合、それは共鳴しているのです。