СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОГО СОГЛАСОВАНИЯ СРЕД С ПЛОСКОЙ ГРАНИЦЕЙ КОНТАКТА
METHOD OF MATCHING MEDIA WITH FLAT CONTACT BOUNDARY

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использовано в ультразвуковой технологической аппаратуре, например в конструировании и технологии производства преобразователей ультразвуковых дефектоскопов.
Известен способ акустического согласования сред с плоской границей контакта посредством формирования между ними четвертьволнового сплошного слоя с плоскими границами, акустическое сопротивление материала которого выбирают равным среднегеометрическому значению от сопротивлений согласуемых сред (см., например, Ермолов И.Н. и др. Неразрушающий контроль. Кн. 2. Акустические методы контроля. М.: Высш. шк., 1991. - С.44).
Недостатком этого способа является ограниченность выбора материалов для согласования, поскольку теоретически согласующий материал должен иметь единственное значение акустического сопротивления.
2
Известен способ акустического согласования сред с плоской границей контакта, заключающийся в том, что на контактной границе в среде с более высоким акустическим сопротивлением Z выполняют пустотелые углубления прямоугольной формы (патент RU №2036469, МПК G01N 29/04, 1995). В этом способе наилучшее согласование достигается в случае, когда относительную площадь β, занимаемую углублениями на контактной поверхности согласуемых сред, и их глубину l устанавливают из соотношений:
2
1
где Z и Z - акустические сопротивления согласуемых сред, относящиеся соответственно к среде, в которой выполнены углубления, и к среде, не содержащей их;
2
2
λ - длина ультразвуковой волны в среде с акустическим сопротивлением Z. Недостатком указанного способа является ограниченная применимость, поскольку требование выполнения углублений в согласуемой среде с более высоким акустическим сопротивлением не всегда может быть удовлетворено. Так, например, при акустическом согласовании пьезоэлемента, выполняемого обычно из пьезокерамики, с демпфером или протектором, изготавливаемыми, как правило, из материалов с меньшим акустическим сопротивлением, чем у пьезоэлемента, упомянутый способ неприменим.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ акустического согласования сред с плоской границей контакта, заключающийся в том, что на контактной границе в одной из согласуемых сред выполняют углубления прямоугольной формы, которые заполняют материалом, отличающимся по величине от сопротивления этой среды, причем относительную площадь β, занимаемую углублениями на контактной поверхности согласуемых сред, и их глубину l устанавливают из соотношений:
i
i
2
1
2
1
где Z и λ - соответственно акустическое сопротивление материала, заполняющего углубления, и длина ультразвуковой волны в нем, остальные обозначения прежние (заявка RU 94011799/28, опубл. 27.12.1995). В данном способе углубления, заполняемые материалом с отличающимся акустическим сопротивлением, можно выполнять как в среде с более высоким сопротивлением (Z>Z) из согласуемых сред, так и в среде с более низким сопротивлением (Z<Z).
i
2
1
2
1
Недостатком известного способа является ограниченная применимость, обусловленная диапазонами значений акустических сопротивлений, пригодных для согласования и удовлетворяющих условию (1). А именно, подбор сопротивления Z согласующего материала, удовлетворяющего условию (1), с одновременным выполнением условия Z>Z и очевидного условия 0<β<1 возможен, как показывают расчеты, только в диапазоне , а для Z<Z - только в диапазоне . То есть для согласования подходят материалы с относительно низким акустическим сопротивлением, в том числе со значением, меньшим меньшего из согласуемых сопротивлений. И если согласуемые среды не являются металлическими, а, например, стеклами, пластмассами, жидкостями и т.п., то металлические материалы, наиболее технологичные для промышленного воплощения, не могут быть использованы для согласования таких сред, т.к. обычно они имеют акустическое сопротивление значительно большее, чем у неметаллов.
Задачей изобретения является расширение возможностей известного способа согласования акустических сред с плоской границей контакта путем создания в одной из сред углублений прямоугольной формы с последующим заполнением последних отличающимся по акустическому сопротивлению материалом, в сторону увеличенных значений акустического сопротивления согласующего материала в сравнении с известным способом-прототипом.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе акустического согласования сред с плоской границей контакта, заключающемся в создании в одной из согласуемых сред углублений прямоугольной формы с последующим заполнением их отличающимся по акустическому сопротивлению материалом, удельную площадь углублений β и их глубину l устанавливают из соотношений:
где все обозначения прежние.
2
1
2
1
Таким образом, в заявляемом способе, в отличие от прототипа, соотношение акустических и геометрических характеристик заполненных углублений обеспечивают не по выражениям (1), а по выражениям (2). Именно это отличие и обеспечивает причинно-следственную связь в достижении цели изобретения. Как показывают теоретические расчеты, аналогичные ранее описанным, диапазон подходящих для согласования акустических сопротивлений для Z>Z обеспечивается по условию  а для Z<Z - по условию . Таким образом, в предлагаемом способе акустического согласования сред с плоской границей контакта, в отличие от прототипа, для согласующего слоя можно использовать материалы с высоким акустическим сопротивлением, в том числе - большим большего из согласуемых сред. Например, металлы или композиционные материалы с металлическими наполнителями.
Техническим результатом заявленного способа является расширение класса и номенклатуры используемых в акустических конструкциях материалов, подлежащих согласованию по условиям работы.
Кроме того, способ акустического согласования сред с плоской границей контакта, заключающийся в создании в одной из согласуемых сред углублений прямоугольной формы с последующим заполнением их материалом с отличающимся акустическим сопротивлением, может быть осуществлен и по другому варианту. А именно, когда удельную площадь углублений β и их глубину l устанавливают из соотношений:
где все обозначения прежние.
В рассматриваемом согласно выражениям (3) варианте осуществления способа достигается качественно тот же технический результат, что и в варианте по выражениям (2), однако в количественном плане он намного его превосходит. А именно, в последнем варианте расширение возможностей известного способа достигает наивысшего значения: в варианте по выражениям (3) в качестве согласующего можно использовать любой материал, точнее материал с любым акустическим сопротивлением, отличным от нуля.
На прилагаемом чертеже схематически представлено осуществление способа по любому из заявляемых вариантов при согласовании твердых сред. При согласовании двух твердых сред 1 и 2 с плоской границей 3 контакта в одной из сред (на чертеже - в среде 2) выполняют углубления 4 прямоугольной формы. Указанные углубления создают любым известным способом механической обработки, обеспечивающим выборку материала, например фрезерованием. Углубления 4 полностью заполняют материалом 5, имеющим акустическое сопротивление, отличающееся по величине от аналогичного параметра среды 2. Заполнение может быть сделано обратимым (например, жидкостью) либо необратимым (например, клеевым составом или припоем).
2
1
2
1
i
2
При первом варианте осуществления заявленного способа для относительной площади β углублений на контактной поверхности и для их глубины l должны выполняться соотношения (2). Из приведенной там формулы для β очевидно, что возможен случай как Z>Z, так и Z<Z. Материал 5 согласующего слоя выбирают таким, чтобы его акустическое сопротивление удовлетворяло соотношениям (2) с учетом значений сопротивлений согласуемых сред и обеспечения неравенств 0<β<1. При этом глубина l углублений также должна подчиняться соотношениям (2). Фигурирующие в них значения длин волн λ и λ рассчитывают по известным соотношениям скоростей ультразвука в заданных материалах и частоты используемого ультразвука.
i
2
Следует отметить, что при выполнении требований равенства глубины l углублений 4 нечетному числу четвертей длин ультразвуковых волн одновременно как в среде 2, так и в материале 5, при параллельном условии, что Z≠Z, могут возникнуть определенные технологические трудности. Оптимальным выходом является подбор материала 5 таким образом, чтобы в нем скорость распространения ультразвука была в нечетное число раз больше или меньше, чем в среде 2. Широкая номенклатура веществ, применяемых в ультразвуковой технике и технологиях, позволяет решить эту задачу даже без изготовления композиционных материалов. В качестве примеров можно назвать комбинации (для продольных волн): алюминий-свинец, титан-нейлон, олово-окись алюминия и т.д. Использование же композиционных материалов, а также сплавов металлов еще более упрощает выполнение указанных условий.
2
1
При втором, альтернативном, варианте осуществления заявленного способа, для глубины l углублений и их относительной площади β должны выполняться соотношения (3). При этом соотношение между Z и Z снова может быть любым, а значение β - не только принадлежать вполне определенному диапазону из соотношений (2), но и быть единственным, причем наиболее технологичным (равным 0,5). В качестве согласующего материала можно использовать материал с любым акустическим сопротивлением, лишь бы было обеспечено выполнение условий (3).
Рационально все углубления выполнять одинаковыми по размеру, размещать их равномерно по поверхности 3 контакта и заполнять одним и тем же материалом 5 (см. чертеж). Глубину l углублений в простейшем случае устанавливают равной четверти длины соответствующей ультразвуковой волны.
21
При перпендикулярном падении ультразвуковых колебаний (не показаны) из среды 2 на границу 3 раздела согласуемых сред для амплитудного коэффициента R отражения ультразвука справедливо соотношение:
Здесь, вдобавок, учтено, что ,
m=0,1,2,…, k=1,2,3,…
12
12
Приравнивая выражение (4) к нулю (условие полного согласования сред) и решая полученное уравнение, получаем выражение для β из условий (2). Если же теперь при тех же условиях для l сконструировать выражение для коэффициента R отражения ультразвука при падении ультразвуковой волны из среды 1 на границу 3 раздела согласуемых сред и подставить в него значение β из выражений (2), нулевого результата для R мы не получим. Это означает, что заявленный способ по первому варианту реализации обеспечивает полное (стопроцентное) согласование сред, но одностороннее. А именно, при падении ультразвука на границу раздела со стороны среды, в которой выполнены углубления. Такого одностороннего согласования достаточно в большинстве приложений технической акустики. Так, например, в технологической аппаратуре, где пьезокерамический преобразователь излучает ультразвук в жидкую среду (стиральные машины, камеры для очистки инструментария и радиоэлементов и т.д.) для повышения энергетической эффективности работы достаточно одностороннее согласование сред.
Аналогичный описанному подход справедлив и для обоснования работоспособности (промышленной осуществимости) заявленного способа по его второму варианту. В этом случае согласование сред также является полным (стопроцентным), но односторонним: при падении волны на границу раздела из среды, в которой выполнены углубления.
i
2
Предлагаемый способ акустического согласования сред может применяться и для согласования твердой и жидкой сред. В этом случае жидкость играет роль среды 1 (см. чертеж), а в твердой среде 2 выполняют углубления 4, которые заполняют материалом 5, имеющим акустическое сопротивление, которое по величине больше или меньше сопротивления среды 2 в зависимости от исходного соотношения сопротивлений твердой и жидкой сред. Предлагаемый способ может, в принципе, применяться и для согласования двух жидкостей, жидкости или твердой среды с газом и т.д. При этом в отсутствие твердой среды функциональную роль углублений могут выполнять профиль-мембраны и т.п. конструктивные элементы. Что касается ранее обсужденного требуемого соотношения длин ультразвуковых волн λ и λ, то можно привести примеры следующих комбинаций твердая среда-жидкость: ацетон-серебро, латунь-вода и т.д.