СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ПРИЕМА СИММЕТРИЧНЫХ И АНТИСИММЕТРИЧНЫХ ВОЛН В ТОНКИХ ВОЛНОВОДАХ
METHOD OF EXCITING AND RECEIVING SYMMETRIC AND ANTISYMMETRIC WAVES IN THIN WAVEGUIDES

Изобретение относится к ультразвуковому контролю параметров технических жидкостей и может быть использовано при разработке ультразвуковых приборов, использующих измерения амплитуд симметричных и антисимметричных нормальных волн для непрерывного контроля состояния жидкостей в условиях их эксплуатации путем измерения их плотности и вязкости.
Теоретически и экспериментально показано [1-3], что, сравнивая амплитуды мод нулевого порядка симметричной или антисимметричной волн, распространяющихся в тонком волноводе (толщина много меньше длины волны), когда последний находится либо в воздухе, либо погружен в исследуемую жидкость, можно измерить продольный импеданс жидкости, откуда можно рассчитать ее плотность с погрешностью, на порядок меньшей, чем при использовании объемных волн. При этом можно показать [4], что применение нулевой моды антисимметричной волны является предпочтительным, поскольку ее ослабление в результате взаимодействия (распространения в волноводе в акустическом контакте) с исследуемой жидкостью определяется в основном только ее продольным импедансом и практически не зависит от ее вязкости. В то же время потери упругой энергии нулевой моды симметричной волны зависят как от продольного волнового импеданса жидкости, так и ее вязкости.
Известны [5] способы возбуждения нормальных волн в тонких непьезоэлектрических волноводах. Наиболее распространенным является возбуждение/прием нормальных волн с помощью прямого ультразвукового преобразователя 1 объемных волн, закрепленного на поверхности волновода 2 через слой контактной среды и излучающего в направлении, перпендикулярном к оси волновода (фиг.1а), и с помощью наклонного ультразвукового преобразователя 1 (фиг.1б).
Физической причиной возбуждения/приема нормальных волн в волноводе в первом способе является частичная трансформация объемной волны 3 в нормальную 4 (фиг.1а). Если исходная волна - продольная, то возникновение нормальной волны обязано коэффициенту Пуассона. В случае сдвиговой исходной волны, смещение в которой параллельно оси волновода, нормальная волна возбуждается за счет соответствующей компоненты тензора упругости. Существенным недостатком способа является низкая эффективность возбуждения нормальных волн и, как следствие, малая амплитуда информативных сигналов, которые представляют собой волну, прошедшую в волноводе путь до торца волновода, отразившуюся от него и вернувшуюся назад. В результате измерение продольного импеданса жидкости с помощью антисимметричной волны становится практически невозможным, так как эта волна излучает упругую энергию в среду, окружающую волновод, намного эффективнее [5], чем симметричная, так что ее амплитуда при погружении небольшой части волновода (единицы мм) в жидкость становится соизмеримой с шумами электрической и акустической природы.
Во втором способе (фиг.1б) возбуждение в волноводе нормальной волны связано с выбором такого угла падения объемной на границу раздела призма преобразователя/волновод, чтобы волновой вектор преломленной волны в волноводе совпадал с направлением оси симметрии волновода. Возбуждение нормальной симметричной волны и прием эхо-сигналов в этом случае оказывается достаточно эффективным и находит широкое применение для целей ультразвуковой дефектоскопии [6]. В соответствии со сказанным выше в задачах контроля свойств жидкости во время эксплуатации измерение с использованием нулевой моды симметричной нормальной волны должно быть дополнено измерением сдвигового импеданса жидкости, который определяется ее вязкостью [4]. Применение этого способа для возбуждения и приема в волноводе антисимметричной волны сталкивается со значительными трудностями. Во-первых, как отмечалось, антисимметричная волна излучает упругую энергию в среду, имеющую акустический контакт с волноводом, очень эффективно, так что амплитуда принимаемого сигнала за счет контакта с призмой преобразователя (продольный волновой импеданс много больше, чем у жидкости) уменьшается в десятки раз. Во-вторых, область соприкосновения волновода и призмы неизбежно оказывается достаточно протяженной, что приводит к дополнительному затуханию сигнала.
Таким образом, в настоящее время отсутствует способ эффективного возбуждения и приема нулевой моды антисимметричной нормальной волны, что является особенно важным для создания аппаратуры контроля состояния жидкостей в условиях их эксплуатации.
Целью изобретения и является разработка способа повышения амплитуды принимаемой нормальной волны, чтобы дать возможность реализовать измерения в жидкостях на нулевой моде как симметричной, так и антисимметричной волн.
1. Поставленная цель достигается тем, что дополнительно к обычно используемому ультразвуковому преобразователю, закрепленному через слой контактной среды на поверхности волновода, который излучает в направлении, перпендикулярном к оси волновода, объемную волну и принимает нормальную волну, возникающую в волноводе за счет частичной трансформации в нем объемной волны, закрепляют через слой контактной среды на противоположной стороне волновода соосно к первому преобразователю дополнительный ультразвуковой преобразователь, акустические параметры которого в пределах не более ±5% отличаются от параметров первого преобразователя. Электрическое соединение обоих преобразователей производят таким образом, чтобы фазы излучаемых и принимаемых ими сигналов либо совпадали (для случая симметричных нормальных волн), либо имели противоположные знаки (для случая антисимметричных нормальных волн), для чего для излучения и приема симметричных нормальных волн оба преобразователя электрически соединяют параллельно, а для излучения и приема антисимметричных нормальных волн преобразователи возбуждают электрическим напряжением противоположной полярности и присоединяют оба преобразователя к различным входам дифференциального усилителя.
x
x
Физический смысл предлагаемого способа легко понять из следующих качественных соображений. В соответствии с теорией [5] нулевая симметричная мода в волноводе представляет собой, в основном, продольную волну и создает в верхней 1 и нижней 2 половинах волновода (фиг.2) компоненты механического смещения в направлении распространения U (ось х на фиг.2), совпадающие по знаку, а нулевая антисимметричная мода в волноводе представляет собой, в основном, изгибную волну и создает в верхней и нижней половинах волновода компоненты механического смещения U, противоположные по знаку. На поверхностях волновода численные значения модулей смещений для обоих типов волн совпадают.
Для простоты в дальнейшем ограничимся рассмотрением случая, когда исходной является продольная волна. Как отмечалось, трансформация объемной волны, распространяющейся в направлении, перпендикулярном оси симметрии волновода (ось z на фиг.2), в нормальную волну, распространяющуюся в направлении оси х, происходит вследствие ненулевого значения модуля Пуассона χ. Если в качестве объемной волны использовать продольную волну, то согласно теории соответствующие компоненты тензора деформации связаны соотношением вида [7]
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>x</mi><mi>x</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>χ</mi><msub><mi>U</mi><mrow><mi>z</mi><mi>z</mi></mrow></msub><mo>.</mo><mtable><mtr><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd><mtd><mrow /></mtd></mtr></mtable><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Откуда легко видеть, что при излучении объемной волны и приеме нулевой моды симметричной/антисимметричной волн одним прямым преобразователем 3 (фиг.2) требуемые для нормальных волн граничные условия не выполняются, вследствии чего возбуждение/прием этих волн оказывается малоэффективным.
<mrow><mi>z</mi><mo>−</mo><msubsup><mi>U</mi><mi>Σ</mi><mn>1</mn></msubsup></mrow>
Ситуация изменяется, если в соответствии с предлагаемым способом на обеих поверхностях волновода симметрично разместить два прямых преобразователя 3 и 4 (фиг.2), излучающих продольные волны навстречу друг другу (параллельное электрическое подключение обоих прямых преобразователей к генератору). Если оба преобразователя излучают продольные волны в фазе, то суммарное продольное смещение в направлении оси
, в точке с координатой t для тонкого волновода (kd<<1, k - волновое число, 2d - толщина волновода) равно
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mi>Σ</mi><mn>1</mn></msubsup><mo>=</mo><mi>A</mi><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>k</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>d</mi><mo>+</mo><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><mi>A</mi><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>k</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>d</mi><mo>−</mo><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>A</mi><mi>sin</mi><mi>k</mi><mi>d</mi><mi>cos</mi><mi>k</mi><mi>t</mi><mo>≈</mo><mn>2</mn><mi>A</mi><mi>k</mi><mi>d</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
С учетом формул (1) и (2) видно, что распределение созданных преобразователями смещений в волноводе в направлении оси x соответствует смещениям, характерным для нулевой моды симметричной нормальной волны. По этой же причине оптимальным для приема этой волны является параллельное электрическое подключение обоих прямых преобразователей к усилителю сигналов.
Легко видеть, что создаваемое таким образом распределение механических смещений в волноводе не является оптимальным для возбуждения антисимметричной нормальной волны. Для того чтобы оптимизировать возбуждение нулевой моды антисимметричной нормальной волны, оба преобразователя должны возбуждаться электрическими напряжениями в противофазе. Действительно, тогда
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mi>Σ</mi><mn>1</mn></msubsup><mo>=</mo><mi>A</mi><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>k</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>d</mi><mo>+</mo><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>−</mo><mi>A</mi><mi>sin</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>k</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>d</mi><mo>−</mo><mi>t</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>A</mi><mi>cos</mi><mi>k</mi><mi>d</mi><mi>sin</mi><mi>k</mi><mi>t</mi><mo>≈</mo><mn>2</mn><mi>A</mi><mi>k</mi><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
что соответствует смещениям в направлении оси x, характерным для нулевой моды антисимметричной нормальной волны. Электрическое подключение обоих прямых преобразователей к усилителю сигналов по очевидным причинам также должно быть противофазным. Вариант необходимых электрических соединений для возбуждения антисимметричной волны представлен на фиг.3.
2. Поставленная цель достигается также тем, что с целью упрощения электрической схемы электронного блока для возбуждения и приема антисимметричных нормальных волн по пункту 1 пьезоэлементы ультразвуковых преобразователей, размещаемых на противоположных сторонах волновода, поляризуют в противоположных направлениях. В этом случае преобразователи электрически соединяют параллельно и подключают к общему генератору и усилителю. Очевидно, что получаемые при этом результаты оказываются аналогичными рассмотренным выше.
Обсуждаемые выше положения были проверены экспериментально. В качестве волноводов использовались алюминиевый лист толщиной 0.5 мм и лист нержавеющей стали толщиной 0.5 мм. Оба преобразователя в ненагруженном состоянии имели резонансную частоту 2.5 МГц. Сравнивались амплитуды принимаемых эхо-сигналов, отраженных от торца волновода, противоположного месту возбуждения (фиг.1), возбужденных либо одним, либо двумя преобразователями. Наблюдение принимаемых сигналов и измерение их амплитуды производилось с помощью осциллографа типа LeCroy WaveJet 322. Преобразователи возбуждались электрическим импульсом амплитудой 200 В, содержащим N прямоугольников, где N варьировалась от 3 до 12. В зависимости от числа N несколько изменялась временная огибающая принимаемых сигналов, но существенного влияния на результаты сравнения обнаружено не было. В качестве примера на фиг.4 приведены осциллограммы возбуждения симметричной волны в стальном волноводе одним преобразователем (а) и двумя (б).
Суммируя экспериментальные результаты, можно сделать вывод, что использование двух симметрично расположенных прямых преобразователей, излучающих навстречу друг другу объемные волны, существенно увеличивает амплитуду эхо-сигналов по сравнению с одним преобразователем как нулевой моды симметричной, так и антисимметричной нормальных волн. В стальном и алюминиевом волноводах для симметричной волны амплитуда эхо-сигналов возрастает в 3÷5 раз, а для антисимметричной - в 2.5÷3 раза (выигрыш в амплитуде принимаемых сигналов в стальном волноводе на 25÷50% больше). Последнее обстоятельство особенно важно, так как дает возможность реализовать измерение продольного волнового импеданса жидкости без учета ее вязкости.
Литература
1. Гитис М.Б., Чуприн В.А. Применение ультразвуковых поверхностных и нормальных волн для измерений параметров технических жидкостей. 1. Измерение сдвиговой вязкости // ЖТФ. 2012. Т.82. №5. С.93-99.
2. Гитис М.Б., Чуприн В.А. Применение ультразвуковых поверхностных и нормальных волн для измерений параметров технических жидкостей. 2. Измерение плотности // ЖТФ. 2012. Т.82. №5. С.100-105.
3. Chuprin V., Gitis М. Measurements of the Material Properties of Liquids Using Normal Acoustic Plate Waves / Proceed. 18th World Confer. NDT. Durban, 2012.
4. Zhu Z, Wu J. The propagation of Lamb waves in a plate bordered with a viscous liquid. J. Acoust. Soc. Am. 1995. v.98(2). Pt.l. pp.1057-1064.
5. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М.: Наука, 1966. 168 с.
6. Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. Ультразвуковой контроль // Неразрушающий контроль / Справочник под ред. В.В. Клюева. Т.3. М.: Машиностроение, 2004. 864 с.