УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к области ультразвуковой измерительной техники и может быть использована при акустическом исследовании твердых, эластичных и вязких материалов, а также жидкостей с физико-химическими или биологическими целями
Известен ультразвуковой преобразователь для исследования жидкостей, содержащий пьезопреобразователь и линию задержки в виде тела вращения с ребристой боковой поверхностью и двумя гладкими торцевыми поверхностями, с одной из которых акустически связан пьезопреобразователь, а другая, предназначенная для размещения исследуемой жидкости, является вогнутой, выполненной в виде усеченного параболоида вращения (SU 1105804 А, опуб. 30.07.84. Бюлл. №28). Недостатком этого преобразователя является узкая область применения, ограниченная возможностью акустического исследования только жидкостей, причем - с нахождением только их отражательных характеристик. Например, коэффициента отражения ультразвука и акустического (волнового) сопротивления исследуемой среды. Преобразователь не может быть применен для исследования твердых и эластичных (резиноподобных) материалов, а также - для определения не поверхностных, а объемных характеристик жидкостей. Например, скорости распространения в них ультразвуковых колебания и коэффициента затухания последних, а также - плотности среды.
Известен ультразвуковой преобразователь для исследования жидкостей, отличие которого от вышеописанного состоит в том, что углубление на свободном торце линии задержки выполнено в виде усеченного конуса и сопряженного по его меньшему периметру цилиндра, а больший диаметр усеченного конуса равен диаметру торца линии задержки (SU 1188643 А, опубл. 30.10.85. Бюлл. №40). Недостатки этого преобразователя те же, что и ранее рассмотренного.
Наиболее близким к заявляемому ультразвуковому преобразователю по конструктивным признакам и назначению является ультразвуковой преобразователь для исследования биологических (и аналогичных технических) сред, содержащий пьзопреобразователь, акустически связанную с ним торцом линию задержки в виде тела вращения с ребристой боковой поверхностью и осесимметричным углублением на свободном торце в форме конуса с усеченной вершиной и сопряженного по диаметру его вершины цилиндра, в состав преобразователя дополнительно введен колпачок с внутренним осесимметричным цилиндрическим выступом, шкалой кругового нониуса на его внешней части и резьбой на внутренней для сочленения с линией задержки со свободного торца (SU 1337053 А, опубл. 15.09.87. Бюлл. №34). При исследовании жидкостей, а также - вязких и резиноподобных материалов этот преобразователь позволяет измерять не только поверхностные акустические характеристики среды, но и объемные ее характеристики (см. выше). Недостатком указанного преобразователя - прототипа является ограниченная область применения, обусловленная возможностью комплексного акустического исследования только жидких, вязкоконсистентных и эластичных (резиноподобных) сред. Преобразователь не позволяет исследовать твердые материалы, а также проводить одномоментное измерение комплекса акустических характеристик твердых материалов и жидкостей.
Целью предлагаемой полезной модели является расширение области применения ультразвукового преобразователя-прототипа. Техническим результатом выступает возможность комплексного исследования не только жидкостей, но и твердых материалов, причем одномоментно с жидкостями, а также - ускорение процедуры измерения комплекса акустических характеристик исследуемых сред и повышение точности результатов.
Поставленная цель достигается за счет того, что предлагаемый ультразвуковой преобразователь для комплексного акустического исследования материалов содержит пьезопреобразователь, акустически связанную с ним торцом линию задержки в виде тела вращения с ребристой боковой поверхностью и осесимметричный колпачок с резьбой на внутренней части для сочленения с линией задержки со свободного торца, причем свободный торец линии задержки выполнен в форме осесимметричного конуса с усеченной вершиной и сопряженного по диаметру его вершины осесимметричного цилиндрического углубления, а колпачок снабжен осесимметричным цилиндрическим выступом на его внутренней части и шкалой кругового нониуса на его внешней части. При этом поверхность усеченного конуса на свободном торце линии задержки является выпуклой по отношению к плоскости акустического контакта пьезопреобразователя и линии задержки, а линия сопряжения выпуклого конуса и цилиндрического углубления лежит в плоскости, перпендикулярной оси линии задержки.
Таким образом, отличием заявленного преобразователя от известного прототипа является, во-первых, то, что поверхность усеченного конуса на свободном торце линии задержки по отношению к плоскости акустического контакта последней с пьезопреобразователем является не вогнутой, как у прототипа, а выпуклой, во-вторых, то, что линия сопряжения выпуклого конуса и цилиндрического углубления лежит в плоскости, перпендикулярной оси линии задержки. Как будет показано далее, это необходимо для нормальной работы предлагаемого ультразвукового преобразователя и не является необходимым для работы вышеописанных аналогов и прототипа.
Следующим отличием заявляемого ультразвукового преобразователя от прототипа является то, что линия задержки выполнена из эталонного материала с известным значением его акустического сопротивления. Как будет показано далее, это необходимо для комплексного акустического исследования одномоментно жидких и твердых материалов.
Наконец, отличием заявляемого ультразвукового преобразователя от прототипа является то, что начало отсчета шкалы измерительного нониусного механизма соответствует позиции физического контакта цилиндрического выступа колпачка и дна цилиндрического углубления линии задержки. Это обстоятельство упрощает отсчет акустических длин исследуемых материалов.
На чертеже фиг.1 схематически показана конструкция заявляемого ультразвукового преобразователя, на фиг.2 - геометрия метода одномоментного исследования жидкости и твердого материала.
Заявляемый ультразвуковой преобразователь (см. фиг.1) состоит из пьезопреобразователя 1, линии 2 задержки и колпачка 3. Линия 2 задержки изготовлена из эталонного материала с известным акустическим сопротивлением, а колпачок 3 - из любого подходящего материала, в простейшем случае - из того же, что и линия 2 задержки. По форме линия 2 задержки выполнена в виде тела вращения, ее плоскость 4 акустического контакта с пьезопреобразователем 1 перпендикулярна оси как линии 2 задержки, так и ультразвукового преобразователя в целом. Боковая поверхность 5 линии 2 задержки имеет на свободном конце резьбу для сочленения с колпачком 3, а также - для рассеяния паразитных волн. На остальной части боковой поверхности линии 2 задержки, на которую колпачок не может быть накручен, указанная резьба может присутствовать, а может быть заменена на ребристую поверхность любого вида, эффективно рассеивающую паразитные ультразвуковые колебания используемого частотного диапазона.
На свободном торце линии 2 задержки имеется осесимметричное цилиндрическое углубление 6, сопряженное по своему диаметру с выпуклой усеченно-конической поверхностью 7. Оптимальный для эффективного рассеяния паразитных волн угол между образующей конуса 7 и осью линии 2 задержки составляет 60±5°. Боковая поверхность цилиндрического углубления 6 может быть сделана ребристой (например, резьбовой) для улучшения подавления попадающих на нее паразитных волн. Резьба может не доходить до границы сопряжения цилиндра 6 и конуса 7, чтобы проще обеспечить требование перпендикулярности плоскости, в которой лежит указанная линия сопряжения, и оси ультразвукового преобразователя. Если же резьба доходит до указанной границы сопряжения, то на последней может быть выполнена плоская кольцевая площадка для обеспечения отмеченной перпендикулярности.
Колпачок 3, сопрягаемый с линией 2 задержки, имеет на внутренней стороне резьбу 8, а на наружной - шкалу кругового нониуса 9. Кроме того, в нем имеется внутренний осесимметричный цилиндрический выступ 10, диаметр которого позволяет выступу свободно, с небольшим зазором, входить в цилиндрическое углубление 6 линии 2 задержки. Таким образом, по показаниям шкалы кругового нониуса, отсчитываемым от фиксированной метки на боковой поверхности линии 2 задержки (на чертеже не показана), в произвольном положении колпачка можно легко определить расстояние от дна цилиндрического углубления 6 до плоского торца выступа 10.
0
1
x1
Ультразвуковой преобразователь для комплексного акустического исследования материалов в случае исследования жидкости работает следующим образом (см. фиг.1). Вначале углубление 6 оставляют свободным, без заполнения исследуемой жидкостью. С помощью электронной аппаратуры (на чертеже не показана), электрически связанной с пьезопреобразователем 1, в линии 2 задержки возбуждают ультразвуковые колебания и принимают сигналы, отраженные от свободной поверхности углубления 6, которые возникают в результате полного отражения центральной части ультразвукового пучка от дна углубления. Боковые части излученного пучка ультразвука попадают на коническую поверхность 7 торца линии 2 задержки, переотражаются от боковой поверхности цилиндрического углубления 6, рассеиваются и в дальнейшей обработке сигналов не участвуют. Измеряют амплитуду А сигналов, отраженных от дна не заполненного жидкостью углубления 6. Затем при снятом колпачке 3 углубление 6 полностью заполняют исследуемой жидкостью 9 (на чертеже фиг.1 не показана) и повторяют вышеописанные процедуры. Измеряют амплитуду А сигнала, отраженного от дна заполненного жидкостью углубления 6 и методом рефлектометрии определяют амплитудный коэффициент R отражения ультразвука от дна заполненного жидкостью углубления 6. А акустическое сопротивление Z исследуемой жидкости находят по формуле Френеля:
0
x1
0
x1
0
x1
0
0
1
x1
0
x1
0
где Z - известное акустическое сопротивление материала линии 2 задержки. При этом учитывают знак коэффициента R отражения: если Z>Z, то R>0, если Z<Z, то R<0. B случае, когда соотношение акустических сопротивлений Z и Z априорно не известно, знак R устанавливают с помощью электронной измерительной аппаратуры (на чертеже не показана), электрически связанной с пьезопреобразователем 1, по соотношению фаз сигналов, имеющих амплитуды А и A: для Z<Z они синфазны, для Z>Z они противофазны.
x1
После этого колпачок 3 навинчивают на линию 2 задержки. При этом выступ 10 колпачка входит в углубление 6 линии 2 задержки и в отсутствии воздуха формирует в углублении 6 измерительную камеру переменной длины, полностью заполненную жидкостью, причем вершина выступа 10 колпачка 3 служит отражателем ультразвука, одновременно формируя длину l, отсчитываемую по показаниям нониусного механизма 9. По одной из стандартных методик ультразвуковых измерений, например, импульсной (см. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. М.: Изд-во стандартов, 1982. - С.61-81; 113-128), можно определить объемные акустические характеристики исследуемой жидкости: скорость с распространения в ней ультразвуковых колебаний и коэффициент затухания α ультразвука в жидкости. Дополнительно можно определить плотность ρ исследуемой жидкости по формуле ρ=Z/с. Таким образом, заявляемый ультразвуковой преобразователь позволяет измерить все акустические характеристики исследуемой жидкости.
x1
0
x2
В случае исследования твердых материалов заявляемый ультразвуковой преобразователь работает следующим образом. При снятом колпачке 3 с линии 2 задержки (см. фиг.1) углубление 6 полностью заполняют исследуемой жидкостью (на чертеже фиг.1 не показана) с известным по ранее описанным процедурам акустическим сопротивлением Z. При этом свободная поверхность жидкости должна быть плоской, параллельной плоскости 4 акустического контакта пьезопреобразователя 1 и линии 2 задержки и перпендикулярной оси ультразвукового преобразователя. Указанное условие обеспечивают посредством добавлении или убирания микрообъемов жидкости под визуальным контролем, а также с помощью электронной измерительной аппаратуры (на чертеже не показана), электрически связанной с пьезопреобразователем 1, - по максимуму величины отраженного от свободной поверхности жидкости сигнала. Измеряют амплитуду А′ сигнала, отраженного от плоской свободной поверхности жидкости, полностью заполняющей углубление 6. Затем вводят образец 11 исследуемого твердого материала (см. фиг.2) в акустический контакт с жидкостью, заполняющей углубление 6. Указанный образец должен иметь плоскопараллельные торцы, во-первых, и поперечные размеры, позволяющие ему полностью покрывать поверхность жидкости в углублении 6 и не препятствовать свободному вращению колпачка 3 (см. фиг.1) при накручивании последнего на свободный конец линии 2 задержки, во-вторых. Толщина l′ образца исследуемого твердого материала, необходимая для расчета акустических характеристик последнего может быть измерена априорно или определена по показаниям шкалы кругового нониуса 9 при касании выступом 10 свободной поверхности образца 11, размещенного на линии 2 задержки в отсутствие или в присутствии жидкости (см. фиг.1). При этом полная глубина углубления 6 может быть известна априорно. После этого помещают исследуемый образец 11 на границу 12 сопряжения конуса 7 линии 2 задержки и цилиндрического углубления 6, полностью заполненного жидкостью, и определяют акустическое сопротивление Z исследуемого твердого материала аналогично ранее описанным процедурам для жидкости:
1
где A′ и R′ - амплитуда сигнала, отраженного от плоскости контакта твердого материала и жидкости, и соответствующий коэффициент отражения, остальные обозначения прежние.
x2
x1
x2
По ранее упомянутой методике импульсных измерений (см. соответствующую ссылку на литературу автора Колесникова А.Е.) возможно определение акустических характеристик твердого материала: скорости c′ распространения в нем ультразвуковых колебаний и коэффициента α′ затухания в нем ультразвука, а также - плотности ρ′ этого материала по формуле ρ′=Z/c′. Таким образом, предлагаемый ультразвуковой преобразователь позволяет одномоментно определять комплекс акустических характеристик исследуемого твердого материала и жидкости (а также - резиноподобных и вязкоконсистентных материалов взамен жидкости): Z, с, α, ρ; Z, с′, α′, ρ′.
Если же по условиям опыта необходимо провести акустическое исследование только одного (по агрегатному состоянию) материала - твердого тела или жидкости, то измерительные процедуры упрощаются по сравнению с вышеописанными. А именно, при исследовании только твердых материалов в качестве жидкости можно использовать эталонную жидкость с известным акустическим сопротивлением, например, воду. При исследовании только жидкости отпадает необходимость в совокупности измерительных процедур, связанных с твердыми образцами. Процедуры измерений могут быть упрощены, а точность результатов повышена и при использовании эталонных образцов твердых материалов и жидкостей с известными акустическими характеристиками и значениями плотности.
Заявляемый ультразвуковой преобразователь удовлетворяет требованию промышленной применимости, т.к. для его изготовления достаточно использовать стандартные технологические процессы точения, склейки, шлифования и т.п., а также известные технические материалы: металлы, пластмассы, пьезокерамику и т.д.