УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
DEVICE FOR MEASURING ULTRASONIC RADIATION POWER

Изобретение предназначено для использования в экспериментальной и промышленной акустике, в частности для измерения энергии, излучаемой стержневыми ультразвуковыми преобразователями. Цель достигается использованием устройства, содержащего стержневой ультразвуковой излучатель, емкость с жидкостью или газом и весы, на которые эта емкость установлена.
Практически во всех возможных приложениях ультразвука появляется необходимость в оценке параметров, характеризующих ультразвуковое поле, в частности плотности ультразвуковой энергии в поле, созданном излучателем ультразвука[1].
Имеется ряд физических явлений, которые могут быть использованы и используются для регистрации и измерения параметров акустических полей. В случаях, когда появляется необходимость определять средние значения мощности ультразвука или плотности энергии в ультразвуковом поле, несомненное практическое преимущество имеют способы, основанные на измерении механических усилий, возникающих в ультразвуковом поле за счет радиационного давления. Радиационное давление - известное физическое явление, наблюдаемое в ультразвуковом поле. Эту силу можно измерить с большой точностью, ее измерение лежит в основе относительно простого способа оценки акустического поля в основных физических единицах. На настоящий момент этот метод признан международным стандартом для измерения акустической мощности в жидкостях [2].
Устройства, реализующие метод, основанный на измерении радиационного давления, отличаются большим разнообразием. Устройства отличаются друг от друга по чувствительности и по методу измерения силы. Имеются приборы, основанные на стандартных аналитических весах, на электромагнитных компенсационных приборах нулевого отклонения, на датчиках деформаций и компенсационных приборах поплавкового типа [3].
Принцип измерения радиационного давления широко используется и в стандартных измерителях мощности ультразвука, различные модификации которых предназначены для контроля мощности излучения медицинских преобразователей. Все эти измерители имеют относительно сложную конструкцию и предназначены для измерения не слишком высокой мощности ультразвукового излучения (от 0,05 Вт до 30 Вт), с частотами от 0,5 до 12 МГц.
Для измерения энергии, излучаемой мощными низкочастотными преобразователями ультразвука, используются калориметрические методы, основанные на измерении изменения температуры среды, подвергаемой действию ультразвука [4, 5], методы, базирующиеся на измерении потерь, приводящих к нагреванию излучающего устройства [6] и др.
Настоящее изобретение направлено на реализацию возможности быстрого измерения мощности низкочастотного ультразвука с использованием лабораторных весов (чертеж).
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является стандартный «измеритель мощности ультразвукового излучения переносные ИМУ-4ПМ, предназначенный для измерения мощности ультразвукового излучения, генерируемого плоскими излучателями, в виде коллимированного, сфокусированного или несколько расходящегося пучка ультразвуковой энергии в воде при исследованиях технических характеристик ультразвукового медицинского оборудования. Частота измеряемого ультразвукового излучения от 0,5 до 12 МГц, измеряемая мощность от 0,05 до 12 Вт [7].
Однако упомянутое и аналогичные устройства [8, 9, 10] по предназначению не могут обеспечить измерение ультразвукового излучения с частотой 20-50 кГц с мощностью 100 Вт и выше. В связи с тем, что длина волны ультразвука при частотах 20-50 кГц намного превышает размеры излучателя, распространение таких волн, в отличие от высокочастотных волн, практически не подчиняется законам геометрической оптики, и не может быть, «… в виде коллимированного, сфокусированного или несколько расходящегося пучка ультразвуковой энергии…»
Заявленный нами результат достигается использованием устройства в виде весов (1), на платформу которых установлена емкость (2) с водой, в которую опущен излучатель ультразвука (3). Перед включением ультразвука показания весов обнуляются. После включения ультразвука показания весов равны радиационному давлению, оказываемому ультразвуком на дно сосуда, и пропорциональны излучаемой мощности. (Теплоизолированная емкость используется для калибровки устройства калориметрическим методом.)
Калибровка устройства возможна несколькими способами, например калориметрическим. Для этого измеряют температуру жидкости в теплоизолированной емкости до включения ультразвука, время ультразвукового воздействия и температуру жидкости в емкости после выключения ультразвука.
2
1
Измерение акустической мощности заключается в ее оценке по степени повышения температуры ΔT=T-T жидкой среды в теплоизолированном объеме V, с известной теплоемкостью С и плотностью ρ по следующей формуле:
P=CρVΔT/t
2
где t - время воздействия ультразвуком на жидкость в теплоизолированной, емкости. Поскольку практически вся акустическая энергия переходит в тепловую, измерение конечной температуры t, позволяет по приведенной формуле вычислить величину акустической мощности.
Использование калориметрического метода для определения полезной акустической мощности так же, как и других методов, имеет ряд недостатков:
- процесс измерения занимает достаточно много времени (более 30 секунд);
- процесс измерения требует проведения различных измерений и вычислений;
- отсутствие какой-либо автоматизации увеличивает погрешность измерений.
Однако эти недостатки не влияют на точность калибровки предлагаемого устройства для измерения мощности ультразвукового излучения, которую получают сравнением вычисленных значений, полученных калориметрическим методом, и показанием весов, полученных с использованием предлагаемого устройства.
Таким образом, совокупность отличительных признаков описываемого устройства обеспечивает достижение указанного результата.
В результате проведенного анализа уровня техники измерения мощности низкочастотных ультразвуковых излучателей источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна". Простота решения не реализованного до сегодняшнего дня свидетельствует о соответствии предлагаемого устройства условию "изобретательский уровень".
Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о том, что заявленное изобретение, предназначенное для измерения мощности ультразвукового излучения, обладает заявленными выше свойствами. Для заявленного устройства в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, нет препятствий его осуществления на практике с использованием распространенных и доступных средств электроники и автоматики. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".
Литература
1. Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами.- М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 2005, 224 с.
2. Международный стандарт для измерения акустической мощности в жидкостях. IEC 1992 b, 1993.
3. Ультразвук в медицине. Физические основы его применения. / Под ред. К.Хила, Дж.Бамбера, Г.тер Хаар. М.: Физматлит, 2008, 540 с.
4. Маргулис И.М., Маргулис М.А. Измерение акустической мощности при исследовании кавитационных процессов. Акустический журнал, 2005, т.51, №5, С.698-708.
5. В.Н.Хмелев, С.Н.Цыганок, Р.В.Барсуков. Система автоматического определения акустической мощности УЗ установок. Материалы конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях». Бийск, 2004. (См. также в http://u-sonic.com/pubs/sistema-avtomaticheskogo-opredeleniya-akusticheskoi-moshchnosti-uz-ustanovok).
6. Говор И.Н., Платонов В.А., Сильвестров С. Способ измерения ультразвуковой мощности излучения. Патент №95109252.
7. Сертификат Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии об утверждении типа средств измерения. Измеритель мощности ультразвукового излучения переносной. ИМУ-4ПМ. 2007.
8. Измеритель мощности и частоты ультразвукового излучения "ИМУТАП". Государственный реестр СИ под №29892-05.
9. Измеритель мощности ультразвукового излучения UPM-DT-1. Каталог ООО «ТД «Аналитические приборы», 2008.
10. Измерители мощности ультразвукового излучения ИМУ-1ПМ, мод. ИМУ-1ПМ, ИМУ-1ПМ-01. Каталог КИПиА ООО "Энергосила".