СПОСОБ ОДНОСТОРОННЕГО АКУСТИЧЕСКОГО СОГЛАСОВАНИЯ СРЕД С ПЛОСКОЙ ГРАНИЦЕЙ КОНТАКТА
METHOD OF ONE-WAY ACOUSTIC MATCHING OF MEDIA WITH FLAT CONTACT BOUNDARY

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано при конструировании ультразвуковой аппаратуры, а также в технологии применения ультразвука в промышленности или медицине.
Известны способы акустического согласования сред с плоской границей контакта путем формирования между средами переходных слоев с плавно изменяющимся акустическим сопротивлением (см., например, Каниболотский М.А., Уржумцев Ю.С. Оптимальное проектирование слоистых конструкций. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1989. - С.91-134). Способы являются очень сложными, низкотехнологичными из-за невоспроизводимости на практике требуемых законов изменения сопротивлений.
i
Известен способ согласования акустических сопротивлений двух сред путем формирования между ними плоского переходного слоя, акустическое сопротивление Z и толщина l которого подчиняются соотношениям:
1
2
где Z и Z - акустические сопротивления согласуемых сред,
i
λ - длина ультразвуковой волны в материале согласующего слоя, (см., например, И.Н.Ермолов. Теория и практика ультразвукового контроля. - М.: Машиностроение, 1981. - С.36).
Указанный способ является низкотехнологичным ввиду трудности подбора материала согласующего слоя (для обширных парных комбинаций согласуемых сред), узкополосности и т.д.
Наиболее близким к предлагаемому является способ акустического согласования сред с плоской границей контакта, заключающийся в том, что на контактной границе в среде с более высоким акустическим сопротивлением выполняют пустотелые углубления прямоугольной формы (патент RU №2036469, МПК G01N 29/24, 1995 г.). 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 более высоким значением Z акустического сопротивления.
Указанный способ-прототип имеет узкую область применения. Во-первых, необходимо выполнять пустотелые углубления в среде с более высоким значением акустического сопротивления, чем у согласуемой с ней среды. Этот способ не может быть применен, 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. Во-вторых, при осуществлении способа-прототипа необходимо тщательно выполнять технологические операции по формированию строго прямоугольных (в продольном сечении) отверстий, с одинаковой глубиной и т.д. Это ограничивает возможности ультразвуковой технологии в полевых условиях, при исследовании подводных сооружений и т.д. В-третьих, на практике часто возникают случаи, когда одна из согласуемых сред уже имеет углубления на своей поверхности, которые являются нерегулярными, обладают неправильной формой и не подчиняются математическим соотношениям (1). То есть способ-прототип не может быть к ним применен. Можно привести два примера. При работе со строительными материалами и конструкциями поверхность их является зачастую грубой и нерегулярной. В медицине при контакте ультразвукового высокочастотного преобразователя с кожей человека поверхность последней тоже следует считать грубо неровной при частоте используемого в современных дерматологических аппаратах ультразвука 100 МГц (длина волны в коже составляет 15 мкм).
i
Целью изобретения является расширение областей применения способа акустического согласования сред с плоской границей контакта путем формирования на контактной границе в одной из сред углублений. Поставленная цель достигается за счет того, что в одной из согласуемых сред формируют углубления произвольной формы и заполняют их материалом, отличающимся по акустическому сопротивлению от материала этой среды. Наилучшее согласование сред достигается тогда, когда акустическое сопротивление Z материала, заполняющего углубления, и относительная площадь β углублений в проекции на плоскую контактную границу сред подчиняются математическому соотношению:
2
1
где Z и Z - акустические сопротивления материалов, относящиеся соответственно к среде, в которой выполнены углубления, и к среде, не содержащей их,
i
Z - акустическое сопротивление материала, заполняющего углубления.
Таким образом, в заявляемом способе, в отличие от прототипа, углубления в одной из согласуемых сред имеют неправильную форму и произвольные размеры, в том числе - натурные. Кроме того, в отличие от прототипа, эти углубления могут принадлежать как среде с более высоким значением акустического сопротивления, так и среде с более низким его значением. Наконец, относительная площадь углублений в проекции на контактную границу не задается путем конструктивного решения, а может быть принята такой, как в натурных условиях. При этом акустическое согласование сред достигается путем подбора акустического сопротивления материала, заполняющего углубления. Его можно варьировать в широких пределах путем смешивания различных химических веществ, смазок, сплавов-припоев различного состава и т.д. Все это вместе взятое позволяет заметно расширить область применения известного способа акустического согласования сред путем выполнения в одной из них углублений на контактной поверхности.
Техническим результатом заявленного способа является расширение класса и номенклатуры используемых в ультразвуковых конструкциях материалов, подлежащих акустическому согласованию по условиям работы, а также решение более широкого класса технических и задач, предусматривающих использование ультразвуковых технологий.
На прилагаемом чертеже схематически представлено осуществление заявляемого способа для случая согласования твердого тела и жидкости.
1
2
1
i
i
Жидкость 1 имеет акустическое сопротивление Z, твердая среда 2 - акустическое сопротивление Z, которое может быть как больше, так и меньше Z. На контактной границе 3 в среде 2 имеются углубления 4 произвольной формы. Эти углубления могут быть выполнены искусственно любым доступным быстрым способом: сверлением, пробивкой, травлением, прожиганием и т.п., а могут иметь естественное происхождение, характерное для фактуры поверхности среды 2. В соответствии с выражением (2) выбирают материал 5, имеющий акустическое сопротивление Z, и полностью заполняют им углубления 4. Для расчета по выражению (2) акустического сопротивления Z и подбора соответствующего материала 5, в том числе путем смешивания вязких компонентов, не поглощающих используемую жидкость 1, очевидно, необходимо знать величину β. Последнюю можно знать априорно по известным техническим условиям, либо ее можно найти опытным путем. А именно, определить удельную площадь β углублений на плоской контактной поверхности можно методом оптического измерения пятен краски (см. Берков В.И. Технические измерения. - М.: Высшая школа, 1983. - С.5) либо с помощью ультразвукового контактного метода (см. авт. св. СССР №1580163, МПК G01В 17/00).
12
Как можно видеть даже из чисто геометрических соображений (см. чертеж), акустическое согласование сред по предлагаемому способу является односторонним. А именно, оно обеспечивается при падении ультразвуковых колебаний на контактную границу 3 со стороны среды 1. То, что при выполнении условий (2) достигается наивысшая (стопроцентная) степень согласования, легко доказывается аналитически. Запишем выражение для амплитудного коэффициента R отражения применительно к рассматриваемому случаю.
,
где все остальные обозначения прежние.
2
1
i
1
2
1
2
i
1
Приравнивая это выражение к нулю и решая полученное уравнение относительно β, мы получим выражение (2). Из последнего очевидно, что заявленный способ технически осуществим (0<β<1), причем он реализуем как для Z>Z (при этом должно выполняться Z<Z), так и при Z<Z (при этом должно выполняться Z<Z<Z).
i
i
2
2
1
При анализе математических соотношений (2) имеются два особых случая. Во-первых, пустотелые углубления можно не заполнять новым материалом, т.е. задать Z=0. Для этого частного случая формула (2) упрощается и становится идентичной формуле (1) для прототипа. Таким образом будет обеспечено одностороннее согласование для способа-прототипа, о чем говорится в описании изобретения по вышеуказанному патенту. Во-вторых, теоретически возможен случай, когда Z=Z. В этом случае формула (2) теряет математический смысл. Однако с физической точки зрения этот случай очевиден: он реализуется только для заведомого равенства Z=Z и является просто геометрической достройкой поверхности среды 2 до плоской формы. Оба рассмотренных частных случая не опорочивают новизны заявленного способа и его изобретательского уровня.
Заявленный способ может применяться не только для акустического согласования твердой среды с жидкостью, но и двух твердых сред, твердой среды с эластомером и т.д.
Предложенный способ не требует для своей реализации создания нового оборудования. Все необходимые технологические операции могут быть выполнены на известном оборудовании, с применением известных инструментов: тисков, пробойников, сверлильных приспособлений и т.д.