Устройство для определения физических свойств включений в микронеоднородной жидкой среде
DEVICE FOR DETERMINATION OF PHYSICAL PROPERTIES OF INCLUSIONS IN MICRO INHOMOGENEOUS HYDROGEN MEDIA

Изобретение относится к гидроакустике неоднородных сред, а именно к системам акустического зондирования жидких микронеоднородных сред, таких как морская вода или технические жидкости, и предназначено для определения физических свойств включений микронеоднородных жидкостей.
Известно устройство, позволяющее определить в морской среде функцию распределения по размерам микронеоднородностей, обладающих выраженными резонансными свойствами, по результатам измерения обратного рассеяния звука в некотором диапазоне частот. Устройство включает параметрический излучатель, тракт излучения, включающий два генератора накачки, частоты которых управляются генератором ступенчатого напряжения, регулятором и делителем напряжения на два, в тракте приема применен гетеродин, сигнал которого перемножается в смесителе с сигналами рассеяния и выделяется промежуточная частота, несущая информацию об амплитудах сигналов рассеяния всех частот, что позволяет изучать спектр сигналов рассеяния, (п. РФ №146020 U1, МПК G01S 15/02 (2006.01)).
Однако при наличии большого количества нерезонансных микронеоднородностей (различные твердые и мягкие взвеси) их влияние на рассеяние звука настолько велико, что отделить их вклад от вклада резонансных включений в рассеянное акустическое поле не представляется возможным.
Более качественную оценку структуры морской воды позволяет провести устройство для дистанционного определения пространственной структуры и акустических характеристик слоев в морской воде (п. РФ №153282 U1 МПК G01S 15/02 (2006.01), взятое в качестве прототипа.
В основе данного устройства положено явление нелинейного рассеяния звука на микронеоднородностях морской среды, обладающих ярко выраженными нелинейными свойствами. Устройство использует явление нелинейного рассеяния звука на микронеоднородностях при одновременном воздействии на них двух волн накачки, близких по частоте, при этом рассеяние звука происходит как на частотах падающих звуковых импульсов (линейное рассеяние), так и на разностной частоте (нелинейное рассеяние). Для формирования встречного импульса устройство для реализации способа использует существующие в море отражающие поверхности - дно или поверхность моря.
Недостатком является необходимость наличия дополнительной отражающей поверхности для формирования встречной волны. Это не всегда может быть реализовано в условиях, например, штормового моря, когда отражающая поверхность границы вода-воздух слабо отражает звуковую волну, а дно находится глубоко. Кроме того, коэффициент нелинейного рассеяния сильно зависит от мощности излучаемых сигналов и часто оказывается значительно слабее, чем не зависящий от амплитуды звука коэффициент линейного рассеяния.
Таким образом, устройство требует наличия достаточно мощного тракта излучения звука, высокочувствительной приемной аппаратуры и высокой помехозащищенности тракта приема. Тракт излучения формирует пару импульсов с разными частотами и временными интервалами для задания момента излучения, поэтому излучатель должен обладать определенной широкополосностью для излучения импульсов разной частоты, что обычно снижает эффективность излучения.
В обоих описанных устройствах решается общая проблема - попытка отделить одни виды микронеоднородностей в жидкости от других, отличающихся по своим физическим свойствам. Попыток оценить сами физические свойства микронеоднородностей не делается как в рамках описанных устройств, так не обнаружено и в известных источниках информации.
Исходя из этого техническими проблемой и результатом заявляемого решения является определение физических свойств включений в микронеоднородной жидкости, а именно, плотности, сжимаемости микровключений и скорости звука внутри включений, содержащихся в микронеоднородной жидкости.
Проблема решается устройством для определения физических свойств включений в микронеоднородной жидкой среде, состоящим из измерительной акустической системы, включающей штангу, на противоположных концах которой под углом 45° к ее оси установлены обратимый и приемный преобразователи сигналов рассеяния, соединенные с аппаратным комплексом, при этом оба преобразователя имеют узконаправленную характеристику направленности в режиме излучения и приема и установлены таким образом, что их характеристики направленности пересекаются в одной плоскости под углом π/2 к излучению, а аппаратный комплекс, включает тракт излучения, тракт приема сигналов обратного рассеяния под углом π, тракт приема сигналов рассеяния под углом π/2 и систему регистрации и обработки полученных данных, содержащую двухканальный АЦП и компьютер; тракт излучения включает генератор-формирователь звуковых импульсов последовательно соединенный с усилителем мощности и электронным коммутатором сигналов, первый выход которого соединен с обратимым преобразователем измерительной акустической системы, а второй с входом усилителя тракта приема сигналов обратного рассеяния, выход которого подключен к входу пикового детектора, соединенного с первым входом АЦП системы регистрации и обработки данных, при этом приемный преобразователь подключен к входу усилителя тракта приема сигналов рассеяния под углом π/2, выход которого подключен к входу второго пикового детектора, выход которого соединен со вторым входом АЦП системы регистрации и обработки.
В основу предлагаемого устройства положены особенности рассеяния звука включениями микронеоднородной жидкости, заключающиеся в том, что различные микровключения имеют различные характеристики рассеяния звука при падении на них звукового импульса под разными углами.
Дифференциальное сечение рассеяния в определенном направлении в случае нерезонансных включений с размерами меньше длины волны звука (взвеси, планктон, нерезонансные пузырьки) имеет вид [Акуличев В.А., Буланов В.А. Акустические исследования мелкомасштабных неоднородностей в морской среде. - Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 2017. - с. 40. ISBN 978-5-9909943-8-6]:
θ
Из приведенного выражения видно, что типичная индикатриса рассеяния звука ψ твердыми, мягкими (soft matter, в англоязычной научной литературе), резиноподобными и газовыми включениями в среднем диапазоне частот, имеет вид:
где ρ и β плотность и сжимаемость жидкости, ρ' и β' плотность и сжимаемость включения, при этом сжимаемость понимается в расширенном смысле, т.е. наряду с типичной термодинамической характеристикой - адиабатической сжимаемостью,  (где S - энтропия), требуется дополнительно учитывать динамические характеристики (резонансные - в случае пузырьков и релаксационные вязко-тепловые - в случае мягких и твердых включений) [В.А. Буланов "Методы нестационарной и нелинейной спектроскопии пузырьков и планктона в море"/ В кн.: Акустика океана. Сборник трудов школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. - М.: ГЕОС, 1998. С. 190-194.].
Поскольку в реальных условиях рассеяние звука происходит в некотором объеме жидкости, вместо сечения рассеяния используется коэффициент объемного рассеяния звука ту, который тождественно равен понятию сечения рассеяния.
V
В однокомпонентном растворе (смеси включений одного и того же типа в воде) коэффициент объемного рассеяния звука m, когда размеры включения много меньше длины волны звука, можно записать, учитывая Рэлеевский характер рассеяния звука, в виде выражения: В приведенной формуле фактически рассматривается достаточно низкочастотные характеристики включений, когда с одной стороны можно пренебречь вязкостью жидкости, а с другой стороны, можно использовать низкочастотное приближение для функции отклика включений при воздействии звука. Такое приближение возможно при размере включений  (η - коэффициент динамической вязкости), а также при дополнительном условии  в случае пузырьков. В реальном случае указанное приближение распространяется на диапазон размеров включений от 1 мм до 1 мкм.
ν
Используя измерения сечения рассеяния m одновременно под углом θ и назад (θ=π), можно определить плотность ρ' и сжимаемость β' включения (ρ и β плотность и сжимаемость жидкости) по формулам [Bulanov V.A., Acoustical spectroscopy of resonance inclusions in sea water // In: "Fifth Western Pacific Regional Acoustics Conference" Ed. S. W. Yoon, M. Bae, Seoul, Korea, Volume I, 1994, p. 480-485.]:
Наиболее практичным является изучение рассеяния под углом θ=π/2, когда дипольное рассеяние равно нулю. Тогда имеем:
Таким образом, при наличии одного и того же типа включений в жидкости задача определения их характеристик решается однозначно.
На Фиг. приведена функциональная схема предлагаемого решения, где цифрами обозначены 1 - обратимый преобразователь; 2 - приемный преобразователь; 3 - штанга измерительной акустической системы; Pi - звуковое давление падающей волны: Ps - звуковое давление рассеянной на микронеоднородностях жидкости; тракт излучения (А): 4- генератор импульсов, 5-усилитель мощности, 6- коммутатор сигналов; тракт приема под углом π (Б): 7-усилитель, 8-пиковый детектор; тракт приема под углом π/2 (В): 9- усилитель, 10- пиковый детектор; система регистрации и обработки данных (Г): 11- АЦП, 12- компьютер.
Устройство работает следующим образом. В направлении исследуемой области микронеоднородной жидкости с включениями обратимым преобразователем (1), обладающим узкой характеристикой направленности, излучается акустический импульс. В паузах между излучениями преобразователь (1) принимает рассеянные назад (то есть под углом ж) от включений акустические сигналы. В стороне от оси излучения акустического сигнала на штанге (3) расположен второй преобразователь - приемный (2), также обладающий узконаправленной характеристикой, которая ориентирована под углом π/2 к оси излучения и также направлена в область исследуемого пространства. В области пересечения характеристик образуется некоторый объем пространства, из которого сигналы рассеяния в общем случае приходят на оба преобразователя. Если рассеяние носит монопольный характер, на оба преобразователя придет примерно одинаковое количество рассеянной энергии звукового импульса, если рассеяние имеет дипольный характер, то рассеяние будет происходить в обратном направлении и вперед, а на приемный преобразователь (2), принимающий сигналы только в перпендикулярном оси излучения направлении, сигналы рассеяния не придут или будут много меньше, чем сигналы, рассеянные в обратном направлении. Измеряют уровни акустического давления рассеянных волн на обратимом преобразователе (1) и приемном преобразователе под углом π/2 (2). В системе обработки данных (Г) вычисляют коэффициенты объемного рассеяния в обратном направлении и под углом π/2 относительно направления излучения, вычисляют индикатрису рассеяния по измерению коэффициентов объемного рассеяния, плотность и сжимаемость включений, по результатам которых вычисляют скорость звука внутри включений.
V
V
Измеряют уровни акустического давления рассеянных волн на обратимом преобразователе (1) и приемном преобразователе (2) под углом π/2. По полученным данным в системе обработки данных вычисляют коэффициенты объемного рассеяния m(π) и m(π/2) согласно выражению:
s
i
где θ - ширина диаграммы направленности источника излучения, с - скорость звука в жидкости, τ - длительность импульса, P и P - амплитуды акустического давления в рассеянной и падающей волне и индикатрисы рассеяния ψ(θ) согласно выражению:
По которым затем определяют плотности ρ' и сжимаемости β' включений согласно известным соотношениям, полученным из уравнения (4):
Зная значения плотности и сжимаемости вещества, вычисляем скорость звука, связанной с ними выражением:
π/2
На практике при размерах микровключений от 1 мм до 1 мкм частоты излучаемых звуковых импульсов лежат в пределах сотен килогерц - единиц мегагерц, а объем жидкости, в котором происходит измерение коэффициента объемного рассеяния звука, определяется частью пространства, в котором пересекаются диаграммы направленности обратимого преобразователя и преобразователя приемника акустических сигналов под углом  к оси излучения. Оба преобразователя должны иметь достаточно узкие диаграммы направленности с раскрывом в единицы градусов для повышения точности локализации исследуемого пространства жидкости.
Таким образом, заявляемое устройство при наличии одного типа включений в жидкости позволяют решить задачу определения физических свойств микровключений.
Экспериментальный образец устройства был изготовлен в основном из приборов промышленного производства. Генератором импульсов (4) служил цифровой программируемый генератор сигналов произвольной формы - ГСПФ-053 фирмы «Руднев и Шиляев» (Москва), частота излучаемых импульсов 700 кГц. В качестве усилителя мощности (5) использовался усилитель У7-5, коммутатор сигналов (6) выполнен по схеме аналогичной схемам диодных коммутаторов эхолотов. Акустическая система включала в себя носитель (штангу) с крепящимися по краям двумя пьезоэлектрическими дисками диаметром 65 мм и толщиной 3 мм. Раскрыв основного лепестка характеристики направленности на данной частоте около 2 градусов. Излучатель и приемный датчик конструктивно одинаковы. Приемные тракты обратного рассеяния и рассеяния под углом идентичны и состоят из усилителей (7 и 9) У7-6 и пиковых детекторов (8, 10), после которых сигналы рассеяния оцифровываются платой АЦП (11) типа Е20-10 фирмы L-CARD (Москва) и передаются для дальнейшей обработки в компьютер (12).
Для оценки работы системы были проведены испытания в контролируемых условиях на включениях резко отличающихся по физическим свойствам. В качестве таких были опробованы мелкие газовые пузырьки, полученные электролитическим способом и всплывающие в области пересечения диаграмм направленности обоих преобразователей, и взвеси, состоящие из мелких крупинок твердого вещества.
V
V
V
V
-3
-1
-3
-1
-3
-1
-3
-1
Измерения показали для газовых пузырьков значения коэффициента объемного рассеяния в обратном направлении m(π)=0.03%5⋅10см, а под углом π/2 m(π/2)=0.0355⋅10см значения близкие по масштабу, что указывает на почти монопольный характер рассеяния, а при измерениях взвеси значения коэффициента объемного рассеяния в обратном направлении m(π)=2.6⋅10см, под углом π/2 m(π/2)=0.81⋅10см, что указывает на дипольный или смешанный характер рассеяния.
Таким образом, заявляемое устройство путем измерения коэффициента объемного рассеяния акустических импульсов под углом π и π/2 к направлению излучения позволяет на основании полученных данных о коэффициенте объемного рассеяния звука на включениях определить в микронеоднородной жидкости плотность, сжимаемость включений и скорость звука внутри включений. Предлагаемая конструкция устройства не требует больших мощностей излучаемых сигналов, многочастотного режима излучения, дополнительных условий для проведения измерений (например, наличие дополнительной отражающей плоскости), что упрощает возможности его аппаратной реализации, Благодаря компактности акустической системы, появляется возможность использовать устройство не только в акватории натуральных водоемов, но и в технических устройствах, где требуется контролировать свойства микронеоднородных жидкостей. Устройство использует явление линейного рассеяния, что упрощает тракты излучения и приема благодаря отсутствию других, кроме основной, частот спектра и избавляет от необходимости усиленной фильтрации сигналов рассеяния, а также, благодаря небольшим расстояниям между излучателем и приемником, не требуется большого усиления сигналов рассеяния.