Исследование физико-реологических свойств жидких сред методом акустического интерферометра

АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

УДК 55.082.722.56; 532.08

А. В. Рудин, Д. А. Апакин, В. В. Маркелов, Х. С. Махмарасулов

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКИХ СРЕД МЕТОДОМ АКУСТИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА

Аннотация. Приведено описание лабораторной измерительной установки - акустического интерферометра переменной длины, позволяющей проводить измерения скорости распространения и коэффициента поглощения продольных ультразвуковых волн в жидких средах на высоких частотах мегагерцового диапазона и результаты экспериментальных исследований акустических параметров различных смазочных масел. Из полученных результатов экспериментальных исследований установлено, что скорость распространения продольных ультразвуковых волн в минеральном моторном масле типа Shell Helix Ultra 5W-30 до и после пробега, который составляет 10 тыс. км, отличается на 4,1 %, а коэффициент поглощения почти на 18 %. На основании полученных экспериментальных результатов можно с уверенностью полагать, что акустические параметры моторных масел в значительной мере зависят от режимов температурной обработки последних.

Ключевые слова: акустический интерферометр, ультразвук, длина волны, скорость, поглощение, пьезоэлектрический преобразователь.

Диагностика работоспособности двигателей внутреннего сгорания является важной и дорогостоящей задачей современного машиностроения. По данным Росстата, за 2016 г. вследствие несвоевременной и неэффективной диагностики двигателей произошло 15 % поломок в воздушном транспорте, более 4 % - в морском, и более 3 % - в наземном транспорте. Для техники специального назначения данная проблема является чрезвычайно важной, так как проблемы с двигателем могут привести к авиакатастрофам, морским крушениям и наземным авариям [1].

К решению проблемы диагностики двигателя можно подойти со стороны исследования реологических свойств смазочной жидкости, используемой для смазки двигателя во время его эксплуатации. Из-за неэффективности традиционных методов анализа смазочных жидкостей и масел существующие подходы к диагностике неоперативны и не позволяют в полном объеме выявлять скрытые дефекты работоспособности двигателей. По этой причине возникает необходимость поиска новых методов исследования смазочных жидкостей и масел, позволяющих точно и своевременно определять степень износа двигателя и возможность его дальнейшей эксплуатации.

Наиболее эффективным методом исследования реологических свойств смазочных жидкостей является метод акустической спектроскопии. Применение акустических методов обусловлено непосредственной связью вязкоупругих параметров жидкостей с акустическими. Акустический метод основан на измерении скорости распространения и ко-

эффициента поглощения ультразвуковых волн при заданных Р, V, Г-параметрах состояния исследуемых объектов [2].

Применение метода акустической спектроскопии позволит оперативно и с высокой точностью осуществить диагностику работоспособности двигателя на основе анализа акустических параметров моторных масел.

Акустическая спектроскопия представляет собой экспериментальное исследование частотных зависимостей параметров акустических волн в веществе (скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн), посредством которого можно определить основные параметры исследуемых объектов, такие как структура или реологические свойства жидкостей [3].

Цель данной работы заключается в исследовании зависимости физико-реологических свойств жидких сред методом акустического интерферометра переменной длины в зависимости от параметров состояния и изменения химического состава исследуемых объектов.

Сущность метода импульсного интерферометра переменной акустической базы сводится к измерению длины ультразвуковой волны в исследуемой среде; данный метод основан на использовании резонансных свойств столба исследуемой жидкости, заключенного между излучателем и приемником ультразвуковых волн [4]. В результате образования стоячих волн ультразвуковое давление в исследуемой среде периодически повторяется вдоль акустической базы через половину длины волны X / 2. Таким образом, измерение X сводится к измерению расстояния I между 1-м и л-м максимумом (или минимумом) стоячей волны и рассчитывается по известной формуле [4]

х =21.

Тогда скорость распространения ультразвуковых волн в исследуемой среде определится по формуле

и =--/,

п

где / - частота ультразвуковых волн.

Зависимость амплитуды стоячих акустических волн от длины акустической базы исследуемой жидкости приведена на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость амплитуды акустического импульса в режиме интерференции

п

Коэффициент поглощения в исследуемой жидкости определяется обычным импульсным методом переменной акустической базы [4], основанным на измерении давления ультразвука в двух точках пространства на пути распространения ультразвукового луча, и рассчитывается по известной формуле

A г л

а =-,

£ • 20 • lg e

где A - величина затухания ультразвуковых волн на расстоянии £, выраженное в децибелах (дБ); e - основание натурального логарифма.

При этом в исследуемой среде необходимо соблюдать режим бегущей волны [5]. Это вызвано тем, что амплитуда ультразвуковой волны на различных расстояниях от излучателя зависит не только от коэффициента поглощения звука, но и от резонансных свойств объема исследуемой среды, заключенного между излучателем и приемником ультразвука. Бегущую волну в исследуемой среде можно создать при выполнении условия

а £ mm > ln г 2,

где £min - минимальное расстояние между излучателем и приемником ультразвуковых волн; r - коэффициент отражения ультразвуковых волн на границе «приемник ультразвука (отражатель или звукопровод) и исследуемая среда», который рассчитывается по формуле

m -1

г =-,

m +1

р1и1

где m = , р1,и1, р2,и2 - плотность и скорость ультразвука в исследуемой среде и при-Р2 U2

емнике соответственно.

Установление режима бегущей волны акустического импульса в исследуемой среде обеспечивается выполнением следующих условий. Импульсно-модулированное высокочастотное синусоидальное напряжение на выходе пьезоприемника ультразвуковых волн, прошедших через исследуемую среду при выполнении условия т >> Т (где т - длительность акустического импульса; Т - период ультразвуковой волны) [5], можно считать непрерывным, которое выразится уравнением

Un = U1 sin

2/ t + и + тз | + ф(/) + Фо

где и = и0 к1в~а1 - амплитуда акустического радиоимпульса, прошедшего через исследуемую среду; и0 - амплитуда синусоидального напряжения несущей частоты ВЧ-генера-тора; х3 - время задержки в звукопроводе акустической камеры, являющееся функцией Р, Т-параметров; кх - постоянный коэффициент, равный произведению коэффициентов преобразования пьезоэлектрических излучателя и приемника ультразвуковых волн и коэффициента усиления импульсного модулятора; t - текущее время; ф(/) - фазовый сдвиг в пьезопреобразователях; ф0 - постоянный фазовый сдвиг в электронном блоке.

Спектр последовательности зондирующих радиоимпульсов располагается вокруг несущей частоты /0. В результате ослабление отдельных спектральных составляющих

спектр отраженных импульсов видоизменяется; и чтобы можно было отнести его с допустимой точностью

< 0,005

-

к несущей частоте зондирующего радиоимпульса, необходимо соблюдать выполнение неравенства [5]

х  >

имтт —

15

Неравенство (6) ограничивает длительность зондирующего радиоимпульса снизу. Здесь величина времени задержки хЗ в звукопроводе УЛЗ-1 для всех измерений является постоянной величиной, которую при расчетах можно не учитывать.

Как видно из формулы (2), точность измерения скорости распространения продольных ультразвуковых волн в жидких средах определяется только точностью определения длины акустической базы исследуемой жидкости и частоты непрерывного синусоидального сигнала на выходе генератора высокой частоты.

Описание конструкции акустического прибора

Функциональная электронная блок-схема акустической установки, реализующая метод импульсного интерферометра переменой акустической базы, показана на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная блок-схема акустического интерферометра переменной акустической базы: 1 - генератор высокой частоты (ГВЧ); 2 - модулятор радиоимпульсов; 3 - генератор импульсов; 4 - пьезоэлектрический излучатель; 5 - акустическая камера; 6 - исследуемая жидкость;

7 - ультразвуковая линия задержки (УЛЗ); 8 - приемный пьезопреобразователь; 9 - частотно-избирательный усилитель; 10 - электронный осциллограф; 11 - микрометр;

12 - электронный частотомер

Принцип работы электронно-измерительной схемы следующий. С выхода ВЧ-гене-ратора (рис. 2) непрерывное синусоидальное напряжение частотой = \И1 (где Т - пе-

риод колебаний), соответствующей одной из нечетных гармоник пьезоэлектрического излучателя и приемника ультразвуковых волн, подается на вход модулятора радиоимпульсов 2. На управляющий вход модулятора с выхода генератора импульсов 3 подаются прямоугольные строб-импульсы длительностью хп = (10 20) мкс и скважностью с = 500.

Модулятор 2 обеспечивает импульсную модуляцию непрерывных синусоидальных электрических колебаний. На выходе модулятора 2 из непрерывных синусоидальных колебаний выделяется короткий высокочастотный зондирующий радиоимпульс - цуг волн длительностью тп, который через ВЧ-кабель подается на пьезоэлектрический излучатель 4, закрепленной на торцевой поверхности акустической ячейки, которая закреплена в нижнем основании акустической камеры 5 с исследуемой жидкостью 6.

Акустическая камера 5 выполнена в виде цилиндрического полого металлического цилиндра, совмещенного с системой термостатирования (на рисунке не показана), необходимой для установления и поддержания заданной температуры исследуемой жидкости.

За счет электрострикционного эффекта электрические колебания преобразуются в продольные механические колебания той же частоты, которые в виде пакета ультразвуковых волн нормально к плоскости пьезоэлектрического излучателя 4 излучаются в исследуемую жидкость 6. Пройдя через исследуемую жидкость, ультразвуковые продольные волны нормально падают на торцевую грань звукопровода - ультразвуковую линию задержки (УЛЗ) 7, которая выполнена в виде металлического цилиндра с компланарными основаниями - торцами. На границе раздела двух сред (т.е. исследуемая жидкость и звукопровод) ультразвуковая волна частично отражается и проходит обратно в звукопровод 7. Продольные ультразвуковые колебания, распространяясь в звукопро-воде 7, образуют «бегущие» ультразвуковые волны. В звукопроводе 7 ультразвуковые волны, отразившись от противоположных торцов, распространяясь вдоль оси волновода, образуют серию монотонно убывающих акустических эхо-импульсов. Длина звукопро-вода 7 выбрана такой, чтобы выполнялось условие [5]

1З ^ 2иЗ пшах,

где иЗ - скорость распространения ультразвуковых волн в звукопроводе; тшах - максимальная величина длительности акустического импульса.

Выполнение условия (7) необходимо для предотвращения наложения заднего и переднего фронтов монотонно убывающих акустических эхо-импульсов, возникающих в результате многократных отражений проходящего акустического импульса от противоположных торцов звукопровода. Приемный пьезопреобразователь 8, закрепленный на свободном торце звукопровода, за счет прямого пьезоэлектрического эффекта преобразует механические колебания в электрические, которые через коаксиальный ВЧ-кабель поступают на вход высокочастотно резонансного ВЧ-усилителя 9. С выхода ВЧ-уси-лителя 9 усиленный по амплитуде акустический сигнал в виде монотонно убывающих эхо-импульсов подается на вход электронного осциллографа 10. Измерение изменения акустической базы исследуемой жидкости осуществляется с помощью микрометра 11, который непосредственно закреплен на боковой поверхности звукопровода 7. Измерение частоты заполнения акустических импульсов осуществляется электронным частотомером 12, подключенным к выходу ВЧ-генератора 1.

Общий вид акустической установки показан на рис. 3. Вышеописанная акустическая установка позволяет проводить измерения скорости распространения и коэффициента поглощения продольных ультразвуковых волн в жидких средах в диапазоне частот от 1,0 до 10 МГц.

Рис. 3. Общий вид акустической установки

Введение дополнительно системы термостатирования акустической камеры позволит осуществлять измерения акустических параметров в температурном интервале

М = -20о С -^+90° С.

Относительная погрешность измерений скорости распространения ультразвуковых волн в моторных маслах не превышает 0,02 %, а коэффициента поглощения 4,5 %.

Порядок проведения измерений акустических параметров

Порядок измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн методом импульсного интерферометра переменной акустической базы следующий. Производится настройка электронно-измерительной схемы на заданную частоту. Величина акустической базы при этом устанавливается равной нулю. Длительность задержанного строб-импульса, поступающего на управляющий вход частотно-избирательного усилителя, устанавливается в пределах 50-100 мкс, а время задержки 10 мкс. Данная временная задержка управляющего строб-импульса необходима для подавления в усилительном тракте зондирующего радиоимпульса, обусловленного недостаточной экранировкой входных цепей при приеме усилительного тракта от выходного тракта модулятора. Выключатель «ВК» устанавливается в разомкнутое положение. При этом на экране осциллографа наблюдается проходящий через исследуемую среду и зву-копровод акустический радиоимпульс, а также последовательность монотонно затухающих во времени радиоимпульсов, обусловленных многократным отражением акустических эхо-импульсов от внутренних торцов звукопровода. Величина затухания, вносимого аттенюатором, устанавливается такой, чтобы акустические радиоимпульсы, поступающие на вход резонансного усилителя радиочастоты с выхода пьезоприемника, соответствовали номинальному уровню входного сигнала, при котором усилитель радиочастоты работает в линейном режиме усиления.

Затем плавным изменением перемещения звукопрвода увеличивается величина акустической базы исследуемой среды. Изменение акустической базы вызывает периодические изменения амплитуды акустических радиоимпульсов вследствие интерференции проходящей и отраженной ультразвуковых волн в объеме исследуемой среды, которые непосредственно наблюдаются на экране осциллографа. Подсчитав число максимумов п (или минимумов), соответствующих изменению акустической базы на величину М, с учетом выражений (1) и (2), рассчитывается скорость ультразвуковых волн в исследуемой среде по формуле [5]

2-М .

и =--/,

п

где / - частота ультразвуковых волн.

После завершения процесса измерения скорости ультразвука определяется коэффициент поглощения исследуемой среды. Для этого акустическая база увеличивается до величины, удовлетворяющей уравнению (3), т.е. в исследуемой среде создается режим «бегущей» волны.

Коэффициент поглощения в исследуемой жидкости определяется обычным импульсным методом переменной акустической базы [5], основанным на измерении давления ультразвука в двух точках пространства на пути распространения ультразвукового луча, и рассчитывается по известной формуле

а = — -1п и°,

Л1 и

где ио и и - величина уровня акустического радиоимпульса, измеряемая в вольтах по шкале экрана осциллографа, при изменении акустической базы на величину Л£.

В качестве исследуемых объектов - жидких сред - использованы жидкости, которые широко применяются в автомобильной промышленности и химико-технологических процессах. Измерения акустических параметров в исследуемых объектах проводились на частоте /= 7 МГц при комнатной температуре методом интерферометра переменной акустической базы.

Результаты экспериментальных исследований - средние значения величины скорости распространения и коэффициента поглощения продольных ультразвуковых волн, а также реологические параметры всех исследованных объектов - приведены в сводной табл. 1.

Таблица 1

Результаты эксперимента

Тип жидкости t, °C p, кг/м3 П-10-2, мм/с и,м/с а,м 1

1. Полусинтетическое моторное масло «Лукойл»: Супер 10W-40, SC/CD 24 878 0,158 1438,2 49,7

2. Масло моторное: Shell Helix Ultra 5W-30 29 841 0,163 1433,3 54,8

3. Масло моторное: Shell Helix Ultra 5W-30 (пробег 10 тыс. км) 25 841 0,163 1491,6 64,6

4. Масло машинное (трансформаторное) 23 820 0,198 1470,8 35,5

5. Минеральное масло трансмиссионное, «ЛУКОЙЛ» GL-5, ТМ-5, 80W-90 23 900 0,100 1493,7 137,4

6. Масло моторное: ESSO Ultra, Semi Sintetik 10W-40 24 874 0,155 1451,3 62,5

7. Масло растительное подсолнечное «Красная цена» 24 924 0,59 1475,1 82,7

8. Масло растительное подсолнечное «Красная цена» (после прокаливания, t = 230 °C) 24 924 0,59 1478,5 47,2

9. Жидкость тормозная: DOT-4, SAEJ 1703, ISO 4929, FMV55 116 22 845 1,8 1512,0 24,9

10. Охлаждающая жидкость: ANTIFREEZE, FELIX-40, RED, professional G12+ 22 1,075 1 1708,2 6,0

Из полученных результатов экспериментальных измерений - скорости распространения и коэффициента поглощения продольных ультразвуковых волн в исследуемых объектах - следует, что величина скорости изменяется в пределах и = 1433-И512 м/с, а величина коэффициента поглощения изменяется в пределах

а = 6,0 *137 м-1.

Из сопоставления акустических параметров ультразвуковых волн в минеральных маслах следует, что в минеральном трансмиссионном масле типа «ЛУКОЙЛ» GL-5, ТМ-5, 80W-90 величина скорости распространения и коэффициента поглощения продольных ультразвуковых волн максимальная и составляет для скорости и = 1451,3 м/с, а для коэффициента поглощения - а = 137 м-1.

Минимальная величина коэффициента поглощения наблюдается у машинного трансформаторного масла и составляет а = 35,5 м-1. Полученные экспериментальные данные для акустических параметров хорошо согласуются с теоретическими [6].

Анализ экспериментальных результатов растительных масел показал, что акустические параметры растительных масел не сильно отличаются от минеральных масел. Однако после прокаливания растительного масла (объект № 7) коэффициент поглощения в растительном масле увеличивается более чем в 1,75 раза. Увеличение скорости распространения ультразвуковых волн не превышает 0,25 %. Данное отклонение можно объяснить выпариванием растворенной в растительном масле воды, которая в значительной степени понижает поглощение ультразвуковых волн.

Различие величины скорости распространения и коэффициента поглощения продольных ультразвуковых волн других минеральных маслах составляет более 7 % при относительной погрешности измерений 0,02 %, что указывает на то, что акустический метод с достаточно высокой точностью и надежностью может применяться для идентификации минеральных и растительных масел.

Из представленных в табл. 1 экспериментальных результатов акустических параметров следует, что скорость распространения продольных ультразвуковых волн в минеральном моторном масле типа Shell Helix Ultra 5W-30 (объект № 2) до и после пробега, который составляет 10 тыс. км, отличается на 4,1 %, а коэффициент поглощения почти на 18 %.

На основании полученных экспериментальных результатов можно с уверенностью полагать, что акустические параметры моторных масел в значительной мере зависят от режимов температурной обработки последних.

Библиографический список

1. Леванов, И. Г. Экспериментальные исследования реологических свойств всесезонных моторных масел / И. Г. Леванов, Е. А. Задорожная // Вестник Южно-Уральского государственного университета. - 2011. - № 11. - С. 70-76.

2. Красильников, В. А. Введение в физическую акустику : учеб. пособие / В. А. Красильни-ков, В. В. Крылов ; под ред. В. А. Красильникова. - М. : Наука ; Главная редакция физ.-мат. лит-ры, 1984. - 400 с.

3. Розенберг, Л. Д. Физические основы ультразвуковой технологии / Л. Д. Розенберг ; под ред. Л. Д. Розенберга. - М. : Наука, 1970. - 689 с.

4. Rudin, A. V. Temperature-pressure Hysterezis of Acoustic Parameters of the Supercooled Liquids / A. V. Rudin / / SPIE - The International Society for Optical Engineering in Association with SPIE / / Poland Chapter "Acousto-Optics and Applications II" (22-26 May 1995). - Gdansk-Jurata, 1995. -Vol. 2643. - P. 354-358.

5. Рудин, А. В. Акустические исследования кинетических процессов в стеклообразующих жидкостях при высоких давлениях / А. В. Рудин. - Ашхабад, 1990. - 179 с.

6. Чабан, И. А. К вопросу о нелокально-диффузионной теории распространения волн в сильновязких жидкостях // Акустический журнал. - 1980. - Вып. 2. - С. 288-292.

Рудин Александр Васильевич, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра физики, Пензенский государственный университет. E-mail: rudin1951@mail.ru

Апакин Дмитрий Андреевич, магистрант, Пензенский государственный университет. E-mail: rudin1951@mail.ru

Маркелов Владислав Владимирович, студент, Пензенский государственный университет. E-mail: rudin1951@mail.ru

Махмарасулов Хасанжон Салохидинович, студент, Пензенский государственный университет. E-mail: rudin1951@mail.ru

Образец цитирования:

Рудин, А. В. Исследование физико-реологических свойств жидких сред методом акустического интерферометра / А. В. Рудин, Д. А. Апакин, В. В. Маркелов, Х. С. Махмарасулов // Вестник Пензенского государственного университета. - 2018. - № 4 (24). - С. 62-70.