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

i
Изобретение относится к области акустики и может быть использовано при конструировании ультразвуковой аппаратуры для промышленности или медицины, а также в разработке систем звукопоглощения в строительстве. Известен способ согласования акустических сопротивлений двух сред путем формирования между ними плоского переходного слоя, акустическое сопротивление Z и толщина l которого подчиняются соотношениям:
i
; l=(2m+1)λ/4; m=0, 1, 2, 3, …,
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, необходимости создания двух контактных границ вместо одной и т.д.
2
Известен способ акустического согласования двух упругих сред с плоской границей контакта путем выполнения в среде с более высоким акустическим сопротивлением Z пустотелых углублений прямоугольной формы, причем относительная площадь β, занимаемая углублениями на контактной поверхности согласуемых сред, и их глубина l подчиняются соотношениям:
, , n=0, 1, 2, 3, …,
1
2
2
где Z - акустическое сопротивление среды, не содержащей углублений, λ - длина ультразвуковой волны в среде с акустическим сопротивлением Z (см. Патент РФ на изобретение №2036469 С1, опубл. 27.05.1995. Бюлл. №15).
В сравнении с вышеуказанным способом этот способ предусматривает всего одну границу контакта согласуемых сред. Его физическая суть состоит в том, что уменьшают эквивалентное входное сопротивление акустически более жесткой среды и уравнивают его с сопротивлением акустически более мягкой согласуемой среды.
Недостатком этого способа является ограниченная область применения, обусловленная необходимостью выполнения углублений в акустически более жесткой среде. Способ не может быть применен, например, в практически важном случае согласования пьезоэлемента, выполняемого обычно из пьезокерамики, с демпфером и протектором, акустическое сопротивление которых, как правило, меньше, чем у керамики. Другим недостатком рассматриваемого способа является технологическая сложность, обусловленная необходимостью выполнения углублений строго прямоугольной в продольном сечении формы, с одинаковой глубиной, со строго определенной расчетной удельной площадью на границе раздела согласуемых сред.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому является «Способ акустического согласования сред с плоской границей контакта» (см. Заявка на изобретение RU 94011799 А1, опубл. 27.12.1995). В этом способе акустическое согласование двух упругих сред достигается за счет того, что в одной из сред выполняют углубления прямоугольной формы, которые заполняют материалом с акустическим сопротивлением, отличающимся по величине от сопротивления этой среды, причем относительную площадь β, занимаемую углублениями на контактной поверхности согласуемых сред, и их глубину l устанавливают из соотношений:
i
i
где Z и λ, - соответственно акустическое сопротивление материала, заполняющего углубления, и длина ультразвуковой волны в нем,
2
1
Z и Z - соответственно акустическое сопротивление среды, в которой выполнены углубления, и среды, не содержащей их,
2
2
2
1
2
1
λ - длина ультразвуковой волны в среде с акустическим сопротивлением Z. Этот способ - прототип заявляемого - устраняет один из недостатков способа-аналога (Патент РФ на изобретение №2036469 С1, опубл. 27.05.1995. Бюлл. №15), но не устраняет другой недостаток. А именно, в способе-прототипе углубления могут быть выполнены как в среде с большим акустическим соппотивлением Z>Z (в этом случае должно быть ), так и в среде с меньшим акустическим сопротивлением Z<Z (в этом случае должно быть ). Однако способ-прототип по-прежнему остается технологически сложным, т.к. требует выполнения углублений со строго задаваемыми геометрическими параметрами β и l. Это ограничивает возможности ультразвуковой технологии в полевых условиях, при исследовании подводных сооружений и т.д. Вдобавок, на практике часто возникают случаи, когда одна из согласуемых сред уже имеет углубления на своей поверхности, которые являются нерегулярными, обладают непрямоугольной формой и неодинаковой глубиной и в целом не подчиняются математическим соотношениям (1). Причем эти углубления не всегда могут быть изменены дополнительной механической обработкой, т.е. в таких априорно заданных условиях способ-прототип не может быть 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, т.к. в таких условиях длина ультразвуковой волны в коже составляет 15 мкм.
i
Целью изобретения является расширение областей применения способа акустического согласования упругих сред с плоской границей контакта, когда в одной из сред получают углубления с определяемыми геометрическими параметрами и заполняют их материалом с акустическим сопротивлением, отличающимся по величине от материала этой среды. Поставленная цель достигается за счет того, что в одной из согласуемых сред получают углубления произвольной формы и заполняют их материалом, отличающимся по акустическому сопротивлению от материала этой среды, причем глубина каждого из углублений в любой точке его проекции на границу раздела является величиной переменной. Наилучшее согласование сред достигается тогда, когда акустическое сопротивление Z материала, заполняющего углубления, и относительная площадь β углублений в проекции на плоскую контактную границу раздела 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
i
Z - акустическое сопротивление материала, заполняющего углубления. Выражение (2) эквивалентно выражению (3), которое может быть получено путем математического преобразования первого выражения и представления акустического сопротивления Z в явном виде:
1
2
i
i
i
где все обозначения прежние. Как можно видеть из анализа выражений (2) и (3) и сопоставления их с выражениями (1) для прототипа, в заявляемом способе выражение для β является более простым (что упрощает технологическую реализацию способа согласования сред), а выражение для l вообще отсутствует, что еще более упрощает осуществление способа и расширяет возможности его применения. Последнее обстоятельство позволяет исключить зависимость эффекта акустического согласования двух упругих сред от формы углублений и их глубинных размеров, т.к. в отличие от прототипа, где эффект согласования зависит от семи величин Z, Z, Z, β, l, λ, в заявляемом способе указанный эффект зависит только от первых четырех величин приведенного ряда. Причем вариативной величиной в реализации заявляемого способа выступает только одна: Z или β, остальные три задаются априорно.
Таким образом, в заявляемом способе, в отличие от прототипа, углубления в одной из согласуемых сред имеют произвольные форму и глубинные размеры, в том числе натурные. Наконец, относительная площадь углублений в проекции на контактную границу не обязательно 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 и т.д. Все это вместе взятое позволяет заметно расширить область применения известного способа акустического согласования упругих сред путем выполнения в одной из них углублений на контактной поверхности с последующим заполнением их материалом с отличающимся акустическим сопротивлением
Техническим результатом заявленного способа является расширение класса и номенклатуры используемых в акустических конструкциях материалов, подлежащих акустическому согласованию по условиям работы, а также решение более широкого класса технических задач, предусматривающих использование акустических технологий.
Физическим результатом заявленного способа следует считать исключение влияния на эффект акустического согласования двух упругих сред ультразвуковых волн, отражаемых доньями углублений и компенсирующих волны, отраженные на заполненной дополнительным материалом границе контакта этих сред. Это достигается выполнением (или получением в готовом виде) углублений с переменной в пространстве глубиной в каждой их точке, с исключением из вариантов применения способа случая, когда углубления имеют строго прямоугольную форму и постоянную глубину.
На прилагаемом рисунке (см. фиг.1) схематически представлено осуществление заявляемого способа для случая согласования твердого тела с натурной фактурой поверхности и жидкости, на другом рисунке (см. фиг.2) показаны некоторые из конфигураций углублений поверхности (в продольном разрезе), для которых возможно осуществление предлагаемого способа.
1
2
1
i
i
i
i
12
Жидкость 1 (см. фиг.1) имеет известное акустическое сопротивление Z, твердая среда 2 - известное акустическое сопротивление Z, которое может быть как больше, так и меньше Z. На контактной границе 3 в среде 2 имеются углубления 4 произвольной неправильной формы, характерной для натурной фактуры поверхности среды 2. В соответствии с выражением (3) рассчитывают требуемое значение Z и выбирают материал 5, имеющий акустическое сопротивление Z, и полностью заполняют им углубления 4. Для расчета по выражению (3) 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 узнать 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. А.с. СССР №1580163, МПК G01В 17/00). Если при расчете Z значение последнего окажется отрицательным, необходимо проверить выполнение нижеприведенного условия (5) и при возможности увеличить β путем, например, рассверливания углублений или добавления новых. Как можно видеть даже из чисто геометрических соображений (см. фиг.1), 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) или (3) достигается наивысшая (стопроцентная) степень согласования, легко доказывается аналитически. Запишем выражение для амплитудного коэффициента R отражения применительно к рассматриваемому случаю.
2
1
i
1
2
1
i
1
i
i
i
2
2
1
2
1
i
1
i
2
1
i
где все остальные обозначения прежние. 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). Решая же приведенное уравнение относительно Z, мы получим выражение (3). При анализе математических соотношений (2) и (3) имеются три 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. В-третьих, при реализации случая соотношения акустических сопротивлений Z>Z (при этом должно выполняться Z<Z), для очень малых величин β возможно возникновение физического противоречия, которое идентифицируется расчетным значением Z<0. В таких случаях предлагаемый способ в натурных условиях, при конкретных априорных значениях Z, Z и β, не может быть обеспечен. Анализ выражения (3) с наложением дополнительного условия Z>0 приводит к выводу, что в указанном случае необходимо выполнение условия
Этот особый случай согласования сред требует дополнительных технологических процедур по увеличению β в сравнении с его натурным значением, например, путем выполнения дополнительных углублений на поверхности среды 2. Три 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. При этом конфигурация углублений на контактной границе может быть разного вида (показана в разрезе на фиг.2): конической 6, шаровой 7, сопряженной цилиндрическо-конической 8 (от стандартного сверления), рассеивающей волны 9, неправильной 10 и т.д.
Предложенный способ не требует для своей реализации создания нового оборудования. Он легко промышленно осуществим на известном оборудовании с применением известных инструментов: тисков, пробойников, сверлильных приспособлений и т.д., а также с применением известных технологических операций: точение, сверление, фрезерование, смешивание компонентов, прессование, отверждение веществ и т.п.