УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ С НЕПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Полезная модель относится к физической акустике и может найти применение в медицинской биофизике, криминалистике и других областях, где проводятся исследования твердых материалов с натурной поверхностью.
Известен ультразвуковой преобразователь для исследования жидкостей и твердых материалов, содержащий пьезопреобразователь и акустически связанную с ним одним торцом цилиндрическую линию задержки, другой конец линии задержки является свободным, ограниченным поверхностью в виде выпуклого конуса с усеченной вершиной, причем больший диаметр конуса совпадает с диаметром линии задержки (Физическая акустика / Под ред. У.Мэзона. T.1, Ч.А // М.: Мир, 1966. - С.371-383). Указанный преобразователь не позволяет исследовать твердые материалы с неплоской поверхностью.
Известен ультразвуковой преобразователь для исследования жидкостей, содержащий пьезопреобразователь и цилиндрическую линию задержки с ребристой боковой поверхностью и двумя гладкими торцевыми поверхностями, с одной из которых акустически связан пьезопреобразователь, а другая, предназначенная для размещения капли исследуемой жидкости, является вогнутой, выполненной в виде усеченного параболоида вращения (SU 1105804 А, опуб. 30.07.84. Бюл. №28). Этот преобразователь также не позволяет исследовать твердые материалы с неплоской поверхностью.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому преобразователю является ультразвуковой преобразователь для исследования жидкостей, отличие которого от предыдущего состоит в том, что в нем углубление на свободном торце линии задержки выполнено в виде конуса с усеченной вершиной и сопряженного по диаметру его вершины цилиндрического углубления, а больший диаметр конуса совпадает с диаметром линии задержки (SU 1188643А, опубл. 30.10.85. Бюл. №40). Недостатком этого преобразователя - прототипа заявляемого - является узкая область применения, ограниченная возможностью акустического исследования только жидкостей.
Целью заявляемой полезной модели является расширение области применения известного преобразователя - прототипа за счет обеспечения возможности исследования не только жидкостей, но и твердых материалов, причем не только с плоской, но и с неплоской поверхностью.
Техническим результатом для заявленной полезной модели выступает повышение точности измерения отражательных характеристик (коэффициента отражения ультразвуковых колебаний и акустического сопротивления) твердых материалов при сохранении у последних натурной поверхности, как плоской, так и неплоской.
Поставленная цель достигается за счет того, что предлагаемый ультразвуковой преобразователь для исследования материалов с неплоской поверхностью содержит пьезопреобразователь и акустически связанную с ним одним торцом линию задержки в виде тела вращения, другой торец линии задержки является свободным и выполнен в форме осесимметричного конуса с усеченной вершиной и сопряженного по диаметру его вершины цилиндрического углубления, а больший диаметр усеченного конуса совпадает с диаметром линии задержки. При этом поверхность усеченного конуса на свободном торце линии задержки является выпуклой по отношению к плоскости акустического контакта пьезопреобразователя и линии задержки, в линии задержки выполнено отверстие, соединяющее боковую поверхность цилиндрического углубления на уровне его дна с боковой поверхностью линии задержки, а в области сопряжения вершины конуса и цилиндрического углубления выполнены одна или несколько канавок, перпендикулярных оси линии задержки.
Таким образом, отличия заявляемого преобразователя от прототипа, состоят, во-первых, в том, что поверхность усеченного осесимметричного конуса на свободном торце линии задержки по отношению к плоскости акустического контакта последней с пьезопреобразователем является не вогнутой, как у прототипа, а выпуклой; во-вторых, в том, что в линии задержки выполнено отверстие, соединяющее боковую поверхность цилиндрического углубления на уровне его дна с боковой поверхностью линии задержки; и, в-третьих, в том, что в области сопряжения вершины конуса и цилиндрического углубления выполнены одна или несколько канавок, перпендикулярных оси линии задержки. Перечисленные отличия обеспечивают расширение возможностей акустического исследования при помощи заявляемого преобразователя не только жидкостей, как у прототипа, но и твердых материалов, причем как с плоской, так и с неплоской поверхностью: волнистой, шероховатой, ребристой, гофрированной и т.д.
На чертеже фиг.1 схематически показана конструкция заявляемого ультразвукового преобразователя (вид в разрезе вдоль оси симметрии), на чертеже фиг.2 показана конфигурация канавок на свободном торце линии задержки (вид сверху, выносной разрез), на чертежах фиг.3-6 отражены последовательные этапы измерения акустических характеристик твердого материала с неплоской поверхностью (фиг.3 - первый этап, фиг.6 - последний).
Заявляемый ультразвуковой преобразователь (см. фиг.1) состоит из пьезопреобразователя 1 и линии 2 задержки, которая своим плоским торцом 3 акустически связана (например, путем склейки) с пьезопреобразователем 1. Рекомендуется линию 2 задержки выполнять из прозрачного материала, например, оргстекла. Свободный торец линии 2 задержки ограничен выпуклой усечено-конической поверхностью 4, сопряженной по своему меньшему основанию с цилиндрическим углублением 5, а по своему большему основанию - с боковой поверхностью линии 2 задержки. Оптимальный для эффективной работы ультразвукового преобразователя угол между образующей конуса 4 и осью линии 2 задержки должен иметь величину 60±5°. Диаметр пьезопреобразователя 1 целесообразно устанавливать большим диаметра основания цилиндрического углубления 5, но меньшим диаметра линии 2 задержки. Между цилиндрическим углублением 5 и боковой поверхностью линии 2 задержки имеется отверстие 6, которое одним концом открывается в боковую поверхность углубления 5 на уровне его дна, а другим концом выходит на боковую поверхность линии 2 задержки. Удобно отверстие 6 выполнять горизонтальным, но оно может быть сделано и с небольшим наклоном вверх. Диаметр отверстия рекомендуется обеспечивать в пределах от 0,5 до 2 мм. В области сопряжения вершины конуса 4 и цилиндрического углубления 5 линии 2 задержки имеется канавка 7, ориентированная перпендикулярно оси симметрии линии 2 задержки и всего преобразователя в целом. Поперечный размер канавки и ее глубину рекомендуется задавать в пределах 1-2 мм. Проще всего канавку выполнить путем пропила по ребру области сопряжения конуса 4 и углубления 5. Таких канавок может быть несколько с равномерным распределением по периметру области сопряжения (например, четыре, как показано на фиг.2).
Ультразвуковой преобразователь для исследования материалов с неплоской поверхностью работает следующим образом. Углубление 5 на свободном торце линии 2 задержки доверху заполняют иммерсионной жидкостью (на чертеже фиг.1 не показана). С помощью электронной аппаратуры (на чертеже не показана), связанной с пьезопреобразователем 1, в последнем создают ультразвуковые колебания, которые излучают в линию 2 задержки в направлении ее свободного торца. Колебания 8 центральной части ультразвукового пучка после их падения на дно цилиндрического углубления 5, заполненного жидкостью (на чертеже фиг.1 не показана), частично отражаются в обратном направлении вдоль оси ультразвукового преобразователя и после их приема пьезопреобразователем 1 преобразуются в эквивалентные электрические сигналы, которые поступают в электронную измерительную аппаратуру (на чертеже фиг.1 не показана), где обрабатываются. Другая часть ультразвуковых колебаний центральной части пучка (на чертеже фиг.1 не показана) проходит внутрь объема жидкости, заполняющей углубление 5 (на чертеже фиг.1 не показана), и, дойдя до ее верхней границы, отражается в обратном направлении вдоль оси ультразвукового преобразователя. Дойдя до пьезопреобразователя 1, эти принятые ультразвуковые колебания преобразуются в эквивалентные электрические сигналы и поступают в электронную измерительную аппаратуру (на чертеже фиг.1 не показана), где обрабатываются.
Колебания 9 краевой части ультразвукового пучка, излученного пьезопреобразователем 1 в материал линии 2 задержки, попадают на усеченно-коническую поверхность 4 линии 2 задержки и после ряда переотражений от встречающихся на их пути границ раздела сред подавляются, рассеиваются и в обработке сигналов в электронной измерительной аппаратуре не участвуют. Для ускорения рассеяния указанных паразитных колебаний 9 наружная боковая поверхность линии 2 задержки может быть выполнена ребристой, например, резьбовой.
01
01
1
При исследовании твердых материалов с неплоской поверхностью заявляемый ультразвуковой преобразователь работает следующим образом (см. фиг.3-6). Вначале цилиндрическое углубление 5 в линии 2 задержки полностью заполняют жидкостью 10 с априорно известным акустическим сопротивлением Z. При этом обеспечивают строгую горизонтальность ее свободной поверхности. Жидкость не может вытечь из отверстия 6 в линии 2 задержки, а также - оттечь через канавку 7 по причине действия сил ее поверхностного натяжения. При необходимости указанные отверстия могут быть перекрыты небольшими пробками (на чертежах не показаны). После этого измеряют амплитуду A принятого сигнала, соответствующего отражению ультразвука от свободной поверхности жидкости. Затем на вершину свободного торца линии 2 задержки помещают исследуемый образец 11 твердого материала с неплоской поверхностью и фиксируют его. Между неплоской поверхностью исследуемого материала 11 и заполняющей углубление 5 жидкостью 10 не должно появиться пузырьков воздуха. Если такие пузырьки возникнут, их выдавливают через канавку 7 (см. фиг.1) с помощью шприца, заполненного той же жидкостью и введенного наконечником в отверстие 6 (на чертеже фиг.1 не показан). Возможно применить и всасывание пузырьков воздуха через канавку 7 с помощью упомянутого шприца. Измеряют амплитуду A принятого сигнала, соответствующего отражению ультразвука от границы «жидкость - образец» в осевом направлении ультразвукового преобразователя.
02
01
2
02
После этого полностью удаляют жидкость из цилиндрического углубления 5. Сделать это можно путем отсасывания этой жидкости через отверстие 6 вышеупомянутым шприцом. Затем, не меняя позиции исследуемого образца материала 11, заполняют цилиндрическое углубление 5 жидкостью 12 с априорно известным значением акустического сопротивления Z, отличающимся по величине от Z. Удобно это сделать с помощью другого шприца с новой жидкостью (на чертежах не показан), соблюдая все ранее описанные процедуры. Измеряют амплитуду А принятого сигнала, соответствующего отражению ультразвуковых колебаний от границы раздела «образец - новая жидкость». После этого удаляют образец со свободного торца линии 2 задержки и, добавляя или убирая часть объема второй жидкости из углубления 5, формируют плоскую границу свободной поверхности второй жидкости. Измеряют амплитуду А принятого сигнала, отраженного от указанной границы в осевом направлении ультразвукового преобразователя. После описанных процедур проводят расчет акустического сопротивления образца материала 11 согласно нижеприведенным разъяснениям.
Из общих акустических соображений очевидно, что
1
2
01
02
1
2
1
2
1
2
где R' и R' - парциальные амплитудные коэффициенты отражения ультразвуковых колебаний от границы «жидкость - исследуемый образец» в осевом направлении линии задержки для случаев жидкостей с акустическими сопротивлениями Z и Z соответственно, остальные обозначения прежние. Знаки «минус» в выражения (1) введены для учета изменения фазы ультразвуковых колебаний на π при отражении от границы «жидкость - воздух». При этом положительные парциальные амплитудные коэффициенты отражения R' и R' связаны с идеальными физическими коэффициентами отражения R и R, обусловленными различиями акустических сопротивлений жидкостей и материала исследуемого образца, через коэффициенты К и К соответственно:
1
2
На величины коэффициентов K и К влияют два фактора, оба они обусловлены неплоским профилем поверхности исследуемого образца в границах падающего на него пучка ультразвуковых колебаний. Первый фактор - рассеяние части падающей энергии колебаний в неосевом направлении преобразователя. Второй фактор - различие акустических расстояний, проходимых ультразвуковыми колебаниями в объемах жидкостей при осевом направлении отраженных сигналов для случаев отсутствия и присутствия исследуемого материала.
1
2
Влияние первого из перечисленных факторов легко может быть исключено при учете, что конфигурация поверхности исследуемого материала остается идентичной при втором и третьем измерениях (см. фиг.4 и 5), т.е. K=К в этой части. Тогда, деля в выражении (1) первое равенство на второе, с учетом выражения (2), получим:
обозначения прежние.
Влияние второго из перечисленных факторов не может быть исключено и остается методической ошибкой. Для ее уменьшения до пренебрежимо малой величины целесообразно подбирать жидкости с возможно большим различием акустических сопротивлений, но с возможно меньшим различием в них коэффициентов затухания ультразвуковых волн. Примером может служить пара ацетон - нитробензол, у которых акустическое сопротивление отличается округленно в два раза, а коэффициент затухания - на 12%.
Учитывая, что по формулам Френеля:
x
1
2
x
где Z - акустическое сопротивление исследуемого материала (остальные обозначения прежние), и деля в последнем выражении первое равенство на второе, при условии известности отношения R/R из (3), получим одно квадратное уравнение с одним неизвестным. Решая его относительно Z, найдем
x
Знак перед радикалом выбран из физических соображений (Z>0).
Если же по условиям опыта необходимо провести акустическое исследование только твердого материала с плоской поверхностью или только жидкости, то, как очевидно, измерительные процедуры упрощаются по сравнению с выше описанными. Точность результатов измерений может быть повышена и при использовании эталонных образцов твердых материалов с плоской поверхностью с известным значением акустического сопротивления.
Заявляемый ультразвуковой преобразователь удовлетворяет требованию промышленной применимости, т.к. для его изготовления достаточно использовать стандартные технологические процессы точения, склейки, шлифования и т.п., а также известные технические материалы: металлы, пластмассы, пьезокерамику и т.д.