METHOD OF MEASURING THE ACOUSTIC IMPEDANCE OF THE MEDIUM AND THE DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА СРЕДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к способам и устройствам, используемым для исследования и анализа материалов с помощью ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн путем измерения акустического импеданса, и может быть использовано при ультразвуковом контроле физико-химических и физических характеристик вязкоупругих сред, в том числе и биологических.
Из уровня техники известен способ измерения акустического импеданса однородных сред в реальном времени (RU 2362128C1, МПК G01H 15/00, опубл. 20.07.2009), в основе которого лежит анализ амплитуд сигналов, принятых после отражения их от первой и второй плоских границ эталонных сред, имеющих разный акустический импеданс, с исследуемой средой.
Устройство для осуществления способа включает первую и вторую эталонные среды, одни торцы которых акустически связаны с ультразвуковыми преобразователями, а другие торцы являются свободными, предназначенными для акустического контакта с исследуемой средой. Эталонные среды изготовлены из разных материалов, имеющих разные акустические сопротивления и разные, коэффициенты затухания ультразвуковых колебаний, при этом длины эталонных сред не равны друг другу.
Недостатками известного способа и устройства для его осуществления являются необходимость использования двух эталонных сред и наличие преобразователей, откалиброванных по амплитуде ультразвуковой излучаемой волны, а также сложность реализации и низкая точность измерений для сильно поглощающих сред.
Наиболее близким к заявленному изобретению и выбранным в качестве прототипа признан способ определения акустического импеданса (RU 2529634C1, МПК G01N 29/028, G01N 15/06, 27.09.2014), в основе которого лежит измерение коэффициента затухания нулевой моды волны Лэмба, возбуждаемой в двух тонких пластинах различной толщины, погруженных в исследуемую жидкость, с помощью ультразвукового преобразователя, при этом калибруют акустический блок путем последовательного измерения в обеих пластинах коэффициентов затухания нулевой моды волны Лэмба при их последовательном погружении в две жидкости с известными импедансами.
Устройство для осуществления способа содержит генератор и акустический блок в виде двух волноводов, выполненных в виде пластин, концы которых погружены в контролируемую жидкость, с закрепленными на них двумя прямыми или наклонными пьезоэлектрическими преобразователями.
Недостатками способа и устройства для его осуществления являются необходимость выполнять калибровку по двум эталонным жидкостям, низкая точность измерения из-за дисперсии скорости волны Лэмба и многообразия мод, возникновение погрешности измерений, обусловленной влиянием на результаты измерений качества акустического контакта пьезопреобразователя и пластины, а также отсутствием учета внутренних потерь в преобразователе в процессе излучения и приема сигнала.
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение точности и достоверности способа измерений, с одновременным повышением технологичности конструкции устройства для его осуществления.
r
r
a
1
I
V
I
V
Указанная задача решена тем, что способ измерения акустического импеданса среды включает в себя поочередное погружение акустического блока, выполненного в виде пьезопластины, возбуждающей колебания, в исследуемую и эталонную среды, расчет продольного и сдвигового акустических импедансов на основе численных значений коэффициентов для эталонной и исследуемой сред. При этом предлагаемый способ отличает от известных то, что измеряют минимальное напряжение U, снимаемое с выхода акустического блока, соответствующую ему частоту резонанса f, и частоту антирезонанса f, определяемую при максимальном напряжении, снимаемом с выхода акустического блока при помещении его в исследуемую среду, эталонную среду и воздух, далее, рассчитав параметры эквивалентной электрической схемы пьезопластины, состоящей из емкости C, параллельно соединенной с цепочкой последовательно соединенных емкости C, индуктивности L, активного сопротивления R, представленного в виде двух последовательно соединенных сопротивлений R и R, причем R=R+R, определив значения напряжений на емкости C и на активном сопротивлении R, акустический импеданс исследуемой среды Z определяют по следующей формуле:
c
I
V
r
0
где U и  - напряжения на емкости С при помещении пьезопластины в исследуемую и эталонную среды; R - активное сопротивление; R - сопротивление, характеризующее плотность исследуемой среды;  - сопротивление, характеризующее эталонную среду, причем ; R - сопротивление колеблющейся пластины в воздухе;  и  - напряжения на активном сопротивлении R при нагрузке пьезопластины в исследуемой и эталонной средах; f и  - резонансные частоты при нагрузке пьезопластины в исследуемой и эталонной средах, Z - акустический импеданс эталонной среды.
Устройство для осуществления способа содержит генератор, выход которого подключен к акустическому блоку, выполненному в виде пьезопластины, а его выход подключен к операционному усилителю, выход которого является измерительным входом блока управления, управляющий выход которого подключен к генератору. Блок управления выполнен на основе микроконтроллера, содержащего микропроцессор с подключенными к нему памятью программ и данных, соединенный посредством общей шины с аналого-цифровым преобразователем, универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода, энергонезависимой памятью и универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком.
Положительный технический результат, обеспечиваемый раскрытой выше совокупностью признаков способа и устройства для его осуществления, состоит в повышении точности и достоверности измерения акустического импеданса за счет отсутствия дисперсии скорости волны и многообразия ее мод, а также за счет применения продольной и сдвиговой волн вместо волн Лэмба. Дополнительный технический результат состоит в возможности устранения влияния внутренних потерь в пьезопластине, потерь при прохождении границ раздела сред, за счет отсутствия акустического контакта преобразователя и пластины и, как следствие, отсутствия необходимости регистрации параметров ультразвуковой волны, распространяющейся в среде, что приводит к упрощению и удешевлению конструкции устройства, реализующего способ.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана эквивалентная электрическая схема пьезопластины; на фиг. 2 - структурная схема устройства для измерения акустического импеданса среды; на фиг. 3 - упрощенная структурная схема вычислительной процедуры управляющей программы микроконтроллера для измерения акустического импеданса среды.
Способ определения акустического импеданса среды с помощью устройства осуществляют следующим образом.
1
1
Пьезоэлектрическую пластину с электродами можно рассматривать как плоский конденсатор с электрической емкостью C, обусловленной только электрическими процессами и определяемой диэлектрическими свойствами и размерами пьезопластины. Колеблющуюся пьезопластину можно представить эквивалентной электрической схемой, состоящей из идеальной электрической емкости C, соединенной параллельно с цепочкой последовательно соединенных идеальной индуктивности L, идеальной емкости C и активного сопротивления R, значения которых можно определить следующим образом:
g
r
r
a
p
где U - напряжение, подаваемое на пьезопластину; U - минимальное напряжение, снимаемое с пьезопластины при частоте резонанса f; f - частота антирезонанса; R - сопротивление развязки.
I
V
Пьезопластина, находящаяся в акустическом контакте со средой, излучает в нее акустические волны, при этом, чем больше плотность среды в которой она находится, тем больше энергии излучается в эту среду, соответственно возрастает сопротивление R. Сопротивление колеблющейся пьезопластины в воздухе R характеризует ее внутренние потери при излучении.
p
g
r
r
a
На продольную или сдвиговую, в зависимости от измеряемого продольного или сдвигового импеданса среды, пьезопластину, помещенную в исследуемую среду, через сопротивление развязки Rподают электрическое напряжение U. Изменяя частоту подаваемого сигнала, регистрируют минимальное напряжение U, снимаемое с пьезопластины и соответствующую ему частоту резонанса f, также регистрируют частоту антирезонанса f, определяемую при максимальном напряжении, снимаемом с пьезопластины.
Далее с целью калибровки по амплитуде колебаний излучения выполняют аналогичные измерения для эталонной среды, включая определение минимального напряжения , снимаемого с пьезопластины, частоту резонанса  и антирезонанса .
Затем, для учета внутренних потерь в пьезопластине, выполняют аналогичные измерения в воздухе, включая определение минимального напряжения , снимаемого с пьезопластины и частоту резонанса , а акустический импеданс исследуемой среды окончательно определяют по формуле (1).
Указанная формула (1) получена на основе следующих отношений. Акустический импеданс исследуемой среды находится по формуле:
r
pp
где ω=2πf - циклическая частота; A - амплитуда акустической волны; S - площадь пьезопластины; P - мощность акустического излучения, численно равная электрической мощности, определяемой на основе эквивалентной электрической схемы пьезопластины (фиг. 1):
I
V
V
где R=R-R - сопротивление, определяющее потери на излучение; R - сопротивление колеблющейся пьезопластины в исследуемой среде; R - сопротивление колеблющейся пьезопластины в воздухе, определяющее внутренние потери при излучении.
Амплитуда акустической волны в исследуемой среде будет, в соответствии с электромеханическими аналогиями, определяться формулой
C
где U - напряжение на конденсаторе при нагружении пьезопластины на исследуемую среду, K - коэффициент пропорциональности, определяемый на основе следующего соотношения:
0
где  - напряжение на конденсаторе при нагружении пьезопластины на эталонную среду, A - амплитуда акустической волны в эталонной среде, определяемая по формуле
0
где  - циклическая частота; P - мощность акустического излучения в эталонную среду, численно равная электрической мощности, определяемой на основе эквивалентной электрической схемы пьезопластины в соответствии с выражением (6).
I
Значение напряжения  на резисторе R определяется следующим образом:
1
где I - ток, протекающий в цепи, величину которого можно определить из следующего отношения:
C
L
где Z и Z - сопротивления, соответственно, емкости и индуктивности, определяемые из следующих выражений:
C
L
Учитывая, что при достижении резонанса Z=Z, величину определяют следующим образом:
C
Значение напряжения U на конденсаторе C при нагрузке пьезопластины на исследуемую среду определяют как
C
Используя формулы [10] и (11), напряжение U определяют на основании следующей зависимости:
Аналогично определяют выражения для  и  для эталонной среды. Таким образом, учитывая приведенные выше формулы (2)-(16), окончательно получают выражение (1) для определения акустического импеданса исследуемой среды Z.
Устройство для осуществления способа и вычисления акустического импеданса исследуемой среды Z содержит генератор 1, выход которого подключен к акустическому блоку 2, выполненному в виде пьезопластины, а его выход подключен к операционному усилителю 3, выход которого является измерительным входом 4 блока управления 5, управляющий выход 6 которого подключен к генератору 1.
Блок управления 5 выполнен на основе микроконтроллера 7, содержащего RISC-микропроцессор 8 с подключенными к нему памятью программ и данных (на фигурах условно не показаны), соединенный посредством общей шины с аналого-цифровым преобразователем 9, универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода 10, 11 и 12, энергонезависимой памятью 13 и универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком 14, при этом измерительный вход 4 блока управления 5 подключен к аналого-цифровому преобразователю 9, первый порт ввода-вывода 10 подключен к управляющему выходу 6 блока управления 5, ко второму порту ввода-вывода 11 подключен блок ввода данных 15, а к третьему порту ввода-вывода 12 - блок индикации 16.
Блок ввода данных 15 может быть выполнен, например, в виде клавиатуры, содержащей шестнадцать клавиш, а блок индикации 16 представлять собой TFT-дисплей.
Раскрытый выше способ с помощью устройства акустического импеданса среды осуществляют следующим образом.
Первоначально устройство собирают, подключив к управляющему, выходу 6 блока управления 5 генератор 1, выход которого подключают к акустическому блоку 2 с продольной или сдвиговой пьезопластиной в зависимости от того, продольный или сдвиговый акустический импеданс среды необходимо измерить, выход блока 2 подключают к операционному усилителю 3, а выход последнего подключают к измерительному входу 4 блока управления 5. Дополнительно к портам ввода-вывода 11 и 12 блока управления 5 подключают, соответственно, блок ввода данных 15 и блок индикации 16.
g
При выполнении первого измерения акустический блок 2 находится в воздухе. Микроконтроллер 7 на основе управляющей программы переключает порт ввода-вывода 10 в режим работы ШИМ-модулятора, настраивает параметры модуляции и включает его, последовательность управляющих импульсов передается на управляющий выход 6, который запускает генератор 1, подающий сигнал фиксированной частоты и амплитуды U на акустический блок 2. Затем измеряемый непрерывный сигнал через операционный усилитель 3 поступает на измерительный вход 4 блока управления 5 и преобразуется аналого-цифровым преобразователем 9 микроконтроллера 7 в цифровую форму. Величины амплитуды и частоты измеренного сигнала сохраняются в энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти 13 микроконтроллера 7 и выводятся на экран дисплея блока индикации 16. Частоту генератора 1, от которой зависит точность измерения импеданса среды, предварительно задает оператор с помощью блока ввода данных 15, а сама процедура измерения повторяется до тех пор, пока не будет определено минимальное напряжение , соответствующее частоте резонанса .
V
Полученное значение минимального напряжения  передается в вычислительную процедуру управляющей программы микроконтроллера 7, которая вычисляет модуль импеданса R и записывает его значение в энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти 13.
Далее, аналогично описанному выше, производят второе измерение, предварительно погрузив акустический блок 2 в эталонную среду, обеспечив при этом, чтобы подаваемое на пластину напряжение было таким же, как и при первом измерении на воздухе. Измерения проводят, по крайней мере десять раз, при этом их результаты сохраняются в энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти 13, после чего вычислительная процедура выбирает из них минимальное  напряжение и частоты резонанса  и антирезонанса . Затем вычислительная процедура определяет напряжение  на конденсаторе и напряжение  на сопротивлении  и записывает полученные значения в энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти 13.
Третье измерение производят аналогично второму измерению, предварительно погрузив акустический блок 2 в исследуемую среду. После получения всех необходимых данных микроконтроллер определяет величину акустического импеданса исследуемой среды Z и выводит полученное значение на экран блока индикации 16. Полученные в результате измерений данные могут быть в дальнейшем переданы с помощью универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика 14 на персональный компьютер для их дальнейшей обработки.
Таким образом, предлагаемый способ измерения акустического импеданса среды и устройство для его осуществления позволяют повысить точность и достоверность измерений, за счет отсутствия необходимости регистрации ультразвуковой волны в среде, использовании только продольной и сдвиговой волн, не подверженных дисперсии, учете внутренних потерь в пьезопластине и минимизации вычислительных операций.
Пример осуществления способа.
Г
p
1
1
0
0
6
2
6
2
Для оценки акустического импеданса среды использовали напряжение генератора U=10 В, сопротивление развязки R=350 Ом, а в качестве акустического блока две пьезопластины: продольная пьезопластина ЦТС-19 размерами 20×20×1 мм, электрическая емкость C=5,8 нФ и сдвиговая пьезопластина НФИ44 размерами 10×7×1 мм, электрическая емкость C=0,96 нФ. В качестве эталонной среды для измерения продольного акустического импеданса использовалась вода (Z=1,5⋅10 кг/м⋅с), для измерения сдвигового акустического импеданса - эпоксидная смола после застывания (Z=1,59⋅10 кг/м⋅с) при температуре 20°C.
В результате, в соответствии с описанной выше методикой проведения измерений, определены продольный и сдвиговый акустические импедансы для глицерина, архитектурного пластилина, универсального силиконового герметика Soudal до застывания и после (таблица 1). Полученные таким образом значения частот резонанса и антирезонанса при нагрузке пьезопластины на исследуемую и эталонную среду, и минимальное напряжение на частоте резонанса при нагрузке пьезопластины на воздух, исследуемую и эталонную среду передавались в вычислительный блок, данные сохранялись в блоке памяти и выводились на устройство индикации.
Дополнительно, измерив скорость распространения волны в исследуемой жидкости, можно определить плотность, сдвиговую и, при необходимости, кинематическую вязкости жидкости.