СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПРОДОЛЬНЫХ И СДВИГОВЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН
METHOD FOR SIMULTANEOUS DETECTION OF LONGITUDINAL AND SHIFT ACOUSTIC WAVES SPEED

Изобретение относится к области акустической измерительной техники и может быть использовано для одновременного определения скорости продольных и поперечных акустических волн в различных образцах с целью контроля и исследования их свойств в тех областях науки, техники и медицины, где требуется знание скорости акустических волн в исследуемых средах.
Известен способ определения скорости сдвиговой акустической волны [Физическая акустика. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Под редакцией У.Мэзона Том 1. Часть А. - М.: Издательство «Мир», 1966, с.352-354], заключающийся в том, что в исследуемую жидкость помещают кварцевый преобразователь, измеряют изменение резонансной частоты и входного сопротивления преобразователя, совершающего крутильные колебания, по которым определяют импеданс жидкости, и при известной плотности находят скорость сдвиговых акустических волн.
Недостатком данного способа является невозможность определения скорости распространения продольной волны.
Известен способ определения скорости продольной акустической волны [Носов В.А. Проектирование ультразвуковой измерительной аппаратуры. - М.: «Машиностроение», 1972, с.83], заключающийся в измерении величины силы тока на резонансной частоте, протекающего через пьезопреобразователь, находящийся в контакте с исследуемой средой, по величине которого рассчитывают акустическое сопротивление среды, и при известной плотности исследуемой среды рассчитывают скорость распространения продольной акустической волны.
Недостатком данного способа является невозможность определения скорости распространения сдвиговой волны.
Целью данного изобретения является расширение функциональных возможностей путем одновременного определения скорости продольных и сдвиговых волн с использованием одного акустического излучателя.
Поставленная цель достигается тем, что в исследуемом образце излучателем формируют акустическую волну и регистрируют изменение резонансных кривых, соответствующих продольным и поперечным деформациям излучателя, находящегося в акустическом контакте с исследуемым образцом, по которым определяют скорости продольных и сдвиговых акустических волн.
В предлагаемом способе одновременное определение скорости продольных и поперечных акустических волн достигается тем, что при возбуждении излучателя происходит его деформация в продольном и поперечном направлениях по отношению к направлению вектора напряженности возбуждающего поля, вследствие чего в исследуемом образце, находящемся в акустическом контакте с излучателем, возбуждаются продольные и сдвиговые акустические волны, при этом исследуемый образец и излучатель образуют механическую колебательную систему, что приводит к изменению резонансных кривых, соответствующих продольным и поперечным деформациям излучателя, относительно их вида, соответствующего колебательной системе, состоящей из излучателя, не находящегося в акустическом контакте с исследуемым образцом, в то время как в известном способе определение скорости акустических волн в исследуемом образце осуществляется только по продольной деформации излучателя.
На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
На фиг.2 представлен пример резонансных кривых, соответствующих излучателю, находящемуся в акустическом контакте с воздухом и с глицерином.
Устройство (см. фиг.1) содержит генератор 1, пьезопреобразователь 2, амперметр 3, причем выход генератора 1 подключен к первому выводу пьезопреобразователя 2, второй вывод которого подключен к первому выводу амперметра 3, второй вывод которого подключен к общему проводнику.
Реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом. Изменяя частоту генератора 1, измеряем ток через пьезопреобразователь 2 и получаем зависимость амплитуды тока от частоты для областей продольного и поперечного механических резонансов пьезопреобразователя 2.
Представленные зависимости (см. фиг.2) построены для следующих сред, находящихся в акустическом контакте с преобразователем: воздух (резонансные пики 1, 3), глицерин (резонансные пики 2, 4). Резонансные пики 1 и 2 соответствуют продольному, а 3 и 4 - поперечным резонансам.
По полученным зависимостям определяются скорости продольной и сдвиговой акустических волн:
l
где с - скорость продольной волны;
l
l
a, b - константы;
l
Q - добротность системы при продольном резонансе;
ρ - плотность среды.
τ
где c - скорость поперечной волны для частоты f;
τ
τ
а, b - константы;
τ
Q - добротность системы при поперечном резонансе;
ρ - плотность среды.
Пример. Для зависимостей, построенных на фиг.2, по формулам (1) и (2) были определены следующие значения скорости продольных и поперечных акустических волн (при температуре 20°С).
Воздух
Глицерин
Продольная волна
f, кГц
113
101
a<sub>1</sub>, с·м<sup>2</sup>/кг
-0,85·10<sup>-3</sup>
b<sub>1</sub>, с·м<sup>2</sup>/кг
0,16·10<sup>-3</sup>
Q<sub>1</sub>
19,8
5,4
ρ, кг/м<sup>3</sup>
1,29
1260
c<sub>1</sub>, м/с
343
1923
Поперечная волна
f, кГц
348
346
а<sub>τ</sub>, с·м<sup>2</sup>/кг
-66·10<sup>-3</sup>
b<sub>τ</sub>, с·м<sup>2</sup>/кг
3,2·10<sup>-3</sup>
O<sub>τ</sub>
49,7
20
ρ, кг/м<sup>3</sup>
1,29
1260
c<sub>τ</sub>, м/с
-
71,0