УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СРЕД

Полезная модель относится к области ультразвуковой измерительной техники и может быть использована при акустических исследованиях упругих сред с изменяющимися физико-химическими характеристиками, например, крови в процессе свертывания или органической жидкости в процессе полимеризации, а также - твердого вещества в процессе низкотемпературного плавления.
Известен ультразвуковой преобразователь для исследования упругих сред, содержащий пьезопреобразователь и линию задержки в форме осесимметричного стержня с гладкой боковой поверхностью и двумя гладкими плоскими торцевыми поверхностями, с одной из которых акустически связан пьезопреобразователь, а другая является свободной, предназначенной для контакта с исследуемой средой (Физическая акустика / Под ред. У.Мэзона. - Т.1. - Ч.А.М.: «Мир», 1966. - С.353-354).
Недостатком этого преобразователя является низкая точность измерений за счет высокого уровня акустических помех, обусловленных отражениями паразитных волн от боковой поверхности стержня.
Наиболее близким к заявляемому является ультразвуковой преобразователь для исследования упругих сред, содержащий пьезопреобразователь и линию задержки в виде осесимметричного стержня с ребристой боковой поверхностью, эффективно рассеивающей паразитные волны, и двумя гладкими торцевыми поверхностями, с одной из которых акустически связан пьезопреобразователь, а другая является свободной, предназначенной для контакта с исследуемой средой, и выполнена в форме усеченного конуса, сопряженного по большему периметру с боковой
поверхностью стержня (А.С. 267237 СССР. МПК В06В 1/06. 1967. Опубл. 1970 - Бюл. №12).
Недостатком этого преобразователя является невозможность измерения акустических характеристик исследуемой среды в динамике, когда физико-химические характеристики среды, существенно влияющие на ее акустические характеристики, заметно меняются с течением времени. Особенно выражен этот недостаток в тех случаях, когда со временем увеличивается адгезия исследуемой среды к материалу линии задержки (например, при полимеризации жидких клеевых составов), либо когда в процессе исследования твердой среды стержень с ней неразрывно связан (склеен или спаян).
Указанный недостаток обусловлен необходимостью производить при каждом измерении коэффициента отражения ультразвука от среды его калибровку по воздуху, что возможно только при полном отсутствии контакта свободного торца линии задержки с исследуемой средой и традиционно проводится перед измерением (см., например, Физическая акустика / Под ред. У.Мэзона. - Т.1. - Ч.А.М.: «Мир»., 1966. - С.329-330).
В свою очередь, первоначальная калибровка с течением времени может нарушаться за счет изменения акустических характеристик линии задержки под влиянием температуры, либо за счет изменения характеристик электронной измерительной аппаратуры, связанной с ультразвуковым преобразователем и т.д.
Задачей полезной модели является обеспечение возможности проведения точных измерений акустических характеристик исследуемой среды в условиях их заметных изменений с течением времени, за счет непрерывной калибровки сигнала, создаваемого дополнительной отражающей поверхностью.
Поставленная задача решается за счет того, что линия задержки в форме стержня, акустически контактирующая на одном своем торце с
пьезопреобразователем, выполнена составной, состоящей из двух частей, изготовленных из разных по акустическому сопротивлению материалов, причем поверхность акустического контакта между этими частями является плоской, перпендикулярной оси ультразвукового преобразователя.
На чертеже схематически представлен ультразвуковой преобразователь для исследования динамических сред.
Ультразвуковой преобразователь содержит пьезопреобразователь 1 и линию 2 задержки. Линия 2 задержки выполнена в виде стержня, состоящего из двух частей: верхней 3 и нижней 4, сделанных из материалов с разным акустическим сопротивлением. Верхняя часть 3 линии 2 задержки предназначена для контакта с исследуемой средой (на чертеже не показана), а нижняя часть 4 акустически связана с пьезопреобразователем 1. Между собой верхняя часть 3 и нижняя часть 4 линии 2 задержки неразрывно скреплены по плоскости 5, перпендикулярной оси ультразвукового преобразователя, с целью обеспечения стабильного акустического контакта. Соединение может быть выполнено, например, путем склейки. Боковая поверхность 6 линии 2 задержки выполнена ребристой, например, резьбовой, с целью рассеяния паразитных ультразвуковых колебаний. При этом шаг резьбы подбирается, исходя из условия эффективного рассеяния ультразвуковых колебаний используемой частоты.
Свободный конец линии 2 задержки выполнен в форме усеченного конуса 7, сопряженного по своему меньшему периметру с плоской торцевой поверхностью 8, служащей для контакта с исследуемой средой (на чертеже не показана), а по своему большему периметру - с боковой поверхностью 6 линии 2 задержки. Угол скоса боковой поверхности конуса 7 по отношению к плоской торцевой поверхности 8 линии 2 задержки может быть сделан в 30° (Физическая акустика. / Под ред. У.Мэзона. - Т.1. - Ч.А. - М.: «Мир», 1966. - С.353-354) или в 45° (А.С. 1772721 СССР. МГТС G01N 29/02, 29/04. 1989). Диаметр плоской торцевой поверхности 8 линии 2 задержки целесообразно выполнять незначительно меньшим диаметра
пьезопреобразователя 1 для повышения чувствительности ультразвукового преобразователя за счет увеличения амплитуды измеряемого сигнала при сохранении корректных акустических условий измерения.
Материал верхней части 3 линии 2 задержки рационально подбирать, исходя из условия большей величины в нем скорости ультразвуковых колебаний в сравнении с материалом нижней части 3 линии 2 задержки, для увеличения эффекта рассеяния паразитных волн. Расстояние между плоскостью 5 соединения частей 3 и 4 линии 2 задержки и торцевой плоскостью 8 должно быть таким, чтобы обеспечивалось уверенное разрешение во времени сигналов от этих двух плоских отражателей.
Ультразвуковой преобразователь для исследования динамических сред работает следующим образом. В отсутствие исследуемой среды (при контакте поверхности 8 с воздухом) пьезопреобразователь 1 излучает в осевом направлении ультразвуковые колебания. Часть колебаний, дойдя до границы 5 раздела частей 3 и 4 линии 2 задержки, отражается от нее и возвращается к пьезопреобразователю 1 и далее, в виде электрического сигнала, поступает в измерительную аппаратуру (на чертеже не показана), формируя дополнительный калибровочный сигнал. Другая часть осенаправленных ультразвуковых колебаний, пройдя границу 5 раздела, достигает плоской торцевой поверхности 8, отражается от нее и, пройдя границу 5 в обратном направлении, возвращается к пьезопреобразователю 1, формируя в измерительной аппаратуре (не показана) основной калибровочный сигнал. Между величинами основного и дополнительного калибровочных сигналов определяют соотношение (калибровочный коэффициент), который в дальнейших измерениях (при контакте с исследуемой средой) используют в расчетах при оперировании с дополнительным калибровочным сигналом вместо основного. Если измерения производят в условиях изменения рабочей температуры, то калибровочный коэффициент определяют в соответствующем диапазоне температур.
Ультразвуковые колебания, излученные пьезопреобразователем 1 в направлении, отклоняющемся от оси линии 2 задержки, после преломления на границе 5 раздела частей 3 и 4 линии 2 задержки, сразу или после переотражения от боковой конической поверхности 7 линии 2 задержки попадают на ребристую боковую поверхность 6 линии 2 задержки, где эффективно рассеиваются. Эти ультразвуковые колебания являются паразитными и в измерении не участвуют.
Затем свободный конец линии 2 задержки вводят в акустический контакт с исследуемой средой (на чертеже не показана). При этом величина измерительного сигнала, обусловленного отражением осенаправленных ультразвуковых колебаний от торцевой поверхности 8 линии 2 задержки, уменьшается в сравнении с величиной основного калибровочного сигнала за счет поглощения части энергии ультразвуковых колебаний исследуемой средой. Указанное уменьшение, после его измерения, является определяющим в расчетах акустических характеристик исследуемой среды при работе с прототипом данной полезной модели. Однако при работе с заявленным ультразвуковым преобразователем принятый измерительный сигнал, обусловленный отражением осенаправленных ультразвуковых колебаний от торцевой поверхности 8 линии 2 задержки при ее контакте с исследуемой средой, сравнивают по величине не с основным, а с дополнительным калибровочным сигналом, и, с учетом калибровочного коэффициента, рассчитывают акустические характеристики исследуемой среды.
При длительных измерениях акустических характеристик исследуемой среды в случае, когда эти характеристики заметно меняются по причинам физико-химического характера, возможное изменение величины основного калибровочного сигнала будет сопровождаться пропорциональным изменениям величины дополнительного калибровочного сигнала, всегда доступного для обработки в расчетах. Это обеспечивает возможность
использования данной полезной модели для исследования динамических сред, т.е. достижение цели полезной модели.
Свободная торцевая поверхность линии 2 задержки может быть выполнена не только в форме усеченного конуса, сопряженного с боковой поверхностью линии 2 задержки, но и в других формах, известных по уровню современной ультразвуковой измерительной техники (А.С. 1105804 СССР, МПК G01N 29/02; 1983; А.С. 1188643 СССР, МПК G01N 29/02, 1984 и др.). Это не меняет существа и принципа действия заявленной полезной модели. Боковая поверхность линии 2 задержки также может быть не цилиндрической формы, как в рассмотренном примере практического применения заявленной полезной модели, а - конической, призматической и т.д., при этом осесимметричность формы линии 2 задержки также не является ее обязательным признаком.