МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ПАРАМЕТРА ЖИДКОСТЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINATION OF NONLINEAR ULTRASONIC PARAMETER OF LIQUIDS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области физической акустики и предназначено для изучения акустических свойств микронеоднородных жидкостей, таких как морская вода и различные технические жидкости.
Задача измерения акустической нелинейности жидкостей возникла в связи с необходимостью создания экспериментальных методов диагностики микронеоднородных жидкостей естественного и искусственного происхождения. Морская вода относится к микронеоднородным жидкостям естественного происхождения. Ее акустическая нелинейность в значительной мере связана с наличием в ней микронеоднородностей типа газовых пузырьков, планктона, взвесей и других включений и их концентрацией. В технике применение микронеоднородных жидкостей имеет положительную и отрицательную стороны. Положительным примером применения таких жидкостей в промышленности могут быть парогазовые жидкостные смеси, применяемые в химической технологии. Примером проявления нежелательных свойств микронеоднородных жидкостей являются взрывоподобные образования парогазовых смесей в трубопроводах реакторов и систем транспортирования жидкостей, которые, благодаря своим высоким нелинейным характеристикам, способствуют образованию ударных волн, приводящих к разрушению трубопроводов. Акустическая нелинейность жидкости значительно меняется при высоких температурах и при образовании парогазовых жидкостных смесей.
Известны различные способы измерения нелинейного акустического параметра жидких, газообразных и твердых сред, которые в основном построены на принципе измерения амплитуды 2-й гармоники излученного сигнала («квадратичная нелинейность»), или волн, возникших в результате взаимодействия нескольких начальных волн (чаще - 2-х акустических волн - бигармонический сигнал) в нелинейной среде.
В качестве характеристики отклонения от линейности вводят понятие параметра акустической нелинейности (Г) [Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984, с.11-12]:
<mrow><mi>Г</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub><mi>c</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mo>∂</mo><mi>c</mi></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>P</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>S</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mo>∂</mo><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><mo>∂</mo><mi>P</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mi>S</mi></msub></mrow>
,
где P - давление, ρ - плотность, c - скорость звука, S - энтропия, производные берутся при постоянной энтропии S.
Таким образом, для определения параметра нелинейности нужно определить зависимость скорости звука от давления.
0
*
*
2
В русскоязычной литературе более популярным является другой параметр - нелинейный акустический параметр ε (НАП), который связан с параметром акустической нелинейности Г соотношением ε=1+Г/2. НАП непосредственно связан с решением Римана в эволюции простых волн, согласно которому скорость распространения простой волны равна c=c+εν, где ν - скорость частиц в волне. Появление зависимости скорости распространения волны от ее амплитуды приводит к искажениям профиля волны вплоть до образования ударных волн. Расстояние, на котором плоская гармоническая волна перерождается в ударную волну, принято называть расстоянием разрыва. НАП (ε) имеет четкий физический смысл - он определяет расстояние разрыва в волне r согласно соотношению: r=1/εkM, где k=2πf/c - волновое число, f - частота, M=ν/c=P/ρc - число Маха.
Известен способ измерения НАП (а.с. СССР №1233032, МКИ G01N 29/00), в котором устанавливают первый и второй высокочастотные преобразователи на расстоянии друг от друга, равном менее двух длин волн, излучаемых низкочастотным преобразователем, установленным под углом к направлению излучения высокочастотного сигнала. В условиях нелинейной среды низкочастотная волна вызывает модуляцию высокочастотной волны. Излучают высокочастотный сигнал первым преобразователем и измеряют максимальный фазовый сдвиг между сигналами, излученным первым и принятым соответственно вторым преобразователями. Излучают высокочастотный сигнал вторым преобразователем и измеряют максимальный фазовый сдвиг между сигналами, излученным вторым и принятым первым преобразователями. По измеренным значениям максимальных фазовых сдвигов с учетом угла между направлениями распространения излученных низкочастотной и высокочастотной волн и расстояния между высокочастотными преобразователями определяют искомый параметр по формуле
<mrow><mi>ε</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>cos</mi><msub><mi>θ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><mi>K</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>cos</mi><msub><mi>θ</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>ϕ</mi><mn>1</mn></msub><mo>/</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>ϕ</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><mi>K</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
0
1
2
где ε - нелинейный акустический параметр среды; θ - угол между направлениями распространения низкочастотной и высокочастотной волн в случае, когда излучателем является первый, а приемником - второй высокочастотные преобразователи; Δφ и Δφ - измеренные максимальные фазовые сдвиги в высокочастотной волне, когда, соответственно, излучателем высокочастотной волны является первый преобразователь, а приемником - второй, и наоборот - излучателем является второй, а приемником -первый преобразователь.
Устройство, реализующее способ измерения нелинейного акустического параметра, содержит первый и второй высокочастотные преобразователи, низкочастотный преобразователь и генератор высокочастотных волн, первый и второй синхронные ключи, входы которых соединены с выходом генератора высокочастотных волн, а также последовательно соединенные усилитель, фазовый детектор, низкочастотный усилитель и индикатор.
0
0
0
0
-5
-4
-5
-4
Недостатками этого способа являются низкая точность и достоверность определения нелинейного акустического параметра среды, обусловленная малостью измеряемых индексов фазовой модуляции. Известно, что величина фазовой модуляции Δφ≈εM=εν/c, где M - акустическое число Маха; ν - амплитуда колебательной скорости в низкочастотной волне; c - скорость звука, ε - НАП (Зверев В.А., Калачев А.И. Модуляция звука звуком при пересечении акустических волн. // Акустический журнал. 1970, т.16, вып.2. С.245-252). В акустике, как правило, M≈10-10 [Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. Голямина И.П. М.: Советская энциклопедия, 1979. С.209], поэтому величина Δφ лежит в пределах 3,5·10-3,5·10. Такие значения Δφ сравнимы по порядку величины с фазовыми шумами электронных трактов, возможными флуктуациями фазы за счет малых механических колебаний измерительных преобразователей друг относительно друга и т.д.
01
02
02
01
01
Повышение достоверности и точности измерения нелинейного акустического параметра достигается в способе определения нелинейного акустического параметра жидких сред, описанного в патенте РФ №2168721, G01N 29/00. Способ включает излучение в контролируемую среду бигармонической волны, состоящей из гармоник с начальными амплитудами ν(0), ν(0) колебательной скорости и частотами ω, 2ω, прием прошедшей через исследуемую среду волны и выделение второй гармоники. Фазовый инвариант излучаемого сигнала устанавливают равным π, изменяют амплитуды компонент излучаемого сигнала, сохраняя постоянным параметр A, равный отношению начальной амплитуды второй гармоники ν(0) к начальной амплитуде первой гармоники ν(0). Величина A выбирается из диапазона от 0 до 0,61 до тех пор, пока амплитуда принимаемой второй гармоники в месте расположения приемника станет равной нулю. Определяют соответствующую этому условию начальную амплитуду первой гармоники ν(0) излучаемой волны, рассчитывают нелинейный акустический параметр по формуле
<mrow><mi>ε</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mn>0</mn></msub><msubsup><mi>c</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mi>x</mi><mi>ω</mi><msub><mi>ν</mi><mrow><mn>01</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mn>0</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
,
0
где z, x, ν - связаны с координатами приемника и величинами сигналов основной частоты и второй гармоники.
01
02
Для реализации способа используют устройство, включающее последовательно включенные генератор синусоидальных колебаний, первый регулируемый усилитель, к выходу которого подключены удвоитель частоты и последовательно соединенные второй регулируемый усилитель и фазовращатель; выходы удвоителя частоты и фазовращателя подключены к первому и второму входам излучателя, а также последовательно соединенные приемник, избирательный усилитель и нуль-индикатор. Шкалы регулирующих элементов первого и второго регулируемых усилителей 2 и 4 предварительно проградуированы таким образом, чтобы путем непосредственного отсчета можно было определять амплитуды излучаемых волн ν(0) и ν(0).
Однако способ измерения требует перестройки аппаратуры при выполнении процедуры измерения, что приводит к увеличению времени измерений, а также к значительному усложнению измерения НАП в натурных условиях в режиме зондирования в реальном масштабе времени.
Измерение НАП в режиме зондирования приведено в патенте ЕР №0128635 B1, G01K 11/00. Данный способ основан на нелинейной связи скорости звука и величиной акустического давления.
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>B</mi><mi>A</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>P</mi></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><msub><mi>ρ</mi><mn>0</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>B</mi><mi>A</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mi>z</mi><mo>)</mo></mrow><mi>P</mi></mrow>
где z - координата вдоль оси излучения.
В исследуемую среду излучаются акустические волны низкой и высокой частот, измеряется величина фазовой модуляции волн высокой частоты волнами низкой частоты с учетом геометрии взаимного положения излучателей и приемника и по фазовому сдвигу определяют изменение скорости звука.
Для осуществления способа используют систему, состоящую из четырех устройств: первое - создает зондирующую волну, распространяющуюся в исследуемой среде, второе - обеспечивает волну накачки, распространяющуюся так, чтобы обеспечить взаимодействие с зондирующей волной, третье - служит для регистрации фазового изменения зондирующей волны под влиянием волны накачки и четвертое - для того, чтобы определить величину нелинейного акустического параметра на основе обнаруженных изменений фазы волны накачки.
Наиболее близким к заявляемому является метод определения параметра нелинейности и устройство для осуществления этого метода, приведенные в патенте США №5521882, опубл. 28.05.1996 и выбранные нами в качестве прототипа. Суть метода заключается в том, что в исследуемую среду погружается акустический скважинный зонд, состоящий из расположенных вдоль кабеля как минимум одного акустического источника, излучающего волны двух различных частот, и как минимум одного акустического приемника для измерения амплитуды волн разностной частоты или суммы двух различных частот, а также соединенного с ними комплекса измерительной аппаратуры.
В жидкости и в прилегающих стенках скважины за счет нелинейности структуры возникают акустические волны комбинационных частот (суммарная и разностная), причем скорость генерации этих волн в пространстве прямо пропорциональна степени нелинейности среды. Предлагается измерять амплитуду разностной частоты, которая затухает в среде медленнее других волн. Приемники принимают излученные сигналы вместе с сигналами, порожденными нелинейностью среды. С помощью фильтров или используя преобразование Фурье получают значение амплитуды разностной частоты, а для вычисления нелинейных характеристик структуры скважины используют выражение:
Δf
a
o,a
b
o,b
a
D(z)=1/4(2πfD/V)(2πfD/V)Ω(λµβγ)z.
Δf
oa
ob
oa
ob
Данное выражение связывает амплитуду волны разностной частоты D(z), принятой на расстоянии z, с амплитудами и частотами излученных волн D, D, f, f, скоростью звука V в данной среде. В состав выражения входит так называемый функциональный индикатор Ω, который связан с коэффициентами Ламе λ, µ, характеризующими упругие свойства среды, и характеристиками нелинейности α, β, γ.
Задача измерения параметра нелинейности в скважине, заполненной жидкостью, технически во многом сходна с задачей измерения нелинейного параметра морской воды на различных глубинах моря или технических жидкостей внутри трубопровода. В обоих случаях требуется система измерений, способная работать на разных глубинах, компактная и позволяющая проводить измерения за минимальное время. Если в нефтяной скважине условия измерений не подвержены резким изменениям во времени и пространстве, то для измерений в нестабильных условиях моря, а тем более в быстро изменяющихся условиях технологических процессов, желательно иметь возможно более короткий период измерений. Кроме того, для таких микронеоднородных жидкостей, как морская вода, характерно резкое изменение нелинейных свойств по пространству, связанное с вертикальной слоистостью воды, определяемой сезонным прогревом верхних слоев моря (сезонный термоклин), а также пространственной неоднородностью, связанной с наличием микронеоднородностей типа пузырьковых облаков, придонных газовых выделений («газовых факелов») в местах наличия газогидратов и нефтяных месторождений и др.
Для изучения тонкой структуры слоистой микронеоднородной жидкости, такой, например, как морская вода, необходимо высокое пространственное разрешение, для чего требуется измерять НАП в небольшом объеме жидкости. С другой стороны, нелинейные эффекты, такие как генерация разностной частоты из двух волн накачки, при распространении акустической волны проявляются не сразу, по мере распространения волны в нелинейной среде они накапливаются и становятся заметны для чувствительной аппаратуры на некотором расстоянии от источника волн. На малом расстоянии эти эффекты могут быть почти не ощутимы. Таким образом, для получения высокого пространственного разрешения при измерении НАП требуется измерение в малом объеме, а для высокой точности измерения НАП требуется протяженная измерительная база между источником и приемником звуковых волн. Эти противоречивые требования не реализуются в приведенном прототипе, так как при большом разнесении по пространству источника и приемника звука значение НАП усредняется по пространству, а при малом расстоянии слабые нелинейные эффекты трудно зарегистрировать (волна разностной частоты еще не сформировалась).
Исходя из этого, задачей данного изобретения является разработка метода и устройства измерения акустической нелинейности жидкостей, позволяющая проводить измерение НАП с большим разрешением по пространству, с высокой чувствительностью, достоверностью по величине НАП.
Поставленная задача решается методом определения параметра нелинейности жидкостей, включающим излучение импульсов как минимум двух разных частот, прием сигналов, прошедших через измерительный участок, фильтрацию сигналов на разностной частоте, измерение амплитуды давления волн разностной частоты и последующее определение параметра нелинейности, при этом измерительный участок представляет собой расстояние между поверхностью излучателя и расположенной соосно с ним в параллельной плоскости отражающей поверхностью, посылку импульсов и прием сигналов осуществляют излучателем, работающим в режиме излучение-прием, интервал времени между импульсами выбирают таким, чтобы предыдущий импульс, многократно пройдя измерительный участок в прямом и обратном направлении, успел затухнуть, а параметр нелинейности определяют по величине нелинейного акустического параметра (ε) по формуле
<mrow><mi>ε</mi><mo>=</mo><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>P</mi><mi>Ω</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>r</mi><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>Ω</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>r</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Ω
0
Ω0
где ε - значение нелинейного акустического параметра в исследуемой среде, P(r) - амплитуды давления волны разностной частоты на расстоянии r в исследуемой среде, а ε - значение нелинейного акустического параметра в известной среде и P(r) - значение амплитуды давления волны разностной частоты на расстоянии r в известной среде, определенные предварительно калибровкой.
Поставленная задача решается также устройством для реализации предлагаемого метода, состоящем из акустического зонда, включающего измерительную базу, соединенный с ней комплекс измерительной аппаратуры с системой обработки акустических сигналов и хранения данных, при этом измерительная база представляет собой штангу, с одной стороны которой установлен источник акустических волн, работающий в режиме излучение - прием, с другой - соосно с ним в параллельной плоскости установлена отражающая пластина, ось излучения источника акустических волн направлена на пластину, а комплекс измерительной аппаратуры включает тракт излучения и тракт приема, при этом тракт излучения состоит из генератора синхроимпульсов, соединенного с двумя генераторами синусоидальных сигналов, выходы которых соединены с входами сумматора напряжений, соединенного с усилителем мощности и коммутатором сигналов, переключающим режим излучения в режим приема, тракт приема включает коммутатор сигнала, селективный усилитель, настроенный на фильтрацию и усиление сигналов разностной частоты, и АЦП, синхронизированный с генератором синхроимпульсов и соединенный с системой обработки акустических сигналов и хранения данных.
На фиг.1 представлена схема заявляемого устройства, где А - тракт излучения, Б - тракт приема, 1 - генератор синхроимпульсов; 2 и 3 - генераторы синусоидального напряжения; 4 - сумматор сигналов; 5 - усилитель мощности; 6 - коммутатор сигналов излучения-приема; 7 - излучатель; 8 - измерительная штанга; 9 - отражающая пластина; 10 - приемный селективный усилитель; 11 - АЦП; 12 - компьютер обработки и хранения данных.
Все конструктивные элементы устройства являются стандартными и их технические характеристики выбирают исходя из поставленной исследовательской задачи. В качестве источника излучения возможно использование, например, параметрического излучателя.
Излучаемый источником (7) акустических волн импульсный сигнал, который формируется в тракте излучения (А) и по кабелю через коммутатор (6) передается на источник (7), представляет собой сумму сигналов по крайней мере двух частот, которые находятся в диапазоне рабочих частот источника акустических волн. После излучения импульсного сигнала в сторону отражающей пластины (9) источник (7) через коммутатор (6) переключается в режим приема отраженных сигналов. Импульс распространяется в пространстве, ограниченном отражающими поверхностями (поверхность излучателя и пластины (9), отражаясь и возвращаясь на излучатель (7) после каждого цикла пробега, принимается излучателем (7) и передается в тракт приема (Б). С помощью селективного усилителя (10) отраженные сигналы выделяются на разностной частоте и усиливаются, преобразуются в цифровой код в АЦП (11) и поступают в процессор обработки (12), в котором хранится величина амплитуды разностной частоты, полученная ранее при калибровке устройства путем измерения амплитуды сигналов разностной частоты в среде с известной величиной НАП.
Калибровка является стандартной процедурой, проводится перед началом измерений и заключается в том, что в среду с известной величиной НАП погружается зонд и производится измерение амплитуды разностного сигнала на расстоянии, где амплитуда сигналов разностной частоты наросла до приемлемых для измерения величин. Полученные значения амплитуды затем используются для вычисления НАП в исследуемой среде согласно заявляемому выражению (1).
Например, известно, что значение НАП в пресной воде при температуре 20°C равно ε=3,7 (Наугольных К.А., Островский Л.А., Сутин A.M. Параметрические излучатели звука. // Нелинейная акустика. Теоретические и экспериментальные исследования. Горький: ИПФ АН СССР, 1980. С.143-160). Для расчета НАП исследуемой жидкости по приведенной формуле (1) можно использовать измеренную в воде с описанными выше свойствами (ε=3,7) величину (PΩ0(r)) в качестве калибровочной, при этом амплитуды давления волн частот накачки при измерениях в исследуемой жидкости и калибровочной должны быть равными.
Таким образом, предлагаемый метод обладает повышенной разрешающей способностью по пространству, поскольку исследуемая область жидкости ограничена пространством между двумя параллельными плоскостями, минимальное расстояние между которыми ограничивается только пространственной протяженностью излучаемого импульсного сигнала, а также повышенной чувствительностью к проявлению слабых нелинейных эффектов, а, как следствие, и достоверностью измерений благодаря возможности накапливать нелинейные эффекты на большом расстоянии пробега волн накачки, которое ограничено только длиной затухания звукового импульса.
Использование в заявляемом устройстве измерительной базы, реализованной в виде штанги с источником излучения, работающим в режиме излучения и приема акустических сигналов, и двумя отражающими поверхностями - поверхностью излучателя и отражающей пластиной, где нарастание нелинейных эффектов (генерация комбинационных частот) происходит за счет многократного отражения импульса внутри базы, позволяет уменьшить габариты устройства по сравнению с прототипом. Конструкция устройства расширяет возможности его применения в ограниченном пространстве, поскольку короткую измерительную базу можно перемещать на кабеле внутри полостей сложной конфигурации, что невозможно при применении длинного кабеля с расположенными на нем излучателем и приемниками.
Макет устройства использовался при изучении нелинейного акустического параметра воды, содержащей пузырьки при различном равновесном содержании газа и пара, в зависимости от температуры при нагреве до температуры, близкой к температуре кипения.
На фиг.2 показаны графики температурной зависимости на разностных частотах 30, 50 и 70 кГц в воде с парогазовыми пузырьками. Проводились также исследования зависимости нелинейного акустического параметра реальной морской воды с содержащимися в ней различными микронеоднородностями от глубины в океанических условиях.
На фиг.3 представлен типичный график зависимости нелинейного акустического параметра морской воды от глубины в Индийском океане.