СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА В ТОНКИХ ПОЛИМЕРНЫХ ЗВУКОПРОЗРАЧНЫХ ПЛЕНКАХ
METHOD FOR MEASURING SOUND VELOCITY IN THIN POLYMERIC SOUND-TRANSPARENT FILMS

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к использованию тонких полимерных (например, из полиэтилентерефталата - ПЭТ) звукопрозрачных пленок при измерении параметров ультразвуковых полей в жидких средах, когда пленку применяют в качестве звукопроводящей преграды на пути ультразвукового пучка для устранения влияния акустических течений, или в качестве «акустического окна» для ввода ультразвуковой энергии в наполненную водой замкнутую звукомерную камеру, или как тонкую мембрану, отслеживающую колебательную скорость частиц воды методами интерферометрии лазерного луча, падающего и отраженного от покрытой тонким слоем металла одной из сторон этой мембраны. Такие технологии широко используются при измерении полной мощности ультразвука в воде методом уравновешивания радиационной силы [1] на мегагерцовых частотах, при калибровке гидрофонов в диапазоне от десятков герц [2] до десятков мегагерц [3], в том числе и в национальных метрологических институтах зарубежных стран [4, 5].
пл
пл
К достоинствам пленки ПЭТ следует отнести достаточно хорошее согласование удельного акустического импеданса  (ρ - плотность пленки ПЭТ, с - скорость звука в ней) удельному акустическому импедансу воды  в которой она работает, что обеспечивает ее приемлемую звукопрозрачность при прохождении ультразвуковой волны. Однако стремление к адекватности отслеживания колебаний металлизированной стороны пленки колебательным смещениям частиц воды под действием звуковой волны, падающей на противоположную сторону пленки и проходящей через тонкую (толщиной, соизмеримой с длиной ультразвуковой волны) пленку к металлизированному слою, требует учета механизма волнового взаимодействия в переходном слое: вода-пленка-вода.
В упрощенной теории прохождения акустических плоских волн через такой переходный слой [6] для определения колебательной скорости воды на внешней (противоположной от источника излучения) стороне пленки требуется знать удельные акустические сопротивления воды и материала пленки, а также ее волновую толщину  где  - волновое число пленки,  - частота ультразвуковой волны,  - толщина пленки. При этом коэффициент прохождения  ультразвуковой волны (по колебательной скорости) будет рассчитан из уравнения [6]:
Заметим, что в этом уравнении скорость звука в пленкеприсутствует в выражениях для  и  определяя тем самым существенную частотную зависимость амплитуды колебательной скорости на ее внешней стороне. Этим и объясняется необходимость определения значения продольной скорости звука в пленке, точных сведений о которой для материала ПЭТ в литературе не встречается. При этом важна не какая-либо гипотетическая информация об ее значении (в направлении вытягивания), а лишь в направлении, перпендикулярном пленке, т.к. именно в этом направлении воздействует на нее ультразвуковая волна. Следует также иметь в виду, что эта скорость будет зависеть от технологии производства пленки ПЭТ (режима вытягивания при формовке, толщины пленки, режима термостабилизации и т.д.), варьирующейся в каждой фирме-производителе, и поэтому требуется определять скорость звука в пленке перед каждым использованием новой партии ПЭТ.
Широко используемые в настоящее время в гидроакустике методы измерения упругих свойств плоских образцов полимерных материалов основаны на помещении испытуемого образца в ультразвуковой пучок, излучаемый в наполненную водой измерительную ванну, перпендикулярно оси пучка так, чтобы образец перекрывал поперечное сечение последнего, а акустическое давление прошедшего через образец импульсного сигнала измерялось высокочастотным гидрофоном, расположенным позади образца на оси пучка, получая таким образом опорные параметры (полную мощность пучка, акустическое давление на его оси, акустическую интенсивность на определенном расстоянии от образца и пр.) при фиксированных параметрах сигнала. Затем образец удаляют из камеры, а положения преобразователя и гидрофона, а также режим возбуждения преобразователя оставляют неизменными, вновь выполняют измерения параметров ультразвукового поля, результаты которых сравнивают с измеренными ранее опорными значениями параметров ультразвукового поля при том же самом возбуждении преобразователя и в тех же точках поля. Такие процедуры позволяют измерить не только поглощение ультразвука в материале на различных частотах (по разнице амплитуд тестовых сигналов), но и скорость звука в испытуемом образце (по разнице времени распространения сигнал от преобразователя к гидрофону, известному расстоянию между ними и толщиной испытуемого образца).
L
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ измерения ультразвуковых свойств материалов, описанный в Международном стандарте МЭК [6] и принятый за прототип. Это способ заключается в измерении времени  необходимого, чтобы пройти испытуемый образец толщины  И тогда скорость продольных волн c в испытуемом материале будет вычислена как
В [6] указано, что для обычных эластичных материалов скорость продольных ультразвуковых волн не зависит от частоты за редким исключением для некоторых упруго-вязких материалов, имеющих дисперсию скорости с частотой. В последнем случае при расчетах необходимо учитывать частотную зависимость затухания ультразвука и фазовую скорость такого материала. Однако следует учесть, что полиэтилентерефталат (ПЭТ) не обладает сколько бы заметной вязкостью, а толщина используемых пленок обычно не превышает 20 мкм (0,27 длины звуковой волны для 20 МГц), что никак не может повлиять на дисперсию скорости. С учетом (2) время изменения  момента прихода ультразвукового импульса при помещении испытуемого образца на пути ультразвукового пучка равно
где  - толщина пленки (обычно от 3 до 20 мкм).
пл
После измерения  из формулы (3) можно было бы получить и искомую скорость звука с в пленке. Но перед этим оценим изменения  момента прихода ультразвукового импульса для пленки максимальной толщиной  мкм (изготавливается по ГОСТ 24234-80 [7]), подставив вместо  - значения скорости звука в воде (1485 м/с) и пленке (ожидаемое 2000 м/с) соответственно. Расчеты показывают, что время прихода сигнала при его прохождении через пленку к гидрофону сократится не более чем на 0,52 не. Такую величину проблематично заметить, а тем более измерить в обычных лабораторных условиях. И это означает, что выбранный прототип не обеспечивает способ измерения скорости звука в пленке требуемых размеров. Это является основным недостатком прототипа как способа измерения скорости распространения ультразвуковой волны, падающей нормально на полимерную пленку, основанного на определения изменения времени прохождения тест-сигнала через исследуемый материал.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является обеспечение возможности проведения измерений скорости звука на пленках ПЭТ сверхтонких размеров, значения которой необходимы для оценки погрешности эталонных измерений акустического давления и других параметров ультразвукового поля, а также калибровок гидрофонов при обеспечении единства гидроакустических измерений на мегагерцовых частотах.
Данный технический результат достигают за счет того, что вместо прямых измерений времени прохождения ультразвука в испытуемом материале измеряют коэффициенты прохождения ультразвукового импульса через пленку и отражения от нее, а результаты этих измерений сравнивают между собой для оценки погрешности этих измерений. При нормальном падении ультразвуковой волны коэффициент ее отражения  от пленки можно выразить как [6]
а коэффициент прохождения  выражается как (1).
м-отр
Коэффициент отражения  от пленки в воде можно измерить с помощью гидрофона методом сравнения амплитуд сигналов, отраженных от отражателя с известным коэффициентом отражения  (например, для пластины из нержавеющей стали толщиной более 20 мм К ≈ 0,994), а коэффициент прохождения  пленки в воде - сравнением амплитуд сигналов, принимаемых гидрофоном, находящемся за пленкой, и в ее отсутствии.
написать про способ измерения скорости звука в тонкой полимерной пленке может быть реализован в воде
При измерениях коэффициента прохождения  как показано на фигуре 1, для того чтобы минимизировать влияние акустических течений, пленку (3) устанавливают между излучателем (5) и гидрофоном (2) максимально близко к гидрофону. Измерения проводятся при нормальном падении тестируемого сигнала на пленку. Гидрофон (2), пленка (3) и излучатель (5) должны быть полностью покрыты водой в измерительном баке (1). Измерение самого коэффициента прохождения звуковой волны через пленку проводят методом сравнения сигналов, прошедшего через пленку и в ее отсутствии.
При измерениях коэффициента отражения  как показано на фигуре 2, для того чтобы минимизировать влияние угла падения ультразвуковой волны на уровень отраженного сигнала от пленки (3), гидрофон (2), располагают практически параллельно ультразвуковому излучателю (5). Отраженный сигнал от пленки (3) сравнивают с отраженным сигналом от идеального отражателя (7). Все измерения проводятся под водой в измерительном баке (1) с системой позиционирования (6), имеющей высокое пространственное разрешение. Коэффициент отражения звуковой волны от пленки получают методом сравнения сигналов, отраженного от пленки и отраженного от идеального отражателя.
Расчеты коэффициентов прохождения и отражения выполняют при заданных значениях частот и скорости звука и при одном выбранном значении толщины пленки. Для определения минимальной разницы расчетных и измеренных коэффициентов прохождения строят их графические зависимости от предполагаемой скорости звука в пленке для каждой заданной частоты. Искомую скорость распространения звука в пленке определяют по минимальной разнице между измеренными и расчетными значениями коэффициентов прохождения ультразвука через пленку и отражения от нее в заданном диапазоне частот, а погрешность измерения скорости звука в пленке оценивают по максимальной (в заданном диапазоне частот) разнице измеренных и расчетных значений коэффициентов прохождения ультразвука через пленку.
Изобретение поясняется иллюстрациями.
На Фиг. 1 представлена схема измерения коэффициента прохождения ультразвуковой волны (по давлению), где 1 - измерительный бак с водой; 2 - гидрофон; 3 - мембрана из металлизированной пленки ПЭТ; 4 - штатив с рамкой для мембраны; 5 - ультразвуковой излучатель; 6 - трехкоординатные позиционеры.
На Фиг. 2 представлена схема измерения коэффициента отражения ультразвуковой волны (по давлению), где 1 - измерительный бак с водой; 2 - гидрофон; 3 - мембрана из металлизированной пленки ПЭТ; 4 - штатив; 5 - ультразвуковой излучатель; 6 -трехкоординатные позиционеры; 7 - отражатель с известным коэффициентом отражения;. На Фиг. 3 изображение на экране осциллографа отраженных сигналов. На Фиг. 4 представлен график разности расчетных и измеренных значений коэффициента прохождения звукового давления через пленку толщиной 3 мкм в зависимости от предполагаемой скорости звука в ней и частоты измерения
Особенности этих измерений заключаются в том, что при измерении отражений приходится сравнивать два сигнала разной величины (близкой к амплитуде падающей волны и существенно малой), а при измерении прохождения - два близких по амплитуде сигнала, что требует применения аппаратуры с приемлемым диапазоном измерения напряжения и достаточным его разрешением (см. Фиг. 3).
Однако достоверность измеряемых коэффициентов можно проверить, используя равенство, определяемое из условия  так что
Наши измерения коэффициентов отражения и прохождения ультразвуковой волны через пленку ПЭТ толщиной 3 мкм в диапазоне частот от 1 до 20 МГц позволили определить скорость звука в ней, которая составила (1950±20) м/с и была использована в дальнейших исследованиях. Эта скорость была получена путем подстановки ожидаемых значений скорости звука пленки в выражение (1) для  и нахождения минимальной разности результатов прямых и вычисленных измерений  Этот минимум подтвержден на всех частотах измерения  и наиболее очевиден в верхнем диапазоне частот (Фиг. 4).
Как видно из Фиг. 4, скорость ультразвука в пленке не зависит от его частоты, что подтверждает отсутствие в ней каких-либо упруго-вязких явлений, а значит и дисперсии скорости с частотой.
Предложенный способ реализуется следующим образом:
1) В баке 1 с дистиллированной водой (Фиг. 1) с помощью 3-координатных позиционеров 6 размещают гидрофон 2 и ультразвуковой излучатель 5, между которыми на штативе 4 устанавливают мембрану 3 из пленки ПЭТ, натянутую на рамку (пяльцы).
2) Возбуждают преобразователь коротким тональным импульсом напряжения фиксированной амплитуды и измеряют амплитуду сигнала  с гидрофона по осциллографу.
3) Извлекают из бака штатив с мембраной, оставляя неизменными положения гидрофона и излучателя, включают возбуждение излучателя той же самой амплитуды и частоты и вновь измеряют напряжение на гидрофоне .
4) Вычисляют коэффициент прохождения ультразвука через пленку как
5) С помощью штатива 4 (Фиг. 2) устанавливают на дне бака отражатель 7 (пластину из нержавеющей стали толщиной более 20 мм) полированной стороной вверх и на него кладут мембрану из пленки ПЭТ 3, растянутую на обечайке. Сверху и соосно с мембраной устанавливают на позиционерах 6 излучатель 5 и гидрофон 2 так, чтобы их оси были отклонены от вертикали не более чем на 2 - 3°.
6) Включают возбуждение излучателя и увеличивают амплитуду импульса возбуждения до значений, при которых отношение сигнал/шум отраженного от пленки сигнала превышает 10 дБ, записывают амплитуду  сигнала, полученную на осциллографе (Фиг. 3).
7) Извлекают мембрану из воды и при том же возбуждении излучателя измеряют амплитуду импульса  отраженного от излучателя.
Примечание - При недостаточности динамического диапазона гидрофона или приемной системы следует использовать калиброванный аттенюатор.
8) Вычисляют коэффициент отражения ультразвука от пленки как
9) Повторяют измерения по пп. 1-8 для ряда частот (рекомендуется до 20 МГц).
10) Для разных значений скорости звука в пленке ПЭТ (рекомендуется взять из диапазона от 1500 до 2200 мс) по формуле (1) вычисляют коэффициент прохождения  ультразвуковой волны через пленку ПЭТ используемой толщины  и плотности  на заданных частотах.
11) Строят зависимости коэффициента прохождения  от толщины пленки для каждой частоты и получают графики этой зависимости для каждой из заданных частот подобно показанным на Фиг. 4.
12) По спаду этих зависимостей (особенно видному на высоких частотах) определяют искомую скорость звука в пленке
13) По формуле (5) для значения найденной скорости звука оценивают погрешность ее измерения как разность расчетных и измеренных значений коэффициента прохождения звукового давления через пленку выбранной толщины.
Таким образом становятся возможны проведения измерений скорости звука в пленках ПЭТ сверхтонкой толщины, значения которой необходимы для оценки погрешности эталонных измерений акустического давления и других параметров ультразвукового поля, а также калибровок гидрофонов при обеспечении единства гидроакустических измерений на мегагерцевых частотах.
Литература:
1. ГОСТ Р МЭК 61161-2019. ГСИ. Мощность ультразвука в жидкостях. Общие требования к выполнению измерений методом уравновешивания радиационной силы.
2. ГОСТ Р МЭК 62127-2-2009. ГСИ. Гидрофоны. Общие требования к методикам калибровки в частотном диапазоне до 40 МГц
3. Koukoulas Т., Theobald P., Robinson S., Hayman G., and Moss В. Particle velocity measurements using heterodyne interferometry and Doppler shift demodulation for absolute calibration of hydrophones, Journal of the Acoustical Society of America (POMA), 17, pp.70022: 1-10(2012).
4. Bacon D.R. Primary Calibration of Ultrasonic Hydrophones Using Optical Interferometry// IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol.35, No. 2, March 1988. DOI: 10.1109/58.4165
5. Koch Ch., Molkenstruck W. Primary calibration of hydrophones with extended frequency range 1 - 70 MHz using optical interferometry// IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol.46, No. 5, p.1303-1314, Oct. 1999. DOI: 10.1109/58.796135
6. Ржевкин C.H. Курс лекций по теории звука. Изд. Московского университета, 1960 г.
7. IEC7TS 63081 -2019. Ultrasonics - Methods for the characterization of the ultrasonic properties of materials.
8. ГОСТ 24234-80. Пленка полиэтиленполитерефталатная. Технические условия.