Способ измерения акустического сопротивления однородных сред и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2362128:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)" (RU)
Использование: для измерения акустического сопротивления однородных сред. Сущность: между исследуемой и эталонной средами создают плоскую границу акустического контакта, возбуждают в эталонной среде в направлении созданной границы акустические колебания и принимают отраженные от указанной границы сигналы, регистрируют амплитуду принятых сигналов, при этом дополнительно создают плоскую границу акустического контакта между исследуемой и второй эталонной средой, имеющей акустическое сопротивление, отличающееся от первой эталонной среды, возбуждают во второй эталонной среде в направлении дополнительно созданной границы акустические колебания и принимают отраженные от этой границы сигналы, находят отношение амплитуд сигналов, принятых после отражения их от первой и второй границ эталонных сред с исследуемой средой, которое используют при расчете акустического сопротивления исследуемой среды согласно соответствующему математическому выражению. Технический результат: обеспечение возможности проводить измерение акустического сопротивления исследуемой однородной среды в реальном времени, когда указанная характеристика среды непрерывно изменяется. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области ультразвуковой измерительной техники и может быть использовано при акустических исследованиях биологических или технических сред, которые с течением времени заметно меняют свои физико-химические характеристики, влияющие, в свою очередь, на акустические характеристики подобных материалов. Примерами могут служить цельная кровь человека, полимеризующиеся жидкие клеи, расплавляющиеся при незначительном нагреве твердые замазки и т.д.
Известен способ измерения акустического сопротивления однородных сред в реальном времени методом отражения ультразвуковых колебаний от границ двух идентичных эталонных сред при наклонном падении ультразвука на границы последних и использовании двухканального варианта измерения (т.е. балансной схемы), причем в одном канале эталонная среда граничит с исследуемой плотной однородной средой, а в другом эталонная среда является свободной (граничит с воздухом), обеспечивая непрерывную калибровку (Физическая акустика / Под ред. У.Мэзона. - Т.1. - Ч.А. М.: «Мир», 1966. - С.355). Способ является сложным по исполнению в процедурном и аппаратном отношении.
Известно устройство для осуществления описанного способа, включающее две идентичные эталонные среды в виде призм из плавленого кварца, четыре ультразвуковых преобразователя, расположенных попарно на каждой из призм, и комплекс сложной электронной измерительной аппаратуры (см. там же, а также: Устройство для измерения коэффициента отражения и сдвига фазы акустических сигналов. А.С. 1030720 СССР, МПК G01N 29/00, 1981). Недостатки устройства те же.
Наиболее близким к заявленному способу является «Способ определения акустического сопротивления однородных сред» (А.С. 1714486 СССР, МПК G01N 29/00, 1989). Способ заключается в том, что между исследуемой и эталонной средами создают плоскую границу акустического контакта, возбуждают в эталонной среде в направлении созданной границы акустические колебания и принимают отраженные от указанной границы сигналы, измеряют амплитуду отраженных сигналов, а также амплитуду падающих на эту границу сигналов методом калибровки по амплитуде отраженных от свободной (граничащей с воздухом) границы эталонной среды (в обоих случаях амплитуды превышают заданный уровень), с учетом измеренных значений преобразованных амплитуд определяют искомое акустическое сопротивление однородной среды.
Известно устройство, с помощью которого может быть осуществлен способ - прототип (Методы акустического контроля металлов. / Под ред. Н.П.Алешина. - М.: Машиностроение, 1989. - С.164). Устройство включает ультразвуковой преобразователь и линию задержки в форме осесимметричного стержня, один конец которого акустически связан с ультразвуковым преобразователем, а второй является свободным, предназначенным для контакта с исследуемой средой. Поскольку линия задержки в этом устройстве изготовлена из известного материала, она может быть использована в качестве эталонной среды.
Недостатком этого устройства является невозможность проводить измерения акустического сопротивления исследуемой среды в реальном времени, когда эта характеристика среды непрерывно изменяется.
Указанный недостаток является следствием необходимости при каждом измерении акустического сопротивления среды производить калибровку устройства по контрольной среде: для плотных сред - по воздуху, для газов - по вакууму. Проведение калибровки требует устранения акустического контакта между эталонной и исследуемой средой, т.е. устранения из акустического измерительного канала исследуемой среды и замены ее контрольной средой, например воздушной. Это не позволяет непрерывно отслеживать изменение акустического сопротивления исследуемой среды и, вдобавок, проведение такой калибровки не всегда возможно. В случае, например, полимеризации жидкого клеевого состава устранить на время калибровки исследуемую среду невозможно из-за сильного увеличения адгезии среды к эталонному материалу. Также невозможно оперативно устранять из измерительного канала исследуемый газ и заменять его вакуумом.
Задачей изобретения является обеспечение возможности проводить измерение акустического сопротивления исследуемой однородной среды в реальном времени, когда указанная характеристика среды непрерывно изменяется.
Поставленная задача решается за счет того, что в дополнение к процедурам известного способа создают плоскую границу акустического контакта между исследуемой и второй эталонной средой, имеющей акустическое сопротивление, отличающееся от первой эталонной среды, возбуждают во второй эталонной среде в направлении новой границы акустические колебания и принимают отраженные от этой границы сигналы, находят отношение амплитуд принятых сигналов, отраженных от первой и второй границ эталонных сред с исследуемой средой, которое используют при расчете акустического сопротивления исследуемой среды.
Таким образом, в предлагаемом способе оказывается устраненной процедура повторной или многократной, в том числе непрерывной, калибровки измерительного тракта по контрольной среде, обеспечивается постоянный акустический контакт с исследуемой средой в реальном времени, что позволяет достичь цели изобретения.
Поскольку известное устройство - ультразвуковой преобразователь для измерения акустического сопротивления сред - не позволяет реализовать заявляемый способ, т.к. в нем не предусмотрена возможность проведения требуемой для предлагаемого способа калибровки в реальном времени, необходимо видоизменить известное устройство. Это видоизменение состоит в том, что известное устройство снабжено дополнительными конструктивными элементами: вторым ультразвуковым преобразователем и второй эталонной средой, акустически связанными между собой, причем вторая эталонная среда имеет акустическое сопротивление, отличающееся от первой эталонной среды.
В итоге, новое устройство позволяет избавиться от необходимости при измерении производить многократную или непрерывную калибровку, и как следствие, акустический контакт устройства с исследуемой средой поддерживается постоянно, что обеспечивает достижение цели изобретения.
На прилагаемых чертежах показан пример осуществления предлагаемого способа (Фиг.1) и возможные конфигурации сборных эталонных сред устройства (в их поперечных сечениях), предназначенных для реализации способа (Фиг.2, 3, 4, 5).
Устройство для реализации способа включает первую 1 и вторую 2 эталонные среды, одни торцы которых акустически связаны с ультразвуковыми преобразователями 3 и 4 соответственно, а другие торцы являются свободными, предназначенными для акустического контакта с исследуемой средой (не показана). Эталонные среды 1 и 2 изготовлены из разных материалов, имеющих разные акустические сопротивления Z1 и Z2 соответственно и разные коэффициенты затухания ультразвуковых колебаний α1 и α2 соответственно. Длина первой 1 и второй 2 эталонных сред имеют значения l1 и l2 соответственно и в общем случае не равны друг другу. На соотношение величин 11 и 12 никаких ограничений не накладывается, необходимо только, чтобы принятые соответствующими преобразователями отраженные сигналы были разделены во времени и могли анализироваться порознь.
Ультразвуковой преобразователь 3 возбуждает в эталонной среде 1 акустические колебания с амплитудой , которые распространяются в направлении свободного торца эталонной среды 1 и достигают ее, имея амплитуду 
. После отражения от наружной границы эталонной среды 1 колебания приобретают амплитуду 
и, распространяясь в обратном направлении в эталонной среде l, достигают ультразвукового преобразователя 3 и принимаются им, имея амплитуду 
. Принятые ультразвуковым преобразователем 3 акустические сигналы преобразуются в нем в эквивалентные электрические сигналы и поступают в электронную измерительную аппаратуру, электрически связанную с ультразвуковыми преобразователями 3 и 4 (не показана), где обрабатываются.
Аналогичные процессы имеют место и во второй эталонной среде 2 (см. Фиг.1).
Способ измерения акустического сопротивления однородных сред осуществляют в два этапа: промежуточный и основной. В промежуточном этапе производят акустический контакт свободных торцов эталонных сред 1 и 2 с контрольной средой, в качестве которой используют вакуум (для случая, когда исследуемая среда является газообразной) или воздух (когда исследуемая среда является плотной: жидкой, консистентной, упруговязкой или твердой). В этом этапе амплитуды отраженных колебаний от свободных торцов эталонных сред 1 и 2 равны 
и 
соответственно, а амплитуды принятых колебаний равны 
и 
соответственно.
Во время последующего, основного этапа осуществления способа свободные концы эталонных сред 1 и 2 вводят в акустический контакт с исследуемой средой (не показана), при этом амплитуды колебаний, соответствующих ранее рассмотренным, принимают значения 
, 
, 
, 
соответственно.
Из теоретических соображений очевидны следующие математические соотношения амплитуд рассмотренных колебаний:
где R1 и R2 - амплитудные коэффициенты отражения ультразвуковых колебаний от границ контакта исследуемой среды с эталонными средами 1 и 2 соответственно. Для отражения от вакуума (для газов) или воздуха (для плотных сред) коэффициент отражения, как известно, принимается равным (-1).
Из соотношений (1) и (2) легко получить выражение для отношения коэффициентов R1 и R2 отражения акустических колебаний от границ контакта исследуемой среды с эталонными средами 1 и 2 соответственно:
Величину отношения 
получают из результатов промежуточного этапа осуществления способа и далее в процессе измерений не проверяют, а используют в расчетах как параметр n. При этом выражение (3) упрощается и принимает вид:
Учитывая, что из акустических условий
где Zx - акустическое сопротивление исследуемой среды, выражение (3) перепишется в виде:
Разрешая уравнение (5) относительно Zx, получаем рабочую формулу для нахождения искомого значения акустического сопротивления исследуемой среды:
Знак перед радикалом в конкретных расчетах выбирают из физических соображений.
Таким образом, в предлагаемом способе нет необходимости неоднократно воспроизводить калибровку акустического тракта по контрольной среде, однако обеспечивается возможность контроля величины акустического сопротивления исследуемой среды в реальном времени при постоянстве ее акустического контакта со сборной эталонной средой. Для этого нужно с помощью измерительной аппаратуры непрерывно измерять отношение m амплитуд 
и 
сигналов, принятых ультразвуковыми преобразователями после отражения от сред 3 и 4 соответственно, и путем умножения текущего значения m на постоянную n получать К. Причем измерять сами амплитуды 
и 
не обязательно, достаточно их только регистрировать, а измерять отношение амплитуд с помощью ручного аттенюатора или любого автоматического измерителя отношений в составе электронной измерительной аппаратуры. Это же касается и измерения отношения n амплитуд 
и 
сигналов, принятых вторым 4 и первым 3 ультразвуковыми преобразователями соответственно при проведении промежуточного этапа осуществления способа.
Как следует из выражения (3), величиной n можно в определенной мере управлять, подбирая длины l1 и l2 и материалы эталонных сред 1 и 2 соответственно и варьируя амплитуды возбужденных в эталонных средах колебаний с помощью электронной измерительной аппаратуры. Это, в частности, целесообразно применять для недопущения в опытах значения К=1, при котором рабочая формула для определения Zx теряет смысл.
При конструировании устройства для повышения точности измерений и надежности результатов целесообразно подбирать ультразвуковые преобразователи по возможности близкими по их конфигурации, размерам, акустическим характеристикам. Их форма должна быть адаптирована к форме поперечного сечения эталонной среды. В свою очередь, формы поперечных сечений эталонных сред должны быть подобны друг другу и обеспечивать компактность устройства, как это изображено в примерах на Фиг.2, 3, 4, 5.
1. Способ измерения акустического сопротивления однородных сред, заключающийся в том, что между исследуемой и эталонной средами создают плоскую границу акустического контакта, возбуждают в эталонной среде в направлении созданной границы акустические колебания и принимают отраженные от указанной границы сигналы, регистрируют амплитуду принятых сигналов, с учетом которой определяют акустическое сопротивление исследуемой среды, отличающийся тем, что дополнительно создают плоскую границу акустического контакта между исследуемой и второй эталонной средой, имеющей акустическое сопротивление, отличающееся от первой эталонной среды, возбуждают во второй эталонной среде в направлении дополнительно созданной границы акустические колебания и принимают отраженные от этой границы сигналы, находят отношение амплитуд сигналов, принятых после отражения их от первой и второй границ эталонных сред с исследуемой средой, которое используют при расчете акустического сопротивления исследуемой среды согласно следующему математическому выражению:
где K=m·n; 
; 
;
A1 прин - амплитуда сигналов, принятых после отражения их от границы между исследуемой и первой эталонной средами;
А2 прин - амплитуда сигналов, принятых после отражения их от границы между исследуемой и второй эталонной средами;
A1,0 прин - амплитуда сигналов, принятых после отражения их от границы между контрольной и первой эталонной средами;
А2,0 прин - амплитуда сигналов, принятых после отражения их от границы между контрольной и второй эталонной средами;
Z1 - акустическое сопротивление первой эталонной среды;
Z2 - акустическое сопротивление второй эталонной среды.
2. Устройство для измерения акустического сопротивления однородных сред, включающее ультразвуковой преобразователь и акустически связанную с ним эталонную среду, отличающееся тем, что оно снабжено вторым ультразвуковым преобразователем, который акустически связан со второй эталонной средой, имеющей акустическое сопротивление, отличающееся от первой эталонной среды.
