авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||

«XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН ...»

-- [ Страница 4 ] --

Приравнивая определитель системы к нулю, получим частотное уравнение, решениями которого являются собственные частоты колебательной системы.

Рассмотрим конкретную колебательную систему, приведенную на рис.2. Все стержни имеют постоянное сечение равное A, одинаковую длину равную L, все сосредоточенные массы равны M, жесткость всех пружин равна K, и все они расположены на расстоянии l1 и l2 от начала координат.

Теперь необходимо связать параметры конструкции реального ультразвукового волновода с параметрами моделирующей его колебательной системы. Очевидно, что длина волновода L соответствует длине стержней L. Пружины и сосредоточенные массы расположены на расстоянии l1 = t1 и l2 = L – t2;

пусть t1 = t2 = t. Упругими элементами, подобиями пружин, которые связывают конструкцию волновода, являются перемычки шириной c, расположенные выше и ниже продольных отверстий (см. рис. 1);

их жесткость определим как произведение модуля Юнга материала на площадь поперечного сечения: K = Ebc. Эти же перемычки помимо упругости обладают массой, поскольку перемычки две, а стержня в рассматриваемой модели три, распределим массы поровну на каждый стержень следующим образом:

M = bct, где – плотность материала волновода. Обратимся к сечению. Реальный волновод можно мысленно разбить на отдельные стержни прямоугольного сечения (см. рис. 1), модель же (см. рис. 2) состоит из осесимметричных (в рассматриваемом случае, цилиндрических) стержней, напрямую между ними невозможно провести аналогию, поэтому предлагается рассмотреть два варианта связи реальной конструкции с моделью. Первая – это модель равной площади сечения, когда A = ab, а вторая – модель равной ширины: площадь рассчитывается так, как будто ширина а стержня прямоугольного сечения – это a2.

диаметр стержня круглого сечения, т.е. A = XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология На основе полученных аналитических выражений рассмотрим пример численного расчета зависимости первой собственной частоты (основной продольной моды) от ширины волновода D.

Изменение ширины задается изменением а от 15 до 65 мм с шагом 5 мм, с = 8 мм, таким образом, D изменяется в диапазоне от 61 до 211 мм. Остальные параметры заданы как t = 10 мм, b = 22 мм, L = мм. Материал волновода – сталь: E = 210·109 Па, = 7800 кг/м3.

На рис. 3 приведена зависимость первой собственной частоты f волновода от ширины для двух вариантов моделей: модели равной площади (МРП) и модели равной ширины (МРШ). На графике также показана аналогичная зависимость, полученная с помощью метода конечных элементов (МКЭ).

f, Гц а, мм 0 20 40 Рис. 3. Зависимость собственной частоты волновода от ширины Как видно из представленного графика, данный способ моделирования двумерного волновода сложной формы показывает прекрасную работоспособность – характер изменения полученных кривых согласуется с кривой, полученной по МКЭ. На большей части кривой, рассчитанной по модели равной площади, полученные значения частот отличаются от полученных по МКЭ не более чем на 500 Гц, но важнее, что обе эти кривые – кривые с насыщением. Кривая по модели равной ширины несколько ближе к зависимости по МКЭ на начальном участке, однако, не имеет насыщения на завершающем, что позволяет говорить о нецелесообразности ее применения при больших значениях D.

На настоящий момент разработана модель продольных колебаний пластины вдоль одной из сторон, имеющей два продольных отверстия, в описании используется четыре упругих элемента, толщина принята постоянной. Модель позволяет рассчитывать резонансную частоту волноводов такого типа при изменении его толщины, ширины и конфигурации отверстий. Данный способ моделирования открывает широкие перспективы, так как на его основе можно учесть большое число и других конструктивных особенностей двумерных ультразвуковых волноводов сложных форм: это и переменное сечение по длине, и различная длина участков волновода и т.д.

ЛИТЕРАТУРА 1. Exact solutions for the longitudinal vibrations of rods coupled by translational springs / Q. S. Li, G. Q. Li, D. K. Liu // International Journal of Mechanical Sciences – 2000. – vol. 42. – p. 1135-1152.

2. Меркулов Л. Г., Харитонов А. В. Теория и расчет составных концентраторов. – Акуст. журн., 1959, т. 5, вып.

2, с. 183-190.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология УДК 534.321.9: 621.865. С.И.Пугачев1, Е.Ю.Рытов1, А.Б. Смирнов2, П.Ю. Гедько УЛЬТРАЗВУКОВОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТРУБЧАТЫХ АКТЮАТОРОВ ДЛЯ МИКРОРОБОТОВ Санкт-Петербургский государственный морской технический университет 1.

Россия, 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. Тел. (812) 757-1055;

Факс: (812) 757-0911;

E-mail: spugachev@bk.ru Санкт-Петербургский государственный политехнический университет 2.

Россия, 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29.

Тел./факс (812) 552-9686;

E-mail: 123smirnov@list.ru Рассмотрены технологические особенности изготовления тонкостенных пьезоэлектрических трубок из пьезокерамики ЦТС-19 посредством ультразвукового формообразования (УЗФО). Приведены результаты исследования структуры пьезокерамики, изготовленной с применением УЗФО, и рассчитаны значения основных электрофизических параметров пьезокерамических элементов указанной формы.

Пьезоэлектрические трубки применены в качестве актюаторов микророботов со сферическим шарниром.

Представлены результаты математического моделирования колебательного движения актюатора и аналитически определены параметры колебаний, обусловливающих возникновение однонаправленного движения шара, являющегося выходным звеном микроробота.

Особенности технологии изготовления пьезотрубок. Изготовление пьезокерамических элементов в форме тонкостенных трубок по промышленной технологии статического одноосного прессования представляет достаточно сложную задачу. В первую очередь, это связано с тем, что при статическом прессовании трубчатой заготовки с увеличением ее длины и уменьшением толщины стенки резко возрастают потери усилия прессования на преодоление внешнего трения между порошком и стенками пресс-формы. Это приводит к неравномерности распределения плотности в объеме получаемой заготовки.

Поэтому для изготовления тонкостенных протяженных трубок с использованием промышленной технологии в большинстве случаев используют заготовки со значительно увеличенной толщиной стенки.

Требуемые конечные размеры изделий достигаются при механической обработке заготовок, подвергнутых высокотемпературному обжигу. Такой способ получения трубок приводит к большому расходу пьезокерамического материала и к увеличению трудоемкости их изготовления.

Воздействие ультразвука в процессе формообразования изделий из порошков существенно уменьшает внешнее трение, поэтому применение УЗФО позволяет получать тонкостенные трубки с равномерной и высокой плотностью при значительно меньших материальных и трудовых затратах, чем при промышленной технологии.

К достоинствам УЗФО относится также получение высокоплотных изделий при значительно пониженных, по сравнению с промышленной технологией, статических усилиях прессования.

Ультразвуковое формообразование пьезотрубок проводилось на установке, включающей гидравлический пресс усилием 50 тонн, ультразвуковой генератор УЗГ3-4 с выходной мощностью (4,0 ± 20%) кВт, магнитострикционный преобразователь ПМС-15А-18 с акустической обратной связью и специальную пресс-форму. Колебания от преобразователя подводились к дну матрицы пресс-формы через концентратор колебаний, закрепленный в нижней траверсе пресса. Рабочая частота ультразвуковых колебаний (УЗК) составляла (18 ± 7,5%) кГц. При отработке режимов УЗФО наилучшие результаты были достигнуты при статическом усилии прессования 40 МПа, амплитуде УЗК 10 мкм и длительности воздействия ультразвука 10 с [1].

Последующие операции процесса изготовления пьезотрубок – высокотемпературный обжиг, нанесение металлических электродов методом «вжигания» серебросодержащей пасты и поляризация в постоянном электрическом поле высокой напряженности – проводились по режимам, разработанным для образцов указанной геометрической формы, изготавливаемым из материала ЦТС-19.

Электрофизические параметры пьезотрубок рассчитывали по данным измерений резонансных характеристик методом резонанса – антирезонанса, а также по результатам диэлектрических измерений (табл. 1).

Из табл. 1 следует преимущество технологии УЗФО перед промышленной технологией. Кроме того, прессованные заготовки, получаемые способом УЗФО, имели внешний диаметр 18 мм, и внутренний – 11 мм, а при статическом прессовании – 20 и 11 мм соответственно. Таким образом, применение УЗФО, наряду с улучшением электрофизических параметров пьезотрубок, позволило, уменьшить толщину стенки заготовки, а, следовательно, и расход пьезокерамического материала, более чем на 20%.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология Таблица 1. Электрофизические параметры пьезотрубок 141029 мм Способ f, кГц 0 tg, % T vE, d 31,10– fр, k Формообразования 33 кГц Кл/Н м/с k Статическое 1819 1,63 146 48,1 1,2 0, Прессование 87,9 10,5 0, УЗФО 1853 1,60 151 47,8 1,2 0, 86,7 11,4 0, Примечание: 33 0, – относительная диэлектрическая проницаемость;

tg – тангенс угла T диэлектрических потерь;

f = f а f р – частотный промежуток, где f а и f р – антирезонансная и резонансная частоты соответственно;

k31 и k33 – коэффициенты электромеханической связи;

d 31 – пьезомодуль;

v1E – скорость звука.

Исследование микроструктуры. Зернистая структура изготовленных пьезотрубок исследовалась методом растровой электронной микроскопии [2] на сканирующем электронном микроскопе CAMSCAN в режиме вторичных электронов. Для экспериментов отбирались образцы, вырезанные из центральной части тонкостенных пьезокерамических цилиндров и представлявшие собой тонкие кольца. На каждом образце исследовались три области: 1) внешняя (криволинейная) поверхность кольца;

2) центральное сечение кольца, параллельное образующей («середина») и 3) внутренняя (криволинейная) поверхность кольца.

Вырезанные из указанных областей образцы шлифовались, а затем полировались алмазными пастами с постепенным уменьшением размера частиц до 1 мкм. Полированные образцы очищались в течение 3…5 минут в ультразвуковой ванне. Затем последовательно протирались ацетоном и спиртом.

Для выявления зернистой структуры образцы подвергались травлению в концентрированной соляной кислоте в течение 1 минуты. Затем для обеспечения электропроводимости на исследуемую поверхность напылялось углеродное покрытие толщиной 20…30 нм.

Для анализа структуры пьезокерамики были получены по три изображения во вторичных электронах с характерных участков образцов с увеличением 2500. Обработка полученных изображений позволила получить распределение зерен по крупности и долю зерен различной крупности для каждого образца. Для получения распределения зерен по крупности оценивался средний диаметр каждого зерна – = a b, где a и b – больший и меньший размеры зерна соответственно, и подсчитывалось количество d зерен, относящихся к данному диапазону крупности. Доля зерен различной крупности рассчитывалась по формуле p = d k3 nk, d k3 nk (1) k где d k – диаметр зерна, относящийся к k -ому диапазону крупности, nk – число зерен k -того диапазона крупности. Результаты расчетов представлены на гистограммах (рис. 1 и 2).

а б Рис. 1. Гистограммы структуры зерен материала ЦТС-19: распределение зерен по крупности а – статическое прессование;

б – УЗФО XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология а б Рис. 2. Гистограммы структуры зерен материала ЦТС-19: доля зерен определенного размера в исследуемой области а – статическое прессование;

б – УЗФО Анализ структуры зерен материала ЦТС-19, полученного с использованием сравниваемых способов формообразования, не выявил существенных различий рассматриваемых характеристик. Это свидетельствует о том, что воздействие ультразвука полностью компенсировало снижение статического давления прессования (40 МПа по сравнению с 100 МПа). Кроме того, идентичность структурных характеристик достигнута в условиях, когда с применением ультразвука были получены образцы с толщиной стенки, недоступной способу промышленного формообразования.

Микроробот на базе пьезотрубки. Изготовленные с применением УЗФО пьезотрубки использовались в качестве актюаторов микророботов (рис. 3). Сферический шарнир микроробота имеет три степени подвижности и представляет собой шар, установленный на торец пьезотрубки, которая является приводным элементом (для регулирования силы прижима может быть использован электромагнит, помещенный внутрь пьезотрубки).

Рис. 3. Рабочий макет микроробота Рис. 4. Экспериментальная зависимость скорости вращения вокруг вертикальной оси от напряжения Рабочий орган (например, капилляр) в такой системе крепится непосредственно на поверхности шара, усилие от пьезопривода на шар передается за счет сил трения. Для перемещения рабочего органа в диапазоне от долей микрометров до десятков миллиметров используются УЗК трубчатого пьезоактюатора, которые преобразуются в управляемое однонаправленное непрерывное движение шара, служащего выходным звеном активного сферического шарнира. Направление движения задается выбором электрода пьезотрубки, на который подается гармоническое напряжение на одной из резонансных частот (в нашем случае 34 кГц). Вращение шара вокруг вертикальной оси обусловлено разнотолщинностью пьезотрубки. При подаче гармонического напряжения на один из электродов возникают силы в радиальном, тангенциальном и осевом направлениях, действующие на шар. Возбуждение резонансных колебаний на изгибных модах приводит к появлению крутильных колебаний при условии несимметричности пьезотрубки, формирующейся при ее изготовлении и выраженной эксцентриситетом образующих поверхностей пьезотрубки. Посредством силы трения УЗК торца пьезотрубки приводят шар в движение. Вращение шара вокруг горизонтальных осей вызвано нессиметричным изгибом пьезотрубки при подаче напряжения на один из электродов.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология Экспериментальные исследования показали, что скорость вращения сферы относительно вертикальной оси линейно зависит от подаваемого напряжения. В этом случае движение начинается только при достижении напряжения порядка 120 В, после 340 В скорость остается постоянной (рис. 4).

Этот факт можно объяснить тем, что при напряжении до 120 В амплитуды колебаний торца в вертикальном направлении меньше, чем суммарная высота микронеровностей сопрягаемых поверхностей шара и пьезотрубки. При напряжении выше 340 В действуют два фактора: нелинейность пьезоэффекта и интенсивное проскальзывание в обе стороны из-за инертности шара, что приводит к ограничению максимальной скорости.

Анализ вынужденных колебаний (пакет ANSYS) при подаче на средний внешний электрод гармонического напряжения с амплитудой 300 В на частоте 34 кГц (как в эксперименте) выявил факт возбуждения крутильных колебаний (рис. 5). Реализуется форма колебаний близкая к 9ой форме свободных колебаний (32,4 кГц), двойной размах колебаний – порядка 1,2 мкм, осевые напряжения при сжатии достигают 4 МПа [3].

в) а) б) Рис. 5. Параметры колебания несоосной пьезотрубки:

а) распределение электрического потенциала при вынужденных колебаниях на частоте 34 кГц, В;

б) распределение перемещений при вынужденных колебаниях на частоте 34 кГц, м;

в) 9ая форма свободных колебаний на частоте 32,4 кГц Аналитические исследования упрощенной модели трубчатого пьезоактюатора позволили определить его основные параметры колебаний торца пьезотрубки, при которых возникает однонаправленное движение выходного звена. Не изменяя физический смысл эффекта, несимметричную пьезотрубку представили как симметричную, но с закрепленной на торце дополнительной массой m и отрицательной массой m на противоположной стороне торца (причем масса m пропорциональна эксцентриситету e ). Угловая колебательная скорость точек на поверхности торца определяется выражением L 2mRcp S11 ( 1 + µ ) LP ( p + L )2 d 31 P U 2 E (t ) = 3 sin t, (2) hP J где Rср – средний радиус пьезотрубки, S11 – податливость, µ – коэффициент Пуассона, Lp – длина E электрода, L – расстояние от конца электрода до торца пьезотрубки, p – площадь поперечного сечения пьезотрубки, – угол сектора потенциального электрода, U – подаваемое напряжение, – частота колебаний, h p – средняя толщина пьезотрубки, J – момент инерции сечения пьезотрубки.

ЛИТЕРАТУРА Рытов Е.Ю. Ультразвуковое формообразование тонкостенных пьезокерамических цилиндров // Материалы 1.

региональной научн. –техн. конф. “Кораблестроительное образование и наука-2003” – СПб, 2003. – Т. 2. – С. 420-425.

Микроанализ и растровая электронная микроскопия. // Под ред. Ф. Морис. – М.: Металлургия, 1985.

2.

Гедько П.Ю., Павлов П.Л. Семенов А.С., Смирнов А.Б. Конечно-элементное моделирование 3.

пьезоэлектрического актюатора микроробота // ХL Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научн.-практ. конф.Ч.5 (ФМФ) – СПб: Изд. Политехн. ун-та, 2011, С.29-30.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология УДК 621.35. А.А. Новик ПРИМЕНЕНИЕ ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ГЕНЕРАТОРА ДЛЯ РАБОТЫ НА МЕХАНИЧЕСКОМ РЕЗОНАНСЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЗАО "Ультразвуковая техника — ИНЛАБ" Россия, 194044, г. Санкт-Петербург, Чугунная ул. Тел.: (812) 329-4961;

Факс: (812) 329- E-mail: novik.jr@gmail.com Проведен анализ существующих решений по удержанию рабочей частоты ультразвукового генератора в резонансе с нагрузкой. Предложена принципиальная схема простого ультразвукового генератора с фазовой автоподстройкой частоты.

Для эффективной работы магнитострикционного или пьезоэлектрического преобразователя необходимо, чтобы он работал на резонансе. Резонансная частота при работе преобразователя меняется с изменением температуры, характера нагрузки и других параметров [1], поэтому для удержания преобразователя на резонансе применяются различные способы подстройки частоты. По принципу настройки частоты генератора на резонансную частоту нагрузки можно выделить следующие типы решений: автономные генераторы, автогенераторы и системы с ФАПЧ (фазовой автоподстройкой частоты) [2].

Рассмотрим автономные генераторы. Частота автономного генератора напрямую не связана с резонансной частотой нагрузки. Резонансная частота автономного генератора зависит только от значения его собственных параметров, которые можно регулировать. Регулировка может быть ручной или автоматической. Для настройки автономного генератора на резонансную частоту могут быть использованы два метода. Первый заключается в предварительном измерении резонансной частоты нагрузки тем или иным способом. Например, по максимуму тока, потребляемого преобразователем. При этом предполагается, что в процессе работы эта частота не будет существенно изменяться. Второй способ более гибкий — можно организовывать специальные паузы в работе преобразователя (когда имеют место вынужденные колебания нагрузки). Во время этих пауз преобразователь совершает свободные колебания уже с собственной (резонансной) частотой. Эту частоту можно измерять и использовать для настройки автономного генератора.

Втором типовым решением задачи удержания преобразователя на резонансе является использование автогенератора. С преобразователя берется сигнал, пропорциональный току, текущему через нагрузку. После усиления этот сигнал поступает на вход драйверов силовых ключей генератора.

Фаза сигнала должна быть такой, чтобы общая обратная связь была положительной. При достаточно высоком коэффициенте усиления и не очень больших нагрузках в системе возникнут автоколебания с частотой, близкой к резонансной частоте контура нагрузки.

Последний тип решений — ФАПЧ. Здесь используется независимый генератор (обычно это ГУН — генератор управляемый напряжением), но система автоматического управления этим генератором организована так, чтобы ГУН генерировал сигнал такой частоты, при которой разность фаз между током и напряжением на контуре была равна нулю. В генераторах такого рода с преобразователя берутся два сигнала (ток и напряжение), которые подаются на вход фазового детектора (ФД). Сигнал с выхода ФД, пропущенный через фильтр низких частот (ФНЧ), подается на управляющий вход ГУН. Частота ГУН пропорциональна входному напряжению. Выходной сигнал ГУН подается уже непосредственно на вход генератора. Таким образом, мы получаем систему управления с отрицательной обратной связью по частоте. Равновесное состояние этой системы соответствует частоте ГУН, совпадающей с резонансной частотой нагрузки. Такие системы обеспечивают максимально точную подстройку генератора на резонанс с нагрузкой. ФАПЧ используется в синтезаторах частоты для ультразвуковых генераторов.

Синтезатор частоты представляет собой устройство, которое на основе некоторых операций с некоторой стабильной (опорной) частотой получает сигнал с другой, требуемой частотой. Обычно в таких системах используют операции целочисленного умножения и деления частоты. В этом случае частота синтезированного сигнала Fout = FinN/M, где N и M — целые числа, Fin — опорная частота, Fout — частота на выходе синтезатора. Таким образом, при достаточно большом M мы можем получить плотную сетку частот, пригодную для точной настройки генератора на резонанс даже с высокодобротной нагрузкой [3].

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология Принцип действия ФАПЧ-синтезатора основан на возможности системы ФАПЧ производить операцию умножения частоты. Блок-схема ФАПЧ-синтезатора частоты представлена на рис.1.

Рис.1. Блок-схема ФАПЧ-синтезатора частоты.

Опорная частота Fin делится первым делителем частоты на коэффициент M и подается на один вход фазового детектора. На второй вход ФД подается выходной сигнал ГУН, деленный на N вторым счетчиком. В результате действия системы ФАПЧ равновесная частота ГУН будет такая, чтобы фазы и частоты сигналов на входе фазового детектора совпали. Т.е. Fin/M = Fout/N. Таким образом, на выходе ГУН мы получим сигнал с частотой Fout = Fin·N/M.

Особенностью ФАПЧ, как системы регулирования является то, что сигнал ошибки пропорционален разности фаз двух сигналов, подаваемых на фазовый детектор. Традиционное и наиболее частое использование ФАПЧ — настройка управляемого генератора на некоторую эталонную частоту. В этом случае одним сигналом, подаваемым на вход фазового детектора, является эталонный (опорный) сигнал, а вторым – сигнал управляемого генератора (обычно это ГУН). Однако, в генераторе, работающем на резонансную нагрузку, нет источника эталонной частоты. Использование сигнала тока с контура в качестве образцового сигнала некорректно, поскольку контур совершает вынужденные колебания, частота которых определяется частотой вынуждающей силы (или одной из её гармоник, если они достаточно близки к резонансной частоте). Поэтому в общем случае частота сигнала тока не имеет никакого отношения к резонансной частоте контура.

Рис. 2. Блок-схема генератора с автоподстройкой частоты.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология Существует ещё один критерий резонанса — в резонансе разность фаз тока и напряжения равно нулю. Ток и напряжение могут выступать в роли сигналов, которые мы можем подавать на входы фазового детектора. Систему управления в таком случае организуется следующим образом: сигнал с выхода фазового детектора подается на управляющий вход ГУН, сигнал с выхода ГУН подается на драйверы ключей генератора. При подаче на вход фазового детектора таких сигналов тока и напряжения с преобразователя, при которых равновесное состояние системы управления соответствует нулевой разности фаз на фазовом детекторе, ГУН будет генерировать на резонансной частоте нагрузки, обеспечивая тем самым нулевую разность фаз между током и напряжением.

Современная элементная база позволяет разрабатывать генераторы с ФАПЧ с полумостовым выходным каскадом мощностью до 500 Ватт. Блок-схема генератора с автоподстройкой частоты представлена на рис.2.

Принципиальная схема ультразвукового генератора с ФАПЧ представлена на рис.3.

Рис.3. Принципиальная схема генератора с автоподстройкой частоты Лабораторный макет генератора, созданный по данной схеме, успешно прошёл испытания и показал стабильное удержание резонансной частоты на преобразователях с различной добротностью.

ЛИТЕРАТУРА 1. Новик А.А. Теоретические основы ультразвуковой техники и технологии. http://utinlab.ru/articles/artl4.html 2. Шахгильдян В.В., Ляховкин А.А. Системы фазовой автоподстройки частоты. Москва, «Связь», 1972, с.448.

Кухтецкий С.В. Способы подстройки частоты лабораторного инвертора.

3.

http://www.icct.ru/Practicality/Papers/08-04-2011/Invertor-04.php XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология УДК 544. В.А. Бабак1, P. Ринк2, С.Д.Шестаков СОНОХИМИЧЕСКИЙ РЕАКТОР С СИММЕТРИЧНОЙ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКИ СООО «Инвестгрупп БЕЛАЯ РУСЬ», Республика Беларусь, 220034, Минск, ул. М. Фрунзе, 5/304;

Тел. +3(751-7) 294-52-42, E-mail: ig-belayarus.by Oil Tech Production OY, Estonia, 11913, Tallinn, Kressi Tee, 34 A Phone +372 56 224 146, E-mail: info@oiltech-nordic.eu ГОУ ВПО Московский государственный университет технологий и управления Россия, 109004, Москва, Земляной вал, 73, Тел. +7(495) 670-10-86, E-mail: sdsh@mail.ru Приведено описание разработанного с применением математической модели многопузырьковой кавитации и теории подобия акустических кавитационных процессов сонохимического реактора с симметричной относительно цента масс колебательной системой акустической ячейки. В сравнении с известными, описанными в технической и патентной литературе аналогами акустических кавитационных реакторов пригодных для применения в пищевой сонохимии приведен пример проекта реактора, освоение производства которого готовится для республики Беларусь. Реактор предназначен для физико-химической обработки ультразвуковой кавитацией истинных и коллоидных растворов, а также дисперсных систем (эмульсий и суспензий) путем инициирования в них сонохимических реакций и кавитационной эрозии их фаз. Кроме таких растворов, эмульсий и суспензий в этих реакторах могут обрабатываться химически чистая вода и другие химически чистые растворители. В них осуществляется воздействие на их физико-химическое состояние жидкостей, интенсификация идущих в них химических реакций и инициирование новых путем изменения диполь-дипольных и ион-дипольных взаимодействий в их средах и фазах, а также повышение дисперсности многофазных систем, бактериолиз и бактериостаз. Показано, что при выполнении выдвинутых требований к размерам твердотельной части колебательной системы акустической ячейки кавитационная мощность и производительность реактора увеличиваются, а кавитационная эрозия поверхностей его деталей и бесполезные потери энергии возбуждающей кавитацию упругой волны уменьшается.

В сравнении с известными, описанными в технической и патентной литературе аналогами акустических кавитационных реакторов пригодных для применения в пищевой сонохимии рассмотрим примеры выполненных на основе изложенных в [1] теоретических основ проектов реакторов, освоение производства которых начато в Эстонии и готовится в республике Беларусь. Они предназначены для физико-химической обработки ультразвуковой кавитацией истинных и коллоидных растворов, а также дисперсных систем (эмульсий и суспензий) путем инициирования в них сонохимических реакций и кавитационной эрозии их фаз. Кроме таких растворов, эмульсий и суспензий в этих реакторах могут обрабатываться химически чистая вода и другие химически чистые растворители. В них осуществляется воздействие на их физико химическое состояние жидкостей, интенсификация идущих в них химических реакций и инициирование новых путем изменения диполь-дипольных и ион-дипольных взаимодействий в их средах и фазах, а также повышение дисперсности многофазных систем, бактериолиз и бактериостаз.

Типичным примером известной классической конструкции реактора является, например, устройство, запатентованное в США почти полвека назад и названное «вибрационным устройством» [2]. Оно оснащено отражающей стенкой, смонтированной так, что ее обращенная в обрабатываемую жидкость поверхность находится в одной плоскости с поверхностью излучателя ультразвука, окружая ее. То есть поверхность фронта ультразвуковой волны, содержащего поверхность ее излучателя, совпадает с обращенной в жидкость поверхностью этой стенки. Вторая отражающая стенка, находящаяся напротив первой и излучателя волны по направлению ее распространения, является частью корпуса устройства. Но энергия кавитации является причиной эрозионных разрушений твердых материалов [3]. Эрозии могут подвергаться и материалы, из которых изготовлены элементы конструкции кавитационного реактора.

Продукты эрозии, попадая в обрабатываемую жидкость, могут необратимо изменить ее физико химические свойства, что категорически не допускается при обработке лекарственного и пищевого сырья, а также самих медицинских препаратов и продуктов питания. Корпус описанного устройства подвержен кавитационной эрозии, вызываемой его контактом с периметром возникающих при его работе кавитационных областей [4]. Кроме того, поскольку противолежащая излучателю отражающая стенка является частью жесткого корпуса, она не может полностью отразить упругую волну и ее колебания частично передаются корпусу, что ведет к потерям энергии. Поверхность излучателя и окружающей его стенки подвергаются эрозии под действием кавитации, которая возникает вблизи них.

Известен аналог реактора с образующим рабочую камеру корпусом, создающим кавитацию источником ультразвука и противолежащей ему отражающей стенкой, между которой и корпусом размещена эластичная прослойка, поглощающая проникающую в нее часть ультразвуковой волны и XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология рассеивающая ее на внутреннем трении [5]. В таком устройстве жесткая механическая связь между отражающей стенкой и корпусом отсутствует, что позволяет рассеять часть энергии ультразвуковой волны в прослойке, снизив диссипацию энергии части упругой волны на кавитации вблизи нее. Однако здесь, как и в предыдущем случае, стенки камеры подвергаются воздействию кавитации, образующейся в объеме жидкости. Кавитация вблизи стенок корпуса вызывает эрозию металла, из которого он изготовлен, сопровождающуюся попаданием его ионов в обрабатываемую среду, что не позволяет использовать подобный реактор в области пищевой сонохимии.

Существует конструкция кавитационного реактора, представляющая собой камеру, объем которой ограничивается поверхностями корпуса, хотя бы одной отражающей стенки, хотя бы одного излучателя акустической волны и заполнен при работе протекающей через него обрабатываемой жидкостью [6].

Размер корпуса в плоскости любого фронта упругой волны равен минимальному положительному корню трансцендентного уравнения, полученного приравниванием к нулю единичной обобщенной функции, которая аппроксимирует функцию интегральной безразмерной жесткости [4]. Искомый корень определяет размер корпуса, при котором плотность потенциальной энергии кавитации у его поверхности равна нулю.

То есть эрозия стенок корпуса в таком реакторе полностью исключена. Однако поверхность излучателя ультразвуковой волны все же подвержена эрозии, так как на ней возникает кавитация из-за различия амплитудно-фазовых характеристик излучаемой и падающей на нее волны, отраженной противолежащей стенкой, о средствах и способах уравнивания которых в описании этого аналога ничего не сказано.

Известен аналогичный по конструкции кавитационный реактор [7], в котором осуществлено выравнивание по величине амплитуд колебаний жидкостей у отражающих стенок и самих этих стенок посредством подбора акустического сопротивления поглощающего материала прослойки между ними и корпусом. Это позволило избежать возникновения кавитации также у поверхности излучателя ультразвуковой волны и тем самым исключить ее эрозионное разрушение. Но этот реактор также обладает недостатком, препятствующим использовать его для обработки жидкостей в пищевой промышленности.

Выравнивание амплитуд колебаний излучателя и отражающих стенок и жидкости вблизи них здесь достигнуто за счет организации режима, подобного по энергетике режиму бегущей волны, когда вся падающая на стенку волна проходит сквозь нее, не отражаясь назад, внутрь реактора. Стенка здесь названа отражающей лишь условно. Часть энергии, переданная волной через стенку в прослойку, рассеивается на внутреннем трении в материале, из которого изготовлена прослойка. И лишь часть энергии, переносимая волной от излучателя в обрабатываемую жидкость будет рассеиваться в ней на кавитации. Таким образом, исключение эрозии материала реактора достигается здесь за счет потери части энергии волны излучаемой в жидкость ее источником. При этом требуются дополнительные затраты энергии, восполняющие эти потери. А рассеянная в прослойке энергия превращается в тепло, которое постепенно нагревает жидкость и, снижая в ней порог кавитации, уменьшает интенсивность последней [2].

Это частично устранено в акустической ячейке кавитационного реактора, где отражающая стенка рассматривается как составная часть колебательной системы из источника волны и находящейся в ячейке жидкости [8]. Она представляет собой твердотельный механический элемент с нулевой реактивной составляющей акустического импеданса и высокой механической добротностью. Это позволяет избежать теплового рассеяния, так как мощность, эквивалентная рассеиваемой на внутреннем трении, с ее помощью трансформируется в реактивную мощность, которая может быть компенсирована на электрической стороне входящего в состав источника ультразвука электроакустического преобразователя, который акустически связан с жидкостью и реактивным звукопоглотителем в единую колебательную систему. Но все же часть этой системы обращает часть мощности колебаний в реактивную мощность, то есть выводит ее из кавитационного процесса в другой ее части – в жидкости, ради которого и существует кавитационный реактор.

Такой недостаток отсутствует в другом реакторе, где все части колебательной системы акустической ячейки твердотельные [9]. В его конструкции поверхность обращенной к излучателю отражающей стенки и сама излучающая поверхность принадлежит общему твердотельному резонатору с частотой резонанса равной частоте колебаний излучающей поверхности и размещены вблизи пучностей этих смещений, находящейся между ними жидкости на частоте резонанса ее колебаний. С такой ячейкой в принципе можно осуществить резонансный режим работы вместе с жидкостью. Ясно, что при этом энергия волны, рассеиваемая на кавитации, будет максимальной. Однако в [9] отсутствуют требования к конструкции, обеспечивающие такой режим. В нем задано расстояние между плоскостями резонатора, с которых в жидкость распространяются колебания, равное длине их волны в жидкости. А расстояние между находящимися вблизи них пучностями колебательных смещений твердотельного резонатора указано равным половине длины волны в металле. То есть эти плоскости совершают в жидкости колебания в противоположных направлениях. Используя метод сложения встречных волн, в которых возможна XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология кавитация, изложенный в [10], можно вычислить, что в этом случае средняя по высоте реактора амплитуда звукового давления в жидкости в нем составит 87% от средней амплитуды звукового давления в каждой из волн от таких поверхностей, если бы они излучались в бесконечное полупространство (cм. рис. 2). В этом состоит недостаток, главная причина которого в том, что в нем созданы условия для резонанса твердой части колебательной системы акустической ячейки, а условия резонанса в обрабатываемой жидкости не обеспечены. Поэтому мощность кавитации не является максимально возможной, которую можно было бы получить в нем от имеющихся источников колебаний.

Рассматривая объем обрабатываемой в реакторе жидкости, заключенный между плоскостями твердотельного резонатора, с которых в нее распространяются колебания, как часть колебательной системы акустической ячейки реактора, можно создать оптимальные условия суперпозиции этих колебаний. При таких условиях образуемые вблизи пучностей давления результирующей волны кавитационные области [4] будут занимать больший общий объем [1,10]. Это можно сделать, учитывая тот известный факт [10,11], что в воде плоско-упругая волна отдает способную порождать кавитацию энергию на расстоянии не более трех полуволн, а на длине половины волны колебаний в металле (когда точки концов отрезка колеблются в противоположных направлениях) укладывается приблизительно три полуволны колебаний той же частоты в жидкости. То есть, не имеет смысла делать рабочий объем акустической ячейки реактора свыше 1,5 длины волны упругих колебаний жидкости, когда излучающие поверхности отстоят друг от друга на 0,5 длины волны колебаний металла. Тогда высота акустической ячейки (расстояние между излучающими поверхностями) должна быть точно равна половине длины волны колебаний металла на той же частоте. Такие условия проще выполнить, когда твердотельная часть колебательной системы акустической ячейки является симметричной относительно центра масс, то есть, источники колебаний (преобразователи) расположены по обе стороны объема обрабатываемой жидкости в реакторе. Известно [3], что геометрически симметричная относительно своего центра масс система упругих колебаний лучше удерживает резонанс. Образования кавитационной эрозии излучающих поверхностей при этом практически не будет.

Пользуясь математической моделью кавитационного реактора и принципом подобия кавитационных процессов, описанных в первой главе можно сравнить такой реактор с каким-либо эталоном путем постановки компьютерного эксперимента. В Эстонской компании «Oil Tech Production OY» (Таллинн) изготавливается реактор с двумя возбуждающими в протекающей через его рабочее пространство воде стоячую упругую волну электроакустическими преобразователями, подключенными к одному источнику питания (ультразвуковому генератору) и совершающими при работе когерентные колебания [12]. Он показан на рис. 1 и состоит из корпуса камеры 1, изготовленного из стандартной бесшовной нержавеющей трубы наружным диаметром 90 мм, толщиной стенки 5 мм. Акустические трансформаторы 2 с излучающими торцами диаметром 79 мм, подобные таким, как описаны в [13], закреплены в корпусе посредством фланцев 2 через уплотнения при помощи шпилек 4. В качестве источников колебаний использованы электроакустические преобразователи MPI 5050F-20L.

Рис. 1. Кавитационный реактор компании Oil Tech Production OY, описанный в [13]:

слева – конструкция реактора;

справа – фото образца реактора, закрепленного на штативе.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология В качестве эталона был выбран реактор, с конструкцией подобной изображенной на рис. 1. Этот реактор является реактором плоской волны и рассчитан по формулам для неустановившегося режима кавитации, так как время воздействия ее на объем обрабатываемой воды весьма мало для учета акустических течений и при гидростатическом давлении в ней приблизительно равном атмосферному.

Высота рабочей камеры H эталона (расстояние между излучающими встречно когерентные плоско упругие волны поверхностями) выбрано равным 1,5 в жидкости, имеющей статическое давление ph = атм, скорость распространения плоско-упругих колебаний с и плотность близкие к параметрам химически чистой воды (Рис. 2, а). Суммарная потребляемая мощность излучателей 2,4 кВт.

Рис. 2. а – конструкция эталона. Тоновым рисунком показано распределение объемной плотности эрозионной мощности кавитации в осевом сечении;

b– фрагмент конструкции реактора фирмы Hielscher Systems GmbH с гантельной колебательной системой. Габариты рабочего объема единичной акустической ячейки обведены пунктиром;

с – конструкция разработанного реактора с симметричной твердотельной колебательной системой акустической ячейки. Тоновым рисунком показано распределение объемной плотности эрозионной мощности кавитации Внизу рисунка на диаграммах показаны графики давлений:

в излучаемых каждым трансформатором волнах, если бы они распространялись в открытое полупространство жидкости;

в результирующей волне при суперпозиции этих волн. На оси абсцисс показана фаза в радианах при резонансной частоте колебательной системы.

Размеры эталона выбраны так, чтобы при потребляемой его электроакустическими преобразователями электрической мощности максимальная амплитуда звукового давления в жидкости удовлетворяла бы концепции пищевой сонохимии. Через рабочий объем реактора обрабатываемая жидкость проходит посредством штуцеров.

Реактор, с которым произведено сравнение (Рис. 2, b) содержит монолитную гантельную колебательную систему акустической ячейки, аналогичную системам фирмы Hielscher Systems GmbH.

Высота его единичной ячейки (расстояние между излучающим колебания кольцевыми поверхностями) равна двум полуволнам в жидкости. Он может содержать ряд таких ячеек, образованных общей колебательной системой. Жидкость в нем проходит сквозь объем камеры вдоль колебательной системы между ней и стенкой корпуса. Реакторы UIP Hielscher Systems GmbH содержат шесть фрагментов, изображенных на рис. 2, b, а источник колебаний – пьезоэлектрический преобразователь – крепится к колебательной системе с одной стороны от нее, как показано на рис. 3.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология Рис. 3. Несимметричная гантельная колебательная система реакторов UIP 4000 с пьезоэлектрическим преобразователем потребляемой мощностью 4000 кВт в охлаждаемом кожухе (слева) Разработанный в соответствии c моделью [1] реактор с монолитной колебательной системой акустической ячейки, симметричной относительно центра масс (Рис. 2, c), также состоит из корпуса камеры, изготовленного сварным из бесшовных нержавеющих труб диаметром 102 мм толщиной стенки мм и 146 мм толщиной стенки 7 мм, имеющего на концах фланцы с отверстиями для закрепления другими фланцами с уплотнениями при помощи болтов и гаек (по шесть на каждую сторону) волноводных трансформаторов с диаметрами излучающих поверхностей 88 мм, которые передают колебания источников (не показаны) в жидкость с понижением амплитуды и также соединены между собой стяжкой ( 32 мм) в единую твердотельную колебательную систему. Сравниваемые реакторы имеют мощность источников колебаний, максимальную амплитуду давления результирующей волны и дисперсию пространственного распределения плотности мощности кавитации в объеме такие же, как у эталона.

В результате сравнения были смоделированы производительности для всех описанных реакторов по обработке воды, используемой для нужд пищевой и фармацевтической промышленности, и загрязнения ее продуктами эрозии по отношению к этим показателям эталонного реактора. Относительная производительность, так как во всех реакторах использована одна и та же частота колебаний f, вычислялась как отношение произведения среднеинтегральной в рабочем объеме камеры V объемной плотности эрозионной мощности кавитации Q = qer dxdyd, (1) V (V ) где qer – объемная плотность эрозионной мощности кавитации в точке пространства кавитирующей жидкости с координатами x,, y на объем V к произведению показателей эталонного реактора:

VQ p= (2) Vst Qst Вместо абсолютных значений qer в расчетах объемных плотностей эрозионной мощности кавитации, поскольку жидкость в вариантах одна и та же, использовалась пропорциональные им величины:

{ + } { + }2, qer ~ fa 2 2 vi (3) ( + ) где: a – средний по n кавитационным областям коэффициент затухания суммарного возмущения давления от всех пузырьков в точке, для которой выполняется расчет;

vi = Shi – суммарный объем i = 0…n кавитационных областей (S – площадь фронта результирующей волны в реакторе, равная площади излучающих колебания поверхностей);

– среднее безразмерное время прихода возмущений давления от всех пузырьков n кавитационных областей в эту точку;

1n = [ ] – поправка на фазу кавитационной области. Прямоугольными скобками обозначена целая, а 2n фигурными – дробная часть числа. Длина пробега возмущения давления от кавитации за период гармонической волны при этом положена равной длине этой волны.

Размеры hi кавитационных областей на луче волны вычислялись, как рекомендовано [1,10] в угловых единицах фазы в виде разности значений четных и нечетных положительных корней трансцендентного уравнения:

2n Amax sin [(1 ) + (1 ) ] A0 = 0, (4) XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология где Аmax, А0 – максимальная при испускании колебаний в полупространство жидкости и пороговая для образования кавитации амплитуды звукового давления в волне;

– коэффициент рассеяния энергии волны на кавитации [11]. В линейные единицы они переводились делением на волновое число 2/.

Загрязнение воды продуктами эрозии вычислялось пропорционально интегральному значению объемной плотности эрозионной мощности E на контактирующих с водой металлических поверхностях реакторов.

Для эталона она равна:

R H E st = 2 xqer,1dx + D qer, 2dy, (5) 0 а для сравниваемых реакторов R2 H H E = 2 xqer,1dx + D qer, 2dy + 2R1 qer,3dy, (6) R1 0 где: R2, R1 – наружный радиус излучающих поверхностей и радиус соединяющего стержня, соответственно;

Н – расстояние между излучающими поверхностями;

D – ее диаметр;

qer,1, qer,2, qer,3 - плотность эрозионной мощности кавитации в точках радиуса излучающей поверхности и лучей, отстоящих от оси симметрии на диаметр стенки камеры и на диаметр стяжки, соответственно.

Результаты сравнения в значениях по отношению к эталону показаны в таблице.

Рис. 2 с ВАРИАНТ РЕАКТОРА UIP (Рис. 2 b) ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ Производительность обработки воды 1,8 3, Дисперсия пространственного распределения плотности эрозионной мощности* 1,02 0, Эрозия элементов конструкции 2,5 3, *дисперсия принималась как можно более близкой к 1,00.

Из таблицы видно, что реактор UIP 4000 при в 1,7 раза большей, чем у эталона потребляемой мощности пьезоэлектрического преобразователя и аналогичной (чуть большей) дисперсии пространственного распределения плотность эрозионной мощности в рабочей камере имеет в 1,8 раза большую производительность обработки воды, и в 2,5 раза большую эрозию деталей конструкции. У разработанного реактора с симметричной колебательной системой акустической ячейки при аналогичной (чуть меньшей) дисперсии плотности эрозионной мощности в рабочей камере производительность в 3, раза, а эрозия деталей конструкции в 3,9 раза выше, чем у эталона. Иными словами изменение этих параметров почти одинаковы между собой. Таким образом, при выполнении выдвинутых выше требований к размерам твердотельной части колебательной системы акустической ячейки кавитационного реактора его кавитационная мощность и производительность и кавитационная эрозия поверхностей его деталей увеличиваются пропорционально, что говорит о том, что абсолютная загрязненность обрабатываемой жидкости не изменится, так как ее движение через реактор пропорционально вырастает, а бесполезные потери энергии возбуждающей кавитацию упругой волны при этом уменьшается.


ЛИТЕРАТУРА 1. Shestakov S., Babak V. // Applied Physics Research, V.4, No. 1, February 2012, pp. 64- 2. Patent US 3519251, 3. Knapp R., Daily J. and Hammitt F. Cavitation.–NY: McGraw Book Company, 1970 (Кнэпп Р., Дейли Дж. и Хэммит Ф. Кавитация.- М: Мир, 1974) 4. Шестаков С.Д. Основы технологии кавитационной дезинтеграции.-М: ЕВА-пресс, 5. Patent US 4618263, 6. Патент RU 2209112, 7. Шестаков С.Д. // Труды ХIII сессии Российского Акустического Общества, М.: ГЕОС, Том 1, 2003 с. 31- 8. Патент RU 2392047, 9. Patent ЕР 1810747, 10. Шестаков С.Д., Бефус А.П. Деп. в ВИНИТИ РАН, №840-В 11. Физика и техника мощного ультразвука п/р Л.Д. Розенберга.–М: Наука, 12. Шестаков С.Д. и др. // Труды ХХIV сессии Росс. акуст. об-ва, Т.2.- М.: ГЕОС, 2011 c. 90- 13. Шестаков С.Д. // Труды Х сессии Росс. акуст. об-ва, Т.2.- М.: ГЕОС, 2000.- С. 115- XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология УДК 534. Карабутов А.А. (мл.), Сапожников О.А., Карабутов А.А.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФОКУСИРОВАННОГО ЛАЗЕРНО-УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ВИБРОМЕТРИИ Физический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова, кафедра акустики.

Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2.

Тел. +7 (495) 939- E-mail: akarabutov@gmail.com;

oleg@acs366.phys.msu.ru;

aak@ilc.edu.ru Вибрации технических конструкций со временем приводят к их деградации и разрушению, поэтому важно характеризовать указанные вибрации количественно. В зависимости от типа, виброметры измеряют вибросмещение (лазерные, емкостные виброметры), виброскорость (лазерные, пьезоэлектрические виброметры) или виброускорение (пьезоэлектрические виброметры). Лазерные виброметры получили наибольшее распространение, так как они позволяют измерять вибрации на удалении от исследуемых объектов, причём возможно быстрое сканирование пробным лучомпо большой площади. К недостатком таких систем можно отнести необходимость доступа к образцу через оптически прозрачную среду, возмущение в которой не должно существенно влиять на распространение оптического излучения. Таким образом, результаты измерений вибраций поверхности твердого тела через жидкость, к примеру воду, могут быть сильно искажены. В настоящей работе для измерения вибраций конструкций, погруженных в жидкость, предлагается использовать акустический эхо-метод. Для достижения высокого продольного разрешения, возбуждение акустического импульса осуществляется лазерно-ультразвуковым методом. Импульс имеют колокообразную форму с характерной длительностью 70 нс. После возбуждения в плоском слое, импульс проходит через акустическую линзу в направлении поверхности образца. С одной стороны, это позволяет компенсировать потери на отражении от границы с жидкостью, с другой – дифракцию пучка при распространении и, как результат, приводит к повышения поперечного разрешения. Для преобразователя, применяемого в наших экспериментах, поперечный диаметр акустического пучка в фокусе составлял1 мм, длина фокальной области – 8.4 мм, фокальное расстояние - 17 мм. Благодаря гладкой форме акустического импульса, точность определения расстояния от преобразователя до поверхности составляет 7.5 мкм. Использовалась частота посылки импульсов 1 кГц, поэтому измеряемый диапазон частот колебаний поверхности составлялот 0 Гц до 500 Гц. Диапазон измеряемых скоростей - от 3 мкм/с до 8.4 м/с.

Введение Своё развитие акустическая микроскопия берёт с работы С.Я. Соколова [1]. Несмотря на простоту реализации, предложенный им аппарат продемонстрировал возможность ультразвуковой диагностики материалов, по качеству изображения сравнимуюс возможностями оптических микроскопов. Явным достоинством нового метода являлась возможность «заглянуть» внутрь структуры исследуемого образца глубже, чем в приповерхностный слой. Дальнейшее развитие микроакустических методов [2-11] было направлено на анализ упругих характеристик объектов по отражённым сигналам. Благодаря использованию широкоаппертурных акустических линз, на границе объекта и иммерсионной жидкости происходило возбуждение различных типов волн (продольных волн ивытекающих рэлеевских волн). В этих исследованиях использовалсяузкополосный высокочастотный сигнал. Его отражение от образца имеет сложную структуру и зависит от расстояния между линзой и поверхностью (так называемая зависимость V (z ) ). Эта зависимость даёт возможность восстановления коэффициента отражения как функции угла приёма.На основе V (z ) могут быть найденыскорости звука различных типов волн в образце.

Данный метод имеет существенный недостаток – сильное влияние ошибкипозиционирования датчика по углу. По этой причине методневозможно применить для исследования поверхностей со сложной геометрией. Для проведения акустической профилометрии поверхности необходимо избавиться от V (z ) зависимости. Этого можно достигнуть изменением режима излучения с непрерывного на импульсный.

Пространственная протяжённость импульса должна быть меньше удвоенногофокусного расстояния. Для соблюдения этого условия следует либо излучать широкополосный сигнал с высокой центральной частотой, либо уменьшить числовую апертуру линзы. В первом случае высоко влияние поглощения в иммерсионной жидкости, а во втором случае увеличивается диаметр фокального пятна и длины перетяжки. Последний случай удобней с практической точки зрения. Увеличение длины перетяжки расширяет обзор исследуемого образца по глубине, но при этом ухудшается поперечное разрешение. Для повышения продольного и поперечного разрешения необходимо увеличивать ширину полосы излучаемого сигнала.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология При использовании пьезоэлектрических источников звука достаточно сложно добиться расширения полосы излучения. Альтернативный способ получения широкополосных акустических сигналов – оптоакустический (ОА) [12].

Схема фокусирующего преобразователя Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.

Излучение от лазера (1) по оптоволокну поступает в ОА преобразователь (2) и поглощается в ОА генераторе (3). Быстрое тепловое расширение рабочего слоя в ОА генераторе(3) приводит к возбуждению акустических волн, распространяющихся в обе стороны от ОА генератора. Одна из этих волн распространяется через звукопровод (4) к широкополосному пьезоприёмнику (5). Вторая волна движется через акустическую линзу (6) и иммерсионную жидкость к объекту. Отражаясь от поверхности и внутренней структуры образца (7), она распространяется обратно в сторону линзы и, далее, пьезоприёмника, где и регистрируется. Аналоговыйсигнал широкополосного пьезоприемника через зарядовый предусилитель поступает на аналого-цифровой преобразователь. После оцифровки, информация обрабатывается на компьютере (8). Для получения Рис. 1. Схема эксперимен картины поверхности преобразователь размещается на тальной установки. 1 - лазер, трёхкоординатной трансляционной системе, управление которой 2 - ОА преобразователь, 3 – пьезоприёмник, 4 – звуко осуществляетсякомпьютером. Сам образец помещаетсяв кювету с провод, 5 - ОА генератор, 6 – иммерсионной жидкостью (водой), куда погружался и ОА акустическая линза, 7 - объект преобразователь.

исследования, 8 - компьютер.

В установке используетсялазер Nd3+:YAG с диодной накачкой и модуляцией добротности;

длительность и энергия лазерного импульса составляла 10 нс и 100 мкДж, соответственно. Частота дискретизации АЦП - 100 МГц, разрядность – 12 бит, аналоговая полоса 70 МГц. Запуск считывания АЦП синхронизирован с импульсами лазера. Демпфированной пьезоприемник изготовлен из ПВДФ плёнки и позволял детектировать сигналы с амплитудой от 0.5 Па.

Электронная система допускаетрегистрацию в линейном режиме сигналов с амплитудой до 20 кПа, что обеспечиваетдинамический диапазон изменений около 90 дБ. Точность перемещения по осям трехкоординатной трансляционной системы составляет2.5 мкм. Радиус кривизны линзы составляет 8 мм.Числовая апертура акустической линзы составляет около15, что позволяетизбежать попадания в нее волны утечки, излучаемой поверхностной волной.

В отличие от преобразователей, используемых в стандартной профилометрии и акустической микроскопии, у данного преобразователя отсутствует V(z) эффект. Это объясняется малой добротностью ОА генератора, а б малой пространственной длительностью Рис. 2. а)зондирующий импульс, б) импульс, зондирующего импульса по сравнению с фокусным отраженный от плоской поверхности. По оси расстоянием и небольшой угловой апертурой.

ординат отложено время в мкс, по оси абсцисс – Зондирующий импульс представлен на рис. 2а. Его нормированная амплитуда длительность по полувысоте составляет около 70 нс.

Столь короткий акустический импульс обеспечивает широкую спектральную полосу от 100 кГц до 6.1 МГц по полувысоте от максимума.

Поскольку фокусировка приводит к дифференцированию импульса, то импульс, отражённый от плоского объекта в фокусе, дважды дифференцируется. На рис. 2б изображён импульс, отражённый от поверхности плоского образца, находившегося в фокусе. Как видно, этот импульс имеет форму, пропорциональную второй производной от зондирующего сигнала. При этом у него остаётся ярко выраженный максимум.


Экспериментальные измерения характеристик фокусированного ОА преобразователя Особый интерес представляют характеристики акустического поля, формируемого при фокусировке импульсного ультразвукового пучка: ширина фокуса и глубина резкости. Для их измерения в XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология качестве объекта исследования использовалась металлическая пластина с полированной поверхностью(R9) и резким углом боковой грани. Эта пластина помещалась в кювету с иммерсионной жидкостью (водой), куда опускался и преобразователь. Он закреплялся на трёхкоординатной трансляционной системе в юстировочном крепеже, который позволял изменять положение преобразователя по двум углам и направлять его по нормали к поверхности. Выставление углов производилось по максимуму пикового значения акустического импульса, отражённого от поверхности объекта. Трансляционная система позволяла изменять положение преобразователя в трёх перпендикулярных направлениях: двух вдоль поверхности образца (назовём их “X”и “Y”) и одном – по нормали к поверхности (ось “Z”).

Перед проведением измерений определялась скорость ультразвука в жидкости и задержка отраженного сигнала, соответствующая положению фокуса. Для этого преобразователь поднимался над положением фокуса и последовательно опускался.

Результаты измерений представлялись в виде графика зависимости пикового значения отражённого сигнала от смещения преобразователя (рис. 3). Временная задержка, при которой отраженный импульс принимал максимальное пиковое значение, соответствует положению фокуса (23.690 ± 0.005) мкс. В это время входят двойные пробеги в ОА генераторе ( (0.28 ± 0.01) мкс), линзе ( (1.648 ± 0.008) мкс) и в (16.33 ± 0.01) мм воды (при скорости звука cW = 1501 м/с). Скорость Рис. 3. Зависимость пикового значения звука в воде вычислялась как отношение смещения по оси Zк разности отражённого сигнала временных задержек акустического импульса, отраженного от (нормировано на максимум) при различных расстояниях поверхности в между преобразователем и конечной и начальной объектом.

точках измерения.

Измерение размеров акустического пучка на заданной высоте производилось путём перемещения преобразователя поперёк края пластины. Сам акустический пучок имеет гауссовскую форму, поэтому зависимость пикового значения отражённого сигнала от поперечного смещения можно аппроксимировалась функцией ошибок. Такие измерения были проведены как вдоль оси X, так и вдоль оси Y. По одной из осей полуширина фокальной области составила (511 ± 2 ) мкм, а по другой - (556 ± 3) мкм.

Исходя из различия этих величин, можно сделать вывод, что поперечное сечение зондирующего пучка имеет Рис. 4. Экспериментальная установка. 1 – ОП форму эллипса с небольшим эксцентриситетом.

преобразователь, 2 – кювета с водой, 3 – Для измерения глубины резкости производился камертон, 4 - держатель поиск положения, при котором ширина пучка увеличивается в 2 раз. Измерение полуширины пучка на высотах, при которых амплитуда отражённого сигнала составляла 0.7 и 0.5 от амплитуды в фокусе, дало значения (700 ± 3) мкм и (745 ± 3) мкм, соответственно. Исходя из этого, длина фокальной зоны определялась по уровню амплитуды 0.7 и составила 8.4 мм.

Экспериментальная установка Вид экспериментальной установки представлен на рис. 4. Она состояла из ОА преобразователя (1), который вместе с объектом исследования (камертоном, 3) находился в иммерсионной жидкости вкювете (2). Камертон закреплялся в держателе, который механически не был связан с ОА Рис. 5. Восстановление колебания преобразователем. Для задания колебаний объекта в жидкости поверхности образца по задержке производился удар по держателю (место удара обозначено отраженного сигнала.

цифрой 4). Колебание поверхности приводит к изменению XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология задержки акустического импульса, отраженного от поверхности. Зондирование производится с частотой 1 кГц, поэтому наибольшая частота колебаний, которую возможно детектировать – 500 кГц.

Дискретизация АЦП происходит с частотой 100 МГц, т.е. с шагом 10 нс, что соответствует 15 мкм пробега звука по воде. Благодаря тому, что излучаемый сигнал имеет гладкую форму, можно говорить о том, что точность определения положения максимума составляетполовину шага по времени или 7.5 мкс.

Максимальная скорость колебания поверхности вычисляется исходя из значений частоты зондирования и глубины фокальной зоны. Она равна 8.4 м/с.

Результаты измерений На рис. 5 приведено смещение поверхности исследуемого образца. После нанесения удара (110 мкс) образец смещается сначала вниз (от преобразователя), а затем совершает затухающие колебания в течение 20 мс. Из-за большого коэффициента отражения на границе «жидкость-твердое тело» внутренняя структура самой пластины и последующих границ не видна.

Выводы Использование фокусирующего оптоакустического преобразователя может быть использовано для анализа колебаний поверхности через оптически непрозрачную жидкость. Максимальная скорость колебаний, которая может быть детектирована системой – 8.4 м/с, частоты колебаний – до 500 Гц.

Работа была проведена при поддержкегрантов Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ НШ-2631.2012.2 и РФФИ 11-02-01189.

ЛИТЕРАТУРА Соколов С. Я., ДАН СССР, LXIV, № 3, 333 (1949);

ЖТФ, 19 вып. 2, 271 (1949).

1.

Богаченков А.Н., Маев Р.Г., Титов С.А. Измерительный сканирующий акустический микроскоп с гармоническим 2.

зондирующим сигналом. Акуст. журн., 2000,т. 46, №5, с. 601-608.

3. Левин B.M., Лобкис О.И., Маев Р.Г. Исследование пространственной структуры акустических полей сферическим фокусирующим преобразователем. Акуст. журн., 1990. т.36, вып. 4, с. 696-702.

4. Бахрах Л.Д., Титов С.А. Сканирующий акустический микроскоп с доплеровским смещением спектра отраженного сигнала. Акуст.журн., 1990, т. 36, №3, с. 552-554.

5. Lemons, R. A. and Quate, С. F., Acoustic microscopy, in Physical Acoustics, ed. Mason, W. P. and Thurston, R. N. Academic Press., London, 1979, pp. 1-92.

6. Березина С.И., Лямов B.E., Солодов И.Ю. Вестник МГУ, Сер. Физика-астрономия, 1977, т.18, №1, с. 3-18.

7. Briggs, A., Acoustic microscopy. Clarendon Press, Oxford, 1992.

8. Gilmore, R. S., Industrial ultrasonic imaging microscopy, in Physical Acoustics, ed. Thurston, R. N., Pierce, A. D., and Papadakis, E. Academic Press, New York, 1999, pp. 275-346.

9. Zinin P.V. Quantitative acoustic microscopy of solids, in Handbook of Elastic Properties of Solids, Liquids and Gases. V.I:

Dynamic Methods for measuring the elastic properties of solids, Levy M., Bass H., Stern R. and Keppens V. Academic Press, New York, 2001, pp. 187-226.

10. Briggs A. An introduction to scanning acoustic microscopy. Microscopy Handbooks-12, Alden Press, Oxford, 1985.

11. Sheppard C.J.R., Wilson Т. Effects of high angles of convergence on V(z) in scanning acoustic microscope, Appl. Phys. Lett., 1981. v.38 (11), pp. 858-859.

12. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. М.: Наука, 1991, 304 с.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология УДК 534. В.Г. Субботин, О.А. Сапожников, С.А. Цысарь КАЛИБРОВКА УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ МЕГАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ В ВОДЕ НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СИЛЫ И АКУСТИЧЕСКОЙ ГОЛОГРАММЫ Московский государственный университет, физический факультет Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д.1, стр. Тел.: (495) 939-2952;

Факс: (495) 939- E-mail: flameacc@gmail.com Одним из стандартных методов измерения полной акустической мощности ультразвуковых источников мегагерцового диапазона частот является метод измерения радиационной силы, действующей на поглотитель при направлении на него ультразвукового пучка. Метод основан на известной связи между радиационной силой и акустической мощностью в приближении плоских волн. Реальные источники создают сильно неоднородные пучки, заметно отличающиеся по структуре от плоской волны, поэтому метод радиационной силы в его традиционной реализации оказывается неточным. В данной работе предлагается модификация метода, позволяющая измерять полную мощность произвольных ультразвуковых пучков. Подход основан на совместном измерении радиационной силы и акустической голограммы - двумерного распределения амплитуды и фазы волны в плоскости перед источником.

Введение I.

Ультразвуковые источники мегагерцового диапазона находят широкое применение в неразрушающем контроле, а также в медицинской диагностике и терапии. В медицинских приложениях актуальной является абсолютная калибровка датчиков по мощности, чтобы избежать нежелательного разрушения тканей в процессе ультразвукового облучения биоткани. Одним из классических методов измерения полной акустической мощности источника W является метод измерения радиационной силы F, действующей на поглотитель ультразвука при направлении на него ультразвукового пучка. Метод основан на простой связи [1]:

W, F= (1) c где c0 – скорость звука. Формула (1) получена в приближении плоской волны, падающей на идеальный поглотитель. Реальные источники создают сильно неоднородные пучки, заметно отличающиеся по структуре от плоской волны, поэтому метод радиационной силы в его традиционной реализации оказывается неточным. В данной работе мы предлагаем модификацию метода, позволяющую измерять полную мощность произвольных ультразвуковых пучков. Подход основан на совместном измерении радиационной силы и акустической голограммы - двумерного распределения амплитуды и фазы волны в плоскости перед источником.

II. Измерение акустической мощности в приближении плоской волны Схема экспериментальной установки показана на рис. 1. Акустический пучок, излучаемый пьезоэлектрическим источником, направлялся на поглотитель, вес которого измеряется с помощью прецизионных весов. В качестве источника использовался плоский пьезокерамический преобразователь в Весы Balance источник XDCR поглотитель Target Рис. 1. Схема установки по измерению радиационной силы XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология виде диска диаметром 100 мм с воздушной тыльной нагрузкой. Резонансная частота преобразователя составляла 1.119 МГц Измерения проводились в отстоявшейся водопроводной воде при нормальной температуре.

Принцип измерения радиационной силы заключается в том, что при включении ультразвукового источника вес поглотителя увеличивается на величину, равную радиационной силе. Согласно формуле (1), при измерениях в воде (c=1490 м/с) изменение веса в случае плоской волны связано с соответствующей акустической мощностью волны фактором 68 мг/Вт. В эксперименте измерялась также подводимая к источнику электрическая мощность. Отношение акустической мощности к электрической мощности задает коэффициент полезного действия пьезоэлектрического преобразователя в приближении плоской волны.

На рис. 2 представлены зависимости акустической мощности пучка, рассчитанной по радиационной силе исходя из связи (1), от подводимой к излучателю электрической мощности на двух частотах:

1.119 МГц (левый график) и 1 МГц (правый график). Как видно, зависимость акустической мощности от электрической близка к линейной, что указывает на линейный характер колебаний пьезопластины в используемом диапазоне мощностей. Отношение мощностей (к.п.д.) равно 0.91 и 0.77 для 1.119 МГц и 1 МГц, соответственно.

Wак, ак (Вт) Wак (Вт) W Вт 0 5 0 20 40 0 Wэл (Вт) 0 20 40 60 Wэл (Вт) Рис. 2. Зависимость измеренной акустической мощности от подводимой к источнику электрической мощности III. Измерение акустической мощности с учётом структуры пучка На практике излучаемые ультразвуковые пучки не являются плсокой волной. В этом случае для расчёта радиационной силы вместо формулы (1) следует использовать более точную формулу [2, 3]:

0 (v z2 v x v 2 ) p F= + y dxdy. (2) 2 0 c плоскость ( x, y ) Здесь предполагается, что измеряется компонента силы F, направленная вдоль вертикальной оси z.

( ) В формуле (2) p – акустическое давление, v = v x, v y, v z - колебательная скорость, 0 и c0 - плотность и скорость звука среды, скобки... обозначают усреднение по периоду волны. Полная мощность пучка является интегралом по плоскости xy от z-компоненты интенсивности волны I z = p v z :

( p v) W= dxdy. (3) z плоскость x, y XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология С учётом выражения (3) нетрудно видеть, что в частном случае плоской волны, когда v x = v y = 0, v z = p ( 0 c0 ), формула (2) переходит формулу (1).

Как видно из выражения (2), для расчёта силы требуется знать распределение акустического давления и колебательной скорости на плоскости интегрирования. Существующие методы исследования ультразвуковых полей мегагерцового диапазона позволяют найти лишь распределение акустического давления. Для нахождения всех характеристик поля требуется разработка специальных методов. В нашей работе с этой целью используется метод акустической голографии [3]. Он основан на измерении пространственного распределения амплитуды и фазы акустического давления на некоторой плоскости перед источником, а затем использовании интеграла Рэлея для расчёта акустического давления и колебательной скорости в произвольной точке пространства. В частности, таким способом может быть найдено распределение акустического давления на излучающей поверхности.

Для проведения акустической голографии исследуемый источник помещался в басссейн с водой.

Амплитуда и фаза акустического давления измерялись с помощью гидрофона с размером чувствительного участка 0.4 мм. Гидрофон перемещался для проведения растрового сканирования в плоскости, расположенной на расстоянии 100 мм перед источником. Измерения сигнала проводились в узлах квадратной сетки размером 100100 точек с шагом 0.7 мм автоматизированной позиционной системой под управлением компьютера. Полученные в ходе эксперимента распределения амплитуды давления на поверхности измерений на разных частотах проиллюстрированы на рис. 3. Эти распределения совместно с соответствующими распределениями фазы волны использовались для расчёта акустических параметров на поверхности источника.

Рис 3. Распределение амплитуды акустического давления на поверхности измерений на частоте 1МГц (слева) и 1.119 МГц (справа) Как видно из формулы (2), для расчёта силы в дополнение к акустическому давлению необходимо знать все три компоненты колебательной скорости. Метод акустической голографии позволяет решить эту задачу. На рис. 4 для частоты 1.119 МГц показаны найденные распределения всех необходимых параметров поля – амплитуд акустического давления и трёх компонент колебательной скорости на поверхности источника. Диаметр светлой части изображения для амплитуды давления и нормальной компоненты колебательной скорости близок к 100 мм, т.е. к диаметру пьезопластины. Видно, что характер распределения давления сильно неоднороден, т.е. источник не может считаться «поршневым», а излучаемая им волна – плоской волной. Неоднородный характер колебания пьезопластины вызван как возможными дефектами пьезокерамики, так и возбуждением волн Лэмба [5]. Именно наличием квазистоячих волн Лэмба объясняет кольцевой характер неоднородности.

Приведённые на рис. 4 распределения позволяют найти излучаемую акустическую мощность по измеряемой радиационной силе даже в том случае, когда чувствительность гидрофона неизвестна.

Действительно, и радиационная сила, и излучаемая мощность являются квадратичными по акустическим возмущениям (см. формулы (2) и (3)), поэтому отношение F W от чувствительности гидрофона не зависит.

Метод измерения радиационной силы может быть использован для нахождения чувствительности гидрофона. Обозначим электрическое напряжение на гидрофоне при измерении на плоскости сканирования через PH (индекс H помечает, что измеряется голограмма). Это напряжение XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Ультразвук и ультразвуковая технология пропорционально соответствующему акустическому давлению: PH = k p H, где k - чувствительность гидрофона, имеющая размерность [k ] =Па/В, pH - акустическое давление. Если использовать двумерную а б в г Рис. 4. Распределения амплитуд акустического давления (а) и компонент колебательной скорости v x, v y, v z (б, в, г) на поверхности излучателя запись сигнала акустического давления, выраженного в терминах соответствующего напряжение на гидрофоне, то после проведения вычислений в рамках голографического алгоритма вместо давления и скорости на поверхности источника будут известны величины, пропорциональные им с коэффициентом k : P = k p, V x = k v x,V y = k v y,V z = k v z. Поэтому при подстановке найденных величин в формулу (2) получится величина F, пропорциональная радиационной силе с P, V x,V y,V z коэффициентом k 2 :

F = k 2F.

(4) В полученной формуле (4) величина F находится из гидрофонных измерений, а радиационная сила F измеряется с помощью прецизионных весов. Следовательно, эксперимент позволяет найти абсолютную чувствительность гидрофона: k = F F. При известной чувствительности гидрофона появляется возможность более точного нахождения излучаемой мощности по формуле (3).

IV. Заключение Представленный метод позволяет существенно повысить точность определения полной акустической мощности излучателей, создающих пучки со структурой, сильно отличающейся от плоской волны. Работа была проведена при поддержке грантов Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ НШ-2631.2012.2, РФФИ 11-02-01189 и 12-02-00114.

ЛИТЕРАТУРА 1. Beissner, K. Radiation force calculations. - Acustica, 1987, v. 62, no. 4, pp. 255-263.

2. Westervelt, P.J. The theory of steady forces caused by sound waves. - J. Acoust. Soc. Am., 1951, v. 23, no. 4, pp.

312- 315.

3. Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. – Издательство «Наука», Москва, 1966.

4. Сапожников О.А., Пищальников Ю.А., Морозов А.В. Восстановление распределения нормальной скорости на поверхности ультразвукового излучателя на основе распределения акустического давления вдоль контрольной плоскости. - Акуст. журн., 2003, т. 49, № 3, с. 416424.

5. Cathignol, D., Sapozhnikov, O.A., and Zhang, J. Lamb waves in piezoelectric focused radiator as a reason for discrepancy between O’Neil formula and experiment.- J.Acoust.Soc.Am., 1997, v. 101, no. 3, pp. 1286-1297.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.