Преобразователь ультразвуковых колебаний

 

Использование: относится к геомеханике, геоакустике неразрушающих методов контроля конструкционных материалов и, в частности, может быть использовано для определения нелинейных и поглощающих свойств горных пород и минералов при интерпретации геофизических материалов в сейсморазведке и горном деле. Цель изобретения - повышение информативности, производительности и расширение функциональных возможностей за счет скоростей распространения как продольной, так и двух сдвиговых волн с взаимно ортогональной поляризацией при неизменных контактных условиях. Сущность изобретения заключается в том, что в материале звуковода выполняют дополнительную грань, размещают на ней пьезоэлемент колебаний и выбор углов преломления и падения осуществляют при наличии поглощения в материале звуковода, что позволяет с более высокой точностью выбрать углы падения и преломления и получить на выходе преобразователя чистую сдвиговую компоненту по сравнению с имеющимися преобразователями, осуществляющими подбор углов падения и преломления и расчет коэффициентов обмена исхода из идеально упругой среды без учета поглощения, и за счет этого повысить информативность и производительность метода. 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к геомеханике, геоакустике неразрушающих методов контроля и может быть использовано для определения состояния и свойств твердых тел, в частности горных пород и минералов.

Известно устройство для возбуждения сдвиговых колебаний, содержащее пьезоэлемент продольных колебаний и звуковод, причем для исключения продольной составляющей на осциллограмме пьезоэлемент размещают в V-образном вырезе звуковода так, что две взаимно перпендикулярные грани его одна из которых перпендикулярна полярной оси, плотно прикреплены к сторонам V-образного выреза [1] Известное устройство не позволяет получить чистую сдвиговую компоненту в возбуждаемом диапазоне частот, так как продольные колебания, излучаемые пьезоэлементом, не полностью преобразуются в поперечные и поступают в вход регистрирующего устройства, затрудняя процесс измерения исследуемых параметров поперечного колебания.

Известен преобразователь ультразвуковых колебаний, содержащий звуковод, выполненный в виде клина, имеющего основную грань, контактную грань и отражающую грань, расположенную под острым углом к основной и контактной граням, и пьезоэлемент, размещенный на основной грани, причем, звуковод выполнен с дополнительной гранью, примыкающей к основной и контактной граням, угол образуемый дополнительной и отражающей граням равен углу между последней и контактной гранью, а угол между основной и отражающей гранями выбирают из соотношения β arcsin ·sin (1) где V_p и V_s скорости распространения продольного и сдвигового колебания в материале звуковода; α- угол, образованный дополнительной и отражающей гранями [2] Известный преобразователь не позволяет последовательно осуществлять измерения продольного и двух сдвиговых колебаний с взаимно ортогональной поляризацией при неизменных контактных условиях и не учитывает при выборе углов падения и преломления наличие поглощения в материале звуковода, что не позволяет чистую сдвиговую компоненту на выходе преобразователя.

Цель изобретения повышение информативности, производительности и расширение функциональных возможностей за счет измерения скоростей распространения как продольной, так и двух сдвиговых волн с взаимно ортогональной поляризацией при неизменных контактных условиях.

Цель достигается тем, что преобразователь имеет вторую дополнительную грань, параллельную отражающей грани, на ней размещают пьезоэлемент, а угол между основной и отражающей гранями при наличии поглощения в материале звуковода выбирают из условия β arcsin sin (2) где δ_p и δ_s коэффициенты поглощения p- и s-волн; ω- круговая частота.

Основная и дополнительная грани ортогональны.

Звуковод выполнен из материала с декрементом поглощения δ_p≅0,5.

Размеры звуковода выбирают из соотношения: Н продольный размер (3,6-6,2) ·λ_p, Л поперечный размер (1.8-3,4) ·λ_p, (3) где λ_p длина p-волны, распространяющейся в материале звуковода.

Аргументы коэффициентов отражения и преломления очень чувствительны с малым по абсолютным значениям изменением декрементов поглощения продольных и сдвиговых волн, составляющих 0,01 и выше величины. Зависимость коэффициентов поглощения определяют из формулы
ε= 2πrf, (4) причем скорость распространения волны на определенной частоте определяют через известное выражение на частоте f_o:
V_f= (5) где f частота; r путь, проходимый волной.

Относительные отличия коэффициентов преломления обменных волн от коэффициентов обмена в идеально-упругой среде без поглощения при подходе к области предельного угла резко возрастают, а при декрементах поглощения δ_p≅5 наибольшие отличия получаются на высоких частотах.

При последовательном возбуждении в исследуемой среде P, S_X2 и S_X3-волн векторы их поляризации взаимно ортогональный триедр.

Для обеспечения более высокого КПД передачи акустического импульса исследуемой среде величину акустического сопротивления материала звуковода выбирают из условия
С ρ_среды ·V_pсреды, где ρ_среды и V_pсреды плотность и скорость p-волны в исследуемой среде.

На фиг. 1 а, б приведен преобразователь ультразвуковых колебаний для последовательного возбуждения; Р, S_X2 и S_X3 волны в исследуемой среде, где 1 звуковод, выполненный в виде клина, 2 основная грань, 3 контактная грань, 4 отражающая грань, 5 дополнительная гран, 6, 7, 9 пьезоэлемент Р колебаний, 8 вторая дополнительная грань.

Преобразователь содержит звуковод 1, выполненный в виде клина, имеющего основную 2, контактную 3, отражающую 4 и первую 5 и вторую 8 дополнительные грани. Отражающая грань 4 расположена под острым углом к основной 2 и контактной 3 граням, и вторую дополнительную 8 грань, параллельную отражающей грани 4, причем вторая дополнительная грань расположена перпендикулярно основной грани.

Распространение плоской гармонической волны в поглощающей среде математически описывают с помощью комплексных волновых чисел:
K ω/V iε где V скорость распространения волны;
ε- амплитудный коэффициент поглощения, причем
V V_p; ε= α_p для p-волны;
V V_s; ε= β_s для s-волны;
ω- круговая частота.

Следуя общей схеме отыскания коэффициентов отражения преломления для идеально упругих сред, получим расчетные значения для вычисления коэффициентов отражения преломления в поглощающих средах, при этом действительные волновые числа надо заменить комплексными и учесть связь дисперсии скорости с частотной зависимостью коэффициента поглощения, что и осуществлено на основании интегральных соотношений и по формулам для определения диапазона частот, то есть при наличии поглощения, если волна падает под действительным углом, углы отражения и преломления обменных волн и углы преломления того же типа, что и падающая, будут комплексными и поверхности равных амплитуд и равных фаз в этих волнах не параллельны между собой в отличие от идеально упругого случая. Решение интегральных уравнений коэффициентов отражения преломления осуществляли численным методом, причем, они в отличие от идеально упругого случая при наличии поглощения являются комплексными при всех углах падения и характеризуются модулями и аргументами, зависящими от частоты.

Расчеты и анализ коэффициентов осуществлен для диапазона частот 25-100 кГц и углов падения от 0 до 90^о. В качестве входных параметров при расчетах задавались скорости на опорной частоте 50 кГц, частотные зависимости коэффициентов поглощения p-волн и плотность среды, рассматривалась линейная зависимость коэффициента поглощения от частоты и скорость вычислялась по формуле (4). Изучались модули и аргументы коэффициентов отражения и преломления продольных и сдвиговых обменных волн в зависимости от частоты и угла падения для различных декрементов поглощения p-волн в материале звуковода 1.

На фиг. 2 приведены результаты этих расчетов, на основе чего были выбраны углы α и β по формулам (2) и выполнен преобразователь ультразвуковых колебаний, представленный на фиг. 1. Звуковод выполнен из материала с декрементом поглощения p-волн δp≅0,5.

Преобразователь ультразвуковых колебаний работает следующим образом: продольные колебания, возбуждаемые пьезоэлементом 6, установленным на основной грани 2, падают на отражающую грань 4 и преобразуются в сдвиговые колебания, которые проходят под прямым углом в исследуемую среду, причем поляризация сдвиговых волн от пьезоэлемента 6 параллельна поверхности ввода колебаний в исследуемую среду, то есть S_X2.

Продольные колебания возбуждаемые пьезоэлементом 9, установленным на второй дополнительной грани 8, падают на отражающую грань 4 и преобразуются в сдвиговые колебания, которые проходят в исследуемую среду под прямым, причем, вследствие того, что p-волна от пьезоэлемента 9 падает на грань 4 под прямым углом, поляризация в сдвиговой волне ортогональна поляризации в волне S_x2, то есть на выходе преобразователя получают волну с поляризацией S_Х3.

Продольные колебания от пьезоэлемента 7, установленного на дополнительной грани 5, также падают на отражающую грань 4, отражаются и переходят в исследуемую среду в виде продольных колебаний. Ввод продольных двух сдвиговых компонент S_X2 и S_X3 в исследуемую среду осуществляют раздельно при неизменных контактных условиях.

Преимущества преобразователя состоят в том, что он позволяет осуществлять ввод последовательно продольной и двух сдвиговых компонент при неизменных контактных условиях и тем самым повысить точность измерений, их информативность и производительность, в особенности при испытании материалов и пород при высоких РТ-параметрах.

Использование заявляемого изобретения позволит значительно повысить точность и информативность в совокупности с увеличением производительности по сравнению с имеющимися классическими методами и решить также проблему акустического контакта.

Формула изобретения

1. Преобразователь ультразвуковых колебаний, содержащий звуковод, выполненный в виде клина, имеющего основную и дополнительную установочные грани, контактную грань, отражающую грань, расположенную под острым углом к основной и контактной граням, и два пьезоэлемента, закрепленные на установочных гранях, отличающийся тем, что угол между основной установочной и отражающей гранями выбирают из условия

где α_p и β_s коэффициенты поглощения продольных и поперечных волн в материале звуковода;
ω круговая частота колебаний, излучаемых пьезоэлементом.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что основная и дополнительная грань ортогональны.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что звуковод выполнен из материала, декремент поглощения которого d_p ≅ 0,5.
4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что размеры звуковода выбирают из соотношений
H = (3,6-6,2)·λ_p;
Л = (1,8-3,4)·λ_p,
где Н продольный размер звуковода;
Л поперечный размер звуковода;
λ_p длина продольной волны, распространяющийся в материале звуковода.

5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что звуковод выполнен из материала, коэффициент ζ поглощения и скорость V распространения звуковой волны в котором выбирается из условий
x = 2πrf;

где r путь, проходимый звуком в звуководе;
t_о опорная частота, равная 50 кГц;
V_(fо) скорость распространения звука в материале звуковода на частоте f_о;
f частота колебаний, излучаемых пьезоэлементом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2