Способ регистрации механических волн в жидких средах

 

Изобретение относится к области физики межфазных явлений. В предложенном способе регистрация механических волн в жидких средах основана на использовании физического явления, связанного с изменением потенциала электрода, находящегося в контакте с жидкой средой, в зависимости от его деформации. В данном случае любое внешнее воздействие, вызывающее деформацию твердого электрода, приводит к адекватному изменению электродного потенциала. Это изменение электродного потенциала контролируется в ходе регистрации действия упругих волн на твердотельный электрод, находящийся в жидкой среде. 2 ил.

Изобретение относится к акустике, физике межфазных явлений.

Известны способы регистрации механических волн в жидкой среде [1, 2, 8]. В одном из способов принцип регистрации связан со слежением за световым лучом, отраженным от поверхности жидкости, фиксирующим пространственный рельеф, созданный механическими волнами, падающими на ее поверхность. В основе другого способа лежит эффект, состоящий в возникновении электрической поляризации в процессе механической деформации при воздействии на поверхность пьезоматериала акустических волн. На этой основе создан детектор для приема акустических волн в жидкой среде, известный как гидрофон градиента давления [1, 2].

Эти способы регистрации механических волн имеют следующие недостатки: 1) технологическая сложность использования пьезопреобразователей для создания датчиков упругих колебаний на межфазной границе твердое тело/жидкость; 2) необходимость подбора для этих целей специальных материалов, не обладающих центром симметрии; 3) жесткие требования к геометрическим размерам подобранного пьезокристалла; 4) ограниченность температурного интервала работы пьезоэлемента, что весьма важно, например, при работе в расплавленных средах; 5) глубинная зависимость режима работы гидрофона.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ преобразования акустических колебаний жидкой или газообразной среды, согласно которому два электрода, параллельные друг другу, на расстоянии, меньшем половины длины волны, создают неравновесную ионную проводимость среды, возбуждают в ней электрическое поле, регистрируют величину ЭДС, наведенную на электродах ионизованными частицами, перемещающимися во фронте волны, по полученной ее величине судят о колебаниях среды, а с целью увеличения чувствительности преобразования, электрическое поле возбуждают в направлении перемещения волны [8].

К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относятся: а) ограниченность выбора пространственной ориентации электродов в связи с необходимостью помещения электрода в плоскости параллельной фронту волны; б) необходимость создания неравновесной ионной проводимости в исследуемой среде; в) необходимость постоянного источника питания, который создает напряжение между электродами; г) постоянное возбуждение электрического поля, что приводит к затруднению преобразования акустических колебаний в большом диапазоне частот; д) частотный диапазон ограничен расстоянием между электродами, которое должно быть меньше половины длины волны, что приводит к ограничению верхнего диапазона регистрируемых частот.

Задача изобретения - возможность регистрации изменения электродного потенциала доступным путем.

Технический результат выражается в выявлении зависимости электродного потенциала от степени деформации электрода под воздействием упругих волн.

Сущность изобретения в следующем: в жидкую среду опускают два твердотельных электрода, причем один из них - с возможностью контактирования со средой, и регистрируют изменение электродного потенциала, при этом механические волны принимаются этим электродом с возможностью его поверхностной деформации под их воздействием, а другой (второй) электрод изолируют от среды и с его помощью по изменению поверхностного натяжения регистрируют изменение электродного потенциала на межфазной границе твердое тело/жидкость.

Нами получены экспериментальные результаты, подтверждающие изменение электродного потенциала при воздействии на электрод механических волн, распространяющихся в жидкой среде.

Принцип регистрации волн связан с установлением изменения электродного потенциала от степени его деформации, адекватно зависящей от параметров (частоты, амплитуды) волны. Причем установлено, что величина этого изменения зависит не только от частоты и амплитуды волны, но и от расстояния между источником - приемником волн и от их взаимной ориентации относительно друг друга.

По своей сути эти явления связаны с электрокапиллярными явлениями, обусловленными существованием на границе раздела фаз твердое тело/жидкость двойного электрического слоя (ДЭС) [3].

В общем случае напряженность электрического поля в ДЭС отличается от нуля, что обусловлено избыточным зарядом (из ионов, электронов и ориентированных диполей), присутствующих в слое. Наличие зарядов в этом пограничном слое влияет на поверхностное натяжение межфазного слоя. При этом работа, требующая для создания ДЭС на поверхности раздела фаз, включает в себя процессы, связанные с поверхностным напряжением (деформацией), межфазным (пограничным) натяжением и с изменением электродного потенциала. Теоретически связи между этими параметрами задаются уравнениями [3-7] где F^S - удельная свободная поверхностная энергия (единицы площади поверхности); U_ij - тензор поверхностной деформации; I - единичный двухмерный тензор; σ_ij - символ Кронекера; q и φ - плотность заряда и электродный потенциал; σ - коэффициент пограничного натяжения на межфазной границе ДЭС.

Из уравнений (1) и (2) следует, что любое внешнее воздействие, приводящее к деформации твердого электрода, должно адекватно изменить электродный потенциал. Это изменение электродного потенциала и регистрируется в ходе воздействия упругих волн на твердотельный электрод, находящийся в жидкой среде.

Экспериментально это было осуществлено следующим образом: в жидкую среду 1 опускают вибратор (источник механических волн)2, соединенный с генератором 3, и приемник упругих волн 6, как это показано на фиг. 1. Приемник упругих волн представляет собой электрохимическую ячейку с двумя металлическими электродами из некорродируемых в жидкой среде материалов, опущенными в слабопроводящую жидкость 7. Один из электродов 4 служит для приема упругих волн, а другой электрод 5 используется как электрод сравнения. Электронное устройство 8 регистрирует изменение электродного потенциала, наблюдаемое в ходе эксперимента.

Экспериментальные результаты, полученные впервые в морской воде, представлены на фиг. 2, где показана зависимость электродного потенциала от частоты. На координатных осях отложены относительное изменение электродного потенциала и частота вибратора. Из графика видно, что величина принимаемого сигнала растет нелинейно и связана с частотой упругих волн, деформирующей электрод.

Имевшиеся в нашем распоряжении электродные устройства для регистрации изменения электродного потенциала от частоты не позволяли расширить частотный диапазон выше 100 кГц, хотя нет принципиальных ограничений в подобных измерениях в диапазоне более высоких частот.

Таким образом, по полученным экспериментальным результатам, предлагается один из возможных способов регистрации (обнаружения) механических сигналов, распространяемых в жидкой среде, более простым, доступным методом, чем это реализуется с помощью гидрофона.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признаком заявленного изобретения.

Практических сведений об измерении частотной зависимости электродного потенциала при деформации в источниках литературы не обнаружено.

Прелагаемый способ регистрации механических волн обладает рядом преимуществ по сравнению с прототипом: 1) позволяет создавать прибор для регистрации механических (акустических) волн без использования пьезоматериалов, т.е. позволяет в зависимости от поставленной задачи использовать широкий набор материалов в качестве твердотельных электродов; 2) предлагаемый способ регистрации механических волн может быть реализован для исследования физико-химических свойств границы раздела фаз твердое тело/жидкость в разных режимах, в том числе и в подземных скважинах; 3) конструкция датчика позволяет изменять формы и геометрические размеры используемого твердого электрода; 4) простота и дешевизна конструкции датчика и технологичность его изготовления; 5) применение датчиков для регистрации механических волн в растворах и расплавах.

Возможность осуществления предлагаемого способа регистрации упругих волн подтверждается экспериментальными данными.

Что касается промышленной применимости, то заявленный способ при его осуществлении предназначен для использования в гидроакустике, геофизике, биомедицине и в других областях, связанных с межфазными явлениями.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания.

1. Физическая акустика, под ред. У.Мезона, 1966,- М.: Мир, 320 с.

2. Боббер Р. Дж. Гидроакустические измерения, 1974,- М.: Мир, 362 с.

3. Гохштейн А.Я. Электрохимия, 1966, т. 2, в. 11, с. 1318.

4. Бензон Г., Юн К. В сб. Межфазные границы газ/твердое тело, 1970,- М.: Мир, 179 с.

5. Фрумкин А.Н. Потенциалы нулевого заряда, 1979, М.: Наука:, 259 с.

6. Карпенко Г.В., Замостеник И.И., Бабей Ю.И., Пахмурский, В.И. Электрохимия, 1971, т. 7, в. 2, с. 220.

7. Круглов В.И., Коноров П.П., Бойков Ю.А., Прилкин Н.А. ФТП, 1974, т. 8, в. 8, с. 1514.

8. Авторское свидетельство, N 890074, G 01 H 3/06, 15.12.81., бюл. N 46.

Формула изобретения

Способ регистрации механических волн в жидких средах, согласно которому в жидкую среду опускают два твердотельных электрода, причем первый из них - с возможностью контактирования со средой, и регистрируют изменение электродного потенциала, отличающийся тем, что механические волны принимают первым электродом с возможностью его поверхностной деформации под их воздействием, а второй электрод изолируют от среды и с его помощью по изменению поверхностного натяжения регистрируют изменение электродного потенциала на межфазной границе твердое тело/жидкость.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2