Способ акустического согласования сред с плоской границей контакта

Использование: для акустического согласования сред с плоской границей контакта. Сущность: заключается в том, что на контактной границе в одной из согласуемых сред выполняют углубления прямоугольной формы, которые заполняют материалом, имеющим акустическое сопротивление, отличающееся по величине от сопротивления этой среды, при этом относительную площадь β, занимаемую углублениями на контактной поверхности согласуемых сред, и их глубину l устанавливают из определенных соотношений. Технический результат: расширение класса и номенклатуры используемых в акустических конструкциях материалов, подлежащих акустическому согласованию по условиям работы. 1 ил.

 

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использовано в ультразвуковой технологической аппаратуре, например в конструировании и технологии производства преобразователей ультразвуковых дефектоскопов.

Известен способ акустического согласования сред с плоской границей контакта посредством формирования между ними четвертьволнового сплошного слоя с плоскими границами, акустическое сопротивление материала которого выбирают равным среднегеометрическому значению от сопротивлений согласуемых сред (см., например, Ермолов И.Н. и др. Неразрушающий контроль. Кн. 2. Акустические методы контроля. М.: Высш. шк., 1991. - С.44).

Недостатком этого способа является ограниченность выбора материалов для согласования, поскольку теоретически согласующий материал должен иметь единственное значение акустического сопротивления.

Известен способ акустического согласования сред с плоской границей контакта, заключающийся в том, что на контактной границе в среде с более высоким акустическим сопротивлением Z₂ выполняют пустотелые углубления прямоугольной формы (патент RU №2036469, МПК G01N 29/04, 1995). В этом способе наилучшее согласование достигается в случае, когда относительную площадь β, занимаемую углублениями на контактной поверхности согласуемых сред, и их глубину l устанавливают из соотношений:

где Z₂ и Z₁ - акустические сопротивления согласуемых сред, относящиеся соответственно к среде, в которой выполнены углубления, и к среде, не содержащей их;

λ₂ - длина ультразвуковой волны в среде с акустическим сопротивлением Z₂. Недостатком указанного способа является ограниченная применимость, поскольку требование выполнения углублений в согласуемой среде с более высоким акустическим сопротивлением не всегда может быть удовлетворено. Так, например, при акустическом согласовании пьезоэлемента, выполняемого обычно из пьезокерамики, с демпфером или протектором, изготавливаемыми, как правило, из материалов с меньшим акустическим сопротивлением, чем у пьезоэлемента, упомянутый способ неприменим.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ акустического согласования сред с плоской границей контакта, заключающийся в том, что на контактной границе в одной из согласуемых сред выполняют углубления прямоугольной формы, которые заполняют материалом, отличающимся по величине от сопротивления этой среды, причем относительную площадь β, занимаемую углублениями на контактной поверхности согласуемых сред, и их глубину l устанавливают из соотношений:

где Z_i и λ_i - соответственно акустическое сопротивление материала, заполняющего углубления, и длина ультразвуковой волны в нем, остальные обозначения прежние (заявка RU 94011799/28, опубл. 27.12.1995). В данном способе углубления, заполняемые материалом с отличающимся акустическим сопротивлением, можно выполнять как в среде с более высоким сопротивлением (Z₂>Z₁) из согласуемых сред, так и в среде с более низким сопротивлением (Z₂<Z₁).

Недостатком известного способа является ограниченная применимость, обусловленная диапазонами значений акустических сопротивлений, пригодных для согласования и удовлетворяющих условию (1). А именно, подбор сопротивления Z_i согласующего материала, удовлетворяющего условию (1), с одновременным выполнением условия Z₂>Z₁ и очевидного условия 0<β<1 возможен, как показывают расчеты, только в диапазоне , а для Z₂<Z₁ - только в диапазоне . То есть для согласования подходят материалы с относительно низким акустическим сопротивлением, в том числе со значением, меньшим меньшего из согласуемых сопротивлений. И если согласуемые среды не являются металлическими, а, например, стеклами, пластмассами, жидкостями и т.п., то металлические материалы, наиболее технологичные для промышленного воплощения, не могут быть использованы для согласования таких сред, т.к. обычно они имеют акустическое сопротивление значительно большее, чем у неметаллов.

Задачей изобретения является расширение возможностей известного способа согласования акустических сред с плоской границей контакта путем создания в одной из сред углублений прямоугольной формы с последующим заполнением последних отличающимся по акустическому сопротивлению материалом, в сторону увеличенных значений акустического сопротивления согласующего материала в сравнении с известным способом-прототипом.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе акустического согласования сред с плоской границей контакта, заключающемся в создании в одной из согласуемых сред углублений прямоугольной формы с последующим заполнением их отличающимся по акустическому сопротивлению материалом, удельную площадь углублений β и их глубину l устанавливают из соотношений:

где все обозначения прежние.

Таким образом, в заявляемом способе, в отличие от прототипа, соотношение акустических и геометрических характеристик заполненных углублений обеспечивают не по выражениям (1), а по выражениям (2). Именно это отличие и обеспечивает причинно-следственную связь в достижении цели изобретения. Как показывают теоретические расчеты, аналогичные ранее описанным, диапазон подходящих для согласования акустических сопротивлений для Z₂>Z₁ обеспечивается по условию а для Z₂<Z₁ - по условию . Таким образом, в предлагаемом способе акустического согласования сред с плоской границей контакта, в отличие от прототипа, для согласующего слоя можно использовать материалы с высоким акустическим сопротивлением, в том числе - большим большего из согласуемых сред. Например, металлы или композиционные материалы с металлическими наполнителями.

Техническим результатом заявленного способа является расширение класса и номенклатуры используемых в акустических конструкциях материалов, подлежащих согласованию по условиям работы.

Кроме того, способ акустического согласования сред с плоской границей контакта, заключающийся в создании в одной из согласуемых сред углублений прямоугольной формы с последующим заполнением их материалом с отличающимся акустическим сопротивлением, может быть осуществлен и по другому варианту. А именно, когда удельную площадь углублений β и их глубину l устанавливают из соотношений:

где все обозначения прежние.

В рассматриваемом согласно выражениям (3) варианте осуществления способа достигается качественно тот же технический результат, что и в варианте по выражениям (2), однако в количественном плане он намного его превосходит. А именно, в последнем варианте расширение возможностей известного способа достигает наивысшего значения: в варианте по выражениям (3) в качестве согласующего можно использовать любой материал, точнее материал с любым акустическим сопротивлением, отличным от нуля.

На прилагаемом чертеже схематически представлено осуществление способа по любому из заявляемых вариантов при согласовании твердых сред. При согласовании двух твердых сред 1 и 2 с плоской границей 3 контакта в одной из сред (на чертеже - в среде 2) выполняют углубления 4 прямоугольной формы. Указанные углубления создают любым известным способом механической обработки, обеспечивающим выборку материала, например фрезерованием. Углубления 4 полностью заполняют материалом 5, имеющим акустическое сопротивление, отличающееся по величине от аналогичного параметра среды 2. Заполнение может быть сделано обратимым (например, жидкостью) либо необратимым (например, клеевым составом или припоем).

При первом варианте осуществления заявленного способа для относительной площади β углублений на контактной поверхности и для их глубины l должны выполняться соотношения (2). Из приведенной там формулы для β очевидно, что возможен случай как Z₂>Z₁, так и Z₂<Z₁. Материал 5 согласующего слоя выбирают таким, чтобы его акустическое сопротивление удовлетворяло соотношениям (2) с учетом значений сопротивлений согласуемых сред и обеспечения неравенств 0<β<1. При этом глубина l углублений также должна подчиняться соотношениям (2). Фигурирующие в них значения длин волн λ_i и λ₂ рассчитывают по известным соотношениям скоростей ультразвука в заданных материалах и частоты используемого ультразвука.

Следует отметить, что при выполнении требований равенства глубины l углублений 4 нечетному числу четвертей длин ультразвуковых волн одновременно как в среде 2, так и в материале 5, при параллельном условии, что Z_i≠Z₂, могут возникнуть определенные технологические трудности. Оптимальным выходом является подбор материала 5 таким образом, чтобы в нем скорость распространения ультразвука была в нечетное число раз больше или меньше, чем в среде 2. Широкая номенклатура веществ, применяемых в ультразвуковой технике и технологиях, позволяет решить эту задачу даже без изготовления композиционных материалов. В качестве примеров можно назвать комбинации (для продольных волн): алюминий-свинец, титан-нейлон, олово-окись алюминия и т.д. Использование же композиционных материалов, а также сплавов металлов еще более упрощает выполнение указанных условий.

При втором, альтернативном, варианте осуществления заявленного способа, для глубины l углублений и их относительной площади β должны выполняться соотношения (3). При этом соотношение между Z₂ и Z₁ снова может быть любым, а значение β - не только принадлежать вполне определенному диапазону из соотношений (2), но и быть единственным, причем наиболее технологичным (равным 0,5). В качестве согласующего материала можно использовать материал с любым акустическим сопротивлением, лишь бы было обеспечено выполнение условий (3).

Рационально все углубления выполнять одинаковыми по размеру, размещать их равномерно по поверхности 3 контакта и заполнять одним и тем же материалом 5 (см. чертеж). Глубину l углублений в простейшем случае устанавливают равной четверти длины соответствующей ультразвуковой волны.

При перпендикулярном падении ультразвуковых колебаний (не показаны) из среды 2 на границу 3 раздела согласуемых сред для амплитудного коэффициента R₂₁ отражения ультразвука справедливо соотношение:

Здесь, вдобавок, учтено, что ,

m=0,1,2,…, k=1,2,3,…

Приравнивая выражение (4) к нулю (условие полного согласования сред) и решая полученное уравнение, получаем выражение для β из условий (2). Если же теперь при тех же условиях для l сконструировать выражение для коэффициента R₁₂ отражения ультразвука при падении ультразвуковой волны из среды 1 на границу 3 раздела согласуемых сред и подставить в него значение β из выражений (2), нулевого результата для R₁₂ мы не получим. Это означает, что заявленный способ по первому варианту реализации обеспечивает полное (стопроцентное) согласование сред, но одностороннее. А именно, при падении ультразвука на границу раздела со стороны среды, в которой выполнены углубления. Такого одностороннего согласования достаточно в большинстве приложений технической акустики. Так, например, в технологической аппаратуре, где пьезокерамический преобразователь излучает ультразвук в жидкую среду (стиральные машины, камеры для очистки инструментария и радиоэлементов и т.д.) для повышения энергетической эффективности работы достаточно одностороннее согласование сред.

Аналогичный описанному подход справедлив и для обоснования работоспособности (промышленной осуществимости) заявленного способа по его второму варианту. В этом случае согласование сред также является полным (стопроцентным), но односторонним: при падении волны на границу раздела из среды, в которой выполнены углубления.

Предлагаемый способ акустического согласования сред может применяться и для согласования твердой и жидкой сред. В этом случае жидкость играет роль среды 1 (см. чертеж), а в твердой среде 2 выполняют углубления 4, которые заполняют материалом 5, имеющим акустическое сопротивление, которое по величине больше или меньше сопротивления среды 2 в зависимости от исходного соотношения сопротивлений твердой и жидкой сред. Предлагаемый способ может, в принципе, применяться и для согласования двух жидкостей, жидкости или твердой среды с газом и т.д. При этом в отсутствие твердой среды функциональную роль углублений могут выполнять профиль-мембраны и т.п. конструктивные элементы. Что касается ранее обсужденного требуемого соотношения длин ультразвуковых волн λ_i и λ₂, то можно привести примеры следующих комбинаций твердая среда-жидкость: ацетон-серебро, латунь-вода и т.д.

Способ акустического согласования сред с плоской границей контакта, заключающийся в том, что на контактной границе в одной из согласуемых сред выполняют углубления прямоугольной формы, которые заполняют материалом, имеющим акустическое сопротивление, отличающееся по величине от сопротивления этой среды, отличающийся тем, что относительную площадь β, занимаемую углублениями на контактной поверхности согласуемых сред, и их глубину 1 устанавливают из соотношений:

где Z₂ и Z₁ - акустические сопротивления согласуемых сред, относящиеся соответственно к среде, в которой выполнены углубления, и к среде, не содержащей их,
Z_i и λ_i - соответственно акустическое сопротивление материала, заполняющего углубления, и длина ультразвуковой волны в нем,
λ₂ - длина ультразвуковой волны в среде с акустическим сопротивлением Z₂;
или относительную площадь β, занимаемую углублениями на контактной поверхности согласуемых сред, и их глубину 1 устанавливают из соотношений:

где λ_i и λ₂ - длины ультразвуковых волн соответственно в материале, заполняющем углубления, и в среде с акустическим сопротивлением Z₂, в которой выполнены углубления.