Устройство для измерения мощности ультразвукового излучения

Изобретение предназначено для использования в ультразвуковой технике с целью упростить и сократить длительность определения мощности излучаемого в жидкость ультразвука. Реализация изобретения осуществляется устройством, включающим установленную на платформе весов емкость с водой, предназначенную для излучателя ультразвука, включение которого изменяет показание весов пропорционально мощности излучаемого ультразвука. 1 ил.

 

Изобретение предназначено для использования в экспериментальной и промышленной акустике, в частности для измерения энергии, излучаемой стержневыми ультразвуковыми преобразователями. Цель достигается использованием устройства, содержащего стержневой ультразвуковой излучатель, емкость с жидкостью или газом и весы, на которые эта емкость установлена.

Практически во всех возможных приложениях ультразвука появляется необходимость в оценке параметров, характеризующих ультразвуковое поле, в частности плотности ультразвуковой энергии в поле, созданном излучателем ультразвука[1].

Имеется ряд физических явлений, которые могут быть использованы и используются для регистрации и измерения параметров акустических полей. В случаях, когда появляется необходимость определять средние значения мощности ультразвука или плотности энергии в ультразвуковом поле, несомненное практическое преимущество имеют способы, основанные на измерении механических усилий, возникающих в ультразвуковом поле за счет радиационного давления. Радиационное давление - известное физическое явление, наблюдаемое в ультразвуковом поле. Эту силу можно измерить с большой точностью, ее измерение лежит в основе относительно простого способа оценки акустического поля в основных физических единицах. На настоящий момент этот метод признан международным стандартом для измерения акустической мощности в жидкостях [2].

Устройства, реализующие метод, основанный на измерении радиационного давления, отличаются большим разнообразием. Устройства отличаются друг от друга по чувствительности и по методу измерения силы. Имеются приборы, основанные на стандартных аналитических весах, на электромагнитных компенсационных приборах нулевого отклонения, на датчиках деформаций и компенсационных приборах поплавкового типа [3].

Принцип измерения радиационного давления широко используется и в стандартных измерителях мощности ультразвука, различные модификации которых предназначены для контроля мощности излучения медицинских преобразователей. Все эти измерители имеют относительно сложную конструкцию и предназначены для измерения не слишком высокой мощности ультразвукового излучения (от 0,05 Вт до 30 Вт), с частотами от 0,5 до 12 МГц.

Для измерения энергии, излучаемой мощными низкочастотными преобразователями ультразвука, используются калориметрические методы, основанные на измерении изменения температуры среды, подвергаемой действию ультразвука [4, 5], методы, базирующиеся на измерении потерь, приводящих к нагреванию излучающего устройства [6] и др.

Настоящее изобретение направлено на реализацию возможности быстрого измерения мощности низкочастотного ультразвука с использованием лабораторных весов (чертеж).

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является стандартный «измеритель мощности ультразвукового излучения переносные ИМУ-4ПМ, предназначенный для измерения мощности ультразвукового излучения, генерируемого плоскими излучателями, в виде коллимированного, сфокусированного или несколько расходящегося пучка ультразвуковой энергии в воде при исследованиях технических характеристик ультразвукового медицинского оборудования. Частота измеряемого ультразвукового излучения от 0,5 до 12 МГц, измеряемая мощность от 0,05 до 12 Вт [7].

Однако упомянутое и аналогичные устройства [8, 9, 10] по предназначению не могут обеспечить измерение ультразвукового излучения с частотой 20-50 кГц с мощностью 100 Вт и выше. В связи с тем, что длина волны ультразвука при частотах 20-50 кГц намного превышает размеры излучателя, распространение таких волн, в отличие от высокочастотных волн, практически не подчиняется законам геометрической оптики, и не может быть, «… в виде коллимированного, сфокусированного или несколько расходящегося пучка ультразвуковой энергии…»

Заявленный нами результат достигается использованием устройства в виде весов (1), на платформу которых установлена емкость (2) с водой, в которую опущен излучатель ультразвука (3). Перед включением ультразвука показания весов обнуляются. После включения ультразвука показания весов равны радиационному давлению, оказываемому ультразвуком на дно сосуда, и пропорциональны излучаемой мощности. (Теплоизолированная емкость используется для калибровки устройства калориметрическим методом.)

Калибровка устройства возможна несколькими способами, например калориметрическим. Для этого измеряют температуру жидкости в теплоизолированной емкости до включения ультразвука, время ультразвукового воздействия и температуру жидкости в емкости после выключения ультразвука.

Измерение акустической мощности заключается в ее оценке по степени повышения температуры ΔT=T2-T1 жидкой среды в теплоизолированном объеме V, с известной теплоемкостью С и плотностью ρ по следующей формуле:

P=CρVΔT/t

где t - время воздействия ультразвуком на жидкость в теплоизолированной, емкости. Поскольку практически вся акустическая энергия переходит в тепловую, измерение конечной температуры t2, позволяет по приведенной формуле вычислить величину акустической мощности.

Использование калориметрического метода для определения полезной акустической мощности так же, как и других методов, имеет ряд недостатков:

- процесс измерения занимает достаточно много времени (более 30 секунд);

- процесс измерения требует проведения различных измерений и вычислений;

- отсутствие какой-либо автоматизации увеличивает погрешность измерений.

Однако эти недостатки не влияют на точность калибровки предлагаемого устройства для измерения мощности ультразвукового излучения, которую получают сравнением вычисленных значений, полученных калориметрическим методом, и показанием весов, полученных с использованием предлагаемого устройства.

Таким образом, совокупность отличительных признаков описываемого устройства обеспечивает достижение указанного результата.

В результате проведенного анализа уровня техники измерения мощности низкочастотных ультразвуковых излучателей источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна". Простота решения не реализованного до сегодняшнего дня свидетельствует о соответствии предлагаемого устройства условию "изобретательский уровень".

Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о том, что заявленное изобретение, предназначенное для измерения мощности ультразвукового излучения, обладает заявленными выше свойствами. Для заявленного устройства в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, нет препятствий его осуществления на практике с использованием распространенных и доступных средств электроники и автоматики. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Литература

1. Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами.- М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 2005, 224 с.

2. Международный стандарт для измерения акустической мощности в жидкостях. IEC 1992 b, 1993.

3. Ультразвук в медицине. Физические основы его применения. / Под ред. К.Хила, Дж.Бамбера, Г.тер Хаар. М.: Физматлит, 2008, 540 с.

4. Маргулис И.М., Маргулис М.А. Измерение акустической мощности при исследовании кавитационных процессов. Акустический журнал, 2005, т.51, №5, С.698-708.

5. В.Н.Хмелев, С.Н.Цыганок, Р.В.Барсуков. Система автоматического определения акустической мощности УЗ установок. Материалы конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях». Бийск, 2004. (См. также в http://u-sonic.com/pubs/sistema-avtomaticheskogo-opredeleniya-akusticheskoi-moshchnosti-uz-ustanovok).

6. Говор И.Н., Платонов В.А., Сильвестров С. Способ измерения ультразвуковой мощности излучения. Патент №95109252.

7. Сертификат Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии об утверждении типа средств измерения. Измеритель мощности ультразвукового излучения переносной. ИМУ-4ПМ. 2007.

8. Измеритель мощности и частоты ультразвукового излучения "ИМУТАП". Государственный реестр СИ под №29892-05.

9. Измеритель мощности ультразвукового излучения UPM-DT-1. Каталог ООО «ТД «Аналитические приборы», 2008.

10. Измерители мощности ультразвукового излучения ИМУ-1ПМ, мод. ИМУ-1ПМ, ИМУ-1ПМ-01. Каталог КИПиА ООО "Энергосила".

Устройство для измерения мощности ультразвукового излучения, включающее установленную на платформе весов емкость с водой, предназначенную для излучателя ультразвука, включение которого изменяет показание весов пропорционально мощности излучаемого ультразвука.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области неразрушающего ультразвукового контроля, а именно к способам определения диаграммы направленности пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП).
Изобретение относится к ультразвуковой технике и предназначено для качественной оценки распределения плотностей ультразвуковой энергии в ультразвуковых ваннах и других технологических объемах с водой, повергаемой действию ультразвука.

Изобретение относится к приборам для измерения акустических сигналов. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматики и сигнализации, а также для проверки исправности тормозной системы транспортных средств.

Изобретение относится к области пчеловодства и может найти применение в практической работе на индивидуальных и коллективных пасеках. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики помпажа - продольных автоколебаний, несанкционированно возникающих в компрессорах газотурбинных установок, а также для оценки параметров помпажных колебаний.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для диагностики технического состояния механизмов с вращающимися элементами конструкции.

Изобретение относится к способу измерения внешнего шума автомобиля и может быть использовано для определения вклада глушителя выпуска отработавших газов во внешнее звуковое поле автомобиля.

Изобретение относится к виброизмерительной технике. .

Изобретение относится к деталям машин и может быть использовано для виброакустической диагностики передач зацеплением приводов машин, применяемых в машиностроительной, металлообрабатывающей, станкостроительной, авиационной промышленности и других.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к виброобработке маложестких деталей для снижения в них остаточных напряжений

Изобретение относится к области пчеловодства и может найти применение в практической работе на индивидуальных и коллективных пасеках

Изобретение относится к способам определения шумового загрязнения территории и может быть использовано при осуществлении контроля уровня шума на границе жилой застройки, а также для определения вклада источника шума в общую акустическую ситуацию на границе жилой застройки. Сущность: определяют характерный по уровню шума период работы источника шума, соответствующий периоду с наибольшим уровнем шума. Определяют характерную точку на плане местности из условия соответствия наибольшему уровню шума. В области характерной точки проводят многократные натурные замеры уровня шума на высотах, соответствующих высотному расположению окон каждого этажа жилой застройки. Определяют характерную по уровню шума высотную точку, соответствующую наибольшему уровню шума. Проводят дополнительные многократные натурные замеры уровня шума в характерный период работы источника шума одновременно у источника шума и в характерной по уровню шума высотной точке. Сопоставляют уровень шума для характерной по уровню шума высотной точки, сравнивая два значения уровня шума: первое - полученное в результате замеров уровня шума в характерный по уровню шума период работы источника шума, и второе - определенное в результате расчета уровня шума из условия его снижения расстоянием. Величину вклада источника шума определяют как разницу первого и второго упомянутых значений уровня шума. Технический результат: повышение точности определения уровня шума, обеспечение возможности определения вклада источника шума в общую акустическую ситуацию. 1 ил.

Использование: для акустико-эмиссионной диагностики морских ледостойких сооружений. Сущность изобретения заключается в том, что в критичных узлах конструкции сооружения устанавливают акустико-эмиссионные преобразователи звукового диапазона частот, регистрируют сигналы акустической эмиссии и по параметрам сигналов акустической эмиссии определяют степень дефекта конструкции сооружения, при этом дополнительно устанавливают в критичных узлах конструкции сооружения группу акселерометров, воспринимающих механические напряжения низкочастотных колебаний инфразвукового диапазона частот, а затем вычисляют первую функцию взаимной корреляции между сигналами, поступающими от акустико-эмиссионных преобразователей и акселерометров, а затем вторую функцию взаимной корреляции между сигналами, поступающими от каждой пары ближайших акустико-эмиссионных преобразователей, при этом дефекты сооружения обнаруживают по амплитуде и форме максимумов от каждой функции корреляции, а координаты дефектов определяют по временной задержке максимума второй функции корреляции между каждой парой акустико-эмиссионных преобразователей. Технический результат: повышение надежности обнаружения и диагностики скрытых дефектов морских ледостойких сооружений. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Группа изобретений относится к области диагностики, в частности к вибродиагностике, и может быть использована для выявления наличия дефектов в узлах и агрегатах автомобиля. Способ заключается в том, что виброакустический сигнал усиливают, фильтруют, дискретизируют по времени. Затем на каждом очередном шаге дискретизации определяют суммарное значение результатов нелинейных интегральных преобразований функцией y(x)=sin(x)*x2 следующих друг за другом N отсчетов виброакустического сигнала, сравнивают полученное значение с пороговым уровнем Δ. В случае превышения порогового уровня формируется сигнал о наличии дефекта. Устройство содержит последовательно соединенные вибродатчик с усилителем, фильтр, блок дискретизации, блок нелинейных интегральных преобразований, блок определения суммарного значения отсчетов, компаратор. Генератор тактовых импульсов соединен со вторым входом блока дискретизации и вторым входом блока определения суммарного значения отсчетов. Формирователь порогового уровня соединен со вторым входом компаратора, который является выходом схемы. Технический результат заключается в повышении достоверности выявления наличия дефектов. 2 н. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к техническим средствам для обеспечения безопасности жизнедеятельности. Система включает измерительный микрофон с передающим устройством, связанный с измерителем шума по радиоканалу, четырехрежимное сигнально-информационное табло, связанное с блоком вычислителя по радиоканалу, и устройство ввода информации. Блок вычислителя содержит приемное устройство, измеритель шума, блок индикации, блок питания, приемо-передающее устройство получения информации с измерительного микрофона и передачи информации на сигнально-информационное табло, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, микроЭВМ, выполненную с возможностью определения средней интенсивности шума (L, дБА), посредством режима «скользящего окна» и с учетом характеристик используемых противошумов, и вычисления риска ошибочных действий (R), обусловленных воздействием шума, по формуле R=1-(0,0003167e0,061112L+1,10521), при этом риск ошибочных действий (R) кодируется цветом и режимом, а сигнал передается на табло в виде зеленого, при R<0,3 - низкий риск, желтого, при 0,3≤R<0,6 - выраженный риск, красного, при 0,6≤R<0,9 - высокий риск, красного пульсирующего, при R≥0,9 - очень высокий риск. Использование изобретения позволяет повысить оперативность информирования о риске ошибочных действий, обусловленных воздействием производственного шума. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к метрологии, в частности к способам вибрационной диагностики. Способ измерения вибрационных нагрузок на двигателе летательного аппарата предполагает измерение вибраций с последующим определением спектральной плотности мощности ускорения вибрационного процесса Wxx(f), рассчетом интегральной характеристики Qxx(f), представляющей накопленную по частоте площадь под кривой спектральной плотности мощности. Затем определяют амплитудные уровни и частоты вибрационных нагрузок путем выбора частот с пиковыми уровнями спектральной плотности в Wxx(f) и выявления скачкообразных приращений Δi ординат площади. Определяют амплитуды ускорения по результатам приравнивания каждой Δi на частотах fi к среднему значению квадрата амплитуды гармонического колебания. Все остальные частоты, где отсутствуют скачкообразные приращения, относят к случайным составляющим измеренного вибрационного процесса с уровнями полученной спектральной плотности мощности. Сопоставляют их с аналогичными параметрами, установленными в технических требованиях, и оценивают вибрационную совместимость нового двигателя, работающего в составе силовой установки. Технический результат - повышение точности измерений, сокращение времени на диагностику. 1 ил.

Использование: для определения диаграммы направленности пьезоэлектрического преобразователя (ПЭП). Сущность изобретения заключается в том, что перемещают ПЭП по образцу с ненаправленным отражателем, измеряя амплитуды U и времена прихода эхо-сигналов t в произвольных точках образца, выполняют расчет угла ввода при известной глубине отражателя h и скорости распространения ультразвука в образце c по формуле α=arccos(2h/ct), после чего определяют диаграмму направленности. Технический результат: повышение достоверности и точности измерений. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх