Оптоакустический анализатор экологического состояния среды


 

G01N29/032 - Исследование или анализ материалов с помощью ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн; визуализация внутреннего строения объектов путем пропускания через них ультразвуковых или звуковых волн через предметы (G01N 3/00-G01N 27/00 имеют преимущество; измерение или индикация ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн вообще G01H; системы с использованием эффектов отражения или переизлучения акустических волн, например акустическое изображение G01S 15/00; получение записей с помощью способов и устройств, аналогичных используемым в фотографии, но с использованием ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн G03B 42/06)

Владельцы патента RU 2572293:

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ, ОТ ИМЕНИ КОТОРОЙ ВЫСТУПАЕТ МИНИСТЕРСТВО ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ТОРГОВЛИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (RU)

Использование: для анализа экологического состояния морской среды. Сущность изобретения заключается в том, что оптоакустический анализатор экологического состояния среды содержит импульсно-модулированный лазер, выходное окно которого направлено в сторону исследуемого образца, и регистрирующие акустические сигналы акустические пьезоприемники, при этом он снабжен оптоакустической ячейкой, состоящей из входной и выходной призм, между которыми образована кювета для исследуемого образца среды, а на внешней поверхности выходной призмы установлены два акустических пьезоприемника, один из которых расположен на оси линии, проведенной через центр облучаемой области перпендикулярно к оси лазера, а второй расположен под углом 50-80 градусов к этой оси. Технический результат: обеспечение возможности обнаруживать неоднородные включения в жидкости за счет разных теплофизических характеристик их микронеоднородностей. 1 ил.

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов оптоакустическими (ультразвуковыми) методами для выявления в исследуемых объектах структурных неоднородностей и может быть использовано для анализа экологического состояния морской среды.

Известно устройство лазерно-акустического контроля твердых материалов, содержащее источник импульсного оптического излучения, оптическое волокно, для передачи оптического импульса к поверхности исследуемого образца, акустического датчика, имеющего сферическую форму, фокус которого совпадает с положением конца световода, с помощью которого создается точечный акустический источник на поверхности образца (Патент США №5381695, МПК G01N 29/04 от 27.11.1987 г.).

Недостаток устройства заключается в том, что в образце звуковые волны генерируются сфокусированным оптическим пучком, акустический датчик имеет сферическую форму, фокус сферы совпадает с точкой генерации звука, а точка фокуса может не содержать исследуемые неоднородности, если концентрация их невелика, и результат будет недостоверным.

Известно устройство лазерно-акустического контроля, которое содержит генератор ультразвуковых импульсов на основе импульсного лазера, пластину, которая излучает акустические импульсы и, в свою очередь, колеблется под действием акустических импульсов, отраженных от акустической неоднородности, создавая вибрации поверхности. Вибрации поверхности регистрируются другим зондирующим лазером, имеющим непрерывное излучение (Патент США US №5457997, МПК G01N 29/04 от 17.10.1995 г.). Недостатком устройства является малая чувствительность при обнаружении неоднородностей малого размера, а также неоднородностей, имеющих близкий акустический импеданс к импедансу окружающего частицу материала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является оптоакустический анализатор экологического состояния среды, содержащий импульсно-модулированный лазер, выходное окно которого направлено в сторону исследуемого образца, и акустические датчики, регистрирующие акустические сигналы, а также расширяющую линзу и акустически прозрачный распределенный оптико-акустический преобразователь, излучающий акустический сигнал со своих обеих поверхностей и расположенный над поверхностью исследуемого материала, причем торец оптического волокна через расширяющую линзу направлен на оптико-акустический преобразователь, а акустический датчик помещен либо между оптико-акустическим преобразователем и исследуемым твердым материалом, либо со стороны оптико-акустического преобразователя, противоположной по отношению к исследуемому твердому материалу, и выполнен в виде решетки из локальных пьезоэлементов, каждый из которых соединен через предусилитель и аналого-цифровой преобразователь с компьютером (Патент РФ RU №2232983 С2, МПК G01N 29/02, от 02.10.2002 г.).

Недостатком устройства является то, что неоднородности могут быть обнаружены только в том случае, если их акустический импеданс отличается от окружающего материала, следовательно, невозможно проводить измерение параметров морской среды, содержащей жидкие неоднородности в виде эмульсий.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности обнаруживать неоднородные включения в жидкости за счет разных теплофизических характеристик их микронеоднородностей, поскольку при поглощении света в этих материалах создаются акустические сигналы с разными спектральными и пространственными характеристиками, которые фиксируются акустическими датчиками.

Технический результат достигается за счет того, что оптоакустический анализатор экологического состояния морской среды, содержащий импульсно-модулированный лазер, выходное окно которого направлено в сторону исследуемого образца, и регистрирующие акустические сигналы акустические пьезодатчики, снабжен оптоакустической ячейкой, состоящей из входной и выходной призм, между которыми образована кювета для исследуемого образца, а на внешней поверхности выходной призмы установлены два акустических пьезодатчика, один из которых расположен на оси линии, проведенной через центр облучаемой области перпендикулярно к оси лазера, а второй расположен под углом 50-80 градусов к этой оси.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит импульсно-модулированный лазер 1, выходное окно которого направлено в сторону исследуемого образца 3, оптоакустическую ячейку, состоящую из входной 2 и выходной 4 призм, между которыми образована кювета для помещения в нее исследуемого образца 3, и регистрирующие акустические сигналы акустические пьезодатчики 5 и 6, установленные на внешней поверхности выходной призмы 4, при этом один из пьезодатчиков 5 расположен на оси линии, проведенной через центр облучаемой области перпендикулярно к оси лазера 1, а второй расположен под углом 50-80 градусов к этой оси.

Устройство работает следующим образом.

Луч импульсно-модулированного лазера 1 направляется на анализируемый образец жидкости 3, помещенный в оптоакустическую ячейку, состоящую из входной призмы 2, выходной призмы 4, акустического пьезодатчика 5 и акустического пьезодатчика 6. Проходя через образец 3, энергия лазерного луча частично поглощается в нем и создает акустические импульсы, которые регистрируются акустическими пьезодатчиками 5 и 6. Сигналы с акустических датчиков подаются на АЦП, а затем в компьютер (на чертеже не показаны). Перед началом измерений производится калибровка устройства. Для этого в оптоакустическую ячейку помещают образец чистой жидкости (без примесей) и измеряют амплитуды акустических импульсов, приходящих на оба пьезодатчика 5 и 6. После этого можно проводить измерения исследуемого образца. Для этого в ячейку 3 помещают образец жидкости с примесями и также измеряют амплитуды акустических импульсов. Величина амплитуды акустического сигнала в каждом направлении является суммой сигналов от двух источников звука, возникающих при поглощении лазерного излучения в образце. Один источник звука возникает вследствии теплового расширения жидкости, вызванного ее нагревом при прохождении лазерного излучения в образце. Время нагрева и теплового расширения образца определяется длительностью лазерного импульса τ=10-8 сек. При этом амплитуда и длительность акустических импульсов, регистрируемая акустическим датчиком, будет сильно зависеть от его положения относительно области излучения звука. Так, при диаметре лазерного луча 5-6 мм, для акустических импульсов, регистрируемых под углом 70-80 град, амплитуда уменьшится, а длительность акустических импульсов увеличится более чем в 100 раз. Другой источник звука возникает в результате быстрого нагрева частиц примеси лазерным излучением и затем относительно медленным нагревом окружающей частицу жидкости. Нагретая частицей жидкость излучает акустический импульс, длительность которого зависит от теплофизических свойств частицы и жидкости и размеров частицы. Для частиц размером больше 2-3 мкм характерная длительность акустического импульса больше 5 мкс. При диаметре лазерного луча 5-6 мм амплитуда и длительность акустических импульсов слабо зависит от угла, под которым расположен приемный датчик. Пусть А1 и А2 - амплитуды сигналов, создаваемых за счет теплового расширения жидкости, регистрируемые на оси и под углом соответственно в чистой жидкости. Они связаны линейным соотношением А1=κ·А2. В результате калибровки по результатам измерения амплитуд определяется коэффициент κ. Пусть B1 и В2 - амплитуды сигналов, создаваемых за счет присутствия частиц в жидкости на оси и под углом соответственно. Тогда, при измерении жидкости с примесями, с помощью датчиков будет измерена амплитуда A1+B1 - на оси и А22 - под углом. Поскольку в направлении оси амплитуда A1 определяется высокочастотными компонентами сигнала, лежащими в области частот около 100 МГц, а амплитуда B1 определяется частотами до 100 кГц, измеренная амплитуда сигнала равна A1. Таким образом, в результате измерений получаем величины A1 и κ, по которым вычисляем А2, а затем и В2, по величине которой можно судить о наличии в жидкости неоднородностей и определить их объемное содержание. Величина В2 линейным образом связана с величиной объемной концентрацией N: В2=К·N. Коэффициент К может определяться с помощью калибровки по известному раствору или расчетным путем.

Оптоакустический анализатор экологического состояния среды, содержащий импульсно-модулированный лазер, выходное окно которого направлено в сторону исследуемого образца, и регистрирующие акустические сигналы акустические пьезоприемники, отличающийся тем, что он снабжен оптоакустической ячейкой, состоящей из входной и выходной призм, между которыми образована кювета для исследуемого образца среды, а на внешней поверхности выходной призмы установлены два акустических пьезоприемника, один из которых расположен на оси линии, проведенной через центр облучаемой области перпендикулярно к оси лазера, а второй расположен под углом 50-80 градусов к этой оси.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к строительству, а именно к способам контроля качества укладки бетонной смеси, и может быть использовано при операционном контроле качества выполнения строительно-монтажных работ при бетонировании бетонных и железобетонных конструкций.

Изобретение относится к устройствам для сбора данных при помощи акустических волн, в частности к фотоакустической томографии. Устройство содержит детектор, включающий множество регистрирующих элементов для приема на соответствующих приемных поверхностях акустических волн от области измерения объекта, причем приемные поверхности, по меньшей мере, некоторых из регистрирующих элементов, ориентированных под различными углами, зафиксированы относительно друг друга, блок сканирования для перемещения, по меньшей мере, одного из объекта и детектора, блок управления для управления блоком сканирования так, что регистрирующие элементы принимают акустические волны от области измерения и относительное положение объекта и области с самой высокой разрешающей способностью области измерения изменяется, причем область с самой высокой разрешающей способностью определена в зависимости от размещения регистрирующих элементов.

Использование: для определения эрозионной стойкости твердых микро- и нанообъектов при воздействии кавитации. Сущность изобретения заключается в том, что одну грань исследуемого объекта упрочняют, после чего проводят кавитационное воздействие в герметичной камере с жидкостью при избыточном гидростатическом давлении, обработку исследуемого объекта ведут гидроакустическим потоком при плотности мощности ультразвукового излучения, достаточной для нахождения исследуемого образца во взвешенном состоянии, оценивают эрозионную стойкость по состоянию рельефа поверхности, его геометрическим и объемным параметрам по сравнению с первоначальным состоянием объекта.

Предлагаемое устройство относится к ультразвуковой контрольно-измерительной технике и может быть использовано в приборах контроля расхода высокотемпературных жидких и газовых потоков.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для тестирования жидкости, используемой как восстановитель, в связи с очисткой выхлопных газов из двигателя внутреннего сгорания.

Использование: для измерения акустического сопротивления материалов. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения акустического сопротивления твердых материалов, содержащее первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, ультразвуковой генератор, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, делитель и блок функционального преобразования, при этом второй вход делителя подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, а выход делителя связан с блоком функционального преобразования, при этом первый вход делителя подключен к первому ультразвуковому преобразователю, между выходом делителя и входом блока функционального преобразования введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины и экспоненциального преобразования, а блок функционального преобразования реализует заданную функциональную зависимость или в устройство введена цепочка последовательно соединенных блоков: вычисления обратной величины, аналогового инвертирования и экспоненциального преобразования, причем блок функционального преобразования в этом случае реализует другую заданную функциональную зависимость.

Использование: для измерения акустического сопротивления однородных сред. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения акустического сопротивления однородных сред содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемой и контрольной средами соответственно, ультразвуковой генератор, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, суммирующий каскад, входы которого подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, делитель и блок функционального преобразования, связанный с выходом делителя, при этом в состав устройства введены дифференциальный усилитель и блок возведения в степень, причем первый вход дифференциального усилителя подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, а второй вход этого усилителя подключен к первому ультразвуковому преобразователю, первый вход делителя подключен к выходу дифференциального усилителя, а второй его вход подключен к выходу суммирующего каскада, выход делителя подключен к входу блока возведения в степень, а выход последнего подключен к входу блока функционального преобразования, причем блок функционального преобразования реализует заданную функциональную зависимость.

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для измерения скорости звука в естественных водоемах. Предложен способ акустического мониторинга изменчивости параметров морских акваторий, заключающийся в формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, которой включает измерение скорости распространения звука, температуры и давления в образцовой зоне водоема на фиксированных горизонтах, свободной от загрязнений техногенного характера, при этом полученные значения измеренной скорости распространения звука являются эталонными значениями для данного водоема и заносятся в память вычислительного устройства средства акустического мониторинга, при формировании в морской среде акустической трассы распространения звука и обработке принятого приемным элементом трассы акустического сигнала, измерения скорости распространения звука выполняют при температуре и давлении, соответствующих температуре и давлению полученных эталонных значений скорости распространения звука на фиксированных горизонтах акватории исследуемого водоема.

Использование: для акустического согласования пьезоэлемента иммерсионного ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя с контролируемой средой. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют формирование между пьезоэлементом и контролируемой средой протектора и размещение с другой стороны пьезоэлемента демпфера, при этом толщину пьезоэлемента и толщину протектора определяют исходя из резонансной частоты пьезоэлемента fпэ=(1,10÷1,12)f+(0,1÷0,2), где f - эффективная частота эхо-импульса, а материалы протектора и демпфера выбирают с акустическими сопротивлениями из диапазонов, удовлетворяющих определенным соотношениям.

Использование: для ультразвуковой дефектоскопии. Сущность изобретения заключается в том, что разбивают пьезоэлементы антенной решеткой на несколько подрешеток, присваивают каждому излучающему элементу подрешетки свой зондирующий сигнал из набора псевдоортогональных сигналов, выполняют одновременное излучение в объект контроля всеми элементами подрешетки и принимают из него ультразвуковые сигналы с помощью любой подрешетки с последующим декодированием принятых эхо-сигналов для формирования набора эхо-сигналов, который можно было бы получить при излучении и приеме всеми парами элементов антенной решетки, при этом для каждой из пар подрешеток и для каждого положения антенной решетки используется свой набор псевдоортогональных сигналов, например кодов Касами или линейно-частотно-модулированных сигналов, а декодирование для формирования набора эхо-сигналов для восстановления изображения отражателей методом C-SAFT производится методом максимальной энтропии.

Изобретение относится к области акустического анализа пористых материалов и может быть использовано для исследования образцов керна. Согласно предложенному способу определения скорости распространения акустических волн в пористой среде облучают по меньшей мере два образца пористой среды, имеющих разную длину, акустическими волнами, возбуждаемыми источником. Для каждого образца регистрируют время прихода волны от источника акустических волн к приемнику и определяют скорость распространения акустических волн на основе анализа изменений времени прихода волны по отношению к изменению длины образцов. Технический результат - повышение точности определения скорости распространения волн. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения теплового потока, исходящего от теплонесущей текучей среды. Заявлен способ определения теплового потока (dQ/dt), исходящего от теплонесущей текучей среды (12), которая представляет собой смесь по меньшей мере двух различных текучих сред и которая протекает через пространство (11) потока от первого положения, где она имеет первую температуру (Т1), ко второму положению, где она имеет благодаря этому тепловому потоку (dQ/dt) вторую температуру (Т2), которая ниже, чем упомянутая первая температура (Т1). Плотность и удельную теплоемкость упомянутой теплонесущей текучей среды (12) определяют путем измерения скорости (vs) звука в упомянутой текучей среде, а упомянутые плотность и удельную теплоемкость упомянутой теплонесущей текучей среды (12) используют для определения теплового потока (dQ/dt). Также предложено устройство для реализации указанного способа, включающее средство для измерения дифференциальной температуры, средство для измерения абсолютной температуры, средство для измерения скорости звука в текучей среде, средство для измерения объемного расхода, а также блок оценки для определения теплового потока на основании полученных данных. Технический результат - повышение точности определения теплового потока, исходящего от теплонесущей текучей среды. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: для оценки скорости поперечной волны. Сущность изобретения заключается в том, что средневзвешенное положение во времени рассчитано на основании замеров сдвига поперечных волн вдоль пути распространения. Взвешивание осуществляют, например, по сдвигу, наблюдаемому в моменты времени (230), отвечающие замерам, и оно соответствует времени прибытия поперечной волны в отвечающую замерам точку траектории распространения поперечной волны. В некоторых вариантах осуществления рассчитанные времена прибытия поперечных волн в соответствующие точки функционально связаны с известными расстояниями между местоположениями, что позволяет рассчитать групповую скорость поперечных волн. Полученную скорость можно использовать в качестве входных данных в известных алгоритмах оценки упругости при сдвиге среды, такой как ткани организма, для целей клинического диагноза и терапевтической оценки. Технический результат: повышение точности определения скорости поперечной волны. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к средству оценки рентгеновского изображения. Фантом содержит пластинчатый элемент, имеющий на виде в плане четырехугольную форму и содержащий несколько областей, обладающих разными коэффициентами поглощения рентгеновского излучения. Блочные элементы расположены на пластинчатом элементе, причем каждый блочный элемент содержит несколько подобластей, обладающих разными коэффициентами поглощения рентгеновского излучения. Узлы проводов расположены на пластинчатом элементе, причем каждый узел проводов содержит несколько проволочных стерженьков, расположенных наклонно относительно одной стороны пластинчатого элемента. Изобретение позволяет проводить одновременную оценку рентгеновского изображения для частей, обладающих разными коэффициентами поглощения рентгеновского излучения. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Использование: для определения формы индикатрисы рассеяния дефекта при ультразвуковом контроле. Сущность: заключается в том, что выполняют регистрацию пространственной огибающей эхо-сигналов от дефекта по точкам с известными координатами х точки выхода луча ПЭП и вычисляют нормированную функцию огибающей, которая связана с формой индикатрисы рассеяния, пространственную огибающую рассчитывают по времени прихода эхо-сигналов в произвольных точках. По времени прихода эхо-сигнала с максимальной амплитудой вычисляют глубину залегания дефекта, а координаты остальных точек выхода луча ПЭП вычисляют по времени прихода сигнала в этих точках и вычисленной глубине. Технический результат: обеспечение возможности разработки способа определения формы индикатрисы рассеяния дефекта, позволяющего автоматизировать процесс, повысить достоверность и точность измерений, а также надежность контроля. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: для измерения коэффициента затухания ультразвуковых волн (УЗВ) в различных средах. Сущность изобретения заключается в том, что на первую поверхность образца устанавливают первый преобразователь, совмещенно подключенный к дефектоскопу, измеряют амплитуду второго донного импульса, устанавливают на противоположной поверхности образца соосно первому второй преобразователь, не подключенный к дефектоскопу, измеряют амплитуду первого донного импульса, подключают второй преобразователь к дефектоскопу взамен первого, не меняя положения преобразователей относительно контролируемого образца, измеряют амплитуду первого донного импульса, снимают с образца первый преобразователь, измеряют амплитуду второго донного импульса и по соотношению измеренных амплитуд судят о величине коэффициента затухания. Технический результат: повышение точности измерения коэффициента затухания ультразвуковых волн. 4 ил.

Изобретения относятся к медицинской технике, а именно к средствам применения ультразвука для бережного и быстрого нагревания образца. Способ анализа образца с использованием ультразвукового преобразователя состоит в управлении ультразвуковым преобразователем по меньшей мере на двух частотах, включающих в себя основную частоту и по меньшей мере одну альтернативную частоту, причем ультразвуковой преобразователь приводится в работу на основной частоте для генерации ультразвуковых волн, которые подлежат передаче внутрь образца, и на одной из альтернативных частот для генерации тепла в ультразвуковом преобразователе вследствие поглощения электрической мощности ультразвукового преобразователя, причем тепло используется для нагревания образца вследствие проводимости тепла, генерируемого в ультразвуковом преобразователе. Система содержит по меньшей мере один держатель образца, по меньшей мере один ультразвуковой преобразователь, который выполнен с возможностью теплопроводного соединения с образцом, вставленным в держатель образца, и блок управления ультразвуковым преобразователем, который выполнен с возможностью работать по меньшей мере на двух частотах и управлять ультразвуковым преобразователем на основной частоте и на одной из альтернативных частот для генерации тепла в ультразвуковом преобразователе. Использование изобретений позволяет обеспечить нагрев образца без повреждения и контролируемым образом. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для температурной компенсации в устройстве CMUT. Устройства CMUT используют во многих применениях, например, ультразвукового формирования изображения и измерения давления. Эти устройства работают посредством считывания изменения электрической емкости, вызываемого отклонением мембраны (32), содержащей один из пары электродов в устройстве, из-за ультразвукового воздействия или давления, приложенного к мембране. Устройство CMUT может быть восприимчивым к воздействиям изменения температуры. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 14 ил.
Наверх