СПОСОБ ОДНОСТОРОННЕГО АКУСТИЧЕСКОГО СОГЛАСОВАНИЯ СРЕД Российский патент 2011 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть использовано в ультразвуковой технологической аппаратуре, например в конструкциях ультразвуковых приемников сигналов акустической эмиссии.

Известен способ акустического согласования сред с плоской границей контакта посредством формирования между ними плоского слоя, акустическое сопротивление Z_i и толщина l которого подчиняются соотношениям

; ; m=0, 1, 2, …,

где Z₁ и Z₂ - акустические сопротивления согласуемых сред,

λ_i - длина ультразвуковой волны в материале согласующего слоя (см., например, И.Н.Ермолов. Теория и практика ультразвукового контроля. - М.: Машиностроение, 1981. - С.36).

Указанный способ является низкотехнологичным ввиду трудности подбора материала согласующего слоя (для обширных парных комбинаций согласуемых сред), узкополосности и т.д.

Наиболее близким к предлагаемому является способ акустического согласования сред с плоской границей контакта, заключающийся в том, что на контактной границе в среде с более высоким акустическим сопротивлением выполняют пустотелые углубления прямоугольной формы (патент RU №2036469, МПК G01N 29/24, 1995 г.). 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 более высоким значением Z₂ акустического сопротивления.

Недостатком указанного способа-прототипа является узкая область применения, обусловленная необходимостью выполнять пустотелые углубления в среде с более высоким значением акустического сопротивления, чем у согласуемой с ней среды. Этот способ не может быть применен, 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.

Целью изобретения является расширение возможностей способа акустического согласования сред, осуществляемого путем выполнения в одной из согласуемых сред на ее контактной границе с другой средой пустотелых углублений прямоугольной формы.

Поставленная цель достигается за счет того, что пустотелые углубления прямоугольной формы выполняют на контактной границе в среде с меньшим акустическим сопротивлением. Наилучшее согласование сред достигается в том случае, когда относительную площадь β, занимаемую углублениями на контактной поверхности согласуемых сред, и их глубину l устанавливают из соотношений

где λ₂ - длина ультразвуковой волны в среде с более низким значением

Z₂ акустического сопротивления,

остальные обозначения прежние.

Таким образом, в отличие от способа-прототипа, в предлагаемом способе пустотелые углубления выполняют в среде с меньшим значением акустического сопротивления, чем у согласуемой с ней среды. Кроме того, геометрический размер (глубину) углублений и их удельную площадь в проекции на поверхность контактной границы согласуемых сред, обеспечивающие достижения наивысшей степени акустического согласования последних, устанавливают из соотношений (2), отличающихся от соотношений (1) для способа-прототипа. Это позволяет избежать недопустимого по техническим условиям выполнения углублений в среде с более высоким значением акустического сопротивления, чем у согласуемой с ней среды. Указанные отличия позволяют расширить условия применения известного способа акустического согласования сред посредством выполнения в одной из них углублений прямоугольной формы. Наивысшая (стопроцентная) степень акустического согласования сред достигается при выполнении условий (2), но она является односторонней. То есть полное согласование обеспечивается для акустических колебаний, падающих на границу со стороны среды с меньшим акустическим сопротивлением Z₂. Такого одностороннего согласования достаточно в большинстве приложений технической акустики. Так, например, в акустико-эмиссионной аппаратуре, где роль среды с более высоким акустическим сопротивлением Z₁ играет пьезокерамический приемный преобразователь, достаточно обеспечивать акустическое согласование сред при прохождении сигналов акустической эмиссии от их источника через среду с более низким акустическим сопротивлением.

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

На прилагаемом чертеже схематически показано выполнение заявленного способа при согласовании двух твердых сред 1 и 2. На границе 3 этих сред выполняют углубления 4 прямоугольной формы. Углубления 4 выполняют в среде 2 с акустическим сопротивлением Z₂, которое по величине меньше, чем акустическое сопротивление Z₁ среды 1. Указанные углубления создают любым известным способом механической обработки, обеспечивающим выборку материала, например, фрезерованием. Целесообразно выполнять все углубления 4 одинаковыми по размерам в соответствии с выражением (2) и равномерно распределять их по поверхности 3 акустического контакта. Из выражения (2) очевидно, что для реализации заявленного способа (0<β<0,5) необходимо и достаточно, чтобы обеспечивалось Z₁>Z₂.

Запишем выражение для амплитудного коэффициента R₂₁ отражения ультразвуковых колебаний от сформированной границы раздела при падении их на границу со стороны среды 2 (см. фиг.1)

Здесь учтено, что k=1, 2, 3,….

Приравнивая выражение (3) к нулю и решая полученное уравнение относительно β, получим выражение для последней величины, приведенное в (2). Подставляя его в аналогичное выражение для коэффициента отражения, соответствующего противоположному направлению падения волны на границу раздела, с учетом наложенных условий на глубину l, мы нулевого коэффициента отражения не получим. Этим доказывается односторонний характер согласования акустических сопротивлений по предложенному способу.

Заявленный способ может применяться не только для согласования двух твердых сред, но и твердой среды с жидкостью, твердой среды с консистентной смазкой или эластомером, двух несмешивающихся жидкостей и т.д. При этом в отсутствии твердой среды роль углублений могут выполнять профильные тонкие мембраны и т.п. конструктивные элементы.

Предложенный способ не требует для своей реализации создания нового оборудования. Все необходимые технологические операции могут быть выполнены на известном оборудовании, используемом для точения, фрезерования, сверления, прессования, литья и т.д.

Использование: для одностороннего акустического согласования сред. Сущность заключается в том, что на контактной границе в одной из согласуемых сред выполняют пустотелые углубления прямоугольной формы, при этом углубления выполняют в среде с более низким значением акустического сопротивления. Технический результат: расширение класса и номенклатуры используемых в акустических конструкциях материалов, подлежащих акустическому согласованию по условиям работы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ одностороннего акустического согласования сред с плоской границей контакта, заключающийся в том, что на контактной границе в одной из согласуемых сред выполняют пустотелые углубления прямоугольной формы, отличающийся тем, что углубления выполняют в среде с более низким значением акустического сопротивления.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что относительную площадь β, занимаемую углублениями в проекции на контактную поверхность 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,
λ₂ - длина ультразвуковой волны в среде с более низким значением Z₂ акустического сопротивления.