Мишень для измерения мощности ультразвукового излучения Российский патент 2023 года по МПК G01H3/14 

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для измерения мощности ультразвукового излучения, падающего на мишень в виде коллимированного, сфокусированного или немного расходящегося пучка ультразвуковой энергии в воде, генерируемого излучателями (датчиками) медицинского ультразвукового оборудования.

Известны приборы для измерения мощности ультразвука (УЗ) в воде (ультразвуковые ваттметры, ультразвуковые радиометры, измерители мощности ультразвука в воде и пр.), в основу работы которых положен метод гравитационного уравновешивания радиационного воздействия ультразвуковой волны, падающей вертикально сверху или снизу на находящуюся в воде мишень (отражающего или поглощающего типа). Радиационное воздействие (сила F) ультразвуковой волны связано с ее мощностью Р простым соотношением:

где с - скорость звука в среде распространения (в воде);

Θ - угол между направлением распространения УЗ волны и нормалью к отражающей поверхности.

Отражающие поверхности отражающих мишеней обычно имеют форму прямого (выпуклые) или обратного (вогнутые) конуса. Обе конструкции рекомендованы стандартом Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) IEC 61161:2013 [1] и гармонизированным с ним национальным стандартом ГОСТ Р МЭК 61161-2019 [2]. Эти отражающие мишени и выбраны в качестве прототипа как наиболее близкие предлагаемому изобретению. Схема расположения отражающих мишеней в измерителях мощности ультразвука показана на Фиг. 1.

Однако каждому из этих типов мишеней, принятых за прототип, присущи определенные недостатки:

1) при расходящемся ультразвуковом пучке мишень, имеющая форму прямого конуса, дает неточные результаты измерения, т.к. часть энергии пучка «скользит» вдоль конической поверхности и проходит мимо мишени;

2) мишень, имеющая форму прямого конуса, в неоднородном ультразвуковом пучке будет смещаться в сторону от оси пучка, что вызывает поперечные колебания мишени на нитях подвеса и затрудняет измерения высоких уровней мощности;

3) для мишени, имеющей форму прямого конуса, необходимо покрытие стенок поглощающим ультразвук материалом, непрозрачность которого исключает визуальное наблюдение за мишенью (например, при контроле отсутствия пузырьков воздуха, возникающих в воде при облучении);

4) как мишень, имеющая форму прямого конуса, так и мишень, имеющая форму обратного конуса, выполненные из жесткого материала (например, нержавеющей стали) с большим акустическим сопротивлением, имеют относительно большую массу, что ограничивает их применение в измерителях с микровесами с малыми наибольшими пределами взвешивания (НПВ), что приводит к ограничению диаметра мишени, необходимого для обеспечения измерений излучателей с малыми волновыми размерами ka (k=2π/λ - волновое число, λ - длина ультразвуковой волны, а - радиус излучателя), т.е. на низких частотах и для малом диаметре излучателя;

5) геометрия мишени, имеющей форму обратного конуса, исключает ее близкое расположение у излучателя, к которому может возвращаться часть отраженной от мишени энергии, а увеличенное отстояние мишени вынуждает вводить поправки на затухание ультразвука в воде, оценка которых вызывает определенные трудности.

Изобретение поясняется иллюстрациями.

На Фиг. 1 представлено схематичное изображение измерителей мощности с отражающими мишенями (прототип);

на Фиг. 2 представлена отражающая мишень, имеющая форму прямого конуса с одной стороны, и форму обратного конуса с другой; на Фиг. 3 объемы конических частей мишени;

на Фиг. 4 показаны допустимые положения мишени, где 1 - мишень, подвешенная на весах 2, 3 - ультразвуковой излучатель.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является минимизация массы отражающей мишени при заданном ее диаметре или увеличение диаметра мишени при заданной ее массе. Данный технический результат достигают за счет того, что мишень, применяемая для измерения мощности ультразвукового излучения в воде методом гравитационного уравновешивания радиационной силы с помощью электронных весов с ограниченным НПВ, к которым она подвешена, выполнена таким образом, что отражающие поверхности мишени имеют форму прямого (выпуклого) и обратного (вогнутого) конусов с полу-углами 45°±1° и 62,5°±2,5° соответственно, основания которых лежат в одной плоскости, как это показано на Фиг. 2. Такая форма мишени позволяет, в зависимости от типа и размеров излучателя, а также параметров производимого им ультразвукового поля, обращать ее к излучателю как прямым, так и обратным конусом. Части мишени скрепляются между собой с помощью сварки, а связь между мишенью и весами осуществляется за счет трех упругих нитей отстоящих друг от друга по основанию мишени на 120°. Обратный конус мишени образует открытую полость в основании прямого конуса мишени, который заполняется водой и облегчает тем самым массу последнего на 54% (см. Фиг. 3) и обеспечивает тем самым возможность увеличения диаметра мишени на 15% (1,54^1/3=1,15). Дополнительный эффект снижения массы мишени и возможности тем самым увеличения ее диаметра обеспечивается использованием в качестве материала мишени титанового сплава, в 3,9 раза более легкого и не менее стойкого к коррозии, чем нержавеющая сталь, что дает возможность на 57% (3,9=1,57) увеличить диаметр мишени, ограниченный НПВ весов.

Совместное использование конических поверхностей реализуется при переустановке такой мишени вершиной прямого конуса к излучателю (Фиг. 4-б) или от него (Фиг. 4-а). Также конструкция мишени позволяет избежать переустановки мишени при перенаправлении падения ультразвукового пучка на мишень сверху или снизу (Фиг. 4-в).

При выборе вариантов применения этой мишени следует учитывать, что:

а) мишенью, имеющей форму прямого конуса, можно измерять на близких расстояниях от излучателя (почти до касания излучателя вершиной конуса мишени), при этом не нужно вводить поправки на затухание;

б) мишень, имеющая форму обратного конуса, необходима для расходящихся пучков (при относительно большом отстоянии от излучателя);

в) мишень, имеющая форму обратного конуса, самоцентрируется в ультразвуковом поле, что важно при измерениях высоких уровней мощности;

г) сличение результатов измерений мишенями с отражающими поверхностями, имеющими форму прямого и обратного конусов, позволяет оценить применимость аппроксимаций формул стандарта МЭК 61161, в том числе из-за влияния части пучка, отраженного от мишени, имеющей форму обратного конуса, на излучатель и поверхность воды, а также расходимости пучка при его падении на мишень, имеющую форму прямого конуса,, что в конечном итоге повышает достоверность измерений и позволяет выявить дополнительные погрешности, присущие измерителям мощности с отражающими мишенями;

д) реализация двух независимых измерений с помощью предложенной мишени при двух противоположных облучениях (сверху и снизу как на Фиг. 4-в) одним и тем же излучателем позволяет оценить несовершенство акустических свойств входного окна (на дне) измерительного бака и боковых поглотителей, влияние отражений от поверхности воды (для мишени, имеющей форму обратного конуса) и ввести соответствующие поправки в результаты измерений.

Применение предложенного технического решения расширяет возможности известных измерителей мощности ультразвука в воде по охватываемому ими частотному диапазону измерений, размерами измеряемых излучателей и точности результатов измерений.

Литература

1. IEC 61161:2013 Ultrasonics - Power measurements - Radiation force balance and performance requirements.

2. ГОСТ P МЭК 61161-2019 Государственная система измерений. Мощность ультразвука в жидкостях. Общие требования к выполнению измерений методом уравновешивания радиационной силы.

Изобретение относится к акустике и может быть использовано для измерения мощности ультразвукового излучения. Акустическая мишень для измерения мощности ультразвукового излучения в воде содержит отражающие поверхности, имеющие форму прямого и обратного конусов с полууглами 45°±1° и 62,5°±2,5°, основания которых лежат в одной плоскости. Части мишени скрепляются между собой с помощью сварки, а связь между мишенью и весами осуществляется за счет трех упругих нитей, отстоящих друг от друга по основанию мишени на 120°. Обратный конус мишени образует открытую полость в основании прямого конуса мишени. В качестве материала мишени используется титановый сплав. Технический результат - минимизация массы отражающей мишени при заданном ее диаметре или увеличение диаметра мишени при заданной ее массе. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Мишень для измерения мощности ультразвукового излучения в воде методом гравитационного уравновешивания радиационной силы с помощью электронных весов, к которым она подвешена, выполнена таким образом, что отражающие поверхности мишени имеют форму прямого и обратного конусов с полууглами 45°±1° и 62,5°±2,5° соответственно, отличающаяся тем, что основания этих отражающих поверхностей лежат в одной плоскости, при этом мишень выполнена из титанового сплава и подвешена к весам на трех упругих нитях, отстоящих друг от друга по основанию мишени на 120°, а в основание мишени, выполненной в форме прямого конуса, введена заполненная водой коническая полость.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что обеспечивает измерения мощности ультразвукового пучка, как падающего сверху от излучателя на мишень, так и ультразвукового пучка, падающего снизу от излучателя на мишень без переустановки мишени.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что совмещение в одном устройстве мишеней с отражающими поверхностями в форме прямого и обратного конусов обеспечивает выявление дополнительных погрешностей, присущих измерителям мощности с отражающими мишенями.