Способ определения коэффициента затухания ультразвука Советский патент 1993 года по МПК G01H3/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изучении акустических свойств биологических жидкостей, таких, например, как кровь, лимфа, церебральная жидкость, почвенные растворы и т.п.

Цель изобретения - повышение точности определения коэффициента затухания ультразвука в биологических жидкостях

Цель достигается тем, что совмещенный ультразвуковой преобразователь и отражатель устанавливают на заданном расстоянии друг от друга, пространство между ними заполняют исследуемой жидкостью, излучают ультразвуковые импульсы в среду, принимают эхо-сигналы от отражателя, измеряют амплитуды Ui и Uj i-ro и j-ro эхо- импульсов, по которым рассчитывают коэффициент затухания, проводят аналогичные

измерения с образцовой жидкостью при том же фиксированном расстоянии между преобразователем и отражателем, а коэффициент затухания рассчитывают по формуле

a f + (UiAJi)-ln(U|/U,). 2l(j-f)

где оь - коэффициент затухания ультразвука в образцовой жидкости;

Ui1, DJ - амплитуды i-ro и j-ro эхо-импульсов в образцовой жидкости, причем в качестве образцовой жидкости используют жид кость, величины плотности которой и скорости распространения ультразвуковых колебаний в ней равны величинам плотности и скорости в исследуемой жидкости соответственно

00

ю о ю ю ю

Способ поясняется чертежом и осуществляется следующим образом.

В отверстии одной из стенок измерительной кюветы (фиг.1) закрепляют,., ультразвуковой преобразователь 1, противоположная стенка 2 является отражателем. Преобразователем может служить, например, датчик из набора к прибору УДМ-1М. отражателем - стальная пластина. Измеряют расстояние между преобразователем и отражателем.

Кювету сначала наполняют исследуемой жидкостью, производят излучение ультразвуковых импульсов в жидкость и прием эхо-импульсов, отраженных от отражателя. Отсчитывают от зондирующего 1-й импульс, измеряют его амплитуду Ui, затем отсчитывают j-й импульс и измеряют его амплитуду Uj. Определяют скорость ультразвука в исследуемой жидкости одним из известных способов. Затем проводят аналогичные измерения с образцовой жидкостью. Образцовая жидкость должна быть такой, чтобы ее плотность и скорбеть ультразвука в ней были равны или очень близки к плотности и скорости ультразвука в исследуемой жидкости. Это обеспечивает идентичность влияния дифракционных эффектов на амплитуду импульсов в исследуемой и образцовой жидкостях (например, одинаковую протяженность зоны Френеля).

Коэффициент затухания а вычисляют по формуле, полученной следующим образом, приняв, что Ко - коэффициент преобразования механических колебаний в электрические, /3i и ftz - коэффициенты отражения ультразвука на границе жидкости с преобразователем и отражателем соответственно. Km - коэффициент, учитывающий влияние дифракционных эффектов на амплитуду, Uo - амплитуда излученного импульса, будем иметь для амплитуды первого эхо-импульса в исследуемой жидкости .

Ui U0Ko#Vl -ft

-2GM

е-Ki,

а для амплитуды второго импульса

л Л, -4Ш U2 U0Ko$ #V1-# -е К2

Очевидно, что для амплитуды Ui и Uj 1-го и j-ro эхо-импульсов получим

. . ,-2iai UrUo Mz B-J V1 -# e Ki:

. , .-2j«i UrUoKc -BT 1Vl $ -e -Kj,

Отношение этих амплитуд

i-i Kj -2(j-i)ai

Ж.д.вГ .З-в

Kj.

Аналогично отношение амплитуд Ui и Uj 1-го и J-ro эхо-импульсов в образцовой жидкости

U-O -CB-,) - .

-2(j-|)«ol

х е . Kj. (3)

Разделив (3) на (2) и учитывая, что вследствие близости исследуемой и образцовой жидкостей по плотности и скррости ультразвука /& Дг /3i -fh.; V ,

К| Ki получим

А

и -2(|-i)i(0o-a)

U,

После логарифмирования и простых преобразований будем иметь

д-д.+ (UJ/UJ)-ln() a 0o+2l(j-l)

Пример использования предлагаемого способа.

Предлагаемый способ был применен для определения коэффициента затухания

ультразвука в почвенных взвесях. Навеску почвы заливали дистиллированной водой в отношении 3/2 (две весовые части почвы на три части воды). После 20-минутного отстаивания в стеклянном цилиндре, в результате которого крупные частицы вследствие оседания были удалены из воды, взвесью наполняли измерительную кювету. В течение 40 мин через каждые 10 мин производили измерения амплитуды Ui и U4 первого и

четвертого эхо-импульсов.

Затем взвесь удаляли из кюветы и наг полняли ее дистиллированной водой (обраэ цовой жидкостью). Вновь производили измерения амплитуды Ui1 и UV первого и

четвертого эхо-импульсов.

Расстояние между преобразователем и отражателем равно I 15,0 мм. Резонансная частота преобразователя f 2,5 мГц. Темпе ратура проб исследуемой жидкости и воды в пределах 19,5-20,4°С. В качестве измерителя амплитуд использовали осциллограф С1-65, снабженный калиброванным аттенюатором.

В табл. 1 приведены амплитуды первого и четвертого эхо-импульсов в почвенной взвеси и дистиллированной воде

Коэффициент затухания ультразвука в исследованных пробах почвенной взвеси для разных моментов времени вычисляли по предлагаемой формуле (1), а также для сравнения - по известной формуле (4)

(4

Для определения значения Оо в формуле (2) было использовано табличное значе- ние «о/f2 25 С2/см (Таблицы физических величин. Справочник под редакцией академика Кикоина. М., Атомиздат, 1976, с.. 84). Поскольку в эксперименте частота f 2,5 Ю6 Гц, то «о 0,00156 .

При вычислении величин/ 2 . входящих в формулу (4), было учтено, что в датчиках из комплекта прибора УДМ-Ш, один из которых использовался в эксперименте, пьезоэлектрическая керамика с наружной стороны (в направлении излучения) приклеена к защитной стальной пластине. Излучение ультразвука происходило в воду или водную взвесь почвы, поэтому /% является коэффициентом отражения на границе раздела воды и стали.

В соответствии с известной формулой

fc- PCT CCT -PB CB

PCT Сет +/0в CB

где 7,8 г/см3 и Сет 6000 м/с - плотность и скорость ультразвука для стали;

РЪ 1 г/см3 и Св 1490 м/с - плотность и скорость ультразвука при 20°С для воды. Подставляя эти данные в последнюю формулу, получают

Дг 0,938; # - -In fh 0,0212.

В табл. 2 приведен коэффициент затухания ультразвука в почвенной взвеси, измеренный предлагаемым и известным способами

Значение коэффициента затухания, полученные по предлагаемому способу, на порядок меньше значений, получаемых по известному способу.

Свойства исследованного объекта (почвенной взвеси) меняются со временем так, что конце фация взвешенных твердых час

10

15

20

25

30

35

40

тиц в озвучиваемом обьеме вследствие оседания уменьшается. Эти изменения свойств оказывают очень сильное влияние на величину коэффициента затухания, измеренного по предлагаемому способу, и очень незначительное - на значение этого коэффициента при измерениях известным способом. Чувствительность предлагаемого способа к .изменениям свойств объекта значительно выше.

Отмеченные обстоятельства объясняются тем, что подавляюща час-:ь величины коэффициента затухания, измеренного известным способом,определяется влиянием дифракционных эффектов на амплитуду импульсов, а не взаимодействием ультразвука с исследуемой средой. Точность предлагаемого способа измерения коэффициента затухания выше, чем известного.

Формула изобретения 1. Способ определения коэффициента затухания ультразвука в жидкости, заключающийся в том, что совмещенный ультразвуковой преобразователь и отражатель устанавливают на заданном расстоянии друг от друга, пространство между ними заполняют исследуемой жидкостью, излучают ульразвуковые импульсы в среду, принимают эхо-сигналы от отражателя, измеряют амплитуды Ui n Uj 1-го и j-ro эхо-импульсов, по которым рассчитывают коэффициент затухания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения коэффициента затухания в биологических жидкостях, дополнительно проводят аналогичные измерения с образцовой жидкостью при том же фиксированном расстоянии между преобразователем и отражателем, а коэффициент затухания рассчитывают по формуле

45

а Оо +

In ( UJ/UJ) - In ( Uj/Ui) 2I(J-I)

0

5

где OQ - коэффициент затухания и ультразвука в образцовой жидкости;

Ui и Uj - амплитуды 1-го и j-ro эхо-импульсов в образцовой жидкости;

I - расстояние между преобразователем и отражателем.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем. что в качестве образцовой жидкости используют жидкость, величина плотности которой и скорость распространения ультразвуковых колебаний в ней равны величинам плотности и скорости в исследуемой жидкости соответственно.

Таблица 1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для изучения акустических свойств биологических жидкостей, таких как кровь, лимфа и т.п. Цель изобретения - повышение точности определения коэффициента затухания. Цель достигается за счет того, что в исследуемой и дополнительно в образцовой жидкости проводят измерения и рассчитывают коэффициент затухания ультразвуковых колебаний при одинаковом фиксированном расстоянии, а коэффициент затухания рассчитывают по формуле + In ( UJ/UJ) - In ( Ц/Ц ) 2I() где «о - коэффициент затухания ультразвука в образцовой жидкости; UiMJj - амплитуда 1-го и j-ro эхо-импульсов в образцовой жидкости; I - расстояние между преобразователем и отражателем, а в качестве образцовой жидкости используют жидкость, плотность которой и скорость распространения ультразвуковых колебаний в ней равны величинам плотности и скорости в исследуемой жидкости соответственно. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. у :fe

Таблица 2