Технічна акустика
Наукова стаття на тему 'Акустичне поле в гідроволноводе з імпедансними стінками'

Текст наукової роботи на тему «Акустичний поле в гідроволноводе з імпедансними стінками»

?Електронний журнал «Технічна акустика» http: // www .ejta.org

2008, 11

С. В. Реука

Санкт-Петербурзький Державний Електротехнічний Університет, кафедра електроакустики і ультразвукової техніки, вул. Проф. Попова, д. 5 e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Акустичне поле в гідроволноводе з імпедансними стінками

Отримано 15.04.2008, опублікована 30.04.2008

Представлені результати експериментального дослідження

акустичного поля ультразвукового імпульсу в гідроволноводе з імпедансними стінками умовно нескінченної товщини. Для гідроволноводов різного діаметру і довжини наведені графіки розподілу амплітуди коливальної швидкості в поперечному перерізі хвилеводу. Також наведені часові форми імпульсу в різних точках поперечного перерізу хвилеводу. Результати зіставлені з полем імпульсу в необмеженому середовищі, а також з даними чисельного моделювання.

Ключові слова: ультразвук, рідинний хвилевід, гідроволновод.

ВСТУП

Іммерсійний введення ультразвуку в виріб набув широкого поширення в практиці створення автоматизованих установок. Невід'ємною частиною таких систем є імерсійна ванна, в яку виріб поміщається цілком для подальшого прозвучиванія групою електроакустичних перетворювачів. Основним недоліком цих установок є значні масогабаритні показники ванни, часто ускладнюють впровадження і обслуговування установки в заводському цеху. Можливим вирішенням цієї проблеми стає забезпечення акустичного контакту за допомогою струменя рідини - тоді громіздку ванну можна замінити порівняно компактною струменевого акустичною системою, що включає малогабаритний водозбірник.

Проектування таких систем неможливо без урахування особливостей ультразвукового поля в струеобразующіх пристроях і струменях. В [1, 2] були розглянуті деякі основні аспекти теорії струминного акустичного тракту для випадку ідеальних граничних умов. Однак практичне значення має випадок граничних умов імпедансного типу, що відповідає струеобразующім пристроїв, виготовленим з конструкційних пластмас. Теорія даного окремого випадку складна. Цікавим є експериментальне дослідження структури акустичного поля імпульсу в гідроволноводе з імпедансними стінками. Методика і результати такого дослідження представлені в даній роботі.

1. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИЙ СТЕНД

Як було показано в [1, 2], імпульс в гідроволноводе поширюється у вигляді набору хвильових мод. Моди представляють собою окремі ультразвукові імпульси, які мають тимчасову форму відповідну збудливій імпульсу на вході гідроволновода, проте мають різне розподіл амплітуди коливань по фронту. Крім того, відомо, що хвильові моди в хвилеводі поширюються з різними груповими швидкостями, що призводить до різночасності їх приходу в вихідний перетин гідроволновода. В результаті у вихідному перерізі утворюється складний розподіл швидкості коливань, змінюється в часі. Була розроблена методика чисельного моделювання форми імпульсу на виході хвилеводу. Однак їй була характерна приблизність, пов'язана із завищенням оціночної тривалості кінцевого імпульсу. Це було пов'язано з тим, що при використанні коротких імпульсів вищі моди збуджуються менш ефективно, ніж було прийнято в розрахунку, і при використанні збуджуючих імпульсів тривалістю 2-3 періоду, реально спостерігаються в волноводе моди 2-х - 3-х порядків.

Стенд для вивчення акустичного поля в гідроволноводе зображений на схемі на рис. 1. На схемі позначені: ванна 1 з рідиною (водою), що випромінює

пьезопреобразователь (ПЕП) 2, приймальний пьезопреобразователь 3, мікрометрична система позиціонування приймального пьезопреобразователя 4, трубка, що імітує гідроволновод з імпедансними стінками 5, ультразвуковий дефектоскоп загального призначення з можливістю індикації та документування радіоімпульсного форми сигналів 6.

Мал. 1.

Схема експериментального стенду

Використовуваний випромінює ПЕП був виготовлений з п'єзопластини діаметром 24 мм на номінальну робочу частоту 1,25 МГц. Приймальний ПЕП, який використовується для місцевого вивчення поля випромінює ПЕП, був виготовлений на основі п'єзопластини діаметром 2 мм на номінальну частоту 10 МГц.

Гідроволновод імітувався трубкою з поліпропілену. Для виключення виникнення стоячих хвиль в стінках трубки і їх впливу на акустичне поле в рідині всередині трубки, стінки її були зовні демпфовані силіконової гумою, що має імпеданс, близький до импедансу поліпропілену, і великий коефіцієнт загасання. Було виготовлено 4 макета гідроволновода - трубки з внутрішнім діаметром 14 мм, 18 мм (по 200 мм довжиною), 27 і 36 (по 250 мм довжиною).

Досліджувана трубка встановлювалася співвісно з випромінюють перетворювачем на певній відстані е, сенс якого був детально розглянутий в попередніх публікаціях. Приймальний перетворювач переміщався у вихідному перерізі трубки на відстані 1 мм від нього з дискретністю 1 мм (для трубок 14 мм і 18 мм) і 2 мм (для трубок 27 мм і 36 мм). У кожній точці фіксувалася амплітуда прийнятого сигналу.

Крім того, в певних точках фіксувалася тимчасова форма прийнятого імпульсу: а) на акустичній осі гідроволновода; б) поблизу стінки, в) на відстані

0,5 діаметра від акустичної осі (тобто посередині між акустичної віссю і стінкою хвилеводу).

Дані дослідження були проведені для кожної трубки тричі - при різних значення параметра е, рівного 0,5, 0,8 і 1,5 ближніх зон, що відповідало відстані в рідини 60 мм, 96 мм і 180 мм. Результати експериментальних досліджень були зіставлені з даними, отриманими розрахунковим шляхом для дійсних значень параметрів акустичного тракту. Аналіз результатів представлений нижче.

2. РОЗПОДІЛ АМПЛІТУДИ КОЛИВАНЬ ПО перетину хвилеводу

На діаграмах, представлених на рис. 2, наведені розподілу амплітуди прийнятого сигналу у вихідному перерізі кожного хвилеводу. Криві нормовані до максимального значення, що спостерігається на акустичній осі хвилеводу. На кожній діаграмі представлені результати для однієї трубки при різних значеннях е.

координата, мм

-8 = 0,5 - »- 8 = 0,8 8 = 1,51

а) 14 мм

координата, мм

-8 = 0,5 - "- 8 = 0,8 - * - 8 = 1,51

координата, мм

-8 = 0,5 - "- 8 = 0,8 8 = 1,51

б) 18 мм

___________ координата, мм

-8 = 0,5 - "- 8 = 0,8

в) 27 мм г) 36 мм

Мал. 2. Розподілу амплітуди сигналу в поперечному перерізі хвилеводу

Для оцінки експериментальних даних були чисельно змодельовано форми імпульсу для кожного дослідженого випадку (тобто комбінації діаметра і ^). Вони наведені на рис. 3-6.

а) б = 0,5

б) б = 0,8 Рис. 3. Трубка 14 мм

в) б = 1,5

а) б = 0,5

б) б = 0,8 Рис. 4. Трубка 18 мм

в) б = 1,5

а) б = 0,5

б) б = 0,8 Рис. 5. Трубка 27 мм

в) б = 1,5

а) б = 0,5

б) б = 0,8 Рис. 6. Трубка 36 мм

в) б = 1,5

Експеримент підтверджує теоретичне припущення, що акустичне поле зосереджено поблизу акустичної осі. Чим трубка тонше, тим більш щільно зосереджена енергія, тим розподіл «гостріше». Зі збільшенням діаметра трубки ця концентрація звуковий енергії стає менш вираженою. Більш того, для трубки діаметром 36 мм максимум амплітуди спостерігається по сторонам від геометричної осі трубки, на самій же осі існує локальний мінімум. Це добре простежується на розрахункових залежностях. При подальшому збільшенні діаметру трубки поле в ній буде наближатися до полю в необмеженому середовищі. Згідно з розрахунком вже при збільшенні діаметра трубки до величини двох діаметрів перетворювача, ширина зони «рівномірного» розподілу амплітуди

коливальної швидкості складе 80% діаметра трубки.

Зміна відстані $ не призводить до помітної зміни форми розподілу, однак для трубок великого діаметра призводить до загального зниження амплітуди.

3. Тимчасова ФОРМА ІМПУЛЬСУ В РІЗНИХ ТОЧКИ ПОПЕРЕЧНОГО перетину хвилеводу

При відсутності в акустичному тракті гідроволновода отриманий вихідний імпульс на відстані між випромінюють і прийомним ПЕП, рівним 240 мм (2 ближніх зони). Його форма і спектр наведені на рис. 7.

Мал. 7. Форма і спектр імпульсу, що випромінює і прийнятого в необмеженому середовищі

На рис. 8-19 наведено форми імпульсу, виміряні при різних $ в різних точках вихідного перетину гідроволноводов різних діаметрів.

|| л

?

\ Г \ 1У |А

V

ш А лл / ї Л / V

| \! 1

и 1

1 © 12 14 16 18 20

а) на осі

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

б) на відстані 0,5Ь Рис. 8. Трубка 014 мм, $ = 0,5

А / У

0 2 4

10 12 14 1Є 15

в) поблизу стінки

А ЛІ, 'л 1 \ г, \ А Л

Л V V

Про 2 4 6 8 10 12

а) на осі

а) на осі

II ||

Л г л ^

1 У і / - * 'V V

а) на осі

и

-1 АЛ /

I,! 1 V V

б) на відстані 0,5Ь Рис. 9. Трубка 014 мм, $ = 0,8

я

1 Л л

1 г ^ V

1

б) на відстані 0,5Ь Рис. 10. Трубка 014 мм, $ = 2

л ц

А Л

| \ V

2 4 6

б) на відстані 0,5Ь Рис. 11. Трубка 018 мм, $ = 0,5

а) на осі

б) на відстані 0,5Ь Рис. 12. Трубка 018 мм, $ = 0,8

4 л

-у г

и '

в) поблизу стінки

1

и л Ал

V Г

в) поблизу стінки

і II а

л .

и 1 Щ

11 '1

в) поблизу стінки

ш-| Л [\ -

\ Г

в) поблизу стінки

/ I;

до л А \ 1 \

1 щ г

11 и

11

л л

1

а) на осі

б) на відстані 0,5Ь Рис. 13. Трубка 018 мм, $ = 2

в) поблизу стінки

л 1 Л

4І і II

1; й и V "

1 V

1 I

ж № Л А /

1 + 1 \ V V ь

11

Ю 12 14 16 18 20

а) на осі

б) на відстані 0,5Ь Рис. 14. Трубка 027 мм, $ = 0,5

в) поблизу стінки

1

Ш (1 м ІЛ,

ч 11 Г / уі

2 4 ст 8 10 12 14 16 1в 20

а) на осі

б) на відстані 0,5Ь Рис. 15. Трубка 027 мм, $ = 0,

в) поблизу стінки

\\ Л

\ і-

І 1 г У V V

11

11

1І [[ЛІ ІІА

Ї 1Й У1

Ї Ї

а) на осі

0 2 4 в 3 10 12 14 16 18 20

б) на відстані 0,5Ь Рис. 16. Трубка 027 мм, $ = 2

в) поблизу стінки

| '|

} 1 \ flit \ Л /

• У и Р V V

І

(1

'1 \ л 1 Л ЛҐ (U

и 1

а) на осі

б) на відстані 0,5Ь Рис. 17. Трубка 036 мм, $ = 0,5

11 if U и

VI Щ р V ^ V

11 і "

»л

л ЛІ | l I fb 1 про

тт V 1

10 12 14 16 1S 20

а) на осі

0 2 4 6 8 10 12 44 16 18 20

б) на відстані 0,5Ь Рис. 18. Трубка 036 мм, $ = 0,8

й

1 | \ lit \ [\

| \ 1 11 'ill: Г

S

в) поблизу стінки

в) поблизу стінки

1

f (1 А11

V 111 Г

До

а) на осі

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

б) на відстані 0,5Ь Рис. 19. Трубка 036 мм, $ = 2

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

в) поблизу стінки

Видно, що збільшення тривалості імпульсу більш виражено на осі хвилеводу, ніж поблизу його стінки. У волноводах малого діаметра (14 і 18 мм) завдяки переважного порушення нульовий моди при співвідношенні Ь ^ < 1, імпульс відчуває незначне збільшення тривалості. У волноводах великого діаметра спостерігається помітне розбиття вихідного імпульсу на два, частково накладаються один на одного. З одного боку це пояснюється порушенням нульової та першої мод на порівнянному рівні. Поділ імпульсу на два, що приходять послідовно, можна пояснити і іншим чином: частина енергії

імпульсу приходить від випромінювача до приймача безпосередньо по найкоротшій відстані (уздовж осі хвилеводу). Другий імпульс утворюється бічними променями діаграми спрямованості і приходить на приймач за рахунок переотражения від стінок хвилеводу, в результаті чого його шлях удлінняется. Цей механізм переотражения і веде до утворення першої моди.

Відстань $, згідно з експериментальними даними, не проявляє істотного впливу на тривалості імпульсів, хоча в окремих випадках більшу відстань $ відповідає меншим длительностям імпульсу на виході хвилеводу.

Висновки по експерименту якісно відповідають розрахунковими даними (рис. 3-6).

ВИСНОВОК

Результати проведених експериментальних досліджень демонструють якісне відповідність розрахунковими даними. На підставі отриманих результатів можна сформулювати наступні практичні рекомендації: при конструюванні діючих акустичних систем перетворювачі діаметра більшого, ніж діаметр струеобразующего пристрою в 1,5 ... 2 рази і розташовувати їх на відстані 0,5 ... 1 ближніх зон від вхідного перетину струеобразующего пристрою. Це дозволить отримати імпульси максимальної амплітуди і прийнятною тривалості.

ЛІТЕРАТУРА

1. С. В. Реука. Особливості проходження ультразвуковим імпульсом гідроволновода з неоднорідними граничними умовами. Електронний журнал «Технічна акустика», http://ejta.org, 2008, 5.

2. С. К. Паврос, С. В. Реука. Дослідження поширення ультразвукового імпульсу в струменевому неоднорідному хвилеводі. Послуги з дефектоскопії, 2008, №3


Ключові слова: ультразвук / рідинний хвилевід / гідроволновод

Завантажити оригінал статті:

Завантажити