Загальні поняття про ультразвук та його випромінювання

В широкому фізичному розумінні ультразвук - це груповий коливальний рух частинок пругкого середовища, або послідовність стискувань та розріджень в середовищі, в області частот, які ми не чуємо. В техніці прийнято рахувати, що коливання частотою f =16÷20 кГц і вище - є ультразвуковими.

Звук завжди породжується механічними коливаннями. Для збудження пругких хвиль в середовищі (речовині) необхідно виконати з’єднання цього середовища з коливальним тілом (випромінювачем), який викликає змінні стискування та розтягування своєї випромінюючої поверхні. Останні, в свою чергу, викликають змінні стискування та розрідження поверхні шару речовини (газу або рідини, яка знаходиться в взаємодії з випромінювачем), що приводить

до виникнення пругких коливань, які розповсюджуються в середовищі.

Швидкість С розповсюдження таких пругких коливань ( їх називають

повздовжніми) в речовині залежить від її густини та пругких властивостей і

визначається рівнянням: С = ,(1)

де Е - модуль пружності середовища; а - густина середовища.

Довжина λ хвиль звукових коливань зв’язана з частотою fвипромінювання та швидкістю Срозповсюдження коливань відношенням:

λ = С/ f.(2)

Ультразвукові хвилі, розповсюджуючись в середовищі з певною густиною і

проходячи крізь нього, повністю або частково відбиваються на межі розподілу із середовищем, у якого інше значенням густини, наприклад, «метал – повіт-ря», «повітря – метал», «повітря – рідина», «рідина – метал» і т.п. А точніше, інтенсивність звукових хвиль, які відбиваються від межі розподілу, залежить від так званих акустичних опорів кожного із середовищ, що знаходяться у взаємодії.

Акустичний опір середовища - це добуток густини середовища r на швидкість Срозповсюдження ультразвукових коливань в ньому. Для повітря, наприклад, rС = 42, для води 149∙10³, для заліза - 398∙10⁴ .

Відповідно теорії звуку Релея коефіцієнт відбиття R, при нормальному падінні звукової хвилі, що розповсюджується в повітрі, на поверхню розподілу (тобто, перпендикулярно до цієї поверхні) з певною речовиною, визначається як відношення інтенсивностей у відбитій та падаючій хвилях, i може бути визначений із співвідношення:

R = {(r_рС_р - r_пС_п) /(r_рС_р + r_пС_п)}², (3)

де {(r_рС_р- акустичний опір речовини; r_пС_п- акустичний опір повітря. Так як rСдля води, рідин та сипких матеріалівскладає практично на 3 порядки більшу величину, ніж для повітря, то на межі розподілу «повітря – рідина», «повітря - сипкі матеріали» відбувається практично повне відбиття ультразву-кової хвилі, що розповсюджується у повітрі. Це явище і використовується в ультразвукових рівнемірах.

Для випромінювання (генерації) та прийняття ультразвуку в середовищі

використовують п’єзоелектричні та магнітострикційні перетворювачі.

Найбільш розповсюджені п’єзоелектричні перетворювачі. Випромінювання та приймання ультразвукових коливань в таких перетворювачах грунтується на

використанні прямого та зворотного п’єзоефектів, властивих п’єзоматеріалам (їх ще називають п’єзоелектриками).

Під прямим п’єзоелектричним ефектом розуміється поляризація п’єзо-матеріалу при його деформації (ефект Кюрі) і на обкладках , нанесених на поверхню п’єзоелектрика виникає електричний заряд, який можна виміряти. Ефект властивий всім кристалічним діелектрикам, але у переважної більшості він дуже малий. Прямий п’єзоелектричний ефект використовується для вимі-рювання тиску або зусилля, а також в ультразвукових приймачах. які перет-ворюють пругкі коливання середовища в електричний сигнал на його гранях.

Суть оберненого п’єзоефекту в тому, що підведена електрична напруга до

обкладок п’єзоелектрика визиває його деформацію, тобто, він перетворює

електричні коливання напруги у пругкі механічні коливання своєї поверхні. Відповідно в середовищі, з яким контактує п’єзоелектрик, виникають пругкі коливання. Найбільш вживаними п’єзоелектриками, які використовуються в якості перетворювачів випромінювання та приймання ультразвукових хвиль є кристалічний α-кварц (точка Кюрі якого складає 576 °С) та п’єзокераміка. Точ-ка Кюрі – це температура п’єзоелектрика, при якій він втрачає свої п’єзоелек-тричні властивості. Плавлений (аморфний) кварц (скло) не має ефекта Кюрі.

Статична деформація L_ст, пластини із α-кварцу відносно невелика і визначається формулою: L_ст = d₃₃ּU; (4)

де d₃₃ - п’єзомодуль кварцу; U - прикладена напруга, В.

Потужність ультразвукових коливань, що випромінюються в середовище, залежить від частоти випромінювання, площі пластини випромінювача та величини приведеної до нього напруги. Для отримання максимальної інтенсивності випромінювання необхідно, щоб власна частота коливань пластини випромінювача співпадала з частотою коливань генератора. Власна частота коливань пластини випромінювача f₀приблизно відповідає половині довжини хвилі в пластині та визначається за формулою:

f₀ = C/2d,(5)

де С- швидкість звуку в пластині, d - товщина пластини.

В останні роки більш широко для випромінювання та приймання ультра-звукових коливань використовується п’єзокераміка - клас п’єзоматеріалів отриманих методом керамічного виробництва і являють собою синтетичні тверді розчини: цирконату-титанату свинцю (ЦТС-19), титанату барію тощо. Останній, наприклад, виготовляється із солей титанової кислоти та гідроокису барію і після запікання поляризується електричним полем. П’єзомодуль d₃₃ у нього в десятки разів більший, ніж у α-кварцу, але точка Кюрі його суттєво нижча (100÷120) °С. Після повторної поляризації перетворювач, який втратив п’єзоефект, може бути використаний знову.

При вимірюванні рівня заповнення резервуарів рідкими речовинами, або рівня завантаження бункерів сипкими матеріалами, використовується схема одномірного виміру відстані між двома точками, в одній із яких (базовій) розміщується приймально-випромінюючий акустичний блок, а в якості другої точки (її називають відбиваюча зона) використовується поверхня контрольованої за рівнем речовини (рідина чи сипкі матеріали).

Така схема взаємного положення називається схемою “ехо-локації”:випромінювані коливання після відбивання від контрольованої поверхні повертаються до приймача. Має місце проходження вимірюваної відстані L_x пругкими хвилями у двох напрямках.

В більшості звуколокаторів використовується випромінювання пакету коливань (імпульсне випромінювання), які служать засобом встановлення просторового контакту електроакустичного перетворювача з поверхнею контрольованого об’єкта.

Інформація про відстаньL_x до об’єкта (або рівень рідиниН_x) є часовим

запізненням прийнятої відбитої хвилі відносно випроміненої:

Т = 2 (L_x /С);або L_x = (ТּС)/2 .(6)

Цей принцип використовується в усіх звукових вимірювачах відстані.

Дозволяюча властивість ехо-локаторів - це їх властивість визначати найменшу зміну вимірюваної відстані. Вона визначається формою випромінюваних хвиль, частотою пропускання смугових підсилювачів каналу приймання “ехо-сигналу”, способами опрацювання прийнятого сигналу та корекцією на нестабільність швидкості звука, рельєфом відбиваючої поверхні та її акустичним опором.

Випромінювання та розповсюдження пакету ультразвукових коливань, як до моменту їх відбиття від контрольованої поверхні, так до моменту їх зворотного надходження до приймача, відбувається у вигляді променя, що розходиться в тілесному куті β: sin(β/2) = (0,51λ)/D , (7)

де β - кут розходження випромінювання; D – діаметр випромінювача

ультразвукових коливань.

Значення кута розходження випромінювання дає можливість визначити необхідний діаметр S поверхні контрольованої за рівнем, при якому досягається максимальна сила “ ехо – сигналу ” при мінімальному рівні Н речовини: S = 2 Н_xּtg (β/2).(8)

Як правило, в сучасних ехолотах функції випромінювання та приймання ультразвукових коливань об’єднують в одному електроакустичному перетворювачі, що дозволяє спростити конструкцію випромінювача-приймача та усунути, так звану, апертурну похибку, що обумовлена зміщенням випромінювача та приймача в просторі.

При реалізації методу ультразвуковий випромінювач посилає акустичні імпульси з малим кутом розходження випромінювання. Випромінюється пакет повздовжніх ультразвукових хвиль (ультразвуковий зодуючий імпульс) по нормалі до поверхні, відстань до якої вимірюється. Одночасно вимірювальний перетворювач вимірює час між початком випромінювання імпульсу і початком приймання відбитого імпульсу, який пропорційний відстані L_x між поверхнею контрольованої за рівнем речовини та електроакустичним перетворювачем, або

рівню Н_x речовини (рис.1).

На точність вимірювання відстані або рівня “ехо-методом” впливає зміна

швидкості розповсюдження ультразвуку в повітрі від температури. Залежність між швидкістю С розповсюдження ультразвуку в повітрі і температурою Т (К)

має вигляд: С = 20,067 . (9)

Для усунення додаткової похибки від впливу температури навколишнього середовища в ехолотах використовують спеціальні схеми термокомпенсації, в яких в якості термочутливого елемента використовується термометр опору, який розміщується або в зоні випромінюваного ультразвукового струменя або вбудовується безпосередньо в електроакустичний перетворювач. Суть методу

термокомпенсації полягає у випрацьовуванні електричної напруги, що прямо-пропорційна температурі середовища, і додаванні її до амплітуди опорного сигналу перетворювача часового запізнення. Останнє коригує момент приймання відбитого ехо-сигналу на величину, що виникла внаслідок зміни швидкості ультразвукових коливань за зміни температури.

3.2 Загальна структурна схема ультразвукових рівнемірів (ехолотів)

■ Задаючий (рис.1) генератор (ЗД) виробляє синусоїдальні коливання, що відповідають резонансній частоті електроакустичного перетворювача.

■Пристрій керування (ПК) задає послідовність циклів вимірювання, тобто,

частоту, з якою проводяться вимірювання, та випрацьовує в кожному циклі жорстко сфазовані команди керування модулятором (М) на випромінювання зондуючого ультразвукового імпульсу певної довжини (3..5 коливань задаючого генератора).

Рис.1. Загальна структурна схема ультразвукових рівнемірів (ехолотів)

■Підсилювач потужності (ПП) підсилює по напрузі та потужності сигнал

задаючого генератору до значенння 200...315 В, необхідних для збудження

випромінювача.

■Керуючий демпфер (КД) забезпечує швидке затухання механічних

коливань випромінювача після закінчення випромінювання зондуючого пакету коливань, що зменшує час готовності вимірювального перетворювача до прийому відбитих від об’єкта пружних коливань і, тим самим, зменшує мінімально можливу відстань між поверхнею електроакустичного перетворювача та контрольованою за рівнем поверхнею речовини, тобто, зменшує зону нечутливості ехолоту.

■Пороговий обмежувач (ПО), що вмикається послідовно в ланцюг збудження, послаблює в період “мовчання” передачу напруги малої амплітуди із ланцюга збудження до вхідного ланцюга смугового підсилювача і має таке ж важливе значення, як і АО. Необхідність ПО пояснюється тим, що в період “мовчання”, коли відсутня напруга збудження на виході підсилювача потужності, на його виході завжди є деякий сигнал шуму, спектр якого містить

досить значний рівень сигналів в смузі пропускання смугового підсилювача.

■Амплітудний обмежувач (АО) розташовується першим в ланцюгу по прийманню відбитого ехо-сигналу і вмикається пристроєм керування ПК на

період випромінювання зондуючого імпульсу підсилювачем потужності ПП

для зниження впливу сигналу збудження в каналі опрацювання ехо-сигналу.

На час випромінювання зондую чого імпульсу команда стробування ПКблокує роботу вхідного каскаду смугового підсилювача, чим забезпечує його захист.

■Смуговий підсилювач (СП) забезпечує початкове підсилення ехо-сигналу.

■Задача детектору (Д) - виділити за рахунок вибіркової фільтрації (він

вміщує резонансний контур, що налаштований на частоту випромінювання)

корисний інформативний сигнал про надхоження відбитого ехо-сигналу.

■Перетворювач запізнення (ПЗ) безпосередньо вимірює і фіксує час, за

який ультразвукові коливання проходять відстань з моменту їх випроміню-

вання до моменту надходження відбитого ехо-сигналу. Цей час пропорційний вимірюваному рівню.

■Термометр опору (t°) – виконує функцію температурної компенсації

вимірювального каналу.

■Інтерполятор (І) дає можливість отримати неперервний уніфікований

аналоговий сигнал, пропорційний відстані до об’єкту по її дискретним

вимірюванням.