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 16÷20 кГц і вище - є ультразвуковими. Інколи в ультразвуковій техніці використовують частоти і 13÷15 кГц.

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 хвиль звукових коливань зв’язана з частотою f випромінювання та

швидкістю С розповсюдження коливань відношенням:

= . (2)

Швидкість С розповсюдження ультразвукових коливань в деяких речовинах при їх густині наведена нижче:

С

для повітря 331 м/с, 0,0012 г/см

для води 1430 м/с, 1,00 г/см

для металів >4400 м/с, >8,5 г/см .

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, н., метал -повітря, повітря - метал, повітря - рідина, рідина - метал і т.д. 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 на швидкість С розповсюдження ультразвукових коливань в ньому. Для повітря, наприклад, С = 42, для води 149*10³, для заліза - 398*10⁴ , а для мастила - 135*10³.

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 = , (3)

де - акустичний опір речовини; - акустичний опір повітря. Так як С для 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 ультразвукової 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.

Під п’єзоелектричним ефектом розуміється властивість деяких спеціально вирізаних під певним кутом пластин із кристалів, наприклад, кварцу, утворювати на своїх площинах (гранях) електричні заряди при умові стискування або розтягування цих граней. Властивість кристалів утворювати електричні заряди носить назву прямого п’єзоелектричного ефекту. Прямий

п’єзоелектричний ефект використовується для вимірювання тиску, або

зусилля, а також в ультразвукових приймачах. які перетворюють пругкі коливання середовища в електричний сигнал на його гранях.

П’єзоефект може бути оберненим, тобто, якщо до пластини (до граней кристалу) підвести електричний заряд, то вона змінює свої геометричні розміри - деформується. Обернений п’єзоефект використовується для випромінювання ультразвукових хвиль. Якщо таку пластину з’єднати з генератора високої частоти, то вона перетворює електричні коливання напруги у пругкі механічні коливання поверхні пластини. Відповідно в середовищі, з яким ця пластина контактує, виникають пругкі коливання.

В якості перетворювачів випромінювання та приймання ультразвукових хвиль використовується пластини із кристалів кварцу, турмаліну, сегнетової солі, титанату барію та інші.

Статична деформація L , наприклад., пластини із кварцу невелика і дорівнює:

L = d₃₃*U; (4)

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

Потужність коливань 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 f₀ приблизно 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 найбільш широко використовується новий тип п’єзоперетворювача - титанат барієвий. Цей перетворювач виготовляється синтетично із солей титанової кислоти та гідроокису барію і поляризується, після запікання, електричним полем.

П’єзомодуль d₃₃ у нього в десятки разів більший, ніж у кварцу. П’єзоефект втрачається при температурі перетворювача більше (100÷120) ⁰С. Після повторної поляризації перетворювач 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 відстань L_x до об’єкта (або рівень рідини Н_x) є часовим запізненням прийнятої відбитої хвилі відносно випроміненої:

Т = 2 ; або L_x = . (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 : Sin = , (7)

де - 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 H tg . (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.

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 прямопропорційна 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 (ЗГ) 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).

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 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 ПК блокує 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.

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

 

Перетворювач запізнення (ПЗ) безпосередньо вимірює і фіксує час, за який ультразвукові коливання проходять відстань з моменту їх випромінювання до моменту надходження відбитого ехо-сигналу. Цей час пропорційний

вимірюваному рівню.

Термометр опору (R) – виконує функцію температурної компенсації вимірювального каналу.

Інтерполятор (І) дає можливість отримати неперервний уніфікований аналоговий сигнал, пропорційний відстані до об’єкту по її дискретним вимірюванням.