Электроакустические эффекты в ультразвуковых измерениях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

! ...

Академия Наук СССР Дальневосточное Отделение

На правах рукописи

ХИМУНИН Андрей Сергеевич

УДК 534.8-08

ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ

Специальность 01.04.06 — Акустика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации в форме научного доклада по работам на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Владивосток 1992

по работам на соискание ученой степени

Работа выполнена в Научно-производственном объединении «Всесоюзный научно-исследовательский институт токов высокой частоты»(НПО «ВНИИТВЧ», Ленинград)

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор И. Н. Каневский (ТОЙ ДВНЦ АН СССР, г. Владивосток)

доктор физико-математических наук, профессор В. Ф. Казанцев (АКИН АН СССР, г. Москва) доктор физико-математических наук, лауреат Государственной премии СССР Л. К- Зарембо (МГУ, г. Москва)

Ведущая организация: Ленинградский электротехнический институт им. В. И. Ульянова (Ленина).

Защита состоится < ¿^и а ^_1992 г. в_часов на

заседании Специализированного совета Д" 002.06.04 при Президиуме Дальневосточного Отделения АН СССР по адресу: Владивосток, ул. Радио, дом 7.

С диссертацией в форме научного доклада по опубликованным работам можно ознакомиться в ЦБ ДВО АН СССР.

Отзывы в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью учреждения, следует направлять по адресу: 690032, г. Владивосток, ул. Радио, дом 7, Специализированный совет Д С102.06.04 при Президиуме ДВО АН СССР.

Автореферат разослан </<?? » ¿1**/? 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета Д 002.06.04

канд. физ.-мат. наук Н. В. Суишлов

С-;. ^ ? ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивное внедрение ультразвуковых методов в практику физического эксперимента, неразрушавдего контроля и медицинскую диагностику предъявляет все более жесткие требования к метрологическим аспектам применяыой а разрабатываемой аппаратуры. Удовлетворение этих требований неразрывно связано с созданием теоретических основ ультразвуковых измерений и совершенствованием на их базе методики экспериментальных исследований.

Во всех известных областях применения ультразвуковых методов информацию о взаимодействии ограниченных в пространстве и времени акустических колебаний с исследуемой средой получают с помощью излучавдих и приемных преобразователей конечных размеров по сравнении с дошгай волны. Усреднение акустического поля по поверхности приемника приводит к специфическим погрешностям измерения, обусловленным как сложной структурой поля излучателя, так и результатом этого усреднения. Такие погрешности в измерениях параметров распространения (скорости ультразвука и коэффициента поглощения) принято называть дифракционными, а отклонение характера поведения системы излучатель-среда-приемник от законов геометрической акустики принято объяснять дифракционными эффектами.

Существующие методы теоретического анализа дифракционных эффектов основаны на решении простых модельных задач с идеализированными граничшс,га условиями. Однако параметры реальных акустических систем измерительной аппаратуры, как правило, отличаются от модельных идеализация. Оценка возникающих при этом дополнительных погрешностей требует постановки и решения более сложных задач, учитывающих распределения возбуждения на поверхностях излучателя и приемника и их геометрию. Анализ результатов таких решений необходим не только для повышения точности измерений путем коррекции результатов с помощью дополнительных дифракционных поправок, но и для определения допустили ограничений при проведении экспериментальных исследований. Условие "изолированности" акустической системы в таких задачах будем называть акустическим приближением, а соответствующие ему дифракционные эффекты - акустическими дифракционными эффектами.

Вместе с тем решение сколь угодно сложных модельных задач об усреднении поля в акустическом приближении, то есть без учета особенностей электроакустического преобразования энергии в реальных пьезопреобразователях, не позволяет заметно продвинуться на пути разработки метрологически обоснованного эксперимента . Эти особенности преобразования могут оказывать весьма сильное влияние на окончательные итоги измерения при больших коэффициентах электромеханической связи, примером чему являются отрицательные результаты в неоднократных попытках применения пьезокерамических преобразователей в прецизионных измерениях параметров распространения. Наиболее вероятная причина тлохих результатов в таких измерениях - неравномерное возбуа-дение поверхности преобразователя. Известно, однако, что акустические системы с пьезокерамичесними преобразователями более технологичны по сравнении с монокристаллическими и обеспечивают значительно больший коэффициент передачи. В этой связи анализ механизмов возникновения и разработка способов подавления неравномерного возбуждения преобразователей из современной высокоэффективной пьезокерамики может оказаться весьма плодотворным направлением в практическом применении ультразвуковых методов в промышленности, медицине и физическом эксперименте.

В общем случае ультразвуковых измерений изменение электрических режимов излучения и приема сопровождается нетривиальным поведением коэффициента передачи акустической системы, разнообразные проявления которого будем называть электроакустическими дифракционными эффектами (или, для краткости - элек троакустичесюши эффектам). Изучение закономерностей формирования коэффициента передачи для пьезолреобразователей конеч ных размеров при изменении характера их электрической нагрузк открывает возможность существенного повышения точности измере ния абсолютного значения параметров распространения ультразву ка.

Исследования по теме доклада проводились в непосредствен ной связи с выполнением НИР и ОКР ВНШТВЧ в соответствии с ко ординационными планами Министерства электротехнической промып ленности и приборостроения СССР и Министерства здравоохраненг СССР, а также при разработке приборов контроля технологичесга

параметров в аппаратах и испытательных: стендах криогенной техники.

Цель работы. Целью работ является комплексное исследование процессов излучения, формирования и усреднения акустического пола реальннми пьезопреобразователями заданной геометрии с ученом их электрических нагрузок, направленное на создание теоретических основ ультразвуковых измерений.

Основные задачи, решаемые в работах:

- исследование закономерностей поведения коэффициента передачи электроакустической системы ультразвуковых измерительных приборов в квазисгационарном, интерферомегрическом и импульсном режимах излучения-приема;

- исследование условий электроакустического согласования пьезопреобразователей с различным коэффициентом электромеханической связи для обеспечения режима бегущей волны в стационарном и квазистационарном методах; анализ условий- реализации ин-терферометрического режима при резонансном и нерезонансном возбуздении излучателя;

- разработка и экспериментальное исследование прецизионных методов измерения параметров распространения, допускающих принципиальную возможность коррекции результатов измерения путем введения расчетных значений систематических поправок, и обоснование оптимальных электроакустических режимов измерительной аппаратуры;

- разработка эффективных способов контроля отклонения экспериментальных условий от теорегичевких, принятых в решениях модельных задач; разработка методов минимизации систематических погрешностей в измерениях параметров распространения и структуры акустического поля; излучателей;

- разработка практических рекомендаций по обеспечению предельно достижимой точности абсолютных измерений параметров распространения и характеристик поля пьезопреобразователей.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту

I. При измерении параметров распространения ультразвука в квазистационарном режиме излучения-приема наибольшая точность обеспечивается для акустической системы с равномерно возбуждаемыми преобразователями. Степень равномерности их возбужде-

ния, определяющая предельно достижимую точность измерения, зависит от характера их электрической нагрузки.

2. Зависимость коэффициента передачи акустической системы от расстояния между пьезопреобразователями с большим коэффициентом электромеханической связи при определенных нагрузках с их электрической стороны может значительно отличаться от теоретических оценок, рассчитанных для равномерно возбуждаемых поршневых преобразователей. В результатах измерения методом многократных отражений, например, в твердых телах, при таких нагрузках возникают неконтролируемые погрешности, достигающие для коэффициента поглощения десятков и даже сотен процентов.

3. Для пьезопреобразователей с коэффициентом электромеханической связи ^0,28 существуют два условия идеального согласования со средой, реализующие режим бегущей волны (коэффициент бегучести волны КБВ = I): I и КюКС^Ю. При К^ <0,28 идеальное согласование без компенсирувдей индуктивности невозможно и возникающие в этом случае дополнительные систематические погрешности определяются результирующим значением КБВ ^ I. Компенсация параллельной емкости преобразователя резонансной индуктивностью при 0,28 лишь незначительно изменяет условие согласования, причем только в окрестностях холостого хода.

4. Режим короткого замыкания для преобразователей из "изотропной" пьезокереыики при работе ка фиксированной частоте обеспечивает равномерное распределение амплитуд колебательной скорости по поверхности излучателя и равномерную локальную чувствительность по поверхности приемника. Преобразователи из керамики с ярко выраженной анизотропией пьезопара-метров имеют равномерную чувствительность при всех режимах возбуждения. Пьезокварцевые преобразователи в режиме короткого замыкания весьма близки к лоршнеподобным как на основной резонансной частоте, так и на частотах нечетных гармоник.

5. Для преобразователей с равномерным возбуждением разработаны методы минимизации систематических погрешностей, основанные на определении эффективного радиуса системы излуча-телъ-среда-приемниЕ Методы минимизации обеспечивают повышение точности измерения параметров распространения по крайней

лере в несколько раз. Установлен диапазон изменения волновых размеров акустической системы, в пределах которого дифракционное эффекты даяе для равномерно возбуждаемых преобразователей тркводят к недопустимо большим систематическим погрешностям, юстигающим, например, 150 м/с и более при измерении скорости ультразвука в жидкостях.

6. Разработаны методы контроля равномерности возбуждения

I методы измерения эффективного радиуса пьезопреобразователей. Определены требования к максимальному размеру измерительного гидрофона, предназначенного для анализа структуры акустического поля с заданной погрешностью ее воспроизведения. Показа-го, например, что при допустимой погрешности 10% радиус измерительного гидрофона Ь должен удовлетворять условию

где 2 - расстояние между плоскостью сканиро-зания и излучателем с характеристическим радиусом 01.

7. При измерении фазовой скорости ультразвука в интерфе-зометрическом режиме точность измерений мокет существенно 1ревышать таковую для режима бегущей волны. Установлено, что иш слабопоглощагацих жидкостей снижение погрешностей измере-1ия по сравнению с режимом бегущей волны достигает трех порядков.

8. Особенности поведения систематических погрешностей из-герения фазовой скорости по максимумам и минимумам кривой реакции при изменении расстояния, коэффициента поглощения и ра-Зочей частоты существенно различаются. Предельно достижимая точность абсолютных измерений может быть реализована лишь в измерениях по максимуму кривой реакции в условиях, обеспечи-запцих КСВ = (КЕВ)--'-—со. Определены электрические режимы зозбуядения излучателя и эквивалентные им схемные ре-пения, удовлетворяющие этим условиям для резонансных и нерезонансных методов ультразвуковой интерферометрии. Показано, ïto при измерениях до ыинияумам кривой реакции погрешность абсолютных измерений превышает таковую для режима бегущей волны.

9. В результате исследования тонкой структуры экстрему-лов кривой реакции интерферометра с равномерным или глад-шм осесимметричныии профилями возбуждения преобразователя конечного размера установлено отсутствие дифракционных са-

теллитов с явно выраженной переменой знака первой производной. Возникновение подобных сателлитов на экспериментальных кривых реакции может быть следствием такого осесимметричного возбуждения, для которого пространственный период модуляции эпюры колебательной скорости меньше радиуса излучателя.

10. Для нестационарного режима возбуждения преобразователей получены аналитические выражения для импульсных откликов акустической системы с произвольными размерами излучателя и приемника. Установлено хорошее согласие результатов расчета временных зависимостей импульсных откликов с результатами непосредственной визуализации импульсных откликов среднего давления и колебательной скорости в режимах короткого замыкания и холостого хода приемного преобразователя. Это согласие, совместно с результатами измерения амплитудно-временных соотношений в распределении возбуждения по поверхности "толстого" преобразователя, подтверждает правомочность положения о допустимости для этого случая разделения пространственных и временных зависимостей переменных в решениях модельных задач во временной области.

11. Разработан метод анализа погрешностей измерения параметров распространения в нестационарном режиме излучения-приема, обеспечивающий возможность количественной оценки дифракционных искажений модуля и.фазы принятых сигналов в заданной временной области интереса. На примере типичных форм возбуждающих узкололосных и широкополосных импульсных сигналов установлены особенности поведения принятых импульсов при изменении геометрии акустической системы; определены условия перехода нестационарных погрешностей в квазиставдонарные, рассчитываемые для режима бегущей волны.

12. При измерении скорости ультразвука прямым импульсным методом точность измерений монет быть повышена путем коррекция результатов с помощью поправок, рассчитываемых разработанным для этого методом анализа нестационарных систематических погрешностей при произвольных уровнях отсечки принятого сигнала. Предложен метод измерения, основанный на фиксации временного положения выбранного максимума принятого сигнала с учетом нестационарного сдвига этого максимума, обеспечивающий повышение точности абсолютных измерений не менее чем

а три раза.

Практическая значимость. Большинство результатов работы относится к теоретическим и прикладным аспектам измерения параметров распространения - скорости ультразвука и коэффициента юглощента. На основе проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований в этой связи:

- «формулированы метрологически обоснованные принципы построения акустических измерительных систем и схемных решений аппаратуры с требуемыми электроакустическими характеристиками; зредогожены методы контроля корректности экспершентальных условий в ультразвуковых измерениях;

- разработаны новые метода и установлены количественные закономерности в электроакустических характеристиках реализую-цей эти методы аппаратуры с высокой разрешающей способностью цля измерения скорости ультразвука, коэффициента поглощения и параметров технологических процессов;

- предложены методы обработки результатов измерения, обес-зечивагацие минимизацию погрешностей при проведении абсолютных измерений и количественную оценку достоверности опытных данных;

- систематизированы в виде справочного материала таблицы точных дифракционных поправок к измеряемым значениям параметров распространения.

Результаты анализа стационарных и нестационарных акустических полей электрически нагруженных преобразователей конечных размеров могут служить основой для разработки поверочных схем, методов измерения и аппаратуры для анализа, пространственного и временного разрешения ультразвуковых приборов контроля и медицинской диагностики.

Разработанные методы измерения ссцротивления излучения, коэффициентов передачи и коэффициентов смражения в акустических системах с пьезопреобразователямн заданной геометрии позволяют существенно повысить эффективность широкого класса ультразвуковой доплеровской эхолокационной 'аппаратуры.

Анализ условий применимости измерительного гвдрофона для исследования структуры акустического поля излучателей обеспечивает возможность определения погрешности воспроизведения

исследуемой структуры в различных областях ультразвуковых измерений, в гидроакустике и в методах визуализации полей и не-однородностей объектов с помощью упругих или электромагнитных колебаний.

По результатам исследований получено 20 авторских свидетельств на способы измерения и устройства, а также на различные способы контроля условий проведения прецизионных измерений.

Реализация результатов работы и внедрение. Разработанные методы и аппаратура внедрены на предприятиях Ленинградской, Московской и Горьковской областей, в практику учебного процесса в ЛЭТИ и ЛГУ, применяются в научных исследованиях ЛЭТИ, ЛГУ и ВНИИТВЧ. Результаты теоретического анализа и среднего давления структуры поля различных излучателей переданы Отделению медицинских исследований корпорации "Дженерал Электрик" , (Ж. Сведения о внедрении авторских свидетельств приведены в Приложении.

Результаты работы использованы при подготовке рукописи книги: М.Б.Гитис, А.С.Химушш. Физические основы ультразвуковых измерений. Л-д, Машиностроение (Ленинградское отделение) - 29 п.л. Рукопись принята к изданию 03.05.90.

.Апробация работа. Материалы работ докладывались и обсуждались на У, У1, УП, УШ, IX и XI Всесоюзных акустических конференциях (Киев, 1961; Москва, 1968; Ленинград, 1971; Москва, 1973; Москва, 1977; Москва, 1991), Всесоюзных конференциях по ультразвуковой интерферометрии и спектроскопии (Клайпеда, 1965; Каунас, 1969; Вильнюс, 1973; Вильнюс, 1976; Вильнюс, 1980; Вильнюс, 1984), Всесоюзной межвузовской конференции "Промышленное применение ультразвука" (Куйбышев, 1961), 1У Симпозиуме по ульграакусгическиы методам исследования вещества (Москва, 1970), научно-технических и научно-теоретических семинарах "Техника и методика ультразвуковых измерений" и "физическая и техническая акустика" (Ленинград, 1967, 1969, 1975, 1977, 1981, 1983, 1987), Всесоюзной конференции "Ультразвук в физиологии и медицине" (Ташкент, 1980), Всесоюзной конференции "Основные направления развития ультразвуковой техники и технологии на период I98I-I990 гг." (Суздаль, 1982) Всесоюзных совещаниях "Новые ультразвуковые методы и приборы

для применения в биологии и медицине" (Великий Устюг, 1986, 1989), сессиях секции "Физические и технические основы применения ультразвука в медицине и физиологии" Научного Совета АН СССР по проблеме "Ультразвук" (Ленинград, 1976; Батуми, 1977; Москва, 1982), научной сессии АН СССР "Некоторые итоги и проблемы биомедицинской акустики" (Ростов-на-Дону, 1978), Ленинградском акустическом семинаре Научного совета по акустике АН СССР при ЛКИ (Ленинград, 1982), совещаниях специалистов МЭТП, -13 СССР и "Дженерал Электрик", США (Скеннекгеди, Нью-Йорк, Г975; Милуоки, Висконсин, 1977; Ленинград, 1979), Всемирном электротехническом конгрессе (Москва, 1977), I Советско-американском симпозиуме по медицинской технике (Москва, 1979), леядународном симпозиуме "Ультразвуковая диагностическая медицинская техника " (Москва, 1990), на семинарах и конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭТИ, ЛГУ, ТРТИ а НОШ.

Публикации. По теме исследований опубликовано 80 печатное работ, в том числе 20 авторских свидетельств.

Структура и объем работа. Доклад состоит из введения, четырех разделов, заключения, списков цитированной и опублико-занной литературы и приложения, изложенных на 159 стр. Текст гоклада содержит 104 машинописных стр. и 54 рисунка на 29 ;тр.; список цитированной литературы из 24 наименований содержит 3 стр.; список опубликованной литературы из 80 наименова-шй содержит 9 стр. В приложении на 26 стр. приведены сведшая о практическом использовании и внедрении полученных ре-¡ультатов.

С0ДЕЕШШ ДОКЛАДА

Во введении представлен крйткий анализ совре-!енного состояния теоретических и экспериментальных исследо-шний электроакустических эффектов и их взаимосвязи с ыегро-югическими аспектами измерения параметров распространения гльтразвука. Из этого анализа непосредственно следуют цель и ¡адачи исследования, изложенные в общей характеристике рабо-?н.

В первой группе работ анализируются элек-

троакустические эффекты при измерении параметров распростране ния в квазистационарном (радиоимпульсноы) режиме излучения-приема. В результате такого анализа установлены основыне закономерности в поведении коэффициента передачи акустической системы с преобразователями конечного размера при изменении условий их электроакустического согласования.

Расчет коэффициента передачи по давлению в "изолированной акустической системе сводится к интегрированию по площади при емника акустического давления в заданной точке поля, принадлежащей этому приемнику {11-13, 7?] . В рассматриваемых работах метод вычисления давления в ближнем поле излучателя основан на математически строгом подходе Шоха к понижению кратности поверхностного интеграла .Рэлея и обеспечивает высокую точ ность численных расчетов для произвольных гладких (например, косинусоидалышх, гауссовых) или дискретных (например, френе-левых, эквидистантных) профилей возбуждения на излучающей апертуре [27, 31-33] .

Любое гладкое распределение амплитуд колебательной скорости на поверхности излучателя аппроксимируется с заданной точностью ступенчатой функцией, в пределах кавдого дискрета которой возбуждение принимается постоянным. Например, для осе симметричных излучателей дискретом является элементарный коль цевой излучатель конечной ширины. Акустическое давление в поле такого излучателя определяется разностью комплексных давле ний от двух коаксиально расположенных в одной плоскости сплошных поршневых излучателей с радиусами, равными внешеыу и внутреннему радиусам кольца. В работах [32, 35, 38, 40, 43] подробно анализируется амплитудная и фазовая структура поля осесншетричных излучателей с различными распределениями воз-бувдения. Из этого анализа следует, что из всех гладких распределений наибольшей пространственной неоднородностью поля обладают поршневые излучатели с идеально равномерным возбуждение«, причем максимальная неоднородность (от 0 до 2 р0) заме ет место на оси такого излучателя в соответствии с известной зависимостью

К*А*= 1"" ^рФ4*1)^ *]} , (I)

где ро~ давление незатухающей плоской волны, 2 - расстояние

г точки наблюдения до плоскости излучателя радиуса О/, ; = = - волновое число. На этом выводе основаны размотанные методы учета отклонений экспериментальных условий г теоретических идеализаций в модельных задачах. В частности, ля контроля степени равномерности возбуждения "не очень пло-ях" поршневых излучателей предложен количественный критерий, асленно равный относительному отклоненшо геометрического ра-ауса йт излучателя от его эффективного радиуса СЦф . По-тедний определялся из экспериментально измеренных положений ;сстремумов давления на оси по формуле, непосредственно недуемой из выражения (I):

зесь 1и= для максимумов, Пдан минимумов,

= I, 2, 3 ... [бб, 7б] . В работах [76, 77]

обосновывается

ринадлежность преобразователей к условному классу "не очень иохих", для которых (аг-а3?)/аг ОД . Результаты анализа груктуры поля положены такие в основу метода контроля акустя-зской соосности преобразователей [бб] и фотодиффузионного юсоба контроля равномерности возбуждения поверхности пьезо-реобразователя [б4] •

В перечисленных выше работах показано, что характеристи-а поля осесимметричннх излучателей конечного размера с любым ^определением возбуждения в практически Баяном диапазоне вол-эвых параметров 10 ка 100 и 5 < 5 существен-

з отличаются от характеристик поля вдеально плоской волны, ш которой справедливы определения коэффициента поглощения и 13овой скорости звука. Очевидно, что эти характеристики бу-?т сближаться лишь при неограниченном возрастании волновых »раметров. Вместе с тем процессы усреднения акустического по-I по поверхности приемника конечных размеров приводят к тому, го регистрируемые таким приемником амплитудные и фазовые за-асимости в принятых сигналах оказываются достаточно близкими параметрам идеально плоской волны. Оставшаяся разница в этих зраметрах уменьшается с уменьшением неравномерности возбувде-гя, однако при неблагоприятно выбранных рабочих условиях эта ззница может приводить к появлению весьма больших системати-гских погрешностей даже при идеально равномерном возбуждении.

Численный расчет среднего давления на приемнике для простейшей акустической системы с равномерно возбуждаемыми круглыми преобразователями проводился по математически строгим формулам, полученным путем интегрирования потенциала Кинга по площади приемника [~23, 24] . Для приемника радиусом !) , ось которого сдвинута относительно оси излучателя радиусом Си на величину ^м ) > среднее давление получено в виде

где символы цилиндрических функций Бесселя первого рода. Для случая равных преобразователей (& = !)) со сдвигом осей несобственный интеграл (3) сводится к суше интегралов в конечных пределах. Для системы коаксиальных преобразователей ( ^ = 0, Ь/^ ^^ выражение (3) преобразуется к ввду

= [^УЩ)] (4)

где . Б случае ^ > I расчет по формуле

(4) производится с учетом соотношения

Для коаксиальных преобразователей одинакового размера (й = 5 ) выражение (4) упрощается ñi

£-4- |«tp(¿Ka)j AaWe)^] Л ¿8 (6)

О О

и совпадает с У - интегралом Вильямса. Прямое интегрирование (6) при 2 = 0 приводит к аналитическим выражениям для нормированного импеданса поршневого излучателя [74, 75J¡. Численные расчеты для этого случая проводились в связи с исследованиями разработанных методов измерения сопротивления излучения льезо-преобразователей [73 J , удельного акустического сопротивления и плотности жидких сред ¡J5, 56^ применительно к задачам измерения массового расхода и ультразвуковой дозиметрии ¡J2, 57] .

Представленные в работах £13, 22, 34, 74-76] результаты анализа компонент среднего давления }р/р0| и Ч выполнены да

широкого набора волновых параметров и преобразователей различной геометрии. По результатам численных расчетов составлены систематизированные таблицы точных дифракционных поправок [45^, позволяющие осуществить предварительное планирование эксперимента, оценить пределы изменения измеряемой величины при выбранных рабочих параметрах и определить ожидаемую погрешность.

Применение таблиц поправок наиболее эффективно при экспериментальной реализации условий "не очень плохих" преобразователей, когда допустима замена реальной эпюры распределения возбуждения и локальной чувствительности эквивалентной прямоугольной эпюрой равной площади. При такой замене правомочность использования в эксперименте критерия "эффективный радиус системы излучатель-среда-приемннк" базировалась на результатах подробного анализа поведения компонент среднего давления для неравномерно возбуждаемого излучателя при неравномерной локальной чувствительности приемника. В этом случае в расчетах среднего давления непрерывные распределения колебательной скорости и локальной чувствительности аппроксимировались с заданной точностью ступенчатыми функциями, а излучатель и приемник представлялись системами из элементарных кольцевых излучателей и приемников со своими весовыми коэффициентам, которые принимались постоянными в пределах поверхности одного элементарного кольцевого преобразователя [44]. Расчет среднего давления для любого'осесимметричного закона возбуждения и любого осесимметричного распределения локальной чувствительности сводился при этом к вычислениям по формулам (4) - (6).

Все рассмотренные в упомянутых работах количественные соотношения для среднего давления найдены строгими численными методами, расчеты в которых требуют Известных усилий и затрат машинного времена. В ряде случаев удовлетворительную точность в расчетах компонент среднего давления могут обеспечить и приближенные аналитические зависимости. Такие зависимости для различных режимов измерений получены в работах {Ъз, 15, 20, 2з] . Здесь мы рассмотрим лишь асимптотические формулы для случая 8«О/, которые позволяют оценить погрешность воспроизведения исследуемой структуры поля из-за конечных размеров измерительного гидрофона [Г7, 25, 4б]. Для гидрофона, ось ко-

торого сдвигута на величину относительно оси исследуемого излучателя, среднее давление получено в виде

р.

Ро каЬ

ка!

(7)

Дли соосных преобразователей 30(0) = I в формуле (7) и в этом случае при Ь - 0 она переходит в строгий результат (I). Совместный анализ выражений (I).и (7) позволил определить следующие значения максимально допустимого размера измерительного гидрофона при заданной погрешности воспроизведения : при 1=105«: Ьиак^гу^а), при $-=2,5$: гХ/(<оа).

Особое внимание в работах уделялось исследованию эффективных способов контроля совпадения расчетных и экспериментальных условий, а также обоснованию границ применимости модельных идеализации при количественном учете акустических дифракционных эффектов. Показано, например, что пределы применимости модельных граничных условий и приближения акустической прозрачности приемника при выводе выражений (3) - (6) определяются соотношением ка > ю. В рамках этого соотношения подробно исследована возможность реализации в эксперименте равномерного возбуждения и равномерной чувствительности на поверхности различных пьезопреобразователей. Исследования проводились для преобразователей из пьезокварца Х-среза, широко распространенной пьезокерамкки типа ЦГС-19, а также керамики типа ПКР-55 с ярко выраженной анизотропией пьезопараметров [27, 47, 51^ -

В результате этих исследований было обнаружено, что для: пьезокерамики с большими и сравнимыми по величине коэффициентами электромеханической связи для толщенных (К).) и планар-ных (Кр) колебаний (напр., ЦТС-19, ПКР-7М) равномерность распределения амплитуд колебательной скорости на поверхности преобразователя существенно зависит от электрического импеданса *" схема возбуждения. Установлено, что в режиме электрического' холостого хода (0>11С > 3) это распределение оказывается весьма неравномерным, тогда как в режиме электрического короткого замыкания (оКС"^- 0,3) пьеэокераыический преобразователь ведет себя как. доршнеподобный равномерно возбуждаемый из-

лучатель. Показано, что причиной этого является различное проявление конкурирующих механизмов взаимодействия основной тол-щинной мода колебаний пьезоэлемента конечных размеров с оберто-нагли изгибных и радиальных мод колебаний: в режиме холостого хода преобладающим механизмом является "электрическое" взаимодействие через пьезозаряды и потенциалы, в режиме короткого замыкания преобладает "механическое" взаимодействие, обусловленное конечными размерами преобразователя и конечным коэффициентом Пуассона. Показано также, что для режима электрического холостого хода систематические погрешности, обусловленные электроакустическими эффектами, превышают таковые для акустического приближения почти на порядок.

Для преобразователей с малым коэффициентом электромеханической связи, например, для кварцевых, эффекты взаимодействия различных мод, как правило, пренебрежимо малы. Равномерности возбуждения таких преобразователей должна способствовать и анизотропия его упругих постоянных в плоскости ТО 2.. Тем не менее даже для кварцевых преобразователей возможность их равномерного возбуждения часто ставится под сомнение, особенно при работе на частотах нечетных гармоник. Результаты экспериментальных исследований, проведенных в работах [18, 27, 38, 76, 77] , свидетельствуя® о достижении весьма равномерного возбуждения как на основной частоте, гак и на частотах высших механических гармоник.

В экспериментальных исследованиях электроакустических эффектов при измерении параметров распространения применялась разработанная с этой целью аппаратура, для которой возможные источники систематических и случайных погрешностей подвергались тщательному анализу. Для особо ответственных, метрологически обоснованных измерений абсолютного значения параметров распространения разработан, исследован и применен метод минимизации дифракционных погрешностей [19, 21, 42, 7б] . Обработка массива экспериментальных данных по предлагаемому методу производится для набора расчетных зависимостей среднего давления (средней фазы) от расстояния при последовательном изменении текущего радиуса преобразователей в окрестностях его геометрического радиуса. При этом суша квадратов отклонения экспериментальных данных в наборе корректированных зависимостей

имеет минимум в функции от текущего радиуса, соответствующий эффективному радиусу системы излучатель-среда-приемнин, а полученные значения параметров соответствуют искомому затуханию и скорости звука. Предложенная обработка результатов измерения обеспечивала возможность определения абсолютного значения фазовой скорости с помощью разработанной аппаратуры при относительном средаеквадратическон отклонении результатов от средних значений не более 1,5.10"® (j-^ I МГц) и абсолютного значения коэффициента поглощения - не более 2,5. Ю-^ (^2 НГц , iy > 25.1СГ17 си1 с2).

В заключение этого раздела работ отметил, что существуют такие условия измерения, при которых никакие известные мероприятия не могут обеспечить высокой точности измерений. Могло показать jj23, 25] , что максимально возможная систематическая погрешность измерения скорости ультразвука имеет место при KCt= 4 и Л2 = 2г-ЗЦ= А. Возникающие в таком режиме погрешности составляют 10% от измеряемой величины, то есть погрешности при измерениях скорости в жидкостях будут достигать 150 м/с и более. Результаты специально поставленных для этих условий экспериментальных исследований, проведенных в режше бегущей волны [[52, 68] на частоте 240 кГц с преобразователями диаметром 8 мм, полностью подтвердили теоретический вывод о существовании весьма неблагоприятных сочетаний рабочих параметров.

Анализ поведения среднего давления в системе прямоугольных преобразователей представлен в работах ¡36, 38] . Структура поля прямоугольных преобразователей и прямоугольных антенных решеток анализировалась в работах ¡J28 - 30] .

Во второй группе работ анализируется интерфероне трическгй метод измерения. Результатом такого анализа являются основные закономерности формирования амплитудно-фазовых кривых реакции в ультразвуковом интерферометре с пьезопре-образователем конечного размера при изменении электрических импедансов схем возбуждения и регистрации.

В работах [37, 41, 78] представлен численный метод решения модельной жнтерферометрической задачи, рассматриваемой в следующих приближениях:

- излучатель является идеально яестнш поршнем конечного

азмера, заключенным в жесткий бесконечный экран;

- на поверхности излучателя задан произвольный закон рас-;ределения амплитуд колебательной скорости;

- отражатель является идеальным бесконечным рефлектором;

- боковые стенки измерительной камеры удалены на беско-[ечность (условие излучения в полупространство).

Вопросы корректности принятых в модельной задаче .допуще-:ий, усложнение модельных условий (например, учет конечных ко-ффициентов отражения) и их реализация в эксперименте подроб-ю обсуядаются в работах [б2, 69, 78] .

Простейшая модельная задача формулируется следующим обра-юм. Абсолютно жесткий излучатель радиуса & с колебательной :коростьп на его поверхности ЯГ0 = соа^ , возбуждаемый на частоте | = ^/¿Д » располбжен в плоскости £ = 0 идеально отра-¡авдего экрана, на котором 1У0 = 0. Расстояний между излучате-гем и рефлектором С -1/1 . Среднее давление на излучателе (р/р^а^о , нормированное к давлению затуханцей плоской волги рч=рвехр(Ы1> > суммируется с давлениями всех много-:ратифтраженных волн, пути которых в исследуемой среде равны

'Л , , бС ... :

Верхний предел суммы в выражении'(9) определяется расстоянием, га котором вклад амплитуды среднёго давления последующих отраженных волн в результирующее среднее давление будет исчезаще яалым из-за поглощения в среде и дифракционного ослабления. В шсленных расчетах по формуле (9) использовалось выражение (6) да среднего давления при с* £ 0:

~ = (ik.sE;)[ Ц[чкЬаЧо^ех

X елр [с*1 -0(1 ъЧ/г ),/г<] бЛ . (Ю)

В работе [тв] подробно рассматриваются результат^ рас-, гета структуры кривых реакции, иллюсгрирупцяе процесс формиро-зания экстремумов при увеличения числа отражений. Анализ вида кривых реакций выполнен для различных частот в диапазоне рас-

стоянии 0 г? 300 мм и поглощений о( ^ 500о(^ , где

= 25. КГ^см-"^ - коэффициент поглощения ультразвук;

в воде.

Главная особенность в процессе формирования экстремумов заключается в том, что для слабосоглощащих жидкостей положения максимумов кривой реакции с ростом количества учитываемых отражений все более ж более приближаются к координатам максимумов в одномерном решении. Общим свойством всех рассчитанных дифракционных кривых реакции оказались весьма малые и монотоа ные отклонения положений максимумов от таковых в одномерном р< шении (однако сильно зависящие ото( ) и значительные и немонотонные отклонения положений минимумов (слабо зависящие ого(). Для слабо поглощавдих жидкостей (о( ^ ) систематические погрешности измерения скорости ультразвука по максимумам кривой реакции на три порядка меньше аналогичных погрешностей в квазистационарном режиме,

В более сложной модельной задаче учитывалось произвольное осесимметричное распределение возбуждения поверхности излучателя путем представления излучателя с заданным гладким распределением системой кольцевых преобразователей конечной шрины [32 , 43] . Результаты решения этой задачи позволили на глядно проследить ухудшение метрологических характеристик с ростом неравномерности возбуждения и выявить дополнительные преимущества измерений при соблюдении условий равномерного возбуждения.

Для проверки распространенного мнения о существовании та называемых "дифракционных" сателлитов особое внимание в этом анализе было уделено структуре кривых реакций в области аномального поведения минимумов. Для всех исследованных структур с уменьшением расстояния увеличивалось лишь количество дофраг ционных осцилляций на правом склоне максимунов в ута пыталась их амплитуда, выраженных же дополнительных экстремумов с пере менной знака производной не обнаружено.

Следует подчеркнуть, что потенциально высокая точность измерений по максимумам амплитудной кривой реакции при равномерном возбуждении может быть реализована только при соблюдении условий практически идеального генератора тока, возбужда-

хцего пьезопреобразователь, полного отражения от рефлектора, ¡злучателя а экрана, а также при устранении шунтирующего влия-шя эквивалентного сопротивления компенсирующего контура и йодного импеданса регистрирующей схеш. В работах [14, 78] юдробно анализируется возможность осуществляения этих усло-шй при разработке конструкххии измерительной камеры и элек-'ронной схеш.

Для количественной оценки влияния результирующего импе-энса электрических схем возбуждения и регистрации, шунтирую-|их пьезопреобразовагель интерферометра, достаточно восполь-юваться результатом решения одномерной задачи в приближении юргниса. Полученные при этом соотношения будут характеризо-¡ать верхний предел погрешностей дан дифракционной задачи, [алее эта задача может быть усложнена на следующем итерацион-юм этапе расчета введением заранее рассчитанных комплексных :оэффициентов отраженных от пьез опре о бра з овачеля для заданных центрических импедансов (см.четвертый раздел работ), учетом [евдеальных условий отражения от рефлектора и т.п. В работах 7, 14] рассматриваются результаты расчета импеданса интерферометра , иллюстрирущие различную степень искажения кривой )еакции вплоть до ее обращения, при различной степени шунти-юванш пьез опре образ ова теля По- = Кщ,/!^ , где Йщ - шунтирую-¡ее сопротивление, - сопротивление излучения в полупро-¡транство 3:^0.

Представленные в этих работах зависимости наглядно демон-¡трируют изменение формы кривой реакции при изменении режимов 1лектроакустического согласования пьезопреобразователя со сре-юй. Так, при (и, = I пьезокварцевый преобразователь со ском-[енсированной емкостью полностью согласован со средой и в каюре интерферометра при условии о( -> 0 существуют только две голны - излучаемая и отраженная от рефлектора, при этом кривая )еакции пропорциональна 1541 (к £) | . При •№,-»■ О и Иг -»■ °° ко-»ффициент отражения стремится к единице, однако только в по-:леднем случае (режим холостого хода) кривая реакции по напряжению пропорциональна модулю импеданса интерферометра.

В работах анализируются результаты измерения параметров жспериментальных кривых реакций и степень совпадения их с рас-[етными зависимостями. Из анализа фазовых кривых реакции пока-

зада возможность реализации весьма высокой разрешающей способ' поста при измерении скорости ультразвука ¡J70] с использованием начального участка этих кривых в окрестностях минимумов амплитуд; полученные зависимости определяют предельное разрешение ультразвукового интерферометра.

Вопросы аппаратной а схемной реализации различных интерфероне трических устройств подробно рассматриваются в работах [i, 4, 54, 55, 69] .

В третьей группе работ исследуются методы измерения параметров распространения ультразвука в нестационарном режиме излучения-приема.

Анализ импульсных методов измерения тесно связан с задаче расчета акустических переходных процессов при распространении широкополосных сигналов в системе излучатель-среда-приемник. Решение этой задачи позволяет определить систематические погрешности, например, при измерении скорости ультразвука прямым импульсным методом, при определении o^jP] для спектрометрических систем измерения с -применением "толстых" пьезопреоб-разователей, возбувдаемых коротким видеоимпульсом и т.п.

Рассматриваемый здесь метод анализа акустических переход них процессов основан на решении волнового уравнения во временной области. При этом временная функция среднего давления на приемнике находится как свертка импульсного отклика среднего давления с временной функцией входного сигнала - нормальной составляющей колебательной скорости на поверхности излучателя. Реализация этого метода сводится в первую очередь к отысканию импульсного отклика среднего давления или среднего потенциала на приемном преобразователе. Временная зависимость входного сигнала при этом считается заданной, а правомочность допущения независимости пространственных и временных переменных должна быть подвергнута тщательному анализу.

Для коаксиальных преобразователей произвольных размеров математически строгое аналитическое выражение для импульсного отклика среднего потенциала получено в работах. [79, 8о] в следующем виде:

Н (a ,(L,6 ,с ,t)«с&гшш$д - caV «& \ - tW í\~¡i\ + a4 s, < и)

д-^-' ^^ • г-(с I г) , /ц- , ^ их

Здесь В^О/; ^ , где \ = (*Чаг)'Ус . 1Ь = %тхА '

[И? + ^ ~ Р300^0™36 между наиболее удаленными гонками излучателя и приема. При 5 > & расчет по формулам (II) производится с учетом соотношения Н (31 й 6 С 10 =

В частном случае преобразователей одинакового размера выражение (II) упрощается и совпадает с известным выражением Зайна для среднего потенциала.

Математически строгая зависимость-импульсного отклика среднего давления от времени для общего случая получе-

на в виде

-ч"-(М)*]и[иа] и2)

где —- время распространения плоской волны. При t=t, импульсный отклик среднего давления представляет собой 0 -импульс. При о = 0 в момент времени t=•t^ возникает отрицатель-гай $ -импульс. При 0^0 импульсный отклик среднего равне-ят равен нулю в интервале

Реализация численных расчетов по формулам (II) и (12) основывалась на вычислении в частотной области дискретной сверт-методом БПФ. Результаты численных расчетов для входных сиг-залов в виде радиоимпульса с прямоугольной огибающей, экспоненциально затухающего радиоимпульса и радиоимпульса с гауссовой огибающей подробно рассмотрены в работе [8сГ] . Характерам проявлением нестационарных искажений начального участка 1ринятого синусоидального сигнала (независимо от формы огибаю-цей) является сокращение длительности первых полупериодов з увеличением расстояния; в пределе ¿Д ТоД при Х-»-00. Эквивалентное этому сокращению изменение частоты заполнения тянется причиной неполной компенсации сигналов в импульсно-разовых методах измерения скорости ультразвука и в методах наложения импульсов.

Анализ условий формирования стационарного режима проводился кал для амплитудных соотношений в принятом сигнале, так и для

сдвигов положения нулей выходного сигнала относительно нулей входного. Для входного сигнала в виде отрезка синусоиды процесс формирования выходного сигнала я выход его на стационарный режим интересен начальной стадией формирования сигнала плоской волны при Эти участки могут быть с успехом использованы

для измерения малых коэффициентов поглощения и скорости ультразвука в "бездафракционных" условиях.

Полученные аналитические выражения для при 6 И Си

использовались для расчета акустических переходных процессов в системе с произвольным осесимметричным распределением по поверхности излучателя колебательной скорости и коэффициента чувствительности по поверхности приемника. Нормированный импульсный отклик среднего давления на приемнике определяется в этом случае как

= ХДЧЛ^**, да,

М-»*-»

где Пр^уд; - нормированный импульсный отклик среднего давления на Щ -ом приемном элементе в поле I -го элементарного кольцевого излучателя. Во всех случаях выражается

через импульсные отклики среднего давления в системе круглых преобразователей; при С Ф- I, пг £ I

^МД^ДН^Н^. . (14)

Расчет по аналитическим формулам (II) и (14) требуют значительно меньшего объема вычислений по сравнению с расчетами по известным интегральным формулам Харриса.

Исследование"процессов возбуждения, распространения и приема широкополосных видеоимпульсных сигналов представляет особый интерес в связи с задачами анализа спектроскопических систем с аналого-цифровой обработкой сигналов. При реализации таких систем в эксперименте одним из основных вопросов оказывается проблема допустимости разделения пространственно-временных переменных на поверхностях излучателя и приемника.

Прямой ответ на этот вопрос могут дать результаты непосредственной визуализации импульсных откликов, однако полученные в имеющихся немногочисленных публикациях экспериментальные данные трудно сопоставимы между собой из-за различных максирую-щих факторов и различающихся условий эксперимента. В-связи с изложенным предпринята попытка визуализации усредненных по поверхности импульсных откликов в условиях, допускаицих контроль и изменение исходных данных ¡^бо] . В результате экспериментальных исследований установлено, что форма принятых импульсов, наклон заднего фронта и зависимость протяженности отклика от расстояния для случая приемника с жестким экраном значительно ближе к теоретическим зависимостям, немели для случая регистрации их тем же приемником без экрана. Обсуждаются причины наблвдаемых искажений в принятых сигналах.

Как было установлено в расчетах акустических переходных процессов, сокращение длительности первых полупериодов принятого сигнала в акустической .системе с преобразователями одинаковых размеров является причиной возникновения-нестационарных систематических погрешностей при измерении скорости ультразвука [39, 79] . Экспериментальное исследование таких погрешностей проводилось разработанным для этого методом измерения [?]Г] , в котором исключаются дополнительные поправки из-за фиксированного уровня отсечки принятого сигнала. Установлено хорошее согласие полученных опытных данных с расчетными соотношениями.

В четвертой группе работ рассматриваются некоторые специальные вопросы ультразвуковых, измерений, касающиеся различных аспектов электроакустического преобразования энергии - коэффициенты передачи по напряжению и по току, коэффициенты отражения от пьезопреобразователей в резонансных и нерезонансных режимах, работы и вопросы электроакустического согласования преобразователей со средой распространения. Здесь же анализируются источники некоторых специфических погрешностей измерения.

Поиск оптимальных условий преобразования электрической энергии в акустическую (и наоборот) в практических задачах ультразвуковых измерений основывается, как правило, на различных критериях. С одной стороны, увеличение элегктрическо-

го коэффициента передата способствует снижению случайных погрешностей при измерении параметров распространения в квазистационарных методах, однако при этом могут возникать трудно контролируемые систематические погрешности лз-за неизбзжного изменения механических граничных условий. С другой стороны, реализация режима бегущей волны минимизирует в этих методах систематические погрешности, однако при этом возрастает доля случайных погрешностей из-за уменьшения электрического коэффициента передачи. Наконец, в задачах ультразвуковой интерферометрии и систематические, и случайные погрешности оказываются наименьшими только при больших коэффициентах отражения, являющихся следствием намеренного рассогласования электрических и акустических ишедансов. Во всех этих случаях анализ коэффициентов передачи и коэффициентов отражения тесно связан между собой из-за необходимости выделения приоритетных требований при решении конкретной задачи измерения.

Мояно предположить, что результаты теоретического решения одномерной задачи для электрических коэффициентов передачи и коэффициентов отражения могли бы служить верхним пределом этих значений для реальных пьезопреобразователей конечных размеров. К сожалению, результаты расчетов различных авторов для близких условий существенно различаются между собой. В связи с этим здесь приводятся теоретически оценка решения одномерной задачи, которые сравнивались с полученными экспериментальными данными.

Метод расчета основан на решении системы алгебраических уравнений для колебательных скоростей с учетом связи механических напряжений в пьезонластине с протекающим через нее током при заданной электрической нагрузке. Решение этой системы совместно с механическими граничными условиями приводит к следующим выражениям для электрического коэффициента передачи по напряжению в совмещенном режиме и коэффи-

циента отражения 1: , ,

к« ~ л

«сШ-фм; (15)

\ = Нзд; Н3 = со^-^Ц Ч <16

'Де 5 и - площадь и толщина пьезопластины, Сп - емкость ¡аторможенкой пьезопластины, действующая пьезопостоянная, ^ - отношения удельных импедансов пьезопластины и среды рас-[ространения, ]^ = К(с1,(- волновой параметр пьезопластины, ■ удельный импеданс среды распространения. Если электрической [агрузкой, шунтирующей исследуемый пьезопреобразователь, являйся параллельное соединение активного сопротивления К и ин-¡уктивности I , то У = О/я) + О/СиоЬ)].

По формулам (15) я (16) рассчитаны теоретические зависимо-ти для частотных характеристик, модулей и фазы коэффициентов :ередачи и коэффициентов отражения при вариации исходных паро-ютров в пщроких пределах. Анализируются зависимости модуля юэффициента отражения от обобщенных параметров электрической :агрузки, иллюстрирующие возможность полного элекгроакустячес-:ого согласования пьезопреобразователя со средой в двух режи-!ах работы при условии, если его коэффициент электромеханячес-:ой связи 0,28. При ^<0,28 полного согласования со сре-;ой без компенсирующей индуктивности достичь невозможно.

Экспериментальные исследования электрических коэффициентов ередачи и коэффициентов отражения проводились в квазистацио-арном радиоимпульсном режиме возбуждения пьезопреобразователя 48, 49*, 51, 5з]. Коэффициенты передачи по напряжению и по то-у определялись на разработанном для этого измерительном стене с трансформатором тока в цепи питания пьезоэлемента и дифференциальным усилителем токовой компоненты.

Главным результатом экспериментальных исследований являет-я подтверждение возможности полного электроакустического со-ласования пьезокерамических преобразователей в двух режимах

работы, один из которых близок к холостому ходу, другой -к короткому замыканию. Вместе с тем общий характер экспериментальных зависимостей заметно отличается от расчетных закономерностей, полученных из решения одномерной задачи.

Установлено, что одной из основных причин отличия экспериментальных результатов от расчетных являются различным образом проявляющиеся конкурирующие механизмы взаимодействия основной толщинной моды с обертонами изгибных и радиальных мод. Дпя пъезокерамических преобразователей с большим коэффициентом электромеханической связи эти отличия по порядку величины превосходят отклонения от расчетных зависимостей, обусловленных акустическими дифракционными эффектами. Показано, что для таких пречбразователей в режиме электрического короткого замыкания при работе на фиксированной частоте мсисет быть применена (с хорошим приближением) модель равномерно возбуждаемого поршня.

Для нерезонансных режимов работы, представляющих особый интерес при реализации резонаторных методов измерения, подробно исследовано поведение фазы, АЧХ и модуля коэффициента отражения при различных режимах электрической нагрузки. Эта результаты позволяют количественно оценить дополнительные систематические погрешности для модельных задач более высокого уровня сложности.

В этом не разделе работ анализируются специфические погрешности измерения, присущие методу синхрокольца ( в!пй--агоипй). Показано {_8, 9] , что источноком таких погрешностей является непостоянство времени опрокидывания релаксационного генератора; приводятся варианты схемных решений для снижения или полного устранения этих погрешностей.

Одним из источников систематических погрешностей являются также частотные и фазовые ошибки широкополосных аттенюаторов, которые анализируются в работах £1.6, 42] применительно к задачам измерения параметров распространения. Результатом такого анализа является выработка конкретных рекомендаций Для существенного уменьшения вклада этих погрешностей.

Заключение

1. Исследованы особенности проявления электроакустичес-их эффектов при измерении параметров распространения ультра-вука в квазистаодонарных, интерферометрических я нестацио-арных методах измерений. Установлены источники систематичес-их погрешностей, определены оптимальные условия измерений и редложены методы минимизации погрешностей, обеспечивающие етрологическую обоснованность экспериментальных результатов.

2. Представлен анализ механизмов взаимодействия различ-ых мод колебаний пьезопреобразователей конечных размеров, оказано, что для преобразователей с большим коэффициентом лектромеханической связи существуют неблагопрятные режимы лектрических нагрузок, при которых возникают недопустимо ольшие систематические погрешности. Установлено хорошее со-ласие теоретических результатов с экспериментальными данны-га дая пьезокварцевых и пьезокерамических преобразователей

[з "анизотропной" керамики.

3. Предложены а экспериментально проверены методы кон-;роля отклонения реальных условий измерений от идеализаций, гринимаемнх в решениях модельных задач. Для одного из таких !етодов, основанного на анализе структуры акустического по-[я с помощью измерительного гидрофона, получены предельные, ^отношения для ег.о максимально допустимого размера.

4. Разработана и изготовлена лабораторная аппаратура ш прецизионных измерений параметров распространения.

3 диапазоне работах частот порядка единиц мегагерц получение результаты измерения фазовой скорости и коэффициента юглощения хорошо согласуются с наиболее достоверными литературными данными, соответствующими частотам порядка десят-<ов мегагерц и выше.

Реализация: представленного здесь комплекса работ поз-золила сформулировать новое научное направление в разработ-Iе высокоточных средств ультразвуковых измерений, основан-юе. на использовании взаимосвязи процессов излучения и усреднения акустического поля с характером электрической нагрузки пьезопреобразователей.

Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах:

1. Исаев A.A., Михайлов И.Г., Хииу?шн A.C. Об одной видоизые-нении схемы ультразвукового ннгерфероыетра // Акуст. асурн. 1958. Г. 4. Iß 6. С.363-364.

2. Химунин A.C. Ультразвуковые расходомеры // В кн.:"Технологические и хниико-техвологическке приборы и регуляторы". U.-JI.! Напгиз, 1961. С.101-114.

3. Исаев A.A., Химунин A.C. Измерение скорости звука в тонких пластинках:// В 'KH.s "Труды Всесоюзн. иехвуз. копф. по проь прииенешю ультразвука". Нуйбыпев, 1961. С.161-166.

4. Исаев A.A., Михайлов И.Г., Химунин A.C. Новая схема ультрг звукового интерферометра. - там асе, с.167-173.

5. Исаев А.Д., Хииунин A.C. Ультразвуковой плотномер // Акус1 жури., 1962. Т. 8. N2 3. С.308-318.

6. Гитис U.E., Михайлов И.Г., Хииунин A.C. Установка для измерения скорости звука в хидкнх металлах // Вестник ЛГУ, сер. фна. и хим., 1962. Т. 22. Вып.4. С.52-55-

7. Хииунин A.C., Дроэснш П.К. К вопросу о влиянии формы кривой реакции на точность измерения скорости звука в жидкостях // В кн.: "Вопросы методики ультразвуковой интерферометрии", 2. Вильнвс, 1967«' С.138-155.

8. Хииунин A.C. Исследование погрешностей измерения скорости звука в схемах типа sing-around // в кн.: "Техника и ыето дика ультразвуковых измерений". Л., ЛДНТП, 1967. С.3-12.

9* Хииунин A.C. О схемных погрешностях измерения скорости звука в жидкостях рециркуляционным велосиметроы п Акуст. журн., 1968. Т. 14. 161. С.101-106.

10. Гитис II.В., Химунин A.C. О поправках на дифракции при измерении коэффициента поглощения и скорости звука //Акуст хурн., 1968. Т. 14. ИЗ. С.368-375.

11. Гитис И.Б., Хииунин A.C. О дифракционных эффектах в ультразвуковых измерениях. Обзор 7/ Акуст. хурн., 1968.

Т. 14. К 4'. С.469-513-

12. Га тис П.Б., Химуння A.C. О дифракционных эффектах в Gicsz-нем попе плоского круглого излучателя // В кн.: "Груды У1 Всесовзн. акустач. конф.", Ц., 1968. А В-4.

13. Хииунин A.C. О дифракционных поправках цри гаиереыии затухания в скорости звука // В кн.: "Труди Ваабоюзн. иех-вуз. конф. по вопросам ультразвуковой спектроскопии". Каунас, 1969. С.70-71.

14. Давыдов С.П., Дрожхин П.К., Зарецкий-Феоктистов Г.Г., Хииунин A.C. Особенности работы ультразвукового интерферометра для жядких сред Г/ Научные труды ВУЗов Ли*.ССР "Ультразвук". 1969. В 1. С.107-115-

15. Хииуниц A.C. Об измерении скорости звука в режиме почтя сферических волн // Акуст.журн.1971. Т.17. И 1.С.138-142

16. Хииунин A.C. Частотные погреиности широкополосных аттен» аторов црн измерения затухания я скорости звука // В сб. "Прияенеыие ультраакустилси к исследованию вещества". И., МОШ. 1971. В 25. С.103-110.

Химунин A.C. О поправках на конечность размеров гидрофона при измерениях в ближнем поле // В кн.: "Тезисы докл. на УП Всесоюзи. акуст. конф.", Л., 1971« С.112.

3. Хииунин A.C. Экспериментальное исследование дифракционных эффектов на приемном преобразователе // В кн.: "Тезисы докл. на УП Всесоюзи. акуст. конф.", Л., 1971• С.198.

9. Березин А.Г., Химунин A.C. 1Ьщхмизацкя погрешности изие-рення затухания ультразвука в жидкости // В кн.: "Труды УШ Всесоюзн. акуст. конф.", П.,1973, Х1У-в4. С.123-126.

0. Химунин A.C. Коротковолновое приближение для дифракционных поправок к результатам ультразвуковых измерений //

В кн.: "Труды П Воесоюзн. конф. по вопр. методики и техник* ультразвуковой спектроскопии". Каунас, 1973. С.7-8.

1. Березин А.Г., Химунин A.C. Об измерении скорости ультразвука с учетом расчетных дифракционных поправок // В кн.: "Труды П Всесоюзн. конф. по воцр. методики и техники ультразвуковой спектроскопии", Каунас, 1973. С.9-10.

2. Андреев В.П., Химунин A.C. Об амшштудно-фазовых соотношениях в среднем давлении на приемном преобразователе // В сб.: "Акустические методы и средства исследования океана". Труды I Дальневосточной акустнч. конф., ч.1, Владивосток, 1974. С.154-157.

3. Хииунин A.C. 0 точности приближенных формул для дифракционных поправок к результатам ультразвуковых измерений // Дальневосточный акустический сборник. Владивосток, 1975' Вып.1. С.124-129•

4-. Андреев В.П., Химунин A.C. Расчет среднего давления на поверхности несоосно расположенных преобразователей // Вопрбсы судостроения, серия "Общетехническая", 1975' Вып. 11. С.23-27•

5. Андреев В.П., Химунян1 A.C. 0 среднем давлении на поверхности измерительного гидрофона // .Вопросы судостроения, серия "Общетехническая", 1976. Внп. 22. С.59-64.

6. Дрожжин П.К., Химунин A.C. Измеритель скорости ультразвука в биологических жидкостях // В кн.: "Тезисы всесоюзн. совещания "Акустические свойства растворов биологических макромолекул", Пудино, Научный центр биологических исследований АН СССР, 197?. С.7-8.

Р. Химунин A.C.. О структуре акустического поля пьезокварце-вых излучателей /7 Изв. ЛЭТИ, Л.,1978. Вып.233. С.87-91.

}. Михалев В.К., Хииунин A.C. Основы конструирования ультразвуковых сканирующих диагностических систем // Акуст. журн., 1979- Т.25. И 3. С.474-475•

Кодобкова В.А., Львова В.А., Хииунин A.C. Акустическое поле системы прямоугольных излучателей // Изв. ЛЭТИ, Л., 1979- Вып.252. С.36-41«

Колобкова В.А., Львова S.A., Химунин A.C. 0 выборе параметров линейных фокусирую*** эквидистантных реиеток // Изв. ЛЗЗН, Л., 1980. Вкп.264. 0.49-53.

1. Химунин A.C. Об оптимальных параметрах кольцевых преобразователей конечно* ширины // В кн.: Тезисы 1У Всесоюзн.

конф. "Методика и техника ультразвуковой спектроскопии", 1980, Вильнюс. - Каунас, КПИ, 1980. С.46-47.

32. Львова Б.А., Хииунин A.c. Структура акустического поля кольцевых излучателей конечной ширины // Дефектоскопия, 1980. № 12. С.75-34.

33. Львова Б.А., Химунин A.C. О структуре акустического поля кольцевых излучателей в поглощающих средах // Дефектоскопия, 1931. № б. С.103-105«

34. Хииунин A.C. О дифракционной смещении кривой реакции при измерении скорости ультразвука // Научные труды ВУЗов Лиг.ССР "Ультразвук", 1981. « 13. С.56-61.

35. Гитис Ы.Б., Макарычев Д.А., Химунин A.C. К расчету струк туры акустического поля излучателей в поглощающих средах Л Дефектоскопия, 1982. N2 4. С.56-58.

36. Голибродо Е.М., Львова Е.А., Химунин A.C. Среднее давление на приемнике для непараллельных прямоугольных преобразователей / ВШЙ токов высокой частоты. Л., 1982. -Деп. в ВИНИТИ 11.06.82, № 3007-82 Деп. - 27 стр.

37• Дрожзош П.К., Львова В.А., Хииунин A.C. О дифракционной структуре экстремумов в кривой реакции ультразвукового интерферометра // Научные труды ВУЗов Лит.ССР "Ультразвук", 1982. И 14. С.69-70.

38. Хииунин A.C. Уодельные задачи в ультразвуковых измерения и их реализация в эксперименте // В кн.: Тезисы Всесомзи конф. "Основные направления развития ультразвуковой техники и технологии на период 1981-1990 гг.", Суздаль, 1982. С.14.

39« Львова Е.А., Хииунин A.C. Численный анализ акустических переходных процессов при измерении скорости и козффицие* та поглощения ультразвука // В кн.: Тезисы Всесоюзн.конЗ "Основные направл. разв. ультразвук, техн. и технолог, i период 1981-1990 гг.", Суздаль, 1982. С.17-18.

40. Львова Е.А., Химунин A.C. Фазовые соотношения в ультраз] ковом интерферометре // В кн. Сборник научных трудов НТО АН СССР "Ультразвуковая диагностика", Горький,1983,65-7«

41. Хииунин A.C. Численное моделирование дифракционной зада' для ультразвукового интерферометра // Акусг. журн., 1981 Т. 29. «1. С.113-116.

42. Хииунин A.C. Минимизация систематических погрешностей в ультразвуковых измерениях // В кн.: Тезисы У Всесоюзной конф. "Ыегодика и техника ультразвуковой спектроскопии" Вильнюс, 1984. С.41-42.

43. Львова S.A., Химунин A.C. Амплитудные и фазовые кривые реакции в ультразвуковой интерферометре с неравномерным возбуждением излучателя // В кн.: Тезисы У Всесоюзн.кон "Методика и техника ультразвуковой спектроскопии", Вильнюс, 1984. С.111.

44. Львова S.A., Хииунин A.C. Кольцевые преобразователя конечной ширины в режиме излучения-приема / ВНИК токов вы сокой частоты. Л., 1983. - Деп. в ВИНИТИ 09-01.84, И 27 - 84 Деп. - 26 стр. Реф.« Дефектоскопия, 1985.И 5.С.94-S

?. Химунин A.C. Таблицы точных дифракционных поправок к результатам измерения фазовой скорости и коэффициента затухания ультразвука J ВШИ токов высокой частоты. Л., 1985« - Деп. в ВИНИТИ 03.01.85, Ж 122-85 Деп. - 79 стр.

5. Химунин A.C. Систематические погрешности в исследованиях структуры поля ультразвуковых излучателей // В кн.: Тезисы докл. Всесоюзн. совещания "Новые ультразвуковые методы и приборы для применения в биологии и медицине", Великий Устюг, М.,1986, С.20.

7. Гитис U.E., Химунин A.C. О влиянии электрической нагрузки на акустическое поле пьеэокерамического преобразователя // Акуст. хурн., 1988. Т. 34. И 4. С.735-739.

3. Гитис М.Б., Химунин A.C. Некоторые аспекты согласования пьезопреобразователей со средой // В кн.: Тезисы докл. Всесоюзн. совещания "Новые ультразвуковые методы и приборы для применения в биологии и медицине - И", Великий Устюг, М., 1989« С.19«

9. Химунин A.C. Оптимизация параметров электроакустического тракта ультразвуковых доплеровскнх эхолокаторов // В кн.: Тезисы докл. цездународн. симпозиума "Ультразвуковая диагностическая медицинская техника", М., 1990. С.31.

0. Химунин A.C. О визуализации импульсных откликов в осесим-метричной акустической системе / НПО "ВНИИТВЧ", Л., 1991« Деп. в ВИНИТИ ¡8 4614-, В-91. - 1? стр.

1. Химунин Л.С. Аппаратура для измерения коэффициента отражения и коэффициента передачи в акустической системе с плоскими пьезопреобразователями / НПО "ВНИИТВЧ", JI., 1991• Деп. в ВИНИТИ № 4612, В-91. - 19 стр.

2. Хдмунин A.C. О предельном значении систематических погрешностей при измерении скорости ультразвука / НПО "ВНИИТВЧ" Л., 1991» Деп. в ВИНИТИ К 4613, В-91. - 16 стр.

3. Гитис М.Б., Химунин A.C. О коэффициенте передачи пьезоке-рамкческих преобразователей в режиме излучения-приема // В кн.: "Материалы XI Всесоюзн. акустич. конф.", П., 1991. секция Р. С.25-28.

¡4. A.c. 118669 (СССР). Генератор для излучения высокостабнль-ных ультразвуковых колебаний в жидкие среды / Исаев A.A., Химунин A.C. // Билл, изобр. й 8, 1958*

■5. A.c. 119358 (СССР). Ультразвуковой интерферометр / Исаев A.A., Михайлов И.Г., Химунин А.С.//Бплл.изобр.8,1959«

Í6. A.c. 146617 ССССР). Устройство для измерения удельного акустического сопротивления жидкости / Химунин A.C. // Балл, изобр. « 8, 1962«

¡7« A.c. 146517 (СССР). Ультразвуковой способ измерения весового расхода жидкости / Химунин А.С.//Бюлл.изобр.®, 1962.

¡8. A.c. 144619 (СССР). Способ намерения скорости звука в твердых образцах малой толщины / Исаев A.A., Химунин A.C. // Билл, изобр. № 3, 1962.

¡9- A.c. 265596 (СССР). Способ создания твердого акустического контакта / Поль-Мари Г.С., Химунин A.C., Эльтеков B.C. // Бюлл. изобр. И 10, 1970.

60. A.c. 290775 (СССР). Способ контроля функционирования ультразвуковых приборов с импульсным возбужденней / Поль Кари Г.С., Михайлов В.В., Хииунин Д.С.//Бюлл.изобр.3,197

61. АоС. 309746 ССССР). Ультразвуковой датчик контроля уровн криогенных жидкостей / Химунин A.C., Спицына И.®., Прнц-кер P.A. // Бюлл. изобр. 1С 23, 1971.

62. A.c. 314068 (СССР). Способ настройки ультразвукового интерферометра / Химунин A.C., Дрожжин П.К. // Бюлл. изобр » 27, 1971.

63. A.c. 316081 (СССР). Способ контроля исправности ультразв новых уровнемеров / Спицына И.Ф., Химунин A.C. // Балл, изобр. № 29, 1971.

64. A.c. 340461 С СССР). Способ регистрации равномерности колебания поверхности ультразвукового излучателя / Химунин A.C. // Бюлл. изобр. « 18, 1972.

65. A.c. 382438 (СССР). Способ контроля акустической соосности льеэодреобразователей / Химунин A.C. // Бюлл. изобр. И 23, 1973.

66. A.c. 436985 ССССР). Способ определения эффективного ради уса ультразвукового излучателя / Химунин A.C. // Вюлл. изобр. « 27, 1974.

67. A.c. 437923 (СССР). Способ измерения резонансной частот* механических колебаний пьезокерамичеекмх преобразователе /Спицына И.«., Хииунин A.C. // Бюлл. изобр. И 28, 1974.

68. A.c. 5873В8 (СССР). Устройство для измерения скорости ультразвука в жидких средах / Химунин A.C., Дрожжин П.К. //Бюлл. изобр. M 1, 1978.

69* A.c. 1065695 (СССР). Ультразвуковой интерферомерт / Хшц нин A.C. // Бюлл. изобр. № 1, 1984.

?0. A.c. 1180708 (СССР). Способ измерения фазовой скорости ультразвука / Химунин A.C., Дрожжин П.К. // Бюлл. жзобр< И 35, 1985«

71. A.c. 1408240 ССССР). Способ измерения скорости ультразвз ка в слабопоглочаюцих средах / Химунин A.C. ft Бюлл. sac Сретений К 25, 1988.

72. A.c. 1473751 (СССР). Способ ультразвуковой доплеровской эхолокации / Ккхалев S.S., Химунин A.C. // Бюлл. изобр. К 15, 1989»

73. Химунин A.C. Способ определения сопротивления излучения пьезокерамического преобразователя и устройство для его осуществления. Положительное ревенке о выдаче авторскоп свидетельства СССР по заявке И 4755489/24-10 от 13.09. 89{ положительное решение от 22.03.91*

74. Khlwiinlri A.S. Numerical calculation of the diffraction corrections for the precise aeasureaents of ultrasound absorption// Acústica, 1972. V. 2?. Я. 4. P. 173-181.

75. Khimunin A.B. Nimerical calculation of the diffraction corrections for the precise measurements of ultrasound phase -velocity // Acústica, 1975. V". 32. N. 3.

P.192-200.

- S3 -

'6. Khlmunin A.S. Ultrasonic propagation parameter measurements incorporating exact diffraction corrections // Acustica, 1978. 7. 39. N. 2. P.67-95.

»7. Khimurin A.S. On the ultrasound diffraction losses for circular transducers of different radii // Acustica, 19S3. V. 54. N. 1. P. 15-22.

'8. Khimimln A.S., Ii7ova S.A. On the diffraction effects in en ultrasonic iaterferometer J J Acustica, 1983. V. 53« N. 3. F.107-122.

'9. Khlrmmin A.S., Lvova E.A. On diffraction corrections in ultrasound -velocity measurements using direct pulse method ft Acouat. Lett. 1983. V. 6. N. 7. P.106-109.

iO. Khl.mnnln A.S., Lvova B.A. Time-dependent average pressure on the receiver in the circular transducers system // Acustica, 1984. 7. 56. N. 2. P.91-104.