Развитие методов акустической голографии и лазерной виброметрии для исследования колебаний ультразвуковых излучателей в жидкостях (1104593), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Другими словами,даже с применением процедуры фильтрации пространственное разрешение метода ЛВ вжидкости сильно ограничено. Для того чтобы получить действительное смещениеопределенной точки с помощью ЛВ в жидкости, вся поверхность излучателя должна бытьтщательно обмерена ЛВ, и затем нужно использовать двумерный численный фильтр. Нотакая процедура имеет множество недостатков, которые рассмотрены далее: 1. Метод ЛВ вжидкости становится косвенным, так как действительное смещение рассчитывается с14помощью решения обратной задачи на основе измерений во всех точках колеблющейсяповерхности. 2. Метод критичен к количеству и точности экспериментальных данных.
3.Поверхностные волны с фазовыми скоростями меньше 1930 м/с (для воды) не могут бытьизмерены вообще. 4. Точность и пространственное разрешение ЛВ в жидкостях сильноограничены и не превосходят точности непрямых методов, таких как наш новый методакустической голографии, представленный в следующей Главе 3.В параграфе 2.4 приведены выводы к Главе 2.Рис. 4Рис. 5Рис. 6Рис. 4.
Моды, возникающие при колебаниях пьезокомпозитного излучателя в воздухе.Пространственный период структуры и размер ее элементов в 2 раза превышаютсоответствующие параметры реальной структуры пьезокомпозитного материала.Рис. 5, 6. Краевые волны, распространяющиеся в воде от краев излучателя (пунктир) и отдругих неоднородностей (пузырьков, частичек и отдельных элементов пьезокомпозита)со скоростью звука в воде – результат искажений, вносимых акустооптическимвзаимодействием при измерениях лазерным виброметром в жидкости.Глава 3 посвящена восстановлению колебаний излучателей и предсказанию их полейв жидкостях с помощью метода акустической голографии (АГ).В параграфе 3.1 описан метод акустической голографии и рассмотрена теорияразработанной в диссертации новой техники АГ – метода обратного распространения.Метод включает измерение амплитуды и фазы волны во многих точках контрольнойплоскости перед излучателем, численное обращение волнового фронта во времени и расчетобратного распространения поля к источнику с использованием интеграла Рэлея.Возможность восстановления колебаний источника на основе излучаемых им полей следуетиз обратимости волнового уравнения во времени.
Для восстановления достаточно измеритьамплитуду и фазу поля во многих точках некой поверхности перед источником, такой, чтобычерезнеепроходилапочтивсяизлученная15энергия.Распределениенормальнойrколебательной скорости Vn (r ) на поверхности излучателя выражается через распределениеrдавления P(r ′) на плоскости Σ′ перед ним следующим образом:rrr rVn (r ) = ∫ P(r ′) K (r , r ' )dS ′ ,Σ'r rгде K ( r , r ' ) – ядро, зависящее от пространственной конфигурации системы.В параграфе 3.2 описаны способы численных расчетов для излучателей различнойформы, используемые в работе. Приведены критерии и способы разбиения поверхностейизмерения и восстановления на отдельные элементы для плоских и сферических, а такжеr rболее сложных поверхностей. Рассмотрены особенности вычисления ядра K ( r , r ' ) дляразличных пространственных конфигураций системы.В параграфе 3.3 приведены результаты экспериментального применения метода АГ.В пункте 3.3.1 описана экспериментальная установка для измерения акустическогодавления, создаваемого излучателем в жидкости.
Плоский или сфокусированный излучательпомещался в кювету с дегазированной водой. Игольчатый или другой гидрофон могперемещаться перед излучателем с помощью системы микропозиционирования, котораяуправлялась с компьютера. На излучатель с генератора подавались длинные синусоидальныецуги.Сигналыотгидрофонаизмерялисьспомощьюцифровогоосциллографа,обрабатывались и передавались на компьютер.
Весь процесс измерений производилсяполностью автоматически под управлением компьютера и специальной программы. Такжеподробно описаны отдельные составляющие установки, режимы измерений, используемыеметоды повышения точности измерений, выбор системы координат и способы нахожденияакустической оси излучателя.В пункте 3.3.2 описан порядок проведения экспериментов с применением метода АГ.Сначала с помощью специального алгоритма определяются наилучшие параметрыповерхности измерений. Затем находится акустическая ось излучателя. Далее измеряютсяамплитуда и фаза давления на выбранной поверхности перед излучателем.
Потом с помощьюспециальнойколебательнойрасчетнойскоростипрограммынавосстанавливаетсяповерхностиизлучателя.распределениеПолученноенормальнойраспределениеиспользуется для предсказания полей в пространстве. Также при необходимостисравниваются распределения скорости, восстановленные с различных плоскостей измерений,а предсказания полей в пространстве с помощью метода АГ и поршневой моделисравниваются с экспериментальными данными.16В пункте 3.3.3 описан алгоритм нахождения оптимальных параметров контрольнойплоскости (поверхности измерений).
Параметрами плоскости являются ее положение, размери количество точек измерений. Для нахождения оптимальных параметров из поршневогораспределения скорости на излучателе рассчитывается давление на плоскости перед ним,затем с этой плоскости восстанавливается распределение скорости на излучателе исравнивается с изначальным поршневым. Параметры плоскости подбираются так, чтобывосстановленное распределение скорости было как можно более равномерным.
Приводятсятакже результаты численного исследования для оптимального выбора параметров. Описано,где лучше располагать плоскость измерений и как выбирать ее параметры для различныхизлучателей.В пункте 3.3.4 в качестве примера приведено экспериментально измеренноедвумерное распределения акустического давления перед фокусирующим излучателем,которое использовалось в следующем пункте для расчета колебательной скорости.В пункте 3.3.5 приведен пример восстановления распределение нормальнойколебательной скорости на поверхности излучателя на основе измеренного давления. Наполученном распределении видна кольцевая структура стоячих волн Лэмба (подобнаяизображенной на Рис.
3). Приведено несколько примеров качественного и некачественноговосстановления, описаны проблемы, возникающие при расчете скорости, и способы ихизбегания.Впункте3.3.6приведеныэкспериментальныедоказательстваточностииустойчивости метода восстановления. Приведены распределения скорости, рассчитанные сразличных плоскостей перед излучателем. Показано, что при правильном выборе параметровизмерений восстановленное распределение скорости получается практически одинаковымпри расчете с различных плоскостей.В параграфе 3.4 описано предсказание полей в пространстве с помощью метода АГ наоснове восстановленного распределения колебательной скорости на поверхности излучателя.Приводятся результаты ряда экспериментов, подтверждающих высокую точность метода АГ.Приведены результаты предсказания полей с помощью метода АГ, а также на основепоршневой модели, в сравнении с экспериментально измеренным давлением.
Экспериментыс фокусированными пьезокерамическими излучателями показали, что метод АГ позволяетпредсказывать поля излучателя в пространстве с высокой точностью и пространственнымразрешением, как качественно, так и количественно. В частности, метод точнопредсказывает несимметричные особенности поля, а также особенности, связанные сналичием волн Лэмба на поверхности излучателя. Приводятся результаты экспериментов по17предсказанию давления на различных плоскостях перед излучателем (XY и XZ), наrrакустической оси (Z), а также пример расчета вектора потока энергии I = pVвпространстве перед фокусирующим излучателем. Все эксперименты подтверждают высокуюточность предсказания полей с помощью метода АГ.В параграфе 3.5 приведены результаты сравнения методов акустической голографии илазерной виброметрии.
Колебания пьезокомпозитного квадратного излучателя былитщательно исследованы с помощью метода АГ в воде и метода ЛВ в воде и в воздухе.Показано, что метод ЛВ идеален в газах и вакууме и имеет очень высокую точность ипространственное разрешение. Однако в воде, как было доказано в главе 2 диссертации,метод ЛВ дает сильно искаженные результаты, из которых в общем случае нельзя получитьистинное смещение.
Высокое разрешение прямого метода ЛВ в воде – лишь кажущееся.Показано также, что косвенный метод АГ в воде имеет ограниченное пространственноеразрешение порядка длины волны, и поэтому не может предсказать тонкую структурупьезокомпозита. Однако АГ точно характеризует колебания поверхности с точки зренияизлучающей способности, и позволяет точно предсказывать поля в пространстве.В параграфе 3.6 рассмотрены применения метода акустической голографии. Вавтореферате возможные применения метода АГ описаны в разделе "Актуальность темы". Вследующих пунктах приводятся результаты экспериментальной проверки работоспособностиметода для некоторых из описанных применений.В пункте 3.6.1 приведены результаты эксперимента по исследованию стоячих волнЛэмба. Колебания плоского пьезокерамического излучателя были тщательно исследованы спомощью АГ в воде.
На полученном двумерном распределении колебательной скорости(Рис. 3) четко видны две различные моды поверхностных волн Лэмба с пространственнымипериодами 8.8 мм и 2 мм, образующих кольцевую структуру стоячих волн с пиком в центре.В пункте 3.6.2 приведены результаты эксперимента, который наглядно доказываетважность исследования колебаний поверхности и ее излучения. Были исследованыколебания и поля трех излучателей одинаковой формы и размера (D=6 см F=7 см), но сразличной резонансной частотой. Показано, что колебания и поля этих практическиодинаковых излучателей имеют капитальные различия, и непредсказуемы заранее безсоответствующего исследования.
Этим доказана важность проведения таких исследований.Впункте3.6.3приведенырезультатыэкспериментовпоисследованиюнеоднородностей поверхности излучателя. На поверхности двух различных излучателейбыли наклеены буквы из пластилина (Рис. 7a). Пластилин поглощает акустические волны, а18также влияет на колебания излучателя. Показано, что при восстановлении колебательнойскорости буквы четко видны на распределении (Рис. 7b). Эксперименты также показали, чтометод АГ одинаково хорошо применим к плоским и фокусирующим излучателям и работаетв широком диапазоне частот.В пункте 3.6.4 приведены результаты экспериментов для демонстрации возможностейметода АГ по визуализации скрытых повреждений или неоднородностей поверхностиизлучателя.
Представлены восстановленные распределения колебательной скорости наповерхностях двух излучателей с различными повреждениями. Показано, что излучатель спузырьком воздуха под согласующим слоем (Рис. 8a) колеблется без изменений, однакопузырек воздуха играет роль непроходимого барьера для акустических волн, поэтому целыйсегмент излучателя совсем не излучает в воду (Рис. 8b). Другой излучатель, расколотый исклеенный проводящим клеем (Рис. 9a), колеблется в целом равномерно, однако на краяхрасколов рождаются волны Лэмба, которые участвуют в формировании картины стоячихволн наряду с волнами от краев излучателя (Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
