IV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2012

С 1994 года в Институте Мониторинга Климатических и Экологических Систем Сибирского Отделения Российской Академии Наук ведутся интенсивные разработки в области создания автоматических метеорологических измерительных систем и комплексов с ультразвуковым каналом измерения скорости ветра и температуры воздуха. В период с 1996 по 1999 годы в этих работах принимал участие Научно Исследовательский Интроскопии (Томский Политехнический Университет) в части разработки пьезокерамических электроакустических преобразователей для генерации и детектирования ультразвуковых импульсов. Результаты этих работ, приведённых в совместных публикациях [1-3], легли в основу разработки ультразвуковых преобразователей для автоматического метеокомплекса АМК-03, разработанного в ИМКЭС СО РАН совместно с ООО «Сибаналитприбор» организован серийный выпуск автоматических метеокомплексов.

Многолетняя эксплуатация метеокомплекса в различных климатических условиях подтвердила его высокие технические характеристики и степень надёжности, в том числе и используемых в нём электроакустических преобразователей. Но в процессе реальной эксплуатации обнаружились и некоторые ограничения технических возможностей метеокомплекса, препятствующие более широкому его внедрению.

Проблемы АМК-03 и основные причины.

• 1. Нарушение работоспособности ультразвуковых каналов (вплоть до полного отказа работы) в условиях низких температур окружающего воздуха (ниже -40°С). Основная причина: возникновение прямого акустического контакта активного элемента ультразвукового излучателя с ультразвуковым приёмником непосредственно через элементы несущей арматуры(нержавеющая сталь) за счёт изменения акустических свойств применяемых изоляционных материалов в условиях низких температур окружающей среды.
• 2. Относительно большие габариты ультразвуковой измерительной головки, обусловленные размером (диаметром) применяемых пьезокерамических элементов (D=10мм).

Основная причина: необходимость генерации акустического импульса достаточной интенсивности, обеспечивающей уверенное детектирование сигнала приёмным каналом при наличии всех мешающих факторов (колебания температуры окружающей среды, жидкие и твёрдые осадки, пыль, туман и пр.)

Для уменьшения габаритов ультразвуковой измерительной головки можно использовать пьезокерамические элементы уменьшенного диаметра (6-8мм), но при том условии, если разработанный демпфер, обеспечил бы повышенный коэффициент затухания и обладал большой надёжностью в различных условиях эксплуатации.

При разработке демпфера необходимо учесть также удельное волновое сопротивление среды или импеданс:

Z= p×C,

где  p- плотность, C- скорость звука в материале.

Требования к материалу демпфера противоречивы, одновременно он должен обладать акустическим импедансом схожим с импедансом пьезопластины и обладать достаточным коэффициентом затухания.

Известны случай успешного использования в качестве демпфера латуней и бронз [4], обладающих волновым сопротивлением близким к пьезокерамическим, и сравнительно большим коэффициентом затухания. Неплохие результаты получены при использовании в качестве демпфирующей массы компаунда из галлия, олова и никеля с вольфрамовым наполнителем [5], однако трудности его изготовления ограничивают применение в серийном производстве. Авторы технического решения [6] рекомендуют создавать рыхлый крупнозернистый слой в демпфере на стороне, противоположной контактирующей с пьезопластиной. При этом демпфер изготавливают из сплава Вуда или сплава Розе, что не способствует высокой способности поглощать ультразвук.  Тем не мене идея, о необходимости присутствия крупнозернистой структуры в составе конструкции демпфера является правильной. Часто материалом демпфера служит эпоксидная смола, смешанная с наполнителем из мелкодисперсного порошка вольфрама. Наибольший достижимый импеданс данных демпферов составляет 5.5×10⁶ (Н×с²/м), что не сопоставимо с импедансом пьезокерамики.

Известен материал, представляющий собой связанные кремнийорганическим герметиком ВИКСИНТ полые корундовые микросферы. Структура функционально - композитного материала приведена на рис. 1.

Особенностью такой структуры является плотная упаковка микросфер. Объём изготовленного образца равен объёму насыпки микросфер (порошки микросфер отличаются исключительно высокой текучестью и занимают объём компактирования без приложения дополнительного давления), а объём связующего вещества не превышает объёма открытой пористости при плотной упаковке микросфер.

Композит на основе полых корундовых микросфер и связующего клея обладает коэффициентом затухания α=52дБ/мм, что вполне удовлетворяет поставленной задаче. Данный материал уже несколько лет используется для создания ультразвуковых медицинских аппаратов. Следует материал на основе, связанных клеем компаундом микросфер, может быть использован для создания АМК-03.

Для связывания микросфер можно использовать какой-либо другой клей с иными акустическими и температурными свойствами. Демпфер данной конструкций можно применять при построении ультразвуковых измерителях скорости потока, расходомеров, медицинских приборов, дефектоскопов и при решении различных технических задач.

Список используемой литературы:

1. Капранов Б.И., Корольков В.А., Коротков М.М., Шаверин В.А. О конструировании преобразователей, работающих на малоимпедансную нагрузку. Тезисы докладов Международного симпозиума «Контроль и реабилитация окружающей среды», Издательство СО РАН, г. Томск 1998, с 63-64.

2.Азбукин А. А., Богушевич А. Я., Бурков В. В., Ваулин П. П., Капранов Б. И., Корольков В. А., Ростов А. И., Хмельницкий Г. С. Автоматизированный метеокомплекс нового поколения. Тезисы докладов III Межреспубликанского симпозиума «Оптика атмосферы и океана» г. Томск 1996, с. 41.

3.Азбукин А. А., Береснев В. А., Капранов  Б. И., Корольков В. А. Ультразвуковой термоанемометр ТАУ-01 Тезисы докладов Международного симпозиума «Контроль и реабилитация окружающей среды», Издательство СО РАН, г. Томск 1998, с. 42-43.

4 Патент. 1619165 (СССР). Материал демпфера ультразвукового преобразователя/ В. В. Лобанов, И. С. Байдин// Б. И. - 1991. -№1.

5. Патент  1272226 (СССР). Материал для демпфера ультразвукового преобразователя / А. В. Медведев, Г. И. Овчинников // Б. И. - 1986. - №43.

6. Патент 888029 (СССР). Способ изготовления демпфера ультразвукового преобразователя/ А. А. Белаш, Т. Н. Волченок// Б. И. - 1981. - №45.