ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТЕЙ ПОТОКОВ ЖИДКОСТЕЙ С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН С ОБРАЩЕННЫМ ВОЛНОВЫМ ФРОНТОМ
1,2, 1,2
1. Московский инстиут радиотехники электроники и автоматики, Москва, просп. Вернадского, д. 78, (0, *****@***ru, *****@***ru.
2. Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN-DOAE UMR CNRS 8520), Cité Scientifique - Avenue Poincaré, 59652 Villeneuve d'Ascq Cedex - FRANCE,9 42.
1. Введение
Исследования явления обращения волнового фронта (ОВФ) являются одним из возможных подходов к решению обратной задачи. Под обращением волнового фронта понимается такое преобразование волнового поля, при котором направление распространения волн изменяется на противоположное при сохранении первоначального распределения амплитуды и фазы ультразвуковой волны (УЗ) [1]. Основными областями применения эффекта ОВФ являются компенсация фазовых искажений в рассеивающих средах и автофокусировка ультразвуковых пучков на отражающих объектах [2]. В результате параметрического обращения УЗ в феррите было достигнуто гигантское усиление обращенной волны, которое позволяет создавать ультразвуковые пучки высокой интенсивности [1-2] и делает возможным использование эффекта ОВФ в нелинейной акустике [3]. Появление в этом случае высших гармоник ОВФ-волны позволяет получать акустические изображения лучшего качества по сравнению с изображениями, полученными при помощи линейных эффектов [4]. Целью данной работы является применение данного эффекта для доплеровского изменерия скорости течения жидкости. Для проведения исследований в рамках Европейской Лаборатории по Нелинейной Магнитоакустике (LEMAC) была создана экспериментальная установка, использующая параметрическое магнито-акустическое устройсво ОВФ. Программное обеспечение для проведения экспериментов было реализовано в среде LabVIEW 7.0, для передачи данных и упраления процессом измерений использовался интерфейс GPIB.
2. Результаты работы
Возможность ОВФ как в оптике, так и в акустике основана на инвариантности волнового уравнения по отношению к изменению знака времени в случае неподвижной среды. В движущихся средах временная инвариантность нарушается, что позволяет регистрировать фазу обращенной волны и, таким образом, определять скорость движения среды распространения.
Рис. 1. Измерение скорости потока жидкости при помощи ОВФ
Рассмотрим ситуацию, когда между погруженными в жидкость УЗ пьезопреобразователем и устройством ОВФ, под углом к их общей оси расположена трубка с текущей в ней жидкостью (рис. 1). Зондирующая волна, излученная пьезопреобразователем, приобретает фазовый набег, обусловленный воздействием неподвижного пространства, и доплеровский сдвиг фазы, приобретаемый волной при пересечении движущейся среды: 
. Величина 
описывает влияние фазовых неоднородностей, содержащихся в среде, а также пройденного свободного пространства. Доплеровский сдвиг фазы определяется выражением: 
. Величины 
и 
представляют собой соответственно проекции скорости потока и диаметра трубки (рис. 1) на ось «пьезопреобразователь – устройство ОВФ», т. е. 
, 
. При распространении зондирующей волны в противоположном направлении приобретаемый сдвиг фазы равен: 
, где
. При ОВФ, являющимся преобразованием инверсии времени, значения фазовых сдвигов вычитаются 
:
В результате, вклады неподвижной среды компенсируются, а доплеровский сдвиг фазы прямо пропорционален скорости течения жидкости, что может быть использовано для регистрации ее величины и направления.
В экспериментальной установке зондирующий сигнал частотой 10МГц излучается волновым генератором Г1 через УЗ преобразователь с фокусным расстоянием 30мм (рис.5). Для его обращения с генератора Г2 на устройство ОВФ подается предварительно прошедший усилительный каскад УС сигнал накачки на удвоенной частоте – 20МГц. Волновая форма обращенного сигнала поступает на вход цифрового осциллографа ОСЦ и в последующем передается на ПК, где производится дальнейшая обработка данных. Для осуществления пространственного сканирования объектов в экспериментальную установку включена двух координатная система позиционирования СП.
Рис. 5. Функциональная схема экспериментальной установки.
|
|
|
|
|
Рис. 2. Пространственное распределение скоростей в трубке со встречными потоками (а) и в трубке с плавным сужением (б).
На рис. 2 в виде карт цветов представлены результаты пространственного сканирования потоков жидкости. Пространственное распределение скоростей в трубке, содержащей встречные потоки, представлено на рис. 2а. Согласно экспериментальным результатам, потоки различных направлений вносят фазовый сдвиг противоположных знаков, т. е. данный метод позволяет детектировать направление потока. В случае сканирования трубки, содержащей сужение (рис. 2б) экспериментальные данные согласуются с принципом непрерывности потока жидкости, согласно которому на выходе из области сужения должно наблюдаться ускорение течения жидкости.
Для случая вихревых движений жидкости была разработана методика восстановления угловой скорости вращения по доплеровскому сдвигу фазы. Результаты исследований кругового движения жидкости, создаваемого вращающимся диском, приведены на рис. 3.
|
|
Рис. 3. График угловой скорости вращения вихря жидкости (б), создаваемого вращающимся диском (а).
Используя явление нелинейной генерации высших гармоник обращенной волны, была проведена регистрация пространственного распределения скоростей в тонкой водной струе на второй гармонике (рис. 4). Нелинейный режим измерения фазового сдвига может использоваться для улучшения пространственного разрешения проводимых измерений. Согласно проведенным экспериментам, в линейном режиме величина пространственного разрешения составляет 600 мкм, в нелинейном режиме, при измерениях на второй гармонике пространственное разрешение составляет 300 мкм [4]. Согласно оценкам в проводившихся измерениях погрешность определения скорости составила 10%.
Рис. 4. Распределение скоростей в тонкой водной струе.
Приведенные результаты измерения позволяют сделать вывод о работоспособности метода, явление обращения волнового фронта может быть использовано для определения скорости движения потоков жидкости. Использование ОВФ позволяет компенсировать фазовые набеги и аберрации, связанные с распространением волн по неподвижной части среды, сохраняя в фазе обращенной волны информацию о скорости потока, что существенно упрощает ее измерение. Гигантское усиление обращенной волны делает возможным использование нелинейных эффектов, что позволяет улучшить точностные характеристики метода.
3. Оборудование
Ниже представлен список оборудования, задействованного в экспериментальной устрановке.
Генератор импульсов произвольной формы AWG 2021. Первый канал генератора используется для излучения зондирующей волны, сигнал параметрической накачки поступает на усилительный каскад со второго канала AWG 2021.
Цифровой осциллограф Tektronix 5052B, используется для регистрации волновой формы обращенной волны и ее последующей передачи на ПК.
Система позиционирования mm2500, точность позиционирования 1 мкм. В эксперименте служит для получения акустических изображений потоков.
Для обращения зондирующей волны, на устройство ОВФ требуется подать радиоимпульс высокой мощности (около 5 кВт). С этой целью в эксперименте используется усилитель мощности, изготовленный в лаборатории.
Персональный компьютер с PCI платой GPIB контроллера, осуществляет управление процессом измерения, обработку и хранение данных при помощи средств LabVIEW.
4. Преимущества технологий National Instruments
LabVIEW является высокоуровневой средой графического проектирования, которая позволила быстро и эффективно создать экспериментальное приложение, отвечающее требованиям исследователя. Программно-аппаратный интерфейс GPIB и среда LabVIEW, предоставили эффективные средства управления измерительными приборами, и высокоскоростной передачи экспериментальных данных.
Литература
1. и др. // Успехи физических наук / том 168, №8, с. 877-890, 1998
2. и др. Акустический журнал, том 44, №6, с. 739-749, 1998
3. Yu. Pyl’nov et al., Appl. Phys. Letts., V78, N4, pp.553-555, 2001
4. Yu. V.Pylnov et al., Acta Acustica, V.89. N6. pp.942-947, 2003.
