ИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для измерения мощности ультразвукового излучения в виде коллимированного, сфокусированного или немного расходящегося пучка ультразвуковой энергии в воде, генерируемого излучателями (датчиками) медицинского ультразвукового оборудования - аппаратами ультразвуковой терапии, приборами ультразвуковой диагностики и пр.

Известны приборы для измерения мощности ультразвука (УЗ) в воде (ультразвуковые ваттметры, ультразвуковые радиометры, измерители мощности ультразвука в воде и пр.), в основу работы которых положен метод гравитационного уравновешивания радиационного воздействия ультразвуковой волны, падающей вертикально сверху или снизу на находящуюся в воде мишень (отражающего или поглощающего типа). Радиационное воздействие (сила F) ультразвуковой волны связано с ее мощностью Р простым соотношением:

для идеальной поглощающей мишени

или для идеальной отражающей мишени

где с - скорость звука в среде распространения (в воде);

Θ - угол между направлением распространения УЗ-волны и нормалью к отражающей поверхности.

Силу F измеряют как изменение веса находящейся в воде мишени, подвешенной к чашке (или коромыслу) высокочувствительных весов, при воздействии на нее УЗ-пучка. Такой метод измерения УЗ-мощности и приборы на его основе рекомендованы международным стандартом [IEC 61160 (1992) Ultrasonic power measurement in liquids in the frequency range 0,5 MHz to 25 MHz].

Недостатки этих приборов связаны со сложностью конструкции, необходимостью использования дорогостоящих весов высокой чувствительности, а также дополнительной погрешностью, связанной с влиянием на нити подвески мишени поверхностных сил натяжения, иногда соизмеримых по величине с УЗ-воздействием.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является измеритель мощности ультразвукового излучения [Авторское свидетельство СССР №300775, кл. G01H 3/00, 1971], принятый за прототип.

Прототип содержит наполненный водой бак, на дне которого установлен звукопоглотитель, пустотелую мишень с установленной сверху мембраной, закрепленной на мишени под испытуемым ультразвуковым излучателем, выполненные в виде одинаковых конических поверхностей, причем коническая поверхность мишени выполнена вогнутой, и компенсатор силового воздействия ультразвукового излучения на мишень.

В прототипе мишень с установленной сверху мембраной выполнены в виде двух одинаковых конусов, соединенных основаниями, а компенсатор - в виде соединенной штангой с одним из своих плеч подвижной рамки измерительного прибора, установленной на растяжках в поле постоянного магнита. При этом к виткам рамки через индикатор мощности подключен регулируемый источник постоянного тока.

Компенсатор связан с мишенью посредством штанги.

Недостатком прототипа является невысокая точность измерений УЗ- мощности. Это связано с тем, что мишень в прототипе (в виде двух соединенных основаниями полых конусов) имеет сравнительно большой объем и для достижения нейтральной плавучести должна быть относительно толстостенной. Так, например, при диаметре основания конуса 10 см (рекомендуемом международным стандартом МЭК 61161) стенка мишени должна составлять 0,75 мм (для стали) или 3,2 мм (для алюминия). Мишень такой толщины нельзя считать полностью отражающей, что приведет к существенной систематической погрешности измерения мощности.

Для стабилизации такой мишени в пространстве измеритель должен быть снабжен дополнительным устройством удержания мишени, которого в заявленной конструкции нет. Но, если оно появится, то непременно будет являться дополнительным источником погрешности измерений.

Кроме того, мишень в прототипе несимметрично подсоединена к штанге, соединенной с катушкой-компенсатором. Это усугубляет неустойчивость мишени. В зависимости от ориентации оси ультразвукового пучка (для тех или иных испытуемых излучателей она может отклоняться в ту или иную сторону) мишень может не только опускаться, но и поворачиваться в ту или иную сторону, уменьшая или увеличивая давление на штангу. Это существенно повысит погрешность измерения.

Техническим эффектом, получаемым от внедрения изобретения, является повышение точности измерений УЗ-мощности.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном измерителе УЗ-мощности, содержащем наполненный водой бак, на дне которого установлен звукопоглотитель, пустотелую мишень с установленной сверху мембраной, закрепленной на мишени под испытуемым ультразвуковым излучателем, выполненные в виде аналогичных конических поверхностей, причем коническая поверхность корпуса мишени выполнена выпуклой, и компенсатор силового воздействия ультразвукового излучения на мишень, коническая поверхность мембраны мишени выполнена вогнутой, а компенсатор силового воздействия ультразвукового излучения на мишень выполнен в виде вертикально ориентированных стержней, верхние концы которых выступают над водой, а нижние закреплены на корпусе мишени равномерно по ее периметру с возможностью регулировки вертикального положения относительно корпуса мишени, при этом наполненный водой бак выполнен из прозрачного материала, на стенки которого нанесена линейная шкала.

Измеритель дополнительно содержит юстировочное устройство, выполненное в виде котировочных грузов, установленных на держателе, прикрепленном к вершине выпуклой конической поверхности мишени, причем юстировочные грузы выполнены несимметричными относительно точки их крепления к держателю и с возможностью углового поворота относительно этой точки.

Юстировочные грузы могут быть выполнены в виде пластин.

Вертикально ориентированные и равномерно закрепленные по периметру мишени стержни компенсатора выполнены съемными.

Измеритель дополнительно снабжен набором стержней различного диаметра, а также набором стержней одинакового диаметра, но изготовленных из материалов различной плотности.

Нижние концы стержней закреплены на корпусе мишени с помощью резьбовых соединений, выполненных в держателях, прикрепленных к корпусу мишени, и пластмассовых вкладышах, установленных на стержнях.

Наполненный водой бак измерителя выполнен преимущественно из органического стекла.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображена конструкция измерителя. В измерительном баке 1 с прозрачными стенками (например, из оргстекла), наполненном дистиллированной водой, находится мишень 2, представляющая собой герметично закрытую тонкой (около 0,1 мм) вогнутой конусной мембраной 3 конусную чашу 4, к днищу которой припаян стержень 5 с котировочными грузами 6, выполненными в виде пластин с несимметричным расположением отверстия для крепления на стержне 5 для регулировки плавучести и пространственного положения мишени. К ободу мишени на равном расстоянии друг от друга припаяны держатели 7, в которые с помощью резьбового соединения вставлены сменные проволочные компенсаторы 8 таким образом, что их верхние концы находятся над поверхностью воды, а вертикальное положение компенсаторов 8 относительно мишени регулируется их вращением относительно собственной оси.

В частном случае резьбовое соединение может быть выполнено в виде держателя 7, прикрепленного к корпусу мишени 2, и пластмассового вкладыша 9, установленного на каждом стержне. Испытуемый излучатель 10 установлен сверху измерительного бака. Для исключения влияния на мишень ультразвуковых волн, отраженных от дна измерительного бака, дно защищено звукопоглотителем 11, изготовленным, например, из длинноворсового нейлонового коврового покрытия.

Измеритель работает следующим образом.

Перед измерениями в держатели 7 мишени устанавливают наиболее тонкие (например, диаметром 0,1 мм) проволочные компенсаторы 8.

Набором сменных грузов 6 регулируют плавучесть мишени так, чтобы ее верхний край находился на 10-15 мм ниже поверхности воды.

При необходимости изменения уровня заглубления мишени, не извлекая ее из воды, выкручивают вверх (для опускания мишени) или вкручивают (для ее подъема) все компенсаторы на равное расстояние, вращая их вокруг собственной оси в резьбовых соединениях держателей. Мишень будет поднята или погружена ровно настолько, насколько будут опущены или подняты относительно мишени компенсаторы.

Поворотом юстировочных грузов относительно оси стержня добиваются горизонтальности положения мишени.

При необходимости добиваются более точного выравнивания положения мишени, опускают (или поднимают) один или несколько компенсаторов относительно мишени, вращая их относительно собственной оси в резьбовых соединениях держателей.

Устанавливают испытуемый излучатель 10 так, чтобы его излучающая поверхность была заглублена на 3-10 мм, а нормаль к ней совпадала с осью мишени.

Отмечают уровень L₁ заглубления мишени (с помощью катетометра, или другой оптической системы, или линейной шкалы на прозрачной стенке измерительного бака).

Включают излучатель в режим возбуждения. Под действием радиационной силы F УЗ-волн мишень начинает опускаться до тех пор, пока выталкивающая (архимедова) сила погружаемых в воду участков компенсаторов не уравновесит эту радиационную силу.

Отмечают уровень L₂ заглубления мишени и по разности |L₂-L₁|=Δ [мм] вычисляют мощность Р [мВт] излучателя из выражения, полученного из формулы (2):

где d - диаметр проволочных компенсаторов в мм;

n - (=3, или 6, или 12) - количество проволочных компенсаторов, установленных на мишень.

Если измеряемая мощность такова, что мишень опускается больше чем на 100 мм, то верхнюю границу динамического диапазона измеряемой мощности можно повысить, например, в 2 раза, удвоив количество проволочных компенсаторов или заменив их на более толстые, имея в виду, что верхняя граница динамического диапазона пропорциональна квадрату диаметра проволочек.