pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2017-8-4-314-326pimi-341Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsМЕТОДИКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ АКУСТИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА ВЯЗКОУПРУГИХ СРЕДTECHNIQUE AND DEVICE FOR THE EXPERIMENTAL ESTIMATION OF THE ACOUSTIC IMPEDANCE OF VISCOELASTIC MEDIUMМуравьеваО. В.Murav’evaO. V.МуравьевВ. В.Murav’evV. V.ЗлобинД. В.ZlobinD. V.БогданО. П.BogdanO. P.

Адрес для переписки: Богдан О.П. – Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, ул. Студенческая, 7, г. Ижевск 426069   e-mail: pmkk@istu.ru

Address for correspondence: Bogdan O.P. – Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Studencheskaya str., 7, Izhevsk 426069, Udmurt Republic, Russia.    e-mail: pmkk@istu.ru

pmkk@istu.ruСяктеревВ. Н.SyakterevV. N.ВолковВ. В.VolkovV. V.Ижевский государственный технический университет имени М.Т. КалашниковаРоссияKalashnikov Izhevsk State Technical UniversityRussian Federation20171512201784314326Copyright © Муравьева О.В., Муравьев В.В., Злобин Д.В., Богдан О.П., Сяктерев В.Н., Волков В.В., 20172017Муравьева О.В., Муравьев В.В., Злобин Д.В., Богдан О.П., Сяктерев В.Н., Волков В.В.Murav’eva O.V., Murav’ev V.V., Zlobin D.V., Bogdan O.P., Syakterev V.N., Volkov V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/341

Измерение характеристик технологических жидкостей позволяет оценить их качество, биологических тканей – дифференцировать здоровые ткани и ткани с патологиями. Одним из комплексных акустических параметров является импеданс, позволяющий наиболее полно оценивать характеристики вязкоупругих сред. Большинство методов измерения импеданса требуют использования двух и более эталонных сред и наличия калиброванных акустических преобразователей. Целью данной работы являлась разработка новой методики и установки для экспериментальной оценки продольного и сдвигового импедансов вязкоупругой среды, основанных на измерении параметров амплитудно-частотных характеристик и расчете элементов электрической схемы замещения пьезопластины, колеблющейся в исследуемой среде.

В работе описываются методика и устройство для экспериментальной оценки импедансов вязкоупругих сред. Предложенная методика позволяет измерить продольный и сдвиговый импедансы и определить скорости продольных и поперечных ультразвуковых волн и значений упругих модулей вязкоупругих сред, в том числе в различных агрегатных состояниях. Методика достаточно проста в реализации и может быть воспроизведена с помощью несложного лабораторного оборудования.

Полученные значения акустических импедансов исследованных сред удовлетворительно согласуются с их справочными данными. В отличие от известных методов определения акустического импеданса, разработанная методика позволяет с достаточной точностью оценивать трудно поддающееся измерению на частотах мегагерцового диапазона значение сдвигового импеданса вязкоупругих сред, определяющее модуль сдвига материала и характеризующее его сопротивление сдвиговым деформациям. Приведены результаты реализации разработанной методики для оценки акустических параметров на примере ряда сред с нулевой сдвиговой упругостью (спирт, ацетон) и вязкоупругих сред (глицерин, архитектурный пластилин, силиконовый герметик, клей MP-55 до и после полимеризации).

Measuring the characteristics of process fluids allows us to evaluate their quality, biological tissues – to differentiate healthy tissues and tissues with pathologies. Measuring the characteristics of process fluids allows us to evaluate their quality, biological tissues – to differentiate healthy tissues and tissues with pathologies. One of the complex acoustic parameters is the impedance, which allows one to fully evaluate the characteristics of viscoelastic media. Most of impedance methods of measurements require using two or more reference media and the availability of calibrated acoustic transducers. The aim of this work ware introduced a methods and construction for the experimental evaluation of the longitudinal and shear impedance of viscoelastic media based on measuring the parameters of the amplitude-frequency characteristics and calculating the elements of the electric circuit for replacing the piezoelectric element which vibrating in the test medium.

The paper introduces a methods and construction of the experimental evaluation of the impedances of viscoelastic media. The suggested methods is allowed measuring longitudinal and shear impedances and determining velocities of longitudinal and transverse ultrasonic waves and the values of the elastic moduli of viscoelastic media, including in various aggregate states. The technique is fairly simple to implement and can be reproduced using simple laboratory equipment.

The obtained values of the acoustic impedances of the investigated media are in satisfactory agreement with their reference data. In contrast to the known methods for determining the acoustic impedance, the developed technique allows us to estimate with sufficient accuracy the parameter of the shear impedance of viscoelastic media that is difficult to measure at the frequencies of the megahertz range, which determines the shear modulus of the material and characterizes its resistance to shear deformations. The results of the implementation of the developed technique for the estimation of acoustic parameters for a number of media with zero shear elasticity (alcohol, acetone) and viscoelastic media (glycerin, architectural clay, silicone sealant and glue МР-55 before and after polymerization) are presented.

акустический импедансвязкоупругие средыметодика измеренийАЧХсхема замещения пьезопластиныacoustic impedanceviscoelastic mediamethods of measurementsamplitude frequency responseequivalent circuit piezoelectric plateМинистерство образования и науки Российской Федерации (проект № 3.5705.2017/6.7 )ReferencesМуравьев, В.В. Оценка напряженно-деформированного состояния рельсов при изготовлении / В.В. Муравьев, К.А. Тапков // Приборы и методы измерений. – 2017. – Т. 8. – № 3. – С. 263–270. doi:10.21122/2220-9506-2017-8-3-263-270Muraviev V.V., Tapkov K.A. [Evaluation of strain-stress state of the rails in the production]. Devices and Methods of Measurements, 2017, vol. 8, no. 3, pp. 263–270 (in Russian). doi:10.21122/2220-9506-2017-8-3-263-270Муравьев, В.В. Контроль структурного состояния сталей с помощью акустических шумов / В.В. Муравьев, О.В. Муравьева, А.И. Дедов, А.В. Байтеряков // Приборы и методы измерений. – 2014. – № 2 (9). – С. 60–66.Muraviev V.V., Muravieva O.V., Dedov A.I., Baiteryakov A.V. [Monitoring of the metal structural state by acoustical structural noise]. Devices and Methods of Measurements, 2014, vol. 9, no. 2, pp. 60–66 (in Russian).Чуприн, В.А. Контроль жидких сред с применением ультразвуковых нормальных волн / В. А. Чуприн. – М. : Спектр, 2015. – 218 с.Chuprin V.A. Kontrol’ zhidkikh sred s pri¬ meneniem ul’trozvukovykh normal’nykh voln [Monitoring of liquid media using ultrasonic normal waves]. Moscow, LLC Publishing house SPEKTR, 2015, 218 p. (in Russian).Хилл, К. Ультразвук в медицине. Физические основы применения / К. Хилл, Дж. Бэмбер, Г. тер Хаар; пер. с англ. – М. : Физматлит, 2008. – 544 с.Hill C.R., Bamber J.C., ter Haar G.R. Ul’trazvuk v meditsine. Fizicheskie osnovy primeneniya [Ultrasound in medicine. Physical bases of application: Trans. with English]. Moscow, Fizmatlit Publ., 2008, 544 p. (in Russian).Бадмаев, Б.Б. Вязкоупругая релаксация в жидкостях / Б.Б. Бадмаев, Б.Б. Дамдинов, Т.С. Дембелова // Известия российской академии наук. Серия физическая. – 2015. – Т. 79. – № 10. – С. 1301–1305. doi: 10.3103/S1062873815100044Badmaev B.B., Damdinov B.B., Dembelova T.S. [Viscoelastic relaxation in fluids]. Bulletin of the Russian Academyof Sciences: Physics, 2015, vol. 79, no. 10, pp. 1301– 1305 (in Russian). doi: 10.3103/S1062873815100044Бадмаев, Б.Б. Сдвиговая упругость и прочность структуры жидкости на примере диэтиленгликоля / Б.Б. Бадмаев, Т.С. Дембелова, Д.Н. Макарова, Ч.Ж. Гулгенов // Журнал технической физики. – 2017. – Т. 87. – № 1. – С. 18– 21. doi: 10.1134/S1063784217010042Badmaev B.B., Dembelova T.S., Makarova D.N., Gulgenov C.Z. [Shear elasticity and strength of the liquid structure by an example of diethylene glycol]. Technical Physics. The Russian Journal of Applied Physics, 2017, vol. 62, no. 1, pp. 14–17 (in Russian). doi: 10.1134/S1063784217010042Есипов, И.Б. Медленная кинетика нелинейности вязкоупругих свойств нефти при сдвиговых колебаниях / И.Б. Есипов, О.М. Зозуля, М.А. Миронов // Акустический журнал. – 2014. – Т. 60, № 2. – С. 166– 172. doi: 10.1134/S1063771014020031Esipov I.B., Zozulya O.M., Mironov M.A. [Slow nonlinearity kinetics of the viscoelastic properties of oil during shear vibrations]. Acoustical Physics, 2014, vol. 60, no. 2, pp. 169–174 (in Russian). doi: 10.1134/S1063771014020031Миронов, М.А. Медленная кинетика вязкоупругих свойств нефти при низкочастотных сдвиговых колебаниях / М.А. Миронов, И.А. Шеломихина, О.М. Зозуля, И.Б. Есипов // Акустический журнал. – 2012. – Т. 58, № 1. – С. 132–140. doi: 10.1134/S1063771014020031Mironov M.A., Shelomikhina I.A., Esipov I.B., Zozulya O.M. [Slow kinetics of viscoelastic properties of oil at low-frequency shear vibrations]. Acoustical Physics, 2012, vol. 58, no. 1, pp. 117–124 (in Russian). doi: 10.1134/S1063771014020031Есипов, И.Б. Резонансный метод измерения сдвиговых вязкоупругих свойств жидких сред на основе возбуждения крутильных колебаний в трубках / И.Б. Есипов, О.М. Зозуля, А.В. Фокин // Акустический журнал. – 2010. – Т. 56, № 1. – С. 124–13. doi: 10.1134/S1063771010010161Esipov I.B., Fokin A.V., Zozulya O.M. [Resonance method of measuring shear viscoelastic properties of liquid media based on excitation of torsional oscillations in tubes]. Acoustical Physics, 2010, vol. 56, no. 1, pp. 115–125 (in Russian). doi: 10.1134/S1063771010010161Korobko, E. The Peculiarities of Ultrasound Wave Propagation in Magnetorheological Fluid with Complex Dispersive Phase / E. Korobko [et al.] // Vibroengineering. – 2015. – Vol. 6. – P. 326–329.Korobko E., Baev A., Bubulis A., Kuzmin V., Novikova Z., Novik E. The Peculiarities of Ultrasound Wave Propagation in Magnetorheological Fluid with Complex Dispersive Phase. Vibroengineering, 2015, vol. 6, pp. 326–329.Шарапов, В.М. Пьезоэлектрические датчики / В.М. Шарапов, М.П. Мусиенко, Е.В. Шарапова. – М. : Техносфера, 2006. – 632 с.Sharapov V.M., Musiyenko M.P., Sharapova Е.V. P’ezoelektricheskie datchiki [Piezoelectric transducers]. Moscow, Technosphere Publ., 2006, 632 p. (in Russian).Колесников, Ю.И. Об определении упругих констант высокопластичных материалов / Ю.И. Колесников, С.С. Борода // Физическая мезомеханика. – 2009. – № 12. – С. 121–126.Kolesnikov Yu.I., Boroda S.S. [On the determination of elastic constants of highly plastic materials]. Fizicheskaya mezomekhanika [Physical Mesomechanicsа], 2009, no. 12, pp. 121–126 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.