機(jī)械結(jié)構(gòu)流體層厚度超聲測量方法理論研究

王浩光 馮萬里

摘 要：本文基于對機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡單了解，針對機(jī)械結(jié)構(gòu)流體層厚度應(yīng)用超聲波的諧振模型、彈簧模型、連續(xù)模型等具體的測量方法進(jìn)行深入研究，并闡述了機(jī)械結(jié)構(gòu)三層介質(zhì)流層厚度超聲測量的影響因素，有效減少了機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵零部件之間的摩擦和損耗，提高機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：機(jī)械結(jié)構(gòu);流體層厚度;超聲測量

引 言

隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展，工業(yè)化進(jìn)程不斷加快，應(yīng)用的機(jī)械化設(shè)備越來越多，為減少機(jī)械設(shè)備了零部件由于摩擦而產(chǎn)生的損耗，會在處于運(yùn)作狀態(tài)的設(shè)備零部件之間引入薄流體層結(jié)構(gòu)，同時(shí)還對應(yīng)用的超聲波測量方法進(jìn)行參數(shù)分析和構(gòu)建，為現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

一、機(jī)械結(jié)構(gòu)流體層界面處超聲波測量方法分析

（一）諧振模型構(gòu)建法

諧振模型主要是應(yīng)用超聲波測量中間流體層中超聲反射系數(shù)的諧振頻率，從而可對機(jī)械結(jié)構(gòu)中間流體層的厚度進(jìn)行精準(zhǔn)測量，其表達(dá)式一般為h=cm/2fres。以鐵-水-鐵為例，由于固體與液體的構(gòu)成分子種類、形態(tài)不同，同時(shí)液體層的諧振頻率與厚度始終呈反比狀態(tài)，因此，諧振的頻率越高，則表明液體層的厚度越小，超聲波衰減的程度則呈相反的遞增狀態(tài)。因此，在實(shí)際流體層厚度測量過程中，需根據(jù)實(shí)際的材料衰減情況和對介質(zhì)厚度的分辨率，來對傳輸器的頻率反應(yīng)帶的范圍進(jìn)行有效確定，當(dāng)相應(yīng)數(shù)據(jù)得以有效確定后，相應(yīng)的液體層也能被諧振模型得以有效確定。

通過鐵-水-鐵三層介質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)中，水層厚度分別表示為40μm、50μm、60μm、70μm和120μm，將整體系數(shù)都變成反射系數(shù)曲線便于找尋其中存在的規(guī)律。從曲線中可以明顯看出中間水介質(zhì)的諧振頻率是跟隨厚度的變化而變化的，具有一定的規(guī)律性。在此基礎(chǔ)上，還可以在規(guī)定的分析頻率范圍內(nèi)，通過對反射系數(shù)的有效利用，與諧振頻率相結(jié)合，得以有效實(shí)現(xiàn)對中間的液體介質(zhì)層厚度的測量和計(jì)算[1]。

（二）彈簧模型構(gòu)建法

彈簧模型構(gòu)建法的應(yīng)用顧名思義就是利用彈簧的特性，以及超聲波對中間的液體介質(zhì)的寬度進(jìn)行側(cè)算。當(dāng)實(shí)際應(yīng)用的超聲波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過中間液體介質(zhì)的厚度，一階的諧振頻率則會大幅度超出預(yù)設(shè)的頻率范圍。在此基礎(chǔ)上，如果中間液體介質(zhì)層處于非常薄的狀態(tài)時(shí)，則需對相鄰兩邊的介質(zhì)可能在測量過程中出現(xiàn)的位移以及應(yīng)力的連續(xù)條件都要考慮進(jìn)去，與此同時(shí)可將中間的液體介質(zhì)層看做為具有彈簧性質(zhì)的彈簧層，當(dāng)超聲波在對液體介質(zhì)進(jìn)行測量時(shí)，之間的剛度系數(shù)可以通過h=pc2/K方程式進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)可以通過剛度系數(shù)對液體層厚度進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算[2]。

以不銹鋼-水-不銹鋼為例，當(dāng)中間水介質(zhì)的厚度較薄時(shí)，應(yīng)用超聲波進(jìn)行厚度測量過程中，縱波以垂直入射的方式，對不同厚度的中間層反射系數(shù)總結(jié)出顯影的曲線變化規(guī)律，而對于剛度系數(shù)曲線來說，中間層的剛度系數(shù)的變化程度較低，因此，顯而易見的表示出厚度參數(shù)的變化程度，主要取決于傳感器的頻率變化范圍，以及中間液態(tài)介質(zhì)的厚度。

（三）渡越模型構(gòu)建法

當(dāng)超聲波的波紋處于垂直狀態(tài)入射到兩種介質(zhì)中，則其流層界面會出現(xiàn)反射和透射兩種形式，透射主要是將波紋能量部分透過了介質(zhì)界面，而反射主要指的是將另一部分能量反射回去。當(dāng)被測介質(zhì)厚度較大時(shí)，此時(shí)的超聲波波長較短，且脈沖寬度較窄，當(dāng)在介質(zhì)表面反射回的超聲波可得到相應(yīng)的時(shí)間差，以此為基準(zhǔn)，依據(jù)介質(zhì)中超聲波的傳播和反射速度，從而能有效計(jì)算出流層的介質(zhì)厚度。

在渡越模型構(gòu)建過程中，有效表達(dá)介質(zhì)厚度的參數(shù)，主要是依靠介質(zhì)兩面的反射時(shí)間差來具體計(jì)算的，而渡越模型則是最常應(yīng)用的超聲波測距方法。其應(yīng)用的范圍也比較廣。如果由于特殊情況，被測的介質(zhì)層厚度邊薄，相應(yīng)的超聲波傳播時(shí)長也會有所改變，測量介質(zhì)兩端的反射回波時(shí)間差也相應(yīng)的縮小，以致于能改變相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)。當(dāng)介質(zhì)厚度相應(yīng)減少并達(dá)到一定程度時(shí)，會出現(xiàn)超聲波的反射回波通過中間流層厚度的表面進(jìn)而相互疊加，導(dǎo)致最終透射的不同超聲波無法直接的穿透介質(zhì)，以致于無法有效獲取相應(yīng)的傳播時(shí)間差。最終導(dǎo)致渡越模型不能對流層厚度進(jìn)行有效測量。

二、機(jī)械結(jié)構(gòu)三層介質(zhì)流層厚度超聲測量影響

影響機(jī)械結(jié)構(gòu)三層介質(zhì)流層厚度的主要因素包括：流體層厚度、流體層聲學(xué)特性、流體層兩側(cè)介質(zhì)聲學(xué)特性以及三種介質(zhì)聲學(xué)參數(shù)關(guān)系等。在實(shí)際測量過程中，需根據(jù)上層、中層和下層介質(zhì)與超聲反射系數(shù)的之間的關(guān)系和反映出的參數(shù)數(shù)據(jù)，對其與流體反射系數(shù)之間的實(shí)際變化進(jìn)行分析，觀察相應(yīng)的系數(shù)曲線和反映頻率。以不銹鋼-水-不銹鋼為例，研究三層介質(zhì)之間存在的聲學(xué)特性，以實(shí)際測量為基礎(chǔ)，在特定情況下以中間層反射系數(shù)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，除此之外，還會將不同的介質(zhì)加以對比，同時(shí)還要保證中間層保持一定厚度不變，并通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)中間部位的流體層介質(zhì)聲學(xué)的參數(shù)變化，得出其對反射系數(shù)產(chǎn)生的實(shí)際影響。針對實(shí)際情況對三層介質(zhì)流層厚度超聲測量得出相應(yīng)的準(zhǔn)確數(shù)值，并進(jìn)一步總結(jié)其規(guī)律，分別分析了當(dāng)中間介質(zhì)層聲抗拒小于、等于、和介于二者之間的關(guān)系，得出相應(yīng)的諧振頻率與流層介質(zhì)的相應(yīng)關(guān)系。

結(jié) 論

綜上所述，機(jī)械結(jié)構(gòu)流體層厚度應(yīng)用超聲測量方法是滿足現(xiàn)代化、科技化社會發(fā)展的必然要求，應(yīng)用多種超聲波測量方法提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，同時(shí)也證明了兩側(cè)介質(zhì)材料的變化對流層的測量厚度沒有較大影響，并為后續(xù)的試驗(yàn)提供了科學(xué)有效的參考數(shù)據(jù)，起到一定指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂弘，陳旸.基于諧振模型的某GPS電路板仿真分析[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2018，18（04）：13-18.

[2] 劉陽. 超聲波流量檢測技術(shù)研究[D].西安石油大學(xué)，2017.