RU2129707C1 - Process registering mechanical waves in liquid media - Google Patents
Process registering mechanical waves in liquid media Download PDFInfo
- Publication number
- RU2129707C1 RU2129707C1 RU96117283A RU96117283A RU2129707C1 RU 2129707 C1 RU2129707 C1 RU 2129707C1 RU 96117283 A RU96117283 A RU 96117283A RU 96117283 A RU96117283 A RU 96117283A RU 2129707 C1 RU2129707 C1 RU 2129707C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electrode
- change
- mechanical waves
- waves
- electrode potential
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к акустике, физике межфазных явлений. The invention relates to acoustics, physics of interfacial phenomena.
Известны способы регистрации механических волн в жидкой среде [1, 2, 8]. В одном из способов принцип регистрации связан со слежением за световым лучом, отраженным от поверхности жидкости, фиксирующим пространственный рельеф, созданный механическими волнами, падающими на ее поверхность. В основе другого способа лежит эффект, состоящий в возникновении электрической поляризации в процессе механической деформации при воздействии на поверхность пьезоматериала акустических волн. На этой основе создан детектор для приема акустических волн в жидкой среде, известный как гидрофон градиента давления [1, 2]. Known methods for recording mechanical waves in a liquid medium [1, 2, 8]. In one of the methods, the registration principle is associated with tracking a light beam reflected from a liquid surface, fixing a spatial relief created by mechanical waves incident on its surface. Another method is based on the effect of the occurrence of electric polarization in the process of mechanical deformation when acoustic waves are exposed to the surface of a piezomaterial. On this basis, a detector was created for receiving acoustic waves in a liquid medium, known as a pressure gradient hydrophone [1, 2].
Эти способы регистрации механических волн имеют следующие недостатки: 1) технологическая сложность использования пьезопреобразователей для создания датчиков упругих колебаний на межфазной границе твердое тело/жидкость; 2) необходимость подбора для этих целей специальных материалов, не обладающих центром симметрии; 3) жесткие требования к геометрическим размерам подобранного пьезокристалла; 4) ограниченность температурного интервала работы пьезоэлемента, что весьма важно, например, при работе в расплавленных средах; 5) глубинная зависимость режима работы гидрофона. These methods of recording mechanical waves have the following disadvantages: 1) the technological complexity of using piezoelectric transducers to create sensors of elastic vibrations at the solid / liquid interface; 2) the need to select for these purposes special materials that do not have a center of symmetry; 3) stringent requirements for the geometric dimensions of the selected piezocrystal; 4) the limited temperature range of the piezoelectric element, which is very important, for example, when working in molten media; 5) the deep dependence of the mode of operation of the hydrophone.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ преобразования акустических колебаний жидкой или газообразной среды, согласно которому два электрода, параллельные друг другу, на расстоянии, меньшем половины длины волны, создают неравновесную ионную проводимость среды, возбуждают в ней электрическое поле, регистрируют величину ЭДС, наведенную на электродах ионизованными частицами, перемещающимися во фронте волны, по полученной ее величине судят о колебаниях среды, а с целью увеличения чувствительности преобразования, электрическое поле возбуждают в направлении перемещения волны [8]. The closest method of the same purpose to the claimed invention in terms of features is a method of converting acoustic vibrations of a liquid or gaseous medium, according to which two electrodes parallel to each other, at a distance less than half the wavelength, create nonequilibrium ionic conductivity of the medium, excite an electric field in it , the magnitude of the EMF induced on the electrodes by ionized particles moving in the front of the wave is recorded, its vibrations are used to judge medium vibrations, and with pour increase the sensitivity of the conversion, the electric field is excited in the traveling direction of the wave [8].
К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относятся: а) ограниченность выбора пространственной ориентации электродов в связи с необходимостью помещения электрода в плоскости параллельной фронту волны; б) необходимость создания неравновесной ионной проводимости в исследуемой среде; в) необходимость постоянного источника питания, который создает напряжение между электродами; г) постоянное возбуждение электрического поля, что приводит к затруднению преобразования акустических колебаний в большом диапазоне частот; д) частотный диапазон ограничен расстоянием между электродами, которое должно быть меньше половины длины волны, что приводит к ограничению верхнего диапазона регистрируемых частот. The reasons that impede the achievement of the specified technical result when using the known method adopted for the prototype include: a) the limited choice of the spatial orientation of the electrodes due to the need to place the electrode in a plane parallel to the wave front; b) the need to create nonequilibrium ionic conductivity in the medium under study; c) the need for a constant power source that creates a voltage between the electrodes; d) the constant excitation of the electric field, which leads to the difficulty of converting acoustic vibrations in a large frequency range; d) the frequency range is limited by the distance between the electrodes, which should be less than half the wavelength, which leads to the limitation of the upper range of the recorded frequencies.
Задача изобретения - возможность регистрации изменения электродного потенциала доступным путем. The objective of the invention is the ability to record changes in electrode potential in an accessible way.
Технический результат выражается в выявлении зависимости электродного потенциала от степени деформации электрода под воздействием упругих волн. The technical result is expressed in revealing the dependence of the electrode potential on the degree of deformation of the electrode under the influence of elastic waves.
Сущность изобретения в следующем: в жидкую среду опускают два твердотельных электрода, причем один из них - с возможностью контактирования со средой, и регистрируют изменение электродного потенциала, при этом механические волны принимаются этим электродом с возможностью его поверхностной деформации под их воздействием, а другой (второй) электрод изолируют от среды и с его помощью по изменению поверхностного натяжения регистрируют изменение электродного потенциала на межфазной границе твердое тело/жидкость. The essence of the invention is as follows: two solid-state electrodes are lowered into a liquid medium, one of them being in contact with the medium, and a change in the electrode potential is recorded, while mechanical waves are received by this electrode with the possibility of its surface deformation under their influence, and the other (the second ) the electrode is isolated from the medium and with its help, by changing the surface tension, a change in the electrode potential is recorded at the solid / liquid interface.
Нами получены экспериментальные результаты, подтверждающие изменение электродного потенциала при воздействии на электрод механических волн, распространяющихся в жидкой среде. We obtained experimental results confirming a change in the electrode potential when exposed to mechanical waves propagating in a liquid medium.
Принцип регистрации волн связан с установлением изменения электродного потенциала от степени его деформации, адекватно зависящей от параметров (частоты, амплитуды) волны. Причем установлено, что величина этого изменения зависит не только от частоты и амплитуды волны, но и от расстояния между источником - приемником волн и от их взаимной ориентации относительно друг друга. The principle of wave registration is associated with the establishment of changes in the electrode potential on the degree of its deformation, which adequately depends on the parameters (frequency, amplitude) of the wave. Moreover, it was found that the magnitude of this change depends not only on the frequency and amplitude of the wave, but also on the distance between the source - receiver of the waves and on their relative orientation relative to each other.
По своей сути эти явления связаны с электрокапиллярными явлениями, обусловленными существованием на границе раздела фаз твердое тело/жидкость двойного электрического слоя (ДЭС) [3]. In essence, these phenomena are associated with electrocapillary phenomena due to the existence of a double electric layer (DEL) at the interface between a solid and liquid [3].
В общем случае напряженность электрического поля в ДЭС отличается от нуля, что обусловлено избыточным зарядом (из ионов, электронов и ориентированных диполей), присутствующих в слое. Наличие зарядов в этом пограничном слое влияет на поверхностное натяжение межфазного слоя. При этом работа, требующая для создания ДЭС на поверхности раздела фаз, включает в себя процессы, связанные с поверхностным напряжением (деформацией), межфазным (пограничным) натяжением и с изменением электродного потенциала. Теоретически связи между этими параметрами задаются уравнениями [3-7]
где FS - удельная свободная поверхностная энергия (единицы площади поверхности);
Uij - тензор поверхностной деформации;
I - единичный двухмерный тензор;
σij - символ Кронекера;
q и φ - плотность заряда и электродный потенциал;
σ - коэффициент пограничного натяжения на межфазной границе ДЭС.In the general case, the electric field strength in a DEL is different from zero, which is due to the excess charge (from ions, electrons, and oriented dipoles) present in the layer. The presence of charges in this boundary layer affects the surface tension of the interfacial layer. At the same time, the work requiring to create a DEL on the interface, includes processes associated with surface stress (deformation), interfacial (boundary) tension, and with a change in electrode potential. Theoretically, the relationships between these parameters are given by the equations [3-7]
where F S is the specific free surface energy (units of surface area);
U ij is the surface strain tensor;
I is the unit two-dimensional tensor;
σ ij is the Kronecker symbol;
q and φ are the charge density and electrode potential;
σ is the coefficient of boundary tension at the interface of the DES.
Из уравнений (1) и (2) следует, что любое внешнее воздействие, приводящее к деформации твердого электрода, должно адекватно изменить электродный потенциал. Это изменение электродного потенциала и регистрируется в ходе воздействия упругих волн на твердотельный электрод, находящийся в жидкой среде. From equations (1) and (2) it follows that any external action leading to deformation of the solid electrode should adequately change the electrode potential. This change in the electrode potential is recorded during the action of elastic waves on a solid-state electrode in a liquid medium.
Экспериментально это было осуществлено следующим образом: в жидкую среду 1 опускают вибратор (источник механических волн)2, соединенный с генератором 3, и приемник упругих волн 6, как это показано на фиг. 1. Приемник упругих волн представляет собой электрохимическую ячейку с двумя металлическими электродами из некорродируемых в жидкой среде материалов, опущенными в слабопроводящую жидкость 7. Один из электродов 4 служит для приема упругих волн, а другой электрод 5 используется как электрод сравнения. Электронное устройство 8 регистрирует изменение электродного потенциала, наблюдаемое в ходе эксперимента. This was experimentally carried out as follows: a vibrator (source of mechanical waves) 2 connected to a generator 3 and a receiver of elastic waves 6 are lowered into a liquid medium 1, as shown in FIG. 1. The elastic wave receiver is an electrochemical cell with two metal electrodes of materials that are not corroded in a liquid medium and lowered into a weakly conducting liquid 7. One of the electrodes 4 is used to receive elastic waves, and the other electrode 5 is used as a reference electrode. The electronic device 8 registers the change in electrode potential observed during the experiment.
Экспериментальные результаты, полученные впервые в морской воде, представлены на фиг. 2, где показана зависимость электродного потенциала от частоты. На координатных осях отложены относительное изменение электродного потенциала и частота вибратора. Из графика видно, что величина принимаемого сигнала растет нелинейно и связана с частотой упругих волн, деформирующей электрод. The experimental results obtained for the first time in sea water are presented in FIG. 2, where the dependence of the electrode potential on frequency is shown. The relative changes in the electrode potential and the frequency of the vibrator are plotted on the coordinate axes. The graph shows that the magnitude of the received signal increases nonlinearly and is associated with the frequency of the elastic waves that deform the electrode.
Имевшиеся в нашем распоряжении электродные устройства для регистрации изменения электродного потенциала от частоты не позволяли расширить частотный диапазон выше 100 кГц, хотя нет принципиальных ограничений в подобных измерениях в диапазоне более высоких частот. The electrode devices at our disposal for recording changes in the electrode potential versus frequency did not allow us to expand the frequency range above 100 kHz, although there are no fundamental limitations in such measurements in the higher frequency range.
Таким образом, по полученным экспериментальным результатам, предлагается один из возможных способов регистрации (обнаружения) механических сигналов, распространяемых в жидкой среде, более простым, доступным методом, чем это реализуется с помощью гидрофона. Thus, according to the obtained experimental results, one of the possible methods for recording (detecting) mechanical signals propagating in a liquid medium is proposed by a simpler, more affordable method than is realized using a hydrophone.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволили установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признаком заявленного изобретения. The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information, and the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention.
Практических сведений об измерении частотной зависимости электродного потенциала при деформации в источниках литературы не обнаружено. Practical information on measuring the frequency dependence of the electrode potential during deformation was not found in the literature.
Прелагаемый способ регистрации механических волн обладает рядом преимуществ по сравнению с прототипом: 1) позволяет создавать прибор для регистрации механических (акустических) волн без использования пьезоматериалов, т.е. позволяет в зависимости от поставленной задачи использовать широкий набор материалов в качестве твердотельных электродов; 2) предлагаемый способ регистрации механических волн может быть реализован для исследования физико-химических свойств границы раздела фаз твердое тело/жидкость в разных режимах, в том числе и в подземных скважинах; 3) конструкция датчика позволяет изменять формы и геометрические размеры используемого твердого электрода; 4) простота и дешевизна конструкции датчика и технологичность его изготовления; 5) применение датчиков для регистрации механических волн в растворах и расплавах. The proposed method for recording mechanical waves has several advantages compared to the prototype: 1) allows you to create a device for recording mechanical (acoustic) waves without using piezoelectric materials, i.e. allows depending on the task to use a wide range of materials as solid-state electrodes; 2) the proposed method for recording mechanical waves can be implemented to study the physicochemical properties of the solid / liquid phase boundary in different modes, including in underground wells; 3) the design of the sensor allows you to change the shape and geometric dimensions of the used solid electrode; 4) the simplicity and low cost of the design of the sensor and the manufacturability of its manufacture; 5) the use of sensors for recording mechanical waves in solutions and melts.
Возможность осуществления предлагаемого способа регистрации упругих волн подтверждается экспериментальными данными. The possibility of implementing the proposed method for recording elastic waves is confirmed by experimental data.
Что касается промышленной применимости, то заявленный способ при его осуществлении предназначен для использования в гидроакустике, геофизике, биомедицине и в других областях, связанных с межфазными явлениями. With regard to industrial applicability, the claimed method in its implementation is intended for use in hydroacoustics, geophysics, biomedicine and other fields associated with interfacial phenomena.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания. Sources of information taken into account when compiling the description.
1. Физическая акустика, под ред. У.Мезона, 1966,- М.: Мир, 320 с. 1. Physical Acoustics, ed. U. Meson, 1966, - M .: Mir, 320 p.
2. Боббер Р. Дж. Гидроакустические измерения, 1974,- М.: Мир, 362 с. 2. Bobber R. J. Hydroacoustic measurements, 1974, - M .: Mir, 362 p.
3. Гохштейн А.Я. Электрохимия, 1966, т. 2, в. 11, с. 1318. 3. Gokhshtein A.Ya. Electrochemistry, 1966, v. 2, c. 11, p. 1318.
4. Бензон Г., Юн К. В сб. Межфазные границы газ/твердое тело, 1970,- М.: Мир, 179 с. 4. Benzon G., Yoon K. In the collection. Interphase boundaries gas / solid, 1970, - M .: Mir, 179 p.
5. Фрумкин А.Н. Потенциалы нулевого заряда, 1979, М.: Наука:, 259 с. 5. Frumkin A.N. Potentials of zero charge, 1979, M .: Science :, 259 p.
6. Карпенко Г.В., Замостеник И.И., Бабей Ю.И., Пахмурский, В.И. Электрохимия, 1971, т. 7, в. 2, с. 220. 6. Karpenko G.V., Zamostenik II, Babey Yu.I., Pakhmursky, V.I. Electrochemistry, 1971, v. 7, c. 2, p. 220.
7. Круглов В.И., Коноров П.П., Бойков Ю.А., Прилкин Н.А. ФТП, 1974, т. 8, в. 8, с. 1514. 7. Kruglov V.I., Konorov P.P., Boykov Yu.A., Prilkin N.A. FTP, 1974, v. 8, c. 8, p. 1514.
8. Авторское свидетельство, N 890074, G 01 H 3/06, 15.12.81., бюл. N 46. 8. Copyright certificate, N 890074, G 01 H 3/06, 12.15.81., Bull. N 46.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96117283A RU2129707C1 (en) | 1996-08-19 | 1996-08-19 | Process registering mechanical waves in liquid media |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96117283A RU2129707C1 (en) | 1996-08-19 | 1996-08-19 | Process registering mechanical waves in liquid media |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU96117283A RU96117283A (en) | 1998-11-20 |
RU2129707C1 true RU2129707C1 (en) | 1999-04-27 |
Family
ID=20184880
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU96117283A RU2129707C1 (en) | 1996-08-19 | 1996-08-19 | Process registering mechanical waves in liquid media |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2129707C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2468341C2 (en) * | 2010-08-10 | 2012-11-27 | Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН | Device for detecting infralow frequency vibrations in sea water |
-
1996
- 1996-08-19 RU RU96117283A patent/RU2129707C1/en active
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2468341C2 (en) * | 2010-08-10 | 2012-11-27 | Учреждение Российской академии наук Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН | Device for detecting infralow frequency vibrations in sea water |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Brignoli et al. | Measurement of shear waves in laboratory specimens by means of piezoelectric transducers | |
AU684706B2 (en) | A device for determining the size and charge of colloidal particles | |
Ogi et al. | Line-focusing of ultrasonic SV wave by electromagnetic acoustic transducer | |
US6924642B1 (en) | Magnetorestrictive transducer for generating and measuring elastic waves, and apparatus for structural diagnosis using the same | |
EP0223347A2 (en) | Method and apparatus for determining the zeta potential of colloidal particles | |
US4907453A (en) | Colloid analyzer | |
US4906886A (en) | Ultrasound sensor | |
Hayashi | Imaging defects in a plate with complex geometries | |
US4245172A (en) | Transducer for generation and detection of shear waves | |
RU2129707C1 (en) | Process registering mechanical waves in liquid media | |
Kim et al. | Analysis of a thickness-shear mode vibrator for the accelerometer in vector hydrophones | |
US7295494B2 (en) | Diamagnetic current response transducer for sensing pressure gradient in a fluid medium | |
Ermolov et al. | Ultrasonic inspection of materials with coarse grain anisotropic structures | |
Johnson et al. | Continuous wave phase detection for probing nonlinear elastic wave interactions in rocks | |
EP0502197A4 (en) | Method and device for determining physical state parameters of a medium | |
Fair et al. | MEMS-based explosive particle detection and remote particle stimulation | |
CN111929624A (en) | Magnetic field detector | |
Habib et al. | Surface acoustic wave generation and detection by Coulomb excitation | |
Kita et al. | Measurement of shear wave velocities of sand in a centrifuge | |
JPH0653564A (en) | Ultrasonic transducer | |
WO2023026612A1 (en) | Device for measuring characteristic of object under measurement and method for measuring characteristic of object under measurement | |
SU1693462A1 (en) | Method of determination of surface tension at the interface between working electrode and solid electrolyte | |
EP0333823B1 (en) | Investigating properties of fluids | |
JPH067167B2 (en) | Sonde for measuring underground artificial elastic waves | |
GB2192282A (en) | Colloid analyzer |