王浩光 馮萬里
摘 要:本文基于對機械結(jié)構(gòu)的簡單了解,針對機械結(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行深入研究,并闡述了機械結(jié)構(gòu)三層介質(zhì)流層厚度超聲測量的影響因素,有效減少了機械設(shè)備關(guān)鍵零部件之間的摩擦和損耗,提高機械設(shè)備的運行質(zhì)量和效率。
關(guān)鍵詞:機械結(jié)構(gòu);流體層厚度;超聲測量
引 言
隨著科技的進步和社會的發(fā)展,工業(yè)化進程不斷加快,應(yīng)用的機械化設(shè)備越來越多,為減少機械設(shè)備了零部件由于摩擦而產(chǎn)生的損耗,會在處于運作狀態(tài)的設(shè)備零部件之間引入薄流體層結(jié)構(gòu),同時還對應(yīng)用的超聲波測量方法進行參數(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,從而可對機械結(jié)構(gòu)中間流體層的厚度進行精準測量,其表達式一般為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,在實際流體層厚度測量過程中,需根據(jù)實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)帶的范圍進行有效確定,當相應(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,得以有效實現(xiàn)對中間的液體介質(zhì)層厚度的測量和計算[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)的寬度進行側(cè)算。當實際應(yīng)用的超聲波長遠遠超過中間液體介質(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,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)條件都要考慮進去,與此同時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,當超聲波在對液體介質(zhì)進行測量時,之間的剛度系數(shù)可以通過h=pc2/K方程式進行計算,同時可以通過剛度系數(shù)對液體層厚度進行精準計算[2]。
以不銹鋼-水-不銹鋼為例,當中間水介質(zhì)的厚度較薄時,應(yīng)用超聲波進行厚度測量過程中,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。當被測介質(zhì)厚度較大時,此時的超聲波波長較短,且脈沖寬度較窄,當在介質(zhì)表面反射回的超聲波可得到相應(yīng)的時間差,以此為基準,依據(jù)介質(zhì)中超聲波的傳播和反射速度,從而能有效計算出流層的介質(zhì)厚度。
在渡越模型構(gòu)建過程中,有效表達介質(zhì)厚度的參數(shù),主要是依靠介質(zhì)兩面的反射時間差來具體計算的,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)的超聲波傳播時長也會有所改變,測量介質(zhì)兩端的反射回波時間差也相應(yīng)的縮小,以致于能改變相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)。當介質(zhì)厚度相應(yīng)減少并達到一定程度時,會出現(xiàn)超聲波的反射回波通過中間流層厚度的表面進而相互疊加,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)的傳播時間差。最終導(dǎo)致渡越模型不能對流層厚度進行有效測量。
二、機械結(jié)構(gòu)三層介質(zhì)流層厚度超聲測量影響
影響機械結(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)之間的實際變化進行分析,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,以實際測量為基礎(chǔ),在特定情況下以中間層反射系數(shù)特點為基礎(chǔ),除此之外,還會將不同的介質(zhì)加以對比,同時還要保證中間層保持一定厚度不變,并通過對機械結(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)生的實際影響。針對實際情況對三層介質(zhì)流層厚度超聲測量得出相應(yīng)的準確數(shù)值,并進一步總結(jié)其規(guī)律,分別分析了當中間介質(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)果的準確程度,同時也證明了兩側(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
[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(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.