Акустические уровнемеры. 
Метрология и измерительная техника. 
Уровнеметрия жидких сред

Общие положения

Акустика (от греческого akusticos — слуховой) — раздел физики, исследующий закономерности излучения и распространения упругих волн в различных средах, а также взаимодействия их со средой.

Звук — физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газовой средах.

Распространение упругих колебаний в сплошной среде представляет собой волнообразный процесс.

Ультразвук — упругие колебания в среде с частотой за пределом слышимости человека. Обычно под ультразвуком понимают частоты выше 20 000 Герц.

Колебания с частотой от единиц Герц (Гц) до 20 Герц называются инфразвуковыми, при частоте от 20 Гц до 16…20 кГц колебания создают слышимые звуки.

Ультразвуковые колебания соответствуют частотам от 16…20 кГц до 10^s Гц, а колебания с частотой более 10^s Гц получили название гиперзвуков.

Источники и приемники ультразвука

Магнитострикционные преобразователи преобразуют энергию магнитного поля в механическую (звуковую или ультразвуковую) энергию. Их действие основано на магнитоупругом эффекте, т. е. на том, что некоторые металлы (железо, никель, кобальт) и их сплавы деформируются в магнитном поле. Ярко выраженными магнитоупругими свойствами обладают и ферриты (материалы, спекаемые из смеси окиси железа с окислами никеля, меди, кобальта и других металлов). Если магнитоупругий стержень расположить вдоль переменного магнитного поля, то этот стержень станет попеременно сокращаться и удлиняться, т. е. испытывать механические колебания с частотой переменного магнитного поля и амплитудой, пропорциональной его индукции. Механические колебания преобразователя возбуждают в твердой или жидкой среде, с которой он соприкасается, волны ультразвука той же частоты. Обычно такие преобразователи работают на собственной (резонансной) частоте механических колебаний, так как на ней наиболее эффективно преобразование энергии из одной формы в другую.

Магнитострикционные преобразователи, собранные из пластин тонкого листового металла, работают лучше всего в низкочастотном ультразвуковом диапазоне (от 16 до 50 кГц), на частотах выше 100 кГц у них очень низкий КПД. Наиболее употребительные магнитострикционные материалы — эго сплавы на основе никеля или кобальта с железом. Наибольшей интенсивности УЗ излучения позволяет достичь сплав пермендюр (49%Со, 2%V, остальное Fe).

Рис. 5.1. Магнитострикционный (а) и пьезоэлектрические (б) акустические ультразвуковые преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи преобразуют электрическую энергию в энергию ультразвука. Действие их основано на обратном пьезоэлектрическом эффекте, проявляющемся в деформациях некоторых кристаллов под действием приложенного к ним электрического поля. Этот эффект хорошо проявляется у природного или искусственно выращенного монокристалла кварца или сегнетовой соли, а также у некоторых керамических материалов (например, у титаната бария). Переменное электрическое поле частоты желаемого ультразвука подастся через напыленные металлические электроды, располагающиеся на противоположных гранях образца, вырезанного определенным образом из пьезоэлектрика. При этом возникают механические колебания, которые и распространяются в виде ультразвука в сопредельной жидкой или твердотельной среде. Пьезоэлектрические преобразователи в виде тонких кристаллических пластинок могут излучать мощные ультразвуковые волны частотой до 1 МГц (в лабораторных условиях получены частоты до 1000 МГц). Длина ультразвуковой волны (обратно пропорциональная частоте) очень мала, поэтому из таких волн, как и из световых, можно формировать узконаправленные пучки.