Опубликован: 26.05.2010 | Доступ: свободный | Студентов: 1591 / 255 | Оценка: 4.42 / 4.25 | Длительность: 56:51:00
ISBN: 978-5-9963-0124-9
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 7:

Интеллектуальные акустические сенсоры для УЗИ. Сенсоры для сейсморазведки. Сенсоры на ПАВ

Ответы

Ответы на вопросы

Ответы к упражнениям

Упражнение 7.1.

Вариант 2. Из формулы (7.1) находим, что t = 2s/с. Подставляя данные задачи, находим: t_{\text{мин}} = 2\times 0,015/340 \approx 8,8\times 10^{–5} \text{ с} = 88 \text{ мкс};\; t_{\text{макс}} = 2\times 0,2/340 \approx 1,18\times 10^{–3} \text{ с} = 1180 \text{ мкс}. Времена запаздывания отраженных от объекта УЗ импульсов в УЗ сенсорах, рассчитанных на небольшие расстояния – от 15 до 200 мм, составляют от 88 до 1180 мкс.

Вариант 3. Из формулы (7.1) находим, что \Delta t = 2\Delta s/с = 2\times 2\times 10^{–4}/340 = 1,2\times 10^{–6} \text{ с} = 1,2 \text{ мкс}. Для того, чтобы обеспечить точность определения расстояний до 0,2 мм, времена запаздывания надо измерять с точностью до 1 мкс.

Вариант 4. Из формулы (7.1) находим, что t = 2s/с. Подставляя данные задачи, находим: t_{\text{мин}} = 2\times 0,3/340 \approx 1,76 \text{ мс};\; t_{\text{макс}} = 2\times 6/340 \approx 35,3 \tex{ мс}. Времена запаздывания отраженных от объекта УЗ импульсов в УЗ сенсорах, рассчитанных на средние расстояния – от 0,3 до 6 м, составляют от 1,8 до 35,3 мс.

Вариант 5. Из формулы (7.2) находим, что \tau = 2х_{\text{мин}}/с = 2\times 0,015/340 \approx 8,8\times 10^{–5} \text{ с} = 88 \text{ мкс}.

Вариант 6. Из формулы (7.3) находим, что v_{\text{зонд}} = 0,5 с / х_{\text{макс}} =  0,5\times 340/0,2 = 850 \text{ Гц}.

Вариант 7. Чтобы выявлять объекты размерами от 5 мм, длина волны зондирующих УЗ импульсов должна быть меньше 5 мм. Из формулы (7.4) находим, что f=с/\lambda > 340/0,005 = 68000 \text{ Гц} = 68 \text{ кГц}.

Упражнение 7.2.

Вариант 1. Чтобы выявлять объекты размерами от 0,1 мм, длина волны зондирующих УЗ импульсов должна быть меньше 0,1 мм. Из формулы (7.4) находим, что f = с / \lambda > 1540/0,0001 = 15400000 \text{ Гц} = 15,4 МГц.

Вариант 2. Из формулы (7.4) находим, что \lambda = 1540 / 15\times 10^6 \approx 0,1 \text{ мм}.

Вариант 3. Пользуясь формулой (5.5) из лекции 5 и считая \alpha_{\text{пад}} = \alpha_{\text{от}} = 0, находим частоту УЗ волн, отраженных от диафрагмы, f = 3,5(1 + 0,01/1540) / (1 – 0,01/1540) = 3,500045 \text{ МГц}. Отсюда доплеровский сдвиг частоты составляет (3500045 – 3500000) = 45 Гц.

Вариант 4. Из формулы (7.1) находим, что t = 2s/с. Подставляя данные задачи, находим: t_{\text{мин}} = 2\times 0,01/1540 \approx 1,3\times 10^{–5} \text{ с} = 13 \text{ мкс};\; t_{\text{макс}} = 2\times 0,3/1540 \approx 390 \text{ мкс}. Время запаздывания отраженных УЗ сигналов при глубине сканирования человеческого тела от 1 до 30 см составляет от 13 до 390 мкс.

Упражнение 7.3. При спектрально-сейсморазведочном профилировании вглубь земли от мобильного ССП сенсора вертикально посылается импульсный акустический зондирующий сигнал. Слабые вторичные акустические волны, возбужденные этим сигналом в земной коре, принимаются пленочным пьезоэлектрическим датчиком, не имеющим собственных резонансных частот. Полученный сейсмический отклик микрокомпьютер разлагает в спектр. При этом слоям недр, которые находятся на большей глубине, соответствуют более низкие частоты в спектре. Наличие акустической особенности на каждой глубине проявляется в увеличении соответствующей частотной составляющей в спектре отклика. Сенсор шаг за шагом перемещают по горизонтали в заданном направлении "разреза" на определенное расстояние, и повторяют измерения. Результаты многих последовательных измерений сводят вместе и строят "ССП-разрез" геологической структуры.

Вариант 1. Потенциально опасные зоны тектонических нарушений на ССП-разрезах проявляются в виде характерных лейкоподобных объектов Это – следствие постепенного векового проседания осадочных пород. Рядом с ними обычно выявляются и карстовые области, возникающие в результате размыва пород грунтовыми водами, мигрирующими в таких зонах из глубин земли. В таких зонах не рекомендуется возводить сооружения, создающие большое давление на грунт, поскольку это провоцирует проседание верхнего слоя осадочных пород, бывшего до этого стабильным, и утрату опорной способности грунта. В случае крайней надобности следует принимать упреждающие меры упрочнения грунта и периодически контролировать степень проседания пород.

Вариант 2. Когда из-под земли добывается уголь, соль, руда или производится проходка туннеля, то над штреком без прежней опоры остаются верхние слои породы, которые начинают провисать и постепенно пронизываются мелкими нарушениями и отслоениями. Как правило, отслоения происходят по границам угольных, слюдяных и других прослоек породы, имеющих слабое сцепление с соседними слоями. С помощью ССП можно своевременно выявить поверхности ослабленного механического контакта между слоями породы, расположение и размеры опасных отслоений. Это позволяет выбрать оптимальные методы защиты штрека, людей, техники, чтобы "внезапное" обрушение не застало людей врасплох.

Вариант 3. Источником "внезапных" выбросов газа и угля в шахтах являются большие герметичные пустоты в породах, заполненные метаном под высоким давлением и расположенные вблизи от горных выработок. Такие пустоты можно выявить методом ССП, поскольку акустические их свойства существенно отличаются от свойств пород. Получив информацию об их расположении и размерах, можно разными методами осторожно снизить давление газа в них и тем самым ликвидировать угрозу выбросов и возможность трагических аварий.

Вариант 4. Месторождения алмазов могут быть только там, где при разрыве кристаллического щита породы перемещались (выносились) снизу вверх. На ССП разрезах тело трубки выноса пород обычно выглядит как куполообразный объект с двойной окантовкой на глубинах 70-150 м. Поэтому детальные геологические исследования целесообразно проводить лишь там, где выявлены такие геологические структуры.

Упражнение. 7.4.

Вариант 1. Для ВШП с периодом расположения штырей 4 мкм резонансной является ПАВ с длиной волны, равной точно 4 мкм. Из формулы (7.4) находим, что f = с / \lambda > 4000/4\times 10^{–6} = 10^9 \text{ Гц} = 1 \text{ ГГц}.

Вариант 2. Для ВШП с периодом расположения штырей 200 нм резонансной является ПАВ с длиной волны, равной точно 200 нм. Из формулы (7.4) находим, что f = с / \lambda > 4000/2\times 10^{–7} = 2\times 10^{10} \text{ Гц} = 20 \text{ ГГц}.

Вариант 3. Период расположения штырей ВШП должен быть точно равен длине волны ПАВ. Из формулы (7.4) находим, что \lambda = с/f > 4000/10^{10} = 4\times 10^{–7} \times{ м} = 0,4 \text{ мкм}. Для создания ВШП с таким периодом решетки требуется нанотехнология.

Вариант 4. Время распространения ПАВ от генератора к приёмному ВШП, если расстояние между ними составляет 2,4 мм, составляет t = 0,0024/4000 = 6\times 10^{–7} \text{ с} = 600 \text{ нс}.

Вариант 5. Поскольку расстояние фиксировано, то время прохождения волны пропорционально скорости её распространения. Следовательно, \Delta с/с = 1/600 \approx 0,00167 \approx 0,17%. (Время прохождения 600 нс взято из решения предыдущей задачи).

Упражнение 7.5.

Вариант 1. Минимальный размер механических нарушений, которые могут быть обнаружены, определяется длиной волны ПАВ. Из формулы (7.4) находим, что \lambda = с/f > 3600/5\times 10^8 = 7,2\times 10^{–6} \text{ м} = 7,2 \text{ мкм}.

Вариант 2. Из фармулы (7.4) находим, что \lambda = с/f > 3600/120\times 10^6 = 30\times 10^{–6} \text{ м} = 30 \text{ мкм}.

Вариант 3. Из формулы (7.4) находим, что \lambda = с/f > 3600/50\times 10^6 = 72\times 10^{–6} \text{ м} = 72 \text{ мкм}

Вариант 4. Из формуды (7.4) находим, что \lambda = с/f > 3600/12\times 10^{8} = 300\times 10^{–8} \text{ м} = 3 \text{ мкм}.