Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Метрология и метрологическое обеспечение

Диссертационная работа:

Еняков Александр Михайлович. Разработка методов и средств метрологического обеспечения гидроакустических измерений в диапазоне частот от 0,5 до 15 МГц : диссертация ... доктора технических наук : 05.11.15 / Еняков Александр Михайлович; [Место защиты: Всерос. науч.-исслед. ин-т физ.-техн. и радиотехн. измерений].- Менделеево, 2007.- 208 с.: ил. РГБ ОД, 71 07-5/657

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

Введение к работе:

1 1 1 Актуальность проблемы

Гидроакустические измерения получили широкое применение при решении разнообразных практических и научных задач, связанных с акустическими явлениями в жидкости Гидроакустические измерения необходимы не только при разработке методов и средств гидролокации (гидролокаторов, шумопеленгаторов, эхолотов и пр), навигации и звукоподводной связи (ЗПС), средств измерения характеристик шумоизлучения кораблей, исследований шумов морской среды, геофизических (связанных, например, с сейсмическими явлениями) и биоакустических (например, звуков морских обитателей) исследований Уже сравнительно давно стали развиваться ультразвуковые исследования и технологии, основанные на гидроакустических явлениях

Ультразвуковой диапазон занимает наиболее существенную часть (около 5 декад) частотной области акустических колебаний Этот диапазон принято разделять на три области низкие ультразвуковые частоты (НЧ УЗ) - от 20 до 100 кГц, средние (СЧ УЗ) -от 100 кГц до 10 МГц, и высокие (ВЧ УЗ) - от 10 до 1000 МГц Специфические особенности ультразвука, которые отличают его от акустических колебаний инфразвукового и слышимого диапазонов частот и определяют его широкое применение в науке и технике, связаны, прежде всего, с малой длиной волны, что обусловливает лучевой характер распространения ультразвуковой волны и облегчает возможность ее фокусировки с концентрацией энергии в заданной области, а также с малым периодом колебаний, что обеспечивает хорошую временную селекцию импульсных ультразвуковых сигналов

Трудно переоценить значение гидроакустики ультразвукового диапазона частот в ускорении многих технологических процессов в химической, пищевой, фармацевтической, строительной и металлургической промышленности Создание стойких эмульсий, диспергирование, гомогенизация, ускорение кристаллизации, дегазация жидкостей - процессы, в которых ультразвуковые технологии успешно внедряются в течение последних 40 - 50 лет При этом применяют как низкочастотные, так и среднечастотные ультразвуковые воздействия

Ультразвуковая гидроакустика используется и для решения измерительных задач По изменению скорости звука в жидкости или поглощения ультразвуковой энергии в ней можно измерить концентрацию примесей При этом используются ультразвуковые

импульсы не только среднечастотного, но и высокочастотного ультразвукового диапазона Измерение времени прохождения гидроакустического сигнала (время-пролетный и эхо-импульсный методы) лежит в основе методов измерения уровней (объемов, общего количества) различных жидкостей в резервуарах и скорости течения жидкости в трубопроводе В ряде случаев последняя задача решается более эффективно с использованием доплеровского эффекта в высокочастотном ультразвуковом диапазоне

Особо следует отметить, что ультразвуковые методы
исследований и лечения за последние десятилетия находят все
большее распространение в самых различных областях медицины в
физиотерапии и диагностике, -хирургии и экстракорпоральной
литотрипсии Близость параметров (плотности, упругости) тканей
человеческого тела соответствующим параметрам воды

предопределяет использование хорошо разработанных
гидроакустических методов воздействия и измерений в
здравоохранении Гидроакустические методы наиболее

эффективны для лечения и диагностики в диапазоне частот от единиц до десятков мегагерц, и гидроакустические воздействия в этом диапазоне часто называют «медицинским ультразвуком» Активное применение ультразвука привело к созданию сложных медицинских диагностических приборов и лечебных аппаратов, эффективность работы которых зачастую зависит от своевременного контроля технического состояния этой аппаратуры Характеристики гидроакустического поля, генерируемого ультразвуковым медицинским оборудованием (УМО), определяют не только его основные параметры, но и являются важным показателем с точки зрения обеспечения безопасности пациента Именно поэтому необходимость гидроакустических измерений в диапазоне частот, соответствующем «медицинскому ультразвуку», трудно переоценить

К началу 1990-х годов (к началу диссертационных исследований) метрологическое обеспечение гидроакустических измерений у нас в стране ограничивалось инфразвуковым, звуковым и низкочастотным ультразвуковым диапазонами, т е областью частот от 0,01 Гц до 1 МГц Однако уже на частотах от 0,5 до 1 МГц метрологическое обеспечение оказалось недостаточным в силу специфики структуры гидроакустических полей, используемых в этом диапазоне Дело в том, что в большинстве практических применений гидроакустическое поле на частотах выше 0,5 МГц применяют в виде концентрированного ультразвукового пучка Основной характеристикой поля такой структуры является интегрированная по всему полю (т е в пределах ультразвукового пучка) акустическая мощность, часто называемая полной

мощностью ультразвукового пучка И этот параметр оказался метрологически не обеспеченным даже на частотах от 0,5 до 1 МГц, в котором действовала государственная поверочная схема, регламентирующая порядок передачи размера воспроизводимой эталоном единицы акустического давления при поверке (калибровке, градуировке) гидрофонов Эталонных средств измерения акустической мощности в воде у нас в стране не существовало А для частот выше 1 МГц эталонная и нормативная база в области гидроакустических измерений до середины 1990-х отсутствовала вообще, хотя средства измерений акустической мощности (радиометры) и акустического давления (гидрофоны) разрабатывались и применялись, но, в основном, только для научных исследований

Иным было состояние метрологического обеспечения гидроакустических измерений мегагерцового диапазона частот за рубежом Бурное развитие ультразвуковых технологий, настойчивое освоение гидроакустических средств и методов медициной, создание и совершенствование приборов для ультразвуковой диагностики и лечения требовали адекватного развития эталонной и нормативной базы для средств и методов измерения параметров акустического выхода ультразвуковой гидроакустической аппаратуры В Англии, Германии и США были разработаны принципиально новые конструкции гидрофонов с высоким временным и пространственным разрешением на диапазон частот до 20 МГц и более, методы и средства их калибровки и применения при измерении параметров гидроакустических полей медицинского назначения, национальные эталоны единиц акустического давления и мощности, проводились сличения результатов калибровок гидрофонов, выполненных различными лабораториями и различными методами Эти исследования и разработки продолжают интенсивно развиваться и в настоящее время Совершенствование гидрофонов и разработка новых методов их калибровки позволили за 10 - 15 лет сдвинуть верхний предел частотного диапазона калибровок гидрофонов на национальных эталонах с 15 МГц до 60 и даже до 100 МГц

Зарубежные разработки методов и средств гидроакустических измерений на мегагерцовых частотах сопровождались становлением нормативной базы как на национальном, так и на международном уровне Сам факт образования отдельного технического комитета МЭК - ТК 87 «Ультразвук» в 1985 г - свидетельствует о несомненной важности стандартизации в этом виде измерений Одними из первых ТК 87 разработал международные стандарты, касающиеся требований к характеристикам высокочастотных гидрофонов и к их калибровке, к

параметрам гидроакустических полей в частотном диапазоне от 0,5 до 15 МГц и методам их измерения Выполняемые ТК 87 работы в области стандартизации отличаются комплексным подходом, при котором разработка документов прикладного характера с требованиями к отдельным типам ультразвуковых приборов сочетается с разработкой основополагающих документов, касающихся общих проблем измерения параметров гидроакустического поля Важно также, что в международных документах соблюдается целесообразный баланс между регламентированными нормами и оптимальными рекомендациями Именно этот баланс, основанный на учете требований национальных стандартов и принятый на основе консенсуса, обеспечивает жизнеспособность и высокое качество документов МЭК

В своих публикациях, выступлениях на конференциях,
семинарах и НТК Госстандарта России автор неоднократно
обосновывал необходимость развития отечественного

метрологического обеспечения гидроакустических измерений в
мегагерцовом диапазоне частот, подчеркивал практическую
востребованность этого направления, в частности, ультразвуковым
медицинским приборостроением Были определены

первоочередные задачи по разработке средств и методов измерений, а также создания эталонной базы Была установлена целесообразность разработки отечественных нормативных документов, гармонизированных со стандартами МЭК

1.2. Цель и задачи исследования

Целью диссертационных исследований является разработка системы метрологического обеспечения гидроакустических измерений в диапазоне частот от 0,5 до 15 МГц Для реализации этой цели потребовалось определение, обоснование и решение научно-технических задач по созданию соответствующих методов и средств метрологического обеспечения, к которым относятся

  1. создание эталонных средств измерения ультразвуковой мощности для метрологического обеспечения эксплуатируемых рабочих СИ - измерителей мощности ультразвукового излучения,

  2. разработка и внедрение нормативной и методической документации в области гидроакустических измерений на частотах выше 1 МГц,

  3. создание высокочастотных гидрофонов для измерения параметров гидроакустического поля на частотах от 0,5 до 15 МГц,

  4. разработка установки для калибровки разработанных гидрофонов на частотах выше 1 МГц,

  1. участие в международных ключевых сличениях в области измерений мощности ультразвука в водной среде,

  2. разработка и внедрение методов и средств измерения параметров гидроакустического поля, создаваемого ультразвуковым медицинским оборудованием различного назначения - одним из основных потребителей гидроакустических технологий мегагерцового диапазона, а также соответствующей нормативной и методической документации

Методологическую и теоретическую основу исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области метрологии, гидроакустических измерений, ультразвукового медицинского оборудования В диссертации использованы методы исследования, основанные на анализе состояния метрологического обеспечения у нас в стране и сравнении с уровнем развития этой области метрологии в зарубежных странах, методы натурного моделирования и макетирования основных узлов разрабатываемых средств измерения, анализ результатов международных ключевых сличений, экспертные оценки возможности внедрения разработанных методик на практике

В числе информационных источников в диссертации использованы

научные источники в виде данных из книг, журнальных статей, научных отчетов, материалов научных конференций,

официальные документы в виде международных, зарубежных и отечественных стандартов, рекомендаций и методических указаний, приказов и постановлений федеральных органов исполнительной власти,

техническая документация фирм-изготовителей ультразвукового оборудования, в том числе медицинского,

о результаты экспериментов, а также технических испытаний приборов и аппаратов, в том числе медицинских, и испытаний для целей утверждения типа СИ, проведенных соискателем

1.3 Новизна полученных результатов

Впервые проведен анализ состояния и перспектив развития
государственной системы метрологического обеспечения
гидроакустических измерений в диапазоне частот от 0,5 до
15 МГц, в результате которого были определены и обоснованы
научные и технические задачи по созданию эталонной базы,
рабочих средств измерения, комплекса нормативных и
методических документов, обеспечивающих единство и

достоверность гидроакустических измерений в этом диапазоне частот,

Впервые создан, исследован и введен в действие национальный
эталон единицы мощности ультразвука в воде, в основу которого
положен усовершэнствованный автором метод гравитационного
уравновешивания радиационного давления ультразвуковой
волны на мишень путем перераспределения массы
компенсаторов, удерживающих мишень на заданной глубине

в Разработана, исследована и включена в состав государственного эталона многофункциональная установка плоского сканирования, обеспечившая проведение не только исследований пространственного распределения структуры ультразвукового поля, но и калибровок гидрофонов на частотах 1 - 10 МГц, что позволило впервые для отечественной метрологии преодолеть мегагерцовый рубеж в этом виде измерений,

«> Разработанные эталонные средства измерений и их метрологические исследования позволили автору впервые участвовать в международных ключевых сличениях в области измерений мощности ультразвука, подтвердить заявленные метрологические характеристики эталона и войти в базу данных (CMC data) Международного Бюро Мер и Весов (МБМВ) в этом виде измерений,

Разработанный и апробированный в конструкции Государственного эталона ГЭТ 169-2005 оригинальный метод измерения был положен в основу создания семейства рабочих средств измерения - измерителей мощности ультразвукового излучения ИМУ-1ПМ и ИМУ-2ПМ, единственных отечественных приборов этого назначения, включенных в Государственный реестр СИ, допущенных к применению на территории РФ,

На основе разработанного автором единого концептуального подхода, в основу которого положена необходимость измерений полной мощности ультразвукового пучка и параметров распределения акустического давления в его поперечном сечении, впервые разработан комплекс отечественных нормативных и методических документов в области метрологического обеспечения гидроакустических измерений в мегагерцовом диапазоне частот, обеспечивший оценку качества, безопасности и функциональных характеристик медицинского ультразвукового оборудования различного назначения,

Применение разработанных методов и средств измерения
параметров гидроакустического поля позволило впервые в
отечественной практике проводить испытания медицинского
ультразвукового оборудования в соответствии с требованиями
международных стандартов

1 4 Практическая значимость и реализация результатов работы

Проведенные автором исследования и разработки
использованы при создании государственного эталона и рабочих
средств измерений мощности и акустического давления в воде,
гидрофонов с высоким временным и пространственным
разрешением, средств и методов калибровки этих гидрофонов на
частотах до 10 МГц Созданы основы метрологической и
нормативной базы для использования в научно-исследовательских
организациях и на предприятиях, имеющих потребность в
высокочастотных гидроакустических измерениях, органами

государственного метрологического надзора, лабораториями и центрами испытаний медицинской техниками, организациями «Медтехника» при техническом обслуживании и ремонте медицинской техники, организациями и фирмами медицинского приборостроения, метрологическими службами организаций здравоохранения

Получены научно-обоснованные технические и

технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в совершенствование государственной системы обеспечения единства измерений, в создание эталонной и нормативной базы в области гидроакустических измерений на мегагерцовых частотах и в развитие экономики страны

Основные положения и результаты диссертационной работы нашли применение

при разработке гидрофонов зондового типа для измерения
параметров гидроакустических полей в диапазоне 0,5 - 10 МГц
Гидрофоны используются в государственном эталоне ГЭТ 169-
2005,

о при разработке установки линейного сканирования УЛС-1,
обеспечивающей исследования пространственного

распределения параметров гидроакустического поля, испытания ультразвуковых датчиков и излучателей, а также калибровку гидрофонов в диапазоне частот до 10 МГц,

при разработке установки высшей точности для измерений
мощности ультразвука в воде УВТ 102-А-2001,

при участии автора в международных ключевых сличениях CCAUV U-K1, проведенных в 2000 - 2002 г г по решению МБМВ, результаты которых подтвердили заявленные Россией возможности в области измерений мощности ультразвука в воде (3 позиции в СМС-данных),

при разработке государственного специального эталона единицы мощности ультразвука в воде в диапазоне частот от 0,5 до 12 МГц - ГЭТ 169-2005,

в при разработке национального стандарта на поверочную схему для средств измерения мощности ультразвука в воде ГОСТ Р 8 616-2006,

при разработке национальных стандартов (ГОСТ Р 8 583-2001, ГОСТ Р 8 584-2001, ГОСТ Р 8 604-2004, ГОСТ Р 8 605-2004), гармонизированных со стандартами МЭК в области медицинского ультразвука,

при разработке рекомендаций по метрологии Р50 2 037-2004 «ГСИ Измерения гидроакустические Термины и определения», в которые введены понятия, касающиеся гидроакустических измерений на мегагерцовых частотах,

в при разработке рекомендаций по метрологии Р50 2 051-2006
«ГСИ Ультразвуковое диагностическое оборудование

медицинского назначения Общие требования к методам контроля технических характеристик»,

о при разработке рекомендаций, касающихся различных аспектов измерений параметров высокочастотных гидроакустических полей МИ 2474-98, МИ 2475-98, МИ 2476-98, МИ 2477-98, МИ 2635-2001 и МИ 3009-2006,

в при разработке рабочих СИ - измерителей мощности ультразвукового излучения ИМУ-1ПМ и ИМУ-2ПМ, внесенных в Государственный реестр СИ и отмеченных медалями и дипломами различных выставок,

при проведении технических испытаний (в испытательной лаборатории «ВНИИФТРИ-ТЕСТ») и испытаний для целей утверждения типа ультразвуковых приборов и систем, в том числе медицинских, в соответствии с требованиями международных стандартов,

при разработке установки для измерения чувствительности доплеровских определителей параметров сердцебиения плода ИЧДП-1, внесенной в Государственный реестр СИ,

при разработке методов и средств гидроакустических измерений в процессе выполнения НИР и ОКР, проведенных во ВНИИФТРИ (около 15 работ)

1 5. Апробация результатов исследований

Результаты исследований докладывались и обсуждались на различных семинарах, международных и отраслевых конференциях, в их числе

Всесоюзные конференции "Проблемы метрологии гидрофизических измерений" (М , ВНИИФТРИ, 1990 г, 1992 г, 2006г),

Заседания YIII - XI Всеакадемической школы по проблемам метрологического обеспечения и стандартизации (1990-1993 г г),

Конференция «Проблемы конверсии в гидроакустике» (Санкт-Петербург, ЦНИИ «Морфизприбор», 18 - 19 мая 1993 г),

- IV сессия Российского акустического общества (Москва, АКИН
им Н Н Андреева, 23 мая 1995 г ),

IV ежегодная сессия китайского общества по акустике и
вибрации (Тайвань, ITTRI CMS, апрель 1996 г),

- Научно-практическая конференция «Приборное обеспечение
науки, промышленного и сельскохозяйственного производства,
природопользования, жилищно-коммунального хозяйства»
(Москва, ВИМИ, 26 - 27 ноября 1997 г),'

Межрегиональные научно-практические конференции «Метрологическое обеспечение испытаний и сертификации» (Москва, РОСТЕСТ-Москва, 1998 - 1999 г г ),

X юбилейная научно-техническая конференция «Датчики и преобразователя информации систем измерения, контроля и управления» (ДАТЧИК-98) (Гурзуф, МИЭМ, 24 - 29 мая 1998 г),

Международный семинар «Ультразвук в диагностике безопасность и эффективность», организованный германским обществом ультразвука в медицине (DEGUM) (Германия, Бонн, 10-12 апреля 2000 г),

1-й Всероссийский научно-технический семинар «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники» (Москва, Госстандарт, октябрь 2000 г),

V международная конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (Санкт-Петербург, 2000 г),

Международная конференция по биомедицинскому приборостроению «Биомедприбор-2000» (Москва, ВНИИМП, 24 -26 октября 2000 г ),

I и II Евразийские конгрессы «Медицинская физика» (Москва, МГУ, 2001 и 2005 г г),

Заседания ТК 1 2 «Акустика, ультразвук, вибрация» КООМЕТ (Менделеево, ВНИИФТРИ, 2003 г , Минск, БелГИМ, 2006 г ),

» 4-ое заседание консультативного комитета по акустике, ультразвуку и вибрациям CCAUV при МБМВ (Франция, Париж, BIPM, 27 - 28 сентября 2004 г ),

V Международная конференция по прогрессу в метрологии
«AdMet-2005», организованная Метрологическим Обществом
Индии и Национальной Физической лабораторией Индии (Дели,
24 февраля 2005 г),

» Заседания подкомитета «Ультразвук» ЕВРОМЕТ (Дания, Копенгаген, 2005 г, Италия, Турин, 2006 г),

" IX Международная акустическая конференция «WESPAC IX 2006» (Южная Корея, Сеул, 26-28 июня 2006 г)

Результаты диссертационных исследований были

опубликованы в научно-технических журналах, трудах международных и отраслевых конференций, научно-технических сборниках и двух монографиях (всего около 60 работ)

1 6. На защиту выносятся

  1. Разработанная концепция государственной системы обеспечения единства гидроакустических измерений в диапазоне частот от 0,5 до 15 МГц

  2. Обоснованная программа работ по созданию системы метрологического обеспечения гидроакустических измерений на мегагерцевых частотах

  3. Совокупность научно-методических, технических и технологических решений, на основе которых создан комплекс эталонных средств измерения параметров гидроакустического поля

  4. Использование оригинального метода гравитационного уравновешивания мишени для создания эталонных и высокоточных средств измерения мощности ультразвука в воде

  1. Разработанные методы и средства измерения параметров гидроакустического излучения ультразвуковых приборов и аппаратов (в том числе, медицинских) на частотах от 0,5 до 15 МГц, обеспечивающие оценку их безопасности и эффективности в соответствии с международными нормами

  2. Единый концептуальный подход, принятый при разработке нормативных и методических документов в области высокочастотных гидроакустических измерений, в основе которого лежат измерения полной мощности ультразвукового пучка и параметров акустического давления

1.7. Личное участие автора в работах, включенных в диссертацию

Исследования по разработке методов и средств метрологического обеспечения гидроакустических измерений на частотах выше 1 МГц были начаты автором в 1989-90 г г Автор стал инициатором, научным руководителем и основным исполнителем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по развитию методов и средств в этой области измерений, выполненных во ВНИИФТРИ Автор имеет достаточно большое количество самостоятельных публикаций по теме диссертации (более 50), в том числе в рекомендованных ВАК журнапах -11

1.8 О соотношении докторской и кандидатской диссертаций

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05 11 01 (Приборы и методы измерения механических величин) была защищена в 1981 г во ВНИИФТРИ

Все цитируемые в докторской диссертации публикации автора осуществлены после защиты кандидатской диссертации

2. Содержание работы

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов с результатами работы, списка литературы из 158 наименований и приложения, содержит 208 страниц текста и приложения, 49 рисунков и 9 таблиц

Подобные работы
Телитченко Геннадий Петрович
Разработка и исследование методов и образцовых средств измерений электрического напряжения амплитудно-импульсного модулированного сигнала в диапазоне частот 100 кГц + 1000 МГц
Черепанов Виктор Яковлевич
Методы и средства метрологического обеспечения измерений параметров теплообмена и теплоносителей
Пивак Алексей Вячеславович
Создание средств метрологического обеспечения измерения отношения мощностей в диапазоне СВЧ
Филимонов Василий Валерьевич
Разработка методов и средств повышения точности частотно-цифровых измерительных устройств на принципах автоматизации процессов измерений
Голубев Сергей Сергеевич
Разработка и исследование методов и средств метрологического обслуживания сканирующих зондовых микроскопов
Савелькаев Сергей Викторович
Разработка и исследование методов и прецизионных средств измерения S-параметров активных СВЧ-цепей
Сатановский Андрей Аркадьевич
Разработка научно-методических основ метрологической аттестации программного обеспечения средств измерений
Горелова Нонна Евгеньевна
Исследование и разработка метрологического обеспечения средств измерений массового расхода жидкости нефтяных скважин
Хацкевич Ефим Абович
Государственная система метрологического обеспечения хроматографических средств измерений для контроля качества природных газов
Хворостов Борис Александрович
Разработка и создание элементов государственной системы обеспечения единства измерений комплексного коэффициента отражения в СВЧ диапазоне

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net