机械结构流体层厚度超声测量方法理论研究

王浩光 冯万里

摘 要：本文基于对机械结构的简单了解，针对机械结构流体层厚度应用超声波的谐振模型、弹簧模型、连续模型等具体的测量方法进行深入研究，并阐述了机械结构三层介质流层厚度超声测量的影响因素，有效减少了机械设备关键零部件之间的摩擦和损耗，提高机械设备的运行质量和效率。

关键词：机械结构;流体层厚度;超声测量

引 言

随着科技的进步和社会的发展，工业化进程不断加快，应用的机械化设备越来越多，为减少机械设备了零部件由于摩擦而产生的损耗，会在处于运作状态的设备零部件之间引入薄流体层结构，同时还对应用的超声波测量方法进行参数分析和构建，为现代化技术发展奠定科学基础。

一、机械结构流体层界面处超声波测量方法分析

（一）谐振模型构建法

谐振模型主要是应用超声波测量中间流体层中超声反射系数的谐振频率，从而可对机械结构中间流体层的厚度进行精准测量，其表达式一般为h=cm/2fres。以铁-水-铁为例，由于固体与液体的构成分子种类、形态不同，同时液体层的谐振频率与厚度始终呈反比状态，因此，谐振的频率越高，则表明液体层的厚度越小，超声波衰减的程度则呈相反的递增状态。因此，在实际流体层厚度测量过程中，需根据实际的材料衰减情况和对介质厚度的分辨率，来对传输器的频率反应带的范围进行有效确定，当相应数据得以有效确定后，相应的液体层也能被谐振模型得以有效确定。

通过铁-水-铁三层介质机械结构中，水层厚度分别表示为40μm、50μm、60μm、70μm和120μm，将整体系数都变成反射系数曲线便于找寻其中存在的规律。从曲线中可以明显看出中间水介质的谐振频率是跟随厚度的变化而变化的，具有一定的规律性。在此基础上，还可以在规定的分析频率范围内，通过对反射系数的有效利用，与谐振频率相结合，得以有效实现对中间的液体介质层厚度的测量和计算[1]。

（二）弹簧模型构建法

弹簧模型构建法的应用顾名思义就是利用弹簧的特性，以及超声波对中间的液体介质的宽度进行侧算。当实际应用的超声波长远远超过中间液体介质的厚度，一阶的谐振频率则会大幅度超出预设的频率范围。在此基础上，如果中间液体介质层处于非常薄的状态时，则需对相邻两边的介质可能在测量过程中出现的位移以及应力的连续条件都要考虑进去，与此同时可将中间的液体介质层看做为具有弹簧性质的弹簧层，当超声波在对液体介质进行测量时，之间的刚度系数可以通过h=pc2/K方程式进行计算，同时可以通过刚度系数对液体层厚度进行精准计算[2]。

以不锈钢-水-不锈钢为例，当中间水介质的厚度较薄时，应用超声波进行厚度测量过程中，纵波以垂直入射的方式，对不同厚度的中间层反射系数总结出显影的曲线变化规律，而对于刚度系数曲线来说，中间层的刚度系数的变化程度较低，因此，显而易见的表示出厚度参数的变化程度，主要取决于传感器的频率变化范围，以及中间液态介质的厚度。

（三）渡越模型构建法

当超声波的波纹处于垂直状态入射到两种介质中，则其流层界面会出现反射和透射两种形式，透射主要是将波纹能量部分透过了介质界面，而反射主要指的是将另一部分能量反射回去。当被测介质厚度较大时，此时的超声波波长较短，且脉冲宽度较窄，当在介质表面反射回的超声波可得到相应的时间差，以此为基准，依据介质中超声波的传播和反射速度，从而能有效计算出流层的介质厚度。

在渡越模型构建过程中，有效表达介质厚度的参数，主要是依靠介质两面的反射时间差来具体计算的，而渡越模型则是最常应用的超声波测距方法。其应用的范围也比较广。如果由于特殊情况，被测的介质层厚度边薄，相应的超声波传播时长也会有所改变，测量介质两端的反射回波时间差也相应的缩小，以致于能改变相应的数据参数。当介质厚度相应减少并达到一定程度时，会出现超声波的反射回波通过中间流层厚度的表面进而相互叠加，导致最终透射的不同超声波无法直接的穿透介质，以致于无法有效获取相应的传播时间差。最终导致渡越模型不能对流层厚度进行有效测量。

二、机械结构三层介质流层厚度超声测量影响

影响机械结构三层介质流层厚度的主要因素包括：流体层厚度、流体层声学特性、流体层两侧介质声学特性以及三种介质声学参数关系等。在实际测量过程中，需根据上层、中层和下层介质与超声反射系数的之间的关系和反映出的参数数据，对其与流体反射系数之间的实际变化进行分析，观察相应的系数曲线和反映频率。以不锈钢-水-不锈钢为例，研究三层介质之间存在的声学特性，以实际测量为基础，在特定情况下以中间层反射系数特点为基础，除此之外，还会将不同的介质加以对比，同时还要保证中间层保持一定厚度不变，并通过对机械結构中间部位的流体层介质声学的参数变化，得出其对反射系数产生的实际影响。针对实际情况对三层介质流层厚度超声测量得出相应的准确数值，并进一步总结其规律，分别分析了当中间介质层声抗拒小于、等于、和介于二者之间的关系，得出相应的谐振频率与流层介质的相应关系。

结 论

综上所述，机械结构流体层厚度应用超声测量方法是满足现代化、科技化社会发展的必然要求，应用多种超声波测量方法提高了测量结果的准确程度，同时也证明了两侧介质材料的变化对流层的测量厚度没有较大影响，并为后续的试验提供了科学有效的参考数据，起到一定指导作用。

参考文献

[1] 吕弘，陈旸.基于谐振模型的某GPS电路板仿真分析[J].南京师范大学学报（工程技术版），2018，18（04）：13-18.

[2] 刘阳. 超声波流量检测技术研究[D].西安石油大学，2017.