Determination of the Acoustic Wave Velocity and Attenuation in Liquids with Different Acoustic Impedances Using an Acoustic Interferometer

B. D. Zaitsev; Зайцев Б. Д.; I. A. Borodina; Бородина И. А.; A. A. Teplykh; Теплых А. А.; A. P. Semyonov; Семёнов А. П.

doi:10.31857/S0320791923600403

Determination of the Acoustic Wave Velocity and Attenuation in Liquids with Different Acoustic Impedances Using an Acoustic Interferometer

Authors: Zaitsev B.D.¹, Borodina I.A.¹, Teplykh A.A.¹, Semyonov A.P.¹
Affiliations:
1. Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics, Russian Academy of Sciences, Saratov Branch, 410019, Saratov, Russia
Issue: Vol 69, No 4 (2023)
Pages: 438-445
Section: ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
URL: https://ruspoj.com/0320-7919/article/view/648311
DOI: https://doi.org/10.31857/S0320791923600403
EDN: https://elibrary.ru/APUGLL
ID: 648311

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract

Theoretical and experimental features of using an acoustic interferometer for determining the velocity and attenuation of an acoustic wave in liquids with different acoustic impedances are studied. It is shown for the first time that the indicated impedance determines the ratio of the resonance values of the maximum and minimum transmission coefficient S12 for the same transmitter–receiver pair on the dependence of the transmission coefficient on the distance between the transducers. A methodology has been developed for determining the wave attenuation of a liquid free from the influence of “apparent” attenuation associated with the loss of part of the acoustic power to the transducers.

Keywords

acoustic interferometer, velocity and attenuation of an acoustic wave in a liquid, acoustic impedance, transmission coefficient S 12, piezoelectric longitudinal acoustic wave transducers

References

Анисимкин В.И., Воронова Н.В. Особенности генерации нормальных акустических волн высших порядков в тонких пьезоэлектрических пластинах // Акуст. журн. 2020. Т. 66. № 1. С. 3–7.
Borodina I.A., Zaitsev B.D., Teplykh A.A. Influence of the conductivity of a liquid contacting with a lateral electric field excited resonator based on PZT ceramics on its characteristics // Ultrasonics. 2020. V. 102. P. 106059. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2019.106059
Минаков А.В., Пряжников М.И., Дамдинов Б.Б., Немцев И.В. Исследование объемной вязкости наносуспензий методом акустической спектроскопии // Акуст. журн. 2022. Т. 69. № 2. С. 182–189.
Шамсутдинова Е.С., Анисимкин В.И., Фионов А.С., Смирнов А.В., Колесов В.В., Кузнецова И.Е. Совершенствование методов исследования электрофизических и вязкостных свойств жидкостей // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 1. С. 56–62.
Anisimkin V.I., Kuznetsova I.E., Kolesov V.V., Pyataikin I.I., Sorokin V.V., Skladnev D.A. Plate acoustic wave sensor for detection of small amounts of bacterial cells in micro-litre liquid samples // Ultrasonics. 2015. V. 62. № 9. P. 156–159. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2015.05.012
Бородина И.А., Зайцев Б.Д., Алсовэйди А.К.М., Караваева О.А., Гулий О.И. Биологический датчик на основе акустической щелевой моды с использованием микробных клеток для определения ампициллина // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 6. С. 583–588.
Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Под ред. Голяминой И.П. М.: Советская энциклопедия, 2011. 400 с.
Бабий В.И. О метрологии скорости звука в жидкости // Акуст. журн. 2017. Т. 63. № 3. С. 261–264.
Неручев Ю.А., Болотников М.Ф., Зотов В.В. Исследования скорости ультразвука в органических жидкостях на линии насыщения // ТВТ. 2005. Т. 43. № 2. С. 274–316.
Feldman M.K., Katyal S., Blackwood M.S. US artifacts // Radio Graphics. 2009. V. 29. № 4. P. 1179–1189. https://doi.org/10.1148/rg.294085199
Dudley N.J., Gibson N.M., Fleckney M.J., Clark P.D. The effect of speed of sound in ultrasound test objects on lateral resolution // Ultrasound Med. Biol. 2002. V. 28. № 11–12. P. 1561–1564. https://doi.org/10.1016/S0301-5629(02)00648-8
Cushing K.W., Garofalo F., Magnusson C., Ekblad L., Bruus H., Laurell T. Ultrasound characterization of microbead and cell suspensions by speed of sound measurements of neutrally buoyant samples // Anal. Chem. 2017. V. 89. № 17. P. 8917–8923. https://doi.org/0.1021/acs.analchem.7b01388
Hincapié Gómez E., Tryner J., Aligata A.J., Quinn J.C., Marchese A.J. Measurement of acoustic properties of microalgae and implications for the performance of ultrasonic harvesting systems // Algal. Res. 2018. V. 31. P. 77–86. https://doi.org/10.1016/j.algal.2018.01.01
Mahmoud B., Rice H.P., Mortimer L., Fairweather M., Peakall J., Harbottle D. Acoustic method for determination of the thermal properties of nanofluids // Ind. Eng. Chem. Res. 2019. V. 58. № 42. P. 19719–19731. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b02983
Zafarani-Moattar M.T., Majdan-Cegincara R. Effect of temperature on volumetric and transport properties of nanofluids containing ZnO nanoparticles poly(ethylene glycol) and water // J. Chem. Thermodyn. 2012. V. 54. P. 55–67. https://doi.org/10.1016/j.jct.2012.03.010
Povey M.J.W. Ultrasound particle sizing: A review // Particuology. 2013. V. 11. № 2. P. 135–147. https://doi.org/10.1016/j.partic.2012.05.010
Physical Principles of Medical Ultrasonics: 2nd Edition. Eds. Hill C.R., Bamber J.C., ter Haar G.R. 2004. John Wiley & Sons, Ltd. 528 p. https://doi.org/10.1002/0470093978
Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984. 403 с.
Бабий В.И. Проблемы и перспективы измерения скорости звука в океане // Морской гидрофизический институт НАН Украины. Севастополь: НПЦ “ЭКОСИ-Гидрофизика”, 2009. 142 с.
Микушин И.И., Серавин Г.Н., Чернов В.П. Цилиндрическая акустическая база импульсного измерителя скорости звука в жидкости // Труды Х Всероссийской конференции “Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики (ГА-2010)”. СПб.: Наука, 2010. С. 114–118.
Salo H., Oy J. Method and apparatus for measuring sound velocity in liquid, United States Patent. № 5, 936, 160, Aug. 10, 1999.
Полканов К.И., Романов В.Ю., Смелов Д.А. Патент 2208223 РФ. МКИ G01H 5/00. Измеритель скорости звука в жидких средах. Опубл. 10.07.2003. Б.И. № 19. https://patents.s3.yandex.net/RU2208223C2_20030710.pdf (дата обращения 25.05.2023 г.)
Васильев С.А., Полканов К.И., Романов В.Ю., Серавин Г.Н., Смелов Д.А. Высокоточный импульсный измеритель скорости звука в воде // Труды VII Международной конференции “Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики (ГА-2004)”. СПб.: Наука, 2004. С. 38–41.
Жилина Н.А., Полканов К.И., Романов В.Ю., Васильев С.А. Смелов Д.А. Измеритель скорости звука в морской воде // Навигация и гидрография. 2005. № 20–21. С. 97–101.
Meister E.C. Measurement of the temperature and concentration dependent sound velocity in ethanol-water liquid mixtures // Physicalisch-Chemisches Praktikum Spring Semester. Zurich. January 15, 2015. P. 1–7. https://analytik.ethz.ch/praktika/phys_anal/Musterbericht.pdf (дата обращения 25.05.2023 г.)
Прилепко П.А. Патент 2773980 РФ. МПК G01H 5/00. Метод измерения скорости звука в жидкости. Опубл. 14.06.2022. Б.И. № 17. https://patents.s3.yandex.net/RU2773980C1_20220614.pdf (дата обращения 25.05.2023 г.)
Серавин Г.Н., Микушин И.И., Лобанов В.Н. Прямые импульсные методы измерения скорости звука в жидкости // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск. 2011. № 9(122). С. 238–243.
Коробов А.И., Сапожников О.А., Хохлова В.А., Цысарь С.А. Измерение скорости звука в жидкостях. Методическая разработка специального физического практикума кафедры акустики. М.: Физический факультет МГУ, 2010. С. 1–37.
Егошина В.Д., Гонгальский М.Б., Цурикова У.А., Свиридов А.П., Осминкина Л.А., Андреев В.Г. Кавитационная активность водных суспезий пористых кремниевых наночастиц с различной степенью гидрофобности поверхности // Акуст. журн. 2023. Т. 69. № 1. С. 92–100.
Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд. иностр. лит., 1957. 727 с.
Кольцова И.С., Хомутова А.С., Дейнега М.А. Скорость ультразвуковых волн при структурных перестройках дисперсных сред // Акуст. журн. 2016. Т. 62. № 2. С. 187–193.
Рудин А.В., Горбунов А.И. Исследование акустических свойств жидких сред методом интерферометра переменной акустической базы // Материалы ХI Международной научно-технической конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов “Математическое и компьютерное моделирование естественно-научных и социальных проблем”, Россия, г. Пенза, 30 мая–1 июня 2017 // Издат. ПГУ. 2017. С. 184–189.
Гурбатов С.Н., Демин И.Ю., Клемина А.В., Клемин В.А. Акустический анализ состава крови человека // Акуст. журн. 2009. Т. 55. № 4–5. С. 496–505.
Royer D., Dieulesaint E. Elastic waves in solids II. Generation, Acousto-optic Interaction, Applications. Berlin: Springer, 1999. 446 p.