Determination of the nonlinear parameter and internal pressure in a liquid by the acoustic method

Abstract

An acoustic method is proposed for assessing the molecular properties of a liquid, determining the nonlinear parameter of liquids from the ratio of the first and second harmonics when the acoustic wave changes, and using this parameter to measure the internal pressure. In addition, the proposed method measures intermolecular distances for the studied liquids. In organ fluids, the effects of sound scattering and wave interaction are enhanced. In body fluids, at the molecular level, there is a small amount of microscopic bubbles. This leads to the appearance of the phenomenon of cavitation. These phenomena can be harmful, but not always. There are devices for biological and pharmaceutical technologies, medical devices that successfully use these effects. The paper presents a functional diagram of the experiment, identifies the oscillograms of acoustic signals of finite amplitude at different distances from the emitter. The same devices based on quartz plates 25 mm in diameter with a resonance frequency of 3 MHz were used as the emitter and receiver. This difference of approximately three times the resonance frequencies of the sensors and the acoustic signal ensures the linearity of the amplitude-frequency response of both sensors. Nonlinear acoustic methods are a global trend in biomedical research, as they open up new opportunities and prospects in the development of medical devices. The appearance of higher harmonics in the curvature of the initial harmonic wave of finite amplitude can be used for express analysis of the physical properties of pure liquids and especially aqueous solutions of organic substances. This method of experimental determination of the nonlinear parameter and internal pressure in a liquid is more convenient than the static one, since it does not require the use of high excess static pressures. The proposed acoustic method gives less error than the dynamic one. The accuracy of such a determination can be sufficient to judge the change in the intermolecular interaction in liquids.

Пропонується акустичний метод оцінки молекулярних властивостей рідини, визначення нелінійного параметра рідин по співвідношенню першої і другої гармоніки при зміні акустичної хвилі, та за допомогою цього параметра вимірювання внутрішнього тиску. Також пропонований метод вимірює міжмолекулярну відстань для досліджуваних рідин. В рідинах органів посилюються ефекти розсіювання звуку та взаємодії хвиль. У рідинах організму на молекулярному рівні є незначна кількість мікроскопічних бульбашок. Це призводить до виникнення явища кавітації. Ці явища можуть бути шкідливими, але не завжди. Існують апарати біологічних і фармацевтичних технологій, медичні прилади, які успішно використовують ці ефекти. У роботі представлена функціональна схема експерименту, визначені осцилограми акустичних сигналів скінченої амплітуди на різних відстанях від випромінювача. В якості випромінювача і приймача використані однакові пристрої на основі кварцових пластин діаметром 25 мм з резонансною частотою 3 МГц. Ця різниця приблизно в три рази частот резонансу датчиків і акустичного сигналу забезпечує лінійність амплітудно-частотної характеристики обох датчиків. Нелінійні акустичні методи є світовою тенденцією у біомедичних дослідженнях, тому що відкривають нові можливості та перспективи у розробках медичних приладів. Виникнення вищих гармонік при викривленні вихідної гармонійної хвилі кінцевої амплітуди можна використовувати для експрес аналізу фізичних властивостей чистих рідин і особливо водних розчинів органічних речовин. Даний спосіб експериментального визначення нелінійного параметра і внутрішнього тиску в рідині зручніше, ніж статичний, оскільки не вимагає застосування високих надлишкових статичних тисків. Пропонований акустичний спосіб дає меншу похибку, ніж динамічний. Точність такого визначення може бути достатньою для судження про зміну міжмолекулярної взаємодії в рідинах.