Method of Detection and Identification Dangerous Substances (for example, liquid explosives) located in Various Closed Vessels, without Opening these Vessels (for Security Service). 
Аннотация

Во многих аэропортах мира введены жесткие ограничения на провоз в самолетах всех жидкостей. Аэропорты начинают искать технологии, которые в режиме on-line обеспечат проверку жидкостей, которые находятся в бутылках, пластиковых пакетах, в металлической упаковке и т.д. В статье описывается проект – один из возможных путей обнаружения и идентификации опасных веществ, особенно жидкостей, которые находятся в различных закрытых сосудах. Метод не требует вскрытия сосуда и/или взятия различных проб. Технологическое основание проекта - способность ультразвука проходить через различные материалы. Автор предлагают использовать различие акустических свойств материалов. Набор акустических свойств вещества, таких как акустический импеданс, скорость звука, плотность, фактически являются "отпечатком пальца" данного вещества. Поэтому количественное измерение этих акустических характеристик фактически означает идентификацию ранее неизвестной субстанции.

Теоретические основы метода 
1. Известно, что при нормальном падении ультразвукового луча на плоскую границу между двумя средами, часть энергии отражается, а часть проходит через эту границу. На Fig 1 изображен это процесс.

На Fig 1 приведены следующие обозначения 
Ось Z – граница раздела двух сред. r₁ – acoustic impedance of fluid 1, r₂ – acoustic impedance of fluid 2, ρ – плотность среды, с – скорость звука в среде, P – комплексная амплитуда давления.

 (1)

где волновой коэффициент k=ω/c. (2) 
i, r, t – индексы, которые относятся соответственно к падающей, отраженной и проходной волнам. Количественно отношения между различными волнами определяются соответствующими коэффициентами. 
 - коэффициент передачи.  - коэффициент отражения. 
В соответствии с законом сохранения энергии мощность падающей волны делится между отраженной и проходной волнами. 
R+T=1 (3) 
Известно, что коэффициенты отражения и прохождения по мощности соответственно имеют вид:

 (4)  (5)

А коэффициенты отражения и прохождения по амплитуде имеют вид:

 (6)  (7)

. 2. Однако нам необходимо контролировать акустические свойства вещества, (например, жидкости) которое находится в закрытом сосуде (Fig 2). В этом случае траектория распределения энергии падающей волны будет более сложной.

На Fig 3 изображено прохождение ультразвука из одной среды (например, датчик ультразвука) через вторую среду (например, стенки сосуда) в третью среду (например, жидкость, которая находится в закрытом сосуде). Примем, что угол падения Q = 0 (Fig 3).

В этом случае слой толщиной L с акустическим импедансом r₂ лежит между двумя веществами, соответственно с акустическим импедансом r₁ и r₃ . Когда падающий сигнал в веществе 1 достигнет границы между веществами 1 и 2 , часть энергии отразится, а часть проходит во второе вещество. Часть энергии проходит через расстояние L второго вещества и взаимодействует с границей между веществами 2 и 3. После этого часть энергии отразится от этой границы, а часть проходит. Отраженная волна подходит к границе веществами 1 и 2 и весь процесс повторяется.

3. Рассмотрим частный случай. Если длительность моночастотного падающего сигнала более чем 2L/C₂, то в установившемся режиме появляются комбинации волн. 
Как и ранее

 (9)

Волна, которая отразилась в первое вещество

 (10) ,  (11)

 (12) ,  (13)

Из условия непрерывности при X=0  (14)

Аналогично при X=L  (15)

После алгебраических преобразований можно получить выражение для коэффициента отражения по давлению.

 (16)

Для нормального падения коэффициент передачи по интенсивности определится как

ТI= 1- ¦R2¦ (17)  (18)

Видно, что коэффициент прохождения зависит от акустических импедансов всех трех сред.

5. Выберем параметры установки (Fig 3) таким образом, чтобы 
k*L = 0 (19). 
Это означает, что sin²k*L равен нулю. Поэтому вторым членом знаменателя коэффициента Ti можно пренебречь. При этом условии коэффициент прохождения определится выражением (20), а коэффициент отражения соответственно определится (21)

 (20) ,  (21)

Формулы (20), (21) похожи на выражения для случая прохождения луча через границу двух сред (4),(5). Только вместо индекса второй среды использован индекс третьей среды.

6. Из (19) следует, что k*L=nπ (22) или с учетом (2) 
2nπf*L/c= nnπ 
f=nC/2L (23) 
Теперь в соответствии с (23) легко могут быть рассчитаны требуемые частоты датчика. Например, для стекла (толщина 0.01 м), минимальная частота датчика равна 280 кГц. 
7 . Физический смысл результата имеет следующее объяснение. В слое r₂ происходят многократные отражения волны от стенок слоя. Поэтому в нем образуется стоячая волна. В зависимости от отношений между акустических импедансов слоев возникают на гранях пучности давлений или пучности скоростей. В любом случае слой начинает колебаться в резонансе и сам становиться источником плоских волн. Эти волны (без учета затухания в материале слоя) распространяются в положительном направлении оси X. 
8. В этом случае можно построить прибор, который будет направлять поток ультразвука на стенку сосуда с неизвестной жидкостью. Прибор выполняет измерение коэффициента отражения, а далее по известному значению r₁, прибор решает уравнение для Ri относительно величины r₃, далее этой величине ставится в соответствие наименование определенной жидкости из библиотеки, которая находится в памяти процессора. 
9. Оценим методологическую чувствительность метода. Пусть в герметичном сосуде #1 находится обычная вода, а в герметичном сосуде #2 находится морская вода. При использовании датчика на основе Quartz-Xcut, получаем коэффициент отражения на основе формулы (21). Простые арифметические расчеты показывают, что один коэффициент от другого отличается на 1.8%. Таким образом, обеспечивается различение двух очень похожих жидкостей. 
Другие методы, способные отличить пресную воду от морской воды в закрытом сосуде (без вскрытия и взятия проб) сегодня неизвестны.

Выводы.

Таким образом, предлагаемый метод обладает высокой чувствительностью и способен дифференцировать большинство известных, в том числе и взрывчатых, жидкостей.

Литература

1. В.А. Шутилов Основы физики ультразвука. Издательство Ленинградского Университета. 
2. L.E. Kinsler. Fundamentals of Acoustics. John, Wiley & Son. 
3. В.А. Красильников Введение в физическую акустику. 
4. М.А. Исаакович Общая акустика.

Получено 13 февраля 2011 г. от автора 
для обсуждения на семинаре