Fluid properties measurements using planar Quasi-Scholte waveguides

Abstract

Interface acoustic waves can propagate in solid-solid and solid-liquid interfaces. They are perturbed by ambient conditions, interface materials and characteristics. The wave energy are shared between two interfacing media, with its distribution depending on these properties. In this study, it was aimed to make liquid characterization (density) using interface acoustic waves. The waves propagating between the plate and the liquid interface are kind of flexural waves and known as quasi-Scholte mode. Firstly, the wave propagation for multilayered system is analytically modelled. A global matrix method is employed for obtaining the dispersion characteristics of the multilayer structure by considering the boundary conditions of the system. In order to develop the dipstick sensor, liquid characterization is performed firstly by test cell method for longitudinal bulk velocity of the liquid with known density. Test cells with two different lengths were used for measurements. In this technique, transmitting and receiving transducers are placed on opposite sides of test cell. Based on the distance between transducers and time of flight, velocity of longitudinal bulk waves was calculated. Mixtures of ethanol-pure water were prepared at various ratios and measurements were taken at different temperatures. Quasi-Scholte mode dipstick sensoring is employed by a simple measurement waveguide or dipstick inserted into the fluid to measure the velocity of the quasi-Scholte mode on a plate. This method, is based on mode conversions of waves. When the shear wave is excited on the aluminum plate, which is used as dipstick, Lamb waves occur at the solid-gas surface. The lamb waves are then converted into different modes in the solidliquid interface. Leaky Rayleigh and Scholte propagating modes exist in immersed part as well. Quasi-Scholte wave propagate on the interface while the Leaky Rayleigh modes lose their energy. By means of dipstick method, alcohol water mixtures which is used in test cell method, were measured at room temperature. The signals obtained as a result of the experiments were processed by the zero phase slope method. Time delay between reflected signals are found from phase slopes of the signals.

Arayüz akustik dalgaları katı-katı ve katı-sıvı arayüzlerinde ilerleyen dalgalardır. Bu tip dalgalar, ortam koşulları, arayüzü oluşturan maddeler ve arayüz özelliklerinden etkilenirler. Dalgaların enerjileri, bu özelliklere bağlı olarak ortamlar arasında paylaşılır. Enerji dağılımı, dalgarın yayıldığı ortam hakkında bilgi edinmemize yardımcı olur. Bu çalışmada arayüz akustik dalgaları kullanılarak sıvı karakterizasyonu (yoğunluk) yapabilmek hedeflenmiştir. Sıvı ve katı bir plaka arayüzünde hareket eden dalga bir çeşit bükülme dalgasıdır ve yarı-Scholte olarak bilinir. Ilk olarak, katmanlı yapılardaki dalga yayılımları analitik olarak modellenmiştir. Katmanlı yapılarda, dalga yayılımı karakterizasyonu için global matris metodu kullanılmıştır. Daldırma çubuğu yöntemini gerçekleştirebilmek için, başlangıç olarak, yoğunluğu bilinen sıvıların boyuna yığın hızları test hücresi yöntemi kullanılarak bulunmuştur. Ölçümler için iki farklı uzunluktaki test hücreleri kullanıldı. Bu yöntemde yayıcı ve toplayıcı sensörler karşılıklı olarak test hücrelerine uygulanır. Mesafe farkı ve zaman ölçülerek dalgaların hızları ölçülür. Çeşitli oranlarda etanol-saf su karışımları hazırlanmış ve değişik sıcaklıklarda ölçümler yapılmıştır. Bir plakadaki yarı-Scholte modunun hızını ölçmek için sıvıya basit bir ölçüm çubuğu eklenebilir. Bu yöntemde, yarı-Scholte dalgasını kullanabilmek için, dalgaların mod değişimlerinden yararlanılmıştır. Daldırma çubuğu olarak kullanılan Al plakaya kesme dalgası uygulandığında, Lamb dalgaları oluşur. Lamb dalgaları katı-sıvı arayüzünde farklı dalga modlarına dönüşür. Sızıntılı-Rayleigh ve Scholte dalgaları katının sıvıya daldırılan kısmında oluşur. Bu modlardan yarı-Scholte modu sızıntılı- Rayleigh modunun aksine enerji kaybı olmaksızın arayüzde yayılır. Test hücresi metodunda kullanılan karışımlar daldırma çubuğu metodu ile oda sıcaklığında ölçülmüştür. Deneysel olarak elde edilen dalgalar faz eğimi yöntemi kullanılarak işlenmiştir. Yansıyan dalgalar arasındaki zaman farkı faz eğimlerinin hesaplanmasıyla bulunmuştur.