Акустическая линза

Полезная модель относится к ультразвуковой технике, а точнее к устройствам, предназначенным для фокусировки упругих волн в фокальную область с поперечными размерами менее дифракционного предела, и может быть использована для проведения научно-исследовательских, контрольно-измерительных и диагностических работ, при осуществлении технологических процессов и исследования биообъектов, а также при ультразвуковом контроле и в медицинской диагностике, в системах звуковидения, акустических микроскопах, перемешивания веществ и т.п.
Известны различные акустические линзы с различной формой поверхности: двояковыпуклые, двояковогнутые, плоско-выпуклые для фокусировки упругих волн путем изменения акустического пути и преломления волн на границе раздела окружающей среды и линзы, материалом которых могут быть жидкие, твердые и газообразные вещества [Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М: Наука, 1977, с. 3-36].
Недостатком таких акустических линз являются их большие поперечные размеры, значительно превышающие используемую длину волны, низкое пространственное разрешение, сложность изготовления прецизионных поверхностей и отсутствие в них плоских рабочих поверхностей, что не дает возможности применения их для фокусировки упругих волн в твердых телах без промежуточного иммерсионного слоя.
Линза акустическая (ультразвуковая) - устройство для изменения сходимости звукового (ультразвукового) пучка (фокусировки). Подобно оптическим линзам, акустическая (ультразвуковая) линза обычно ограничена двумя рабочими поверхностями, например, акустическое фокусирующее устройство выполняется в виде пары акустических двояковогнутых линз [Евразийский патент 020059 G01N 29/04 (2006.01); Авторское свидетельство СССР №849072, 24.07.1981 г.] и выполняется из материала, скорость звука в котором отлична от скорости звука в окружающей среде с тем, чтобы показатель преломления n отличался от единицы. Для достижения наибольшей прозрачности волновое сопротивление этого материала должно быть близко к волновому сопротивлению среды, а вязкие потери в нем минимальны [Большая Советская Энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. 1969-1978. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/103754/%D0%9B%D0%B8%D0%BD%D0%B7%DQ%B0].
Известна акустическая линза, содержащая звукопроводящий элемент, выполненный в виде набора акустически изолированных друг от друга волокон [Авторское свидетельство СССР N 419786, кл. G01N 29/04, 1974]. Такая акустическая линза сложна в изготовлении и не может обеспечить фокусировку акустического излучения в локальную область меньше классического дифракционного предела. Более того, минимальные поперечные размеры такой линзы составляют не менее 10 длин волн, что в ряде приложений неприемлемо.
Известно устройство акустической линзы [Патент США 2684724, July 27, 1954], имеющей плоско-выпуклую либо плоско-вогнутую, либо двояковыпуклую формы внешней поверхности и составленная из решетки параллельных пластин установленных под углом к падающему излучению, выполненных из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды. Эффект фокусировки достигается за счет физического увеличения пути распространения акустической волны между параллельными пластинами по сравнению со свободным пространством.
Достоинством линзы является ее простота и прочность.
Недостатком линзы является ее низкое пространственное разрешение, большие габариты. С помощью такой акустической линзы невозможно получить фокусное пятно с шириной меньшего дифракционного предела.
Считается, что при фокусировке волн любой природы волновая энергия концентрируется в области с поперечным размером, не меньшим половины длины волны [Горелик Г.С. Колебания и волны. М: Гос. изд. Физ.-мат. лит., 1959, с. 377]. Величина поперечного разрешения линзы определяется критерием Рэлея (дифракционный предел) [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973, 720 с.]:
δ≈1,22λ/D,
где λ - длина акустической волны, D - диаметр линзы. Для достижения высокого пространственного разрешения необходимо использовать акустические линзы с высокой числовой апертурой.
x
x
0
0
Для фокусировки упругих волн с поперечным разрешением, превышающим критерий Рэлея, необходимо фокусировать упругие волны вблизи раздела двух сред с различными величинами акустического показателя преломления. Отношение скоростей звука называют акустическим показателем преломления первой среды по отношению ко второй. Вблизи поверхности раздела сред возбуждаются поверхностные упругие волны, конструктивная интерференция которых может приводить к уменьшению поперечного размера области фокусировки ниже дифракционного предела. Так как акустические поверхностные волны имеют проекцию волнового вектора k на поперечную координату х большую, чем волновое число в среде: k>kn, где k=2π/λ - волновое число в среде, n - акустический показатель преломления среды.
Из технической литературы известно, что осуществить субволновую фокусировку акустических волн возможно по аналогии с эффектом «фотонной струи» в оптическом диапазоне длин волн [Т. Miyashita and С. Inoue, Numerical investigations of transmission and waveguide properties of sonic crystals by nite-difference time-domain method // Japan. J. Appl. Phys. 40, 3488, (2001); Минин И.В., Минин O.B. Квазиоптика: современные теденции развития. - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.].
Понятие акустоструи (acoustojets) как аналога фотонной струи в оптике был впервые введено в работах [I.V. Minin and O.V. Minin, Acoustojet: acoustic analogue of photonic jet phenomenon, arXiv: 1604.08146 (2016); O.V. Minin and I.V. Minin, Acoustic analogue of photonic jet phenomenon based on penetrable 3D particle // Opt. Quant. Electron. 49, 54 (2017); J.H. Lopes, J.P. Leo-Neto, I.V. Minin, O.V. Minin, a & G.T. Silva, A theoretical analysis of acoustic jets // ICA2016, 0943, (2016)].
Акустоструя это область повышенной концентрации акустической энергии и с высоким (субволновым) пространственным разрешением, возникающая непосредственно на теневой стороне мезоразмерной звукопроводящей частицы.
Акустическая струя возникает только для определенных значений относительной скорости звука в материале звукопроводящей частицы (линзы) и окружающей среды [J.Н. Lopes, М.А.В. Andrade, J.P. Leão-Neto, J.С. Adamowski, I.V. Minin, and G.T. Silva. Focusing Acoustic Beams with a Ball-Shaped Lens beyond the Diffraction Limit // Phys. Rev. Applied 8, 024013 (2017), DOI: 10.1103/PhysRevApplied 8.024013; Минин И.В., Минин O.B. Сверхразрешение в акустических фокусирующих устройствах // Вестник СГУГиТ, Том 23, №2, 2018, с. 231-244.]. Причем с увеличением этого параметра возрастает максимальное значение давления в акустической струе и увеличивается пространственное разрешение такой мезоразмерной линзы.
Наиболее близким аналогом к заявляемому решению, принятым в качестве прототипа, является акустическая линза в форме кубоида [Патент РФ 170911, 14.09.2016] с размером ребра не менее λ/2, где λ - длина волны излучения в окружающем пространстве линзы, выполненной из звукопроводящего материала с относительной скоростью звука в материале линзы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83.
Достоинством линзы являются малые габариты, высокое пространственное разрешение с поперечными размерами порядка λ/3.
Недостатком линзы является сложность линзы, обусловленная сложностью выбора материала линзы, отличного от материала окружающего пространства с необходимой скоростью звука и величиной импеданса для малых потерь излучения на отражение, их зависимость от параметров окружающей среды (температура, давление и т.д.). Кроме того, при фокусировке излучения в газах приводит к необходимости наличия в устройстве звукопроводящей герметичной оболочки, что делает конструкцию линзы непрочной и ненадежной.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно упрощение устройства акустической линзы, повышение надежности конструкции устройства и обеспечение актуального расширения приборного арсенала современных акустических мезоразмерных устройств фокусировки излучения в область с субволновыми размерами.
Указанная задача решена благодаря тому, что в акустической линзе в форме кубоида с размером ребра не менее λ/2, где λ - длина волны излучения в окружающем пространстве линзы, выполненной из звукопроводящего материала с относительной скоростью звука в материале линзы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0,5 до 0,83, новым является то, что линза составлена из решетки параллельных пластин установленных под углом +α к падающему излучению выше оптической оси линзы и под углом -α ниже оптической оси линзы, шириной пластин равных длине грани кубоида и выполненных из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды.
Заявляемая акустическая линза обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для изделий подобного назначения и неизвестных из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки на полезную модель.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема акустической линзы.
На фиг. 2 приведен пример результатов моделирования акустической линзы с составленной из решетки параллельных пластин установленных под углом к падающему излучению (а) и по предлагаемому техническому решению (б).
Обозначения: 1 - освещающее излучение, 2 - акустическая линза в форме кубоида, 3 - решетка параллельных пластин установленных под углом +α к падающему излучению выше оптической оси линзы; 4 - решетка параллельных пластин установленных под углом -α к падающему излучению ниже оптической оси линзы, 5 - область фокусировки, 6 - вещество окружающее линзу.
В результате моделирования падения плоской волны на акустическую линзу в форме кубоида со структурой из решетки параллельных пластин показало, что положение формируемой области фокусировки вблизи теневой поверхности линзы зависит от структуры искусственной среды из параллельных пластин. В результате исследований было обнаружено, что при выполнении акустической линзы из решетки параллельных пластин формируется область фокусировки вблизи теневой поверхности линзы смещенной поперек ее оптической оси и с пространственным разрешением порядка более длины волны излучения.
При выполнении акустической линзы в форме кубоида из решетки параллельных пластин установленных под углом +α к падающему излучению выше оптической оси линзы и под углом -α ниже оптической оси линзы, шириной пластин равных длине грани кубоида и выполненных из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды формируется область фокусировки с поперечными размерами порядка 0,4λ.
Экспериментальные исследования проводились в акустическом диапазоне длин волн с кубоидом с величиной ребра порядка (1-2)λ. Акустический показатель преломления для такой линзы можно оценить по выражению:
-1
n=cos α.
В данном случае эффективный показатель преломления мезоразмерной кубоидной линзы равнялся 1,7. Установлено, что пространственное разрешение такого фокусирующего устройства составляет примерно 0,4 λ.
Выполнение решетки параллельных пластин установленных под углом +α к падающему излучению выше оптической оси линзы и под углом -α ниже оптической оси линзы из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды позволяет эффективно распространяться акустической волне по такому своеобразному волноводу.
Работа устройства происходит следующим образом. Освещающее излучение 1 падает на акустическую линзу в форме кубоида 2. Материалом акустической линзы 2 является решетка параллельных пластин установленных под углом +α к падающему излучению выше оптической оси линзы 3 и решетка параллельных пластин установленных под углом -α к падающему излучению ниже оптической оси линзы 4. Акустическая волна, проходя больший путь вдоль материала решетки, имеет эффективную скорость звука меньше, чем при распространении вдоль поверхности линзы. Или эффективный показатель преломления материала линзы больший, чем окружающей среды. Особенностью устройства является то, что вещество окружающее линзу 6 находится и между параллельными пластинами линзы.
В результате дифракции акустической волны на углах кубоида и интерференции волн прошедших через линзу формируется область фокусировки 5 вдоль оптической оси кубоида.
Достоинством предлагаемой акустической линзы является независимость ее фокусирующих свойств от параметров окружающей среды (скорости звука), так как материал окружающей среды находится в структуре линзы, а ее относительный показатель преломления зависит только от физической длины параллельных пластин или от угла наклона этих пластин по отношению к падающему излучению.
Данная акустическая линза может применяться для субволновой фокусировки акустических волн, как в газах, так и жидкостях. По сравнению с газовыми акустическими линзами предлагаемая линза обладает достаточной прочностью и надежностью.