Акустическая линза с малым контрастом показателя преломления

Полезная модель относится к области акустики и может быть широко использована для проведения научно-исследовательских, контрольно-измерительных и диагностических работ, при осуществлении технологических процессов и воздействии на организм и ткани человеческого организма, в системах звуковидения, акустических микроскопах и т.п.
Известно, что для концентрации (фокусировки) звуковых волн применяют акустические и ультразвуковые линзы, основанные на преломлении звуковых лучей при переходе из одной среды в другую с разными скоростями распространения.
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 п отличался от единицы.
Известны различные акустические линзы для фокусировки упругих волн, материалом которых могут быть жидкие, твердые и газообразные вещества, при этом линзы могут иметь плоско-выпуклую, плоско-вогнутую, двояковыпуклую, двояковогнутую и выпукло-вогнутую поверхности [Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977, с. 3-36; Л.Д.. Розенберг. Звуковые фокусирующие системы, Изд-во АН СССР, М. - Л., 1949, 112 с.; Т. Tarnoczy. Sound focussing lenses and waveguides // Ultrasonics, July-September, 1965, p. 115-127].
Известна надувная акустическая линза в тонкой резиновой оболочке, наполненная углекислым газом и размещенная в окружающем воздухе, при этом скорость звука в рабочей среде линзы меньше, чем скорость звука в окружающей среде [Cleon Е. Dean and Kendez Parker A ray model of sound focusing with a balloon lens: An experiment for high school students // J. Acous. Soc. Am. 131 (3), Pt. 2, Mart 2012, pp. 2459-2462; H.R. Feldman. Nearly Spherical Acoustic Lense // The Journal of the Acoustical Society of America, V. 45, №4, 1969, pp. 868-871.].
Известны двояковыпуклые сферические акустические линзы, состоящие из тонкой звукопроводящей оболочки заполненной углекислым газом [Carl Sondhauss, Uener die Refraction des Schalles // Ann. Physik Chemie. - 1852. - 85. - pp. 378-384.]. Так как скорость звука в углекислом газе меньше чем в воздухе, в выпуклой части линзы звук задерживается сильнее чем на периферии и происходит его фокусировка. Например, при температуре 0 градусов скорость звука в воздухе больше скорости звука в углекислом газе в 1,28 раз. Шарообразная газовая акустическая линза рассмотрена в работе [Т. Tarnoczy. Sound focussing lenses and waveguides // Ultrasonics, July-September, 1965, p. 115-127.; Патент США №3483504, Donald L. Folds, David H. Brown, Henry L. Warner. Transducer, Aug. 23, 1967, patented Dec. 9, 1969; Патент РФ №778812 B.A. Кирдяков, Б.С. Суриков, Ю.И. Громов, А.Г. Семенов. Акустическая линза, заяв. 10.11.78, опуб. БИ №42, 15.11.80 г.; US Patent N 1895442, Willian Rushton Bowker, Sound Control and Transvission System, patented Jan. 31, 1933, Application March 13, 1930]. Газонаполненные линзы содержат герметичную тонкостенную оболочку, выполненную из звукопрозрачного материала, например, коллодиевой пленки, и заполненную средой со скоростью звука меньшей, чем скорость звука в окружающей среде, как правило, сферической или цилиндрической формы.
Известна акустическая линза, содержащая оболочку из податливого материала, заполненную газом, отличающаяся тем, что оболочка выполняется в форме кубика с размером ребра не менее λ/2, где λ - длина волны излучения в окружающем пространстве линзы, а заполняемое вещество оболочки имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, лежащей в диапазоне от 0,5 до 0,83 [патент РФ 170911, Акустическая линза, авт.Минин И.В., Минин О.В., Опубликовано: 15.05.2017_Бюл. №14].
Известна акустическая линза, описанная в [Derek С. Thomas, Kent L. Gee, and R. Steven Turley. A balloon lens: Acoustic scattering from a penetrable sphere // American Journal of Physics 77, 197 (2009)], содержащая оболочку из податливого материала, заполненного газом, при этом оболочка выполнена в виде сферы с диаметром не менее длины волны излучения в окружающем пространстве линзы, а заполняемое вещество оболочки линзы имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, равного 0,752.
Известны двояковогнутые сферические акустические линзы, состоящие из тонкой звукопроводящей оболочки заполненной газом имеющим скорость звука большую, чем в воздухе [С. Hajech uber die Brechung des Schalles in Giornale dell Imper. Reale Instituto Lombardo di science etc. 1856, VIII, pag. 404-410. - Cimento V, pag. 5-14.].
Известные акустические линзы позволяют осуществить фокусировку акустического излучения в газе, однако имеют значительную разность в скоростях звука в материале линзы и окружающем пространстве и значительные потери на отражение излучения на границе окружающая среда-линза из-за значительной разности величин импеданса, обусловленной значительным отличием скоростей звука и плотности в линзе, и окружающем пространстве. В целом скорость звука в материале линзы должна отличаться от скорости звука в окружающей среде не менее чем в 1,2-2 раза.
Известна акустическая линза, содержащая тонкую звукопроницаемую оболочку, заполненную жидкой средой и с двояковыпуклой или двояковогнутой поверхностью [Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Под ред. И.П. Голяминой. М.: Советская энциклопедия, 1979, с. 176-178; Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука; 1977, с. 265].
Известны жидкостные акустические линзы [US patent N 3,239,801 William С.McGaughey Liqued Lens Ultrasonic Beam Controlling Device, patented Mar. 8, 1966; Giacomini. Alcuni Esperimenti di Ottica degli Ultrasuoni // Alta Frequenza. - 1938. - pp. 660-674; C.A. Boyles. Theory of focusing plane waves by spherical liquid lenses. JASA, 38, 393-405, (1965)]. Скорость звука в жидкостной акустической линзе должна значительно отличаться от скорости звука в окружающей ее среде.
Известные акустические линзы позволяют осуществить фокусировку акустического излучения в жидкости, однако имеют значительные потери на отражение излучения на границе окружающая среда-линза из-за значительной разности величин импеданса, обусловленной значительным отличием скоростей звука и плотности в линзе и окружающем пространстве. В целом скорость звука в материале линзы должна отличаться от скорости звука в окружающей среде не менее чем в 1,2-2 раза.
Известны однородные твердотельные акустические линзы из алюминия [R. Pohlman. Uber die Moglichkeit einer akustichen Abbildung in Analogie zur Optischen // Zeits. f. Physik. 1938. - 113. - pp. 697; W. Bez-Bardilli, Ober ein Ultraschall. Total reflectometer zur Messungy on Schallgeschwindigkeitens owied er elastischen Konstanten fester Korper // Zeits. f. Physik. - 1935. - 96. - pp. 761], из мрамора и плексигласа [Тартаковский Б.Д. Дифракционная структура изображения точки звуковыми линзами // Акустический журнал. - 1963. - Т. IX, вып. 4. - С. 473-480.].
Известен твердотельный однородный многокомпонентный акустический объектив, предназначенный для работы в жидкости, [US Patent №3982223, Philip S. Green. Composite Acousticles, Sept. 21, 1976.] при этом, скорость звука в твердотельной акустической линзе должна отличаться от скорости звука в окружающей среде.
В качестве материала для акустических линз могут использоваться различные композитные материалы [US Patent 20160338666 Morita Kiyokazu Acoustic lens, method for producing same, ultrasound probe, and ultrasou nd imagin g app aratus; И.В. Гусенко, В.Ю. Кунаев, P.A. Михальцов, Композиционный пьезоматериал с высокой удельной поверхностью // Инженерный вестник Дона, №2, 2007, с. 132-136; А.В. Смирнов, И.В.Синёв, А.М. Шихабудинов. Акустические свойства композита 0-3 на основе вольфрама и полистирола // Журнал Радиоэлектроники, 2012, №12; Патент РФ №2280250 Князев В.И., Ермаченко В.П. Способ акустического контроля состава изделий из двухфазного композита].
Недостатком известных акустических линз являются значительная разность в скоростях звука в материале линзы и окружающем пространстве и значительные потери энергии излучения из-за отражения на границах раздела окружающая среда-материал линзы, значительным отличием в скоростях звука в материале линзы и окружающем пространстве и плотности материала линзы и окружающего пространства. В целом скорость звука в материале линзы должна отличаться от скорости звука в окружающей среде не менее чем в 1,2-2 раза.
Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является акустическая линза, сферической формы, содержащая преломляющую среду из акустически проводящего материала с границами раздела с окружающей средой с относительной скоростью звука в материале частицы не менее 1,1, по отношению к скорости звука в окружающей среде и относительным волновым сопротивлением не более 25 [Патент РФ №167049, Акустическая линза для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью, авт. Минин И.В., Минин О.В., Опубликовано: 20.12.2016 Бюл. №35]. Данная линза принята за прототип.
Недостатком известной акустической линзы являются значительная разность в скоростях звука в материале линзы и окружающем пространстве и значительные потери энергии излучения из-за отражения на границах раздела окружающая среда-материал линзы, значительным отличием в скоростях звука в материале линзы и окружающем пространстве и плотности материала линзы и окружающего пространства.
Задача полезной подели - разработка акустической линзы с малым контрастом показателя преломления (скорости звука).
Поставленная задача достигается тем, что в акустической линзе с малым контрастом показателя преломления, содержащей преломляющую среду из акустически проводящего материала с границами раздела с окружающей средой сферической формы, новым является то, что линза состоит из двух соосно расположенных в непосредственной близости друг от друга сферических линз и выполненных из материала с относительной скоростью звука в материале линзы, находящемся, примерно, в диапазоне более 1,01 до 1,05, по отношению к скорости звука в окружающей среде
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящей полезной модели критерию «новизна».
Благодаря реализации отличительных признаков полезной модели объект приобретает технический результат - это два принципиально новых, весьма важных свойства:
- значительно расширяется арсенал материалов, которые можно использовать в качестве материала акустических линз,
- значительно снижаются потери излучения на отражение от границы раздела материал линзы - окружающая среда.
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков полезной модели на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие полезной модели критерию «изобретательский уровень».
На фиг. 1 показана схема акустической линзы с малым контрастом показателя преломления.
На фиг. 2 приведен результат моделирования фокусировки излучения акустической сферической линзы, состоящей из шести соосно расположенных в непосредственной близости друг от друга сферических линз с малым контрастом показателя преломления (с различной относительной скоростью звука в материале линзы равным соответственно 1,05, 1,3, 1,5, 1,7, 2). Диаметр линз равен 4λ, где λ - длина волны акустического излучения. Наблюдается периодическая фокусировка падающего излучения.
Обозначения: 1 - падающее излучение, 2 - линза, состоящая из соосно расположенных в непосредственной близости друг от друга сферических линз с малым контрастом показателя преломления, 3 - область фокусировки.
Особенности конструирования акустических линз состоят в учете акустического импеданса (произведение плотности материала на скорость звука в нем) среды и материала линзы. Эти величины должны быть близки друг другу. Иначе возрастают потери энергии от границы раздела материал - среда:
1
1
2
2
ρC=ρС.
Но скорости звука в материале линзы и окружающей среде должны быть различны:
1
2
C≠С.
Для линз с малым контрастом показателя преломления скорости звука в материале линзы и окружающей среде должны быть близки, но отличаться друг от друга:
1
2
C~C.
В простейшем случае попадания звуковой волны на границу раздела двух сред задача об отражении акустической волны была решена еще Релеем, давшим как общую формулу, так и ее выражение для частных случаев. При перпендикулярном падении на границу раздела отношение отраженной энергии к падающей определяется, согласно Релею, выражением [Е. Гидеман, Кельн Ультразвук // Успехи физических наук, Т. XVI, вып. 5, 1936, с. 586-656.]:
,
где ρ и С представляют плотности и скорости звука в соответствующих средах. Таким образом, отражательная способность R зависит только от различия акустических плотностей обеих сред.
В сферической (шарообразной) линзе радиуса R, показателя преломления n и с фокусным расстоянием от центра линзы равным F [Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М.: «Сов. Радио», 1974, 280 с., с. 98-103; Bernhard Schoenlinner, Xidong Wu, Jim P. Ebling, George V. Eleftheriades, and Gabriel M. Rebeiz, Wide-Scan Spherical-Lens Antennas for Automotive Radars // IEEE Transactions on microwave theory and techniques, V. 50, №9, September 2002, pp. 2166-2175].
Фокусное расстояние зависит от n, R и приближенно описывается по выражению:
.
При n>2 область фокусировки находится внутри линзы, а при 1<n<2 вне линзы.
Для получения максимального пространственного разрешения необходимо увеличивать показатель преломления (уменьшать F, при заданном диаметре линзы), но при этом растут потери связанные с отражением излучения на границе двух сред. При уменьшении контраста показателя преломления линзы увеличивается ее фокусное расстояние F и значит, уменьшается пространственное разрешение в соответствии с критерием Рэлея.
Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) электромагнитного поля с помощью оптических систем [Борн М., Вольф Э., Основы оптики // - М.: Наука. - 1970]:
h=2,44λF/D,
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы оптической системы, F - фокусное расстояние оптической системы.
В результате исследований было установлено, что для того чтобы увеличить преломляющие свойства сферической линзы с малым контрастом показателя преломления можно использовать вместо одной линзы N соосно расположенных сферических линз. Фокусное расстояние f такой системы определяется как
,
где F - фокусное расстояние для одной линзы [Tomie Т., X-ray lens. Патент США. US 1997-01-14 No 5594773; Tomie Т., X-ray lens. Патент США US 1997-11-04 No 5684852].
Такая линза, состоящая из соосно расположенных в непосредственной близости друг от друга сферических линз, количеством не менее 2 может рассматриваться как неоднородная среда. Коэффициент преломления такой среды n(х) уменьшается от оси (х - расстояние до оси). Установлено, что наибольший (на оси) показатель преломления n(0) линзы должен быть равен примерно 1,01-1,05. Наименьшими потерями обладает линза с минимальным показателем преломления, при этом пространственное разрешение составляет порядка длины волны используемого излучения. С увеличением показателя преломления возрастают потери, и несколько увеличивается пространственное разрешение линзы.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Падающее акустическое излучение 1 освещает линзу 2, которая фокусирует это излучение в область фокусировки 3.
Линза состоит из соосно расположенных в непосредственной близости друг от друга сферических линз, количеством не менее 2 и выполненных из материала с относительной скоростью звука в материале линзы находящемся примерно в диапазоне более 1 до 1,1, по отношению к скорости звука в окружающей среде.
При относительной скорости звука в материале линзы равной 1 и менее, фокусировка излучения не происходит. При относительной скорости звука в материале линзы более примерно 1.1 возрастают потери излучения на границе двух сред. При относительной скорости звука в материале линзы более примерно 1,3 до 1,7 происходит периодическое формирование так называемых, «фотонных струй» на теневой границе линз [A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl.Phys.Lett., 89, 221118 (2006); I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook]. При относительной скорости звука в материале линзы более примерно 2 происходит периодическое формирование области фокусировки внутри сферической линзы.
С увеличением относительной скорости звука в материале линзы происходит уменьшение периода областей фокусировки.
В качестве материала акустической линзы можно использовать, например, для линзы расположенной в воздухе - угарный газ. Скорость звука в воздухе 331 м/с, в угарном газе 338 м/с. Относительная скорость равна 1,02, при этом относительный импеданс равен всего 1,014. Таким образом, потери на отражении излучения от границы раздела двух сред практически отсутствуют.
Из технической литературы известно, что чем больше температура воздуха, тем с большей скоростью в нем распространяется звук. При увеличении температуры на 1°С скорость звука увеличивается примерно на 0,5 м/сек. Если при 0°С скорость звука составляет 331,5 м/сек, то при обычной комнатной температуре (18°С) эта скорость равна 342 м/сек. Скорость звука в воздухе в зависимости от температуры может быть определена из выражения:
0,5
С=20 Т [м/сек].
В этой формуле Т - абсолютная температура. Если в градусах Цельсия температура равна 0°, то Т=273°; для температуры 18°С Т=291°.
3
3
Например, воздушная линза при температуре газа 10° имеет скорость звука 337,3 м/с, а при температуре окружающего воздуха 0° - 331,5 м/с, (относительная скорость звука 1.018), при этом плотность воздуха при 0° равна 1,293 кГ/м, а при 10° - 1,247 кГ/м. Таким образом, относительный импеданс равен 1,017.
В качестве материала акустических линз можно использовать такие же материалы, как и материал окружающей линзу среды, но взятые с другой температурой. В качестве материала для акустических линз могут использоваться различные композитные материалы.
Таким образом, совокупность заявляемых признаков позволяет достичь поставленной задачи и обеспечить фокусировку акустического излучения заявляемой акустической линзой с малым контрастом показателя преломления. Кроме того, заявляемая акустическая линза обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных акустических линз. Кроме того, на базе предложенной акустической линзы возможно построение эффективных акустических волноводов.