АКУСТИЧЕСКИЙ ВЕНТИЛЬ
ACOUSTIC VALVE

Изобретение относится к области физической акустики и может найти применение в ультразвуковой технике, например в устройствах ультразвуковой медицинской диагностики или неразрушающего промышленного контроля.
Известны и широко применяются в технике двухэлектродные устройства одностороннего пропускания электрического тока - электровакуумные, газоразрядные или полупроводниковые диоды (см., например, Электроника: Энциклопедический словарь. / Гл. ред. В.Г.Колесников. - М.: Сов. энциклопедия, 1991. - С.119). Эти устройства используются для выпрямления переменного электрического тока, детектирования электрических сигналов, преобразования частоты электромагнитных колебаний и других целей. Недостаток указанных устройств с точки зрения заявляемого изобретения - невозможность их применения для выпрямления и других упомянутых целей, но в операциях с акустическими колебаниями. Недавно было создано первое акустическое устройство одностороннего пропускания звука - так называемый акустический диод (см. http://www.mallex.info/science/Fiziki-sozdali-akusticheskii-diod/. Такое направление физической акустики только начинает разрабатываться в мировой науке и является весьма актуальным. Указанное устройство состоит из последовательно расположенных и акустически связанных между собой двух частей: геля специального состава с нелинейными акустическими свойствами и решетки из чередующихся плоскопараллельных слоев стекла и воды. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено (в опытах с иммерсионной жидкостью - водой), что рассматриваемое устройство способно пропускать акустические колебания в направлении от геля к решетке и блокировать колебания, распространяющиеся в обратном направлении.
Недостатками рассматриваемого устройства являются:
1) сложность конструкции и состава, требующая, в частности, разработки специальных материалов (гель с нелинейными акустическими свойствами),
2) узкополосность, поскольку эффект одностороннего пропускания звука проявляется только в узких диапазонах частот,
3) искажение исходных характеристик звуковых колебаний, поскольку эффект одностороннего пропускания выражен только для удвоенной частоты звука.
Указанные недостатки резко ограничивают возможности применения описанного устройства-аналога на практике и очевидны для специалистов (см. B.Liang, X.S.Guo, J.Tu, D.Zhang, J.C.Cheng. Acoustic rectifier. // Natural Materials, V.9, P.989-992, 2010).
Протип изобретения не обнаружен.
Целью изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков устройства - аналога. А именно: обеспечить выраженный эффект одностороннего пропускания звука простыми средствами в широком диапазоне частот при сохранении неизменной исходной частоты звуковых колебаний.
Поставленная цель достигается за счет того, что заявляемый акустический вентиль содержит звукопровод из однородного материала и два акустически связанных с его торцами приемно-передающих акустических преобразователя, причем звукопровод включает по меньшей мере одну пустотелую внутреннюю область, поперечный размер которой однонаправленно монотонно изменяется вдоль звукопровода.
Таким образом, вместо сложной конструкции, состоящей из геля с нелинейными акустическими свойствами и последовательно расположенной решетки с чередованием слоев стекла и воды, заявляемое устройство - акустический вентиль - включает звукопровод из однородного материала, который содержит по меньшей мере одну пустотелую внутреннюю область, поперечный размер которой однонаправленно монотонно изменяется вдоль звукопровода. Кроме того, заявляемый вентиль снабжен двумя приемно-передающими акустическими преобразователями, акустически связанными с торцами звукопровода. Перечисленные существенные признаки заявляемого вентиля в их совокупности позволяют достичь комплексной цели изобретения: обеспечить одностороннее пропускание звука с помощью простого устройства, а также работоспособность последнего в широкой полосе частот и сохранение при его работе неизменной исходной частоты звука.
Техническим результатом заявленного устройства является упрощение конструкции и состава акустического вентиля при сохранении эффекта одностороннего пропускания звука.
На фиг.1 схематически представлено устройство акустического вентиля.
Акустический вентиль состоит из звукопровода 1 и двух акустически связанных с его торцами излучателей-приемников звука 2 и 3. Излучатели-приемники могут представлять собой различные типы акустических преобразователей: пьезоэлектрические, электромагнитоакустические (ЭМА) и любые другие, для которых характерно совмещение функций излучения и приема звука. Их акустический контакт с торцами звукопровода может также осуществляться по-разному: путем приклейки к звукопроводу, передачи-приема звука через слой воды или через тонкий воздушный зазор (для ЭМА-преобразователей) и т.д. Целесообразно оба преобразователя выполнять идентичными по типу, размерам и акустическим характеристикам, в том числе делать их широкополосными. Поперечные размеры преобразователей рекомендуется обеспечивать не меньшими по величине, чем поперечный размер звукопровода, чтобы они могли эффективно использовать для излучения или приема звука весь объем звукопровода. Сам звукопровод должен быть выполнен из хорошо проводящего звук материала, например металла.
Внутри звукопровода размещена пустотелая замкнутая область 4, поперечный размер которой однонаправленно изменяется по длине звукопровода, в простейшем случае от нуля до максимума по прямой образующей, т.е в форме конической поверхности. Возможны другие формы полости, не обязательно симметричные, главное, чтобы расширение происходило монотонно, без сужений, которые могут снизить степень эффекта одностороннего пропускания звука. Полость выполняют с помощью прогрессивных методов литья либо путем сфокусированного мощного излучения (лазер, ультразвук и т.д.) бесконтактным способом, либо путем механической обработки материала. В последнем случае заготовку звукопровода разрезают поперек и на одной из половин со стороны полученной ее поверхности специнструментом (коническая фреза и т.п.) вытачивают углубление, после чего поверхности соединяют с обеспечением акустического контакта 5 (на фиг.1 для наглядности показана только верхняя половина последнего). Максимальный поперечный размер полости 4 желательно не доводить до бокового края звукопровода 1, т.к. в противном случае эффект одностороннего пропускания звука будет снижен. Рекомендуется выполнять максимальный поперечный размер полости в пределах 0,9-0,95 части от поперечного размера звукопровода в соответствующем месте. Длину полости рекомендуется устанавливать больше длины волны ультразвука в материале звукопровода. Дно полости 4 не обязательно должно быть плоским, как на фиг.1. Оно может быть выпуклым, вогнутым, ребристым и т.п. Полость 4 может быть не единичной, их может быть несколько, однонаправленно изменяющих размер в поперечном направлении и не перекрывающих друг друга.
Заявляемый акустический вентиль работает следующим образом (см. фиг.1). С помощью электронной аппаратуры (не показана), электрически связанной с акустическими преобразователями 2 и 3, в последних возбуждают звуковые колебания (не показаны), которые распространяются внутри звукопровода 1. При этом колебания, распространяющиеся от преобразователя 2, дойдя до начала полости 4, огибают ее и, переотражаясь от боковых поверхностей полости и звукопровода 1, концентрируются и входят в последующую цельную часть звукопровода, практически не теряя своей энергии. Достигнув конца звукопровода 1, колебания принимаются преобразователем 3. Таким образом, в рассматриваемом направлении обеспечивается полное прохождении звука. С другой стороны, аналогичные звуковые колебания, излученные преобразователем 3 (не показаны), входят в звукопровод 1 и, дойдя до границы полости 4 у ее максимального поперечного размера, полностью отражаются в обратном направлении за счет резкого рассогласования акустических сопротивлений материала звукопровода и воздуха (вакуума). Вернувшись к торцу звукопровода 7, эти колебания принимаются преобразователем 3 и в дальнейшей работе вентиля не участвуют. Таким образом, в рассматриваемом направлении звуковые колебания блокируются. В итоге заявляемый акустический вентиль обеспечивает одностороннее пропускание звука в направлении от преобразователя 2 к преобразователю 3.
Для того чтобы при одновременной работе двух преобразователей 2 и 3 не возникало дополнительных потерь энергии бегущих волн за счет образования стоячих волн, целесообразно осуществлять работу вентиля в импульсном режиме. Например, с помощью коммутирующего устройства в составе электроизмерительной аппаратуры, электрически связанной с преобразователями (не показана).
Заявляемое устройство - акустический вентиль - не требует для своего промышленного осуществления создания новых технологий или материалов. Все необходимые процедуры для его изготовления и использования могут быть реализованы с помощью известных технологических операций и известного оборудования.