Акустический диод

Полезная модель относится к области физической акустики и может найти применение в ультразвуковой технике, например, в устройствах ультразвуковой медицинской диагностики или неразрушающего контроля, устройствах шумоподавления, акустических выпрямителях, акустических диодах, акустическом одностороннем зеркале.
Акустический диод - устройство, пропускающее звуковую волну только в одну сторону. Известны устройства акустического диода, состоящие из двух половинок: нелинейной акустической среды и фононного кристалла [Bin Liang, Bo Yuan, and Jian-chun Cheng. Acoustic Diode: Rectification of Acoustic Energy Flux in One-Dimensional Systems // Physical Review Letters, 103, 104301 (2009), DOI: 10.1103/PhysRevLett.103.104301; B. Liang, X. S. Guo, J. Tu1, D. Zhang and J. C. Cheng. An acoustic rectifier // Nature Materials, Vol 9, December, рр. 989-992]. Если эта звуковая волна вначале попадает в нелинейную среду, то как раз из-за нелинейности она частично превращается в волну удвоенной частоты. Далее эта комбинация волн переходит в фононный кристалл; исходная волна там поглощается, а волна на удвоенной частоте спокойно проходит вперед. Если же запустить начальную звуковую волну с другого торца, то она первым делом упрется в фононный кристалл и просто отразится назад.
Известно устройство акустического диода по патенту US 8511423 B2, МПК G01K 11/00 (2006.01), включающее в себя фононную кристаллическую среду состоящую из двух частей: периодических слоев воды и стекла (фотонный кристалл) и нелинейную акустическую среду. Нелинейная акустическая среда представляет собой слой ультразвукового контрастного вещества суспензии микропузырьков. Контрастное вещество ультразвука - это гель, который широко используется в ультразвуковой дефектоскопии для повышения качества визуализации, ультразвуковой диагностики. Когда акустическая волна определенной частоты проходит через суспензию микропузырьков контрастного вещества, она будет частично преобразовываться в волну с удвоенной частотой.
Недостатками известных устройств являются:
сложность конструкции и состава, требующая, в частности, разработки специальных материалов (гель с нелинейными акустическими свойствами);
узкополосность, поскольку эффект одностороннего пропускания звука проявляется только в узких диапазонах частот;
искажение исходных характеристик звуковых колебаний, поскольку эффект одностороннего пропускания выражен только для удвоенной частоты звука.
Известно устройство одностороннего пропускания звука по патенту РФ 2465578, МПК G01N 29/00 (2006.01), состоящее из двух сред, непосредственно примыкающих друг к другу по их плоским границам, выполненных из материалов с наибольшим отношением Z2/Z1, где Z2 и Z1 - акустические сопротивления контактирующих сред, а на плоской поверхности среды с наибольшим значением акустического сопротивления выполнены пустотелые углубления прямоугольной формы, суммарную относительную площадь βкоторых, подчиняют соотношению:
,
1
1≤
2
2
2
2
2
при этом глубину  углублений устанавливают из соотношений 0<0,095λ или (0,5n-0,095)λ≤1≤(0,5n+0,095)λ, n=1, 2, 3, ..., где λ – длина звуковой волны в среде с акустическим сопротивлением Z.
2
1
2
1
2
1
*
5
Например, это могут быть две твердые среды например, вольфрам и магний: Z/Z=10), твердая среда и жидкость (например, платина и ацетон: Z/Z=89) или твердая среда и газ (например, золото и воздух: Z/Z=1,4510), которые не вступают друг с другом в химическое взаимодействие.
Из технической литературы известно, что коэффициент отражения акустической волны от границы раздела двух сред пропорционален относительному акустическому сопротивлению этих сред [Е. Гидеман, Кельн Ультразвук // Успехи физических наук, Т. XVI, вып. 5, 1936, с. 586-656.]. Поэтому акустическая волна не проникает в среду с относительно большим акустическим сопротивлением из среды с малым акустическим сопротивлением, а отражается от нее.
Недостатком известных устройств является их сложность, узкополосность и низкая эффективность.
Известно устройство акустического вентиля по патенту РФ 2465580, МПК G01N 29/00 (2006.01), содержащее 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.
Внутри звукопровода размещена пустотелая замкнутая область, поперечный размер которой однонаправленно изменяется по длине звукопровода, в простейшем случае от нуля до максимума по прямой образующей, т.е. в форме конической поверхности.
Недостатком этого устройства является его низкая эффективность.
В других устройствах используется двумерный фононный кристалл, который с одного торца является для звуковой волны гладким, а с другого торца - шероховатым. Попадая с гладкого торца, звуковая волна нужной частоты отражается, а попадая с шероховатой стороны - она проходит насквозь и лишь отклоняется вбок.
Известен акустический диод, состоящий из дифракционной решетки расположенной на гладкой однородной подложке [Hong-xiang Sun, Shu-yi Zhang, and Xiu-ji Shui. A tunable acoustic diode made by a metal plate with periodical structure // Applied Physics Letters 100, 103507 (2012); doi: 10.1063/1.3693374]. Акустический диод реализован на тонкой латунной пластине с односторонней периодической прямоугольной решеткой, погруженной в воду.
Известно устройство акустического диода, состоящего из концентрической дифракционной решетки на одной стороне однородной пластины с центральным отверстием [Wang JiWei, Yuan BaoGuo, Cheng Ying & LIU XiaoJun. Unidirectional acoustic transmission in asymmetric bull’s eye structure // Sci China-Phys Mech Astron, 2014, doi: 10.1007/s11433-014-5517-y].
Известно устройство акустического диода в соответствии с патентом WO 2014/146294 Al, МПК H03H 9/25 (2006.01), A61B 8/00 (2006.01), состоящего из периодической акустической решетки, имеющей множество решеток и однородной пластины, отделенной от периодической акустической решетки с резонансной полостью. Акустическая волна падающая на акустическую решетку проходит через нее, волна падающая на однородную пластину отражается и не проходит вперед.
Известно устройство акустического диода, состоящего из акустической асимметричной решетки [Zhaojian He, Shasha Peng, Yangtao Ye, Zhongwei Dai, Chunyin Qiu, Manzhu Ke,a͒ and Zhengyou Liu. Asymmetric acoustic gratings // Applied Physics Letters 98, 083505, ͑2011͒]. Работа устройства основана на одностороннем дифракционном эффекте, индуцированного по разным периодам прорези на обеих поверхностях решетки.
Известно устройство акустического диода, состоящего из акустической асимметричной решетки нанесенной с двух сторон однородной пластины [Jie LI, Jiu-jiu CHEN. Unidirectional and tunable acoustic diode made by asymmetric double layer metallic grating with periodical structure // 2016 Symposium on Piezoelectricity, Acoustic waves, and Device Applications, Oct. 21-24, Xi’an, Shaanxi, CHINA, рр. 389-392.].
Недостатком известных устройств является их узкополосность, сложность и низкая эффективность.
Известно устройство акустического диода на основе не симметричного фотонного кристалла [Xuefeng Zhu, Xinye Zou, Bin Liang, and Jianchun Cheng. One-way mode transmission in one-dimensional phononic crystal plates // Journal of Applied Physics 108, 124909 (2010); doi: 10.1063/1.3520491; Xue-Feng Li, Xu Ni, Liang Feng, Ming-Hui Lu, Cheng He, and Yan-Feng Chen. Tunable Unidirectional Sound Propagation through a Sonic-Crystal-Based Acoustic Diode // Physical Review Letters, 106, 084301 (2011)].
Акустический диод на основе фотонного кристалла может быть выполнен в виде би-призмы [Joo Hwan Oh, Hoe Woong Kim, Pyung Sik Ma, Hong Min Seung, and Yoon Young Kim. Inverted bi-prism phononic crystals for one-sided elastic wave transmission applications // Applied Physics Letters 100, 213503 (2012), http://dx.doi.org/10.1063/1.4721485].
Недостатком известных устройств является их узкополосность, сложность и низкая эффективность.
Известен акустический диод, состоящий из решетки периодических треугольных частичек расположенных в изотропном, однородном, акустически прозрачном материале, выполненных из материалов с высоким отношением акустических сопротивлений контактирующих сред [Shin-ichiro Shirota, Ramya K Rishan, Yukihiro T Anaka, and Norihiko N Ishiguhi. Rectifying Acoustic Waves // Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 42, 2007, pp. L1025-L1027].
Недостатком устройства является его низкая эффективность.
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 (например, скорость распространения звуковых волн в пористых материалах или в решетках и жалюзи из пластин отличается от скорости распространения в открытом пространстве).
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].
Предел разрешения для классических идеальных линз (поперечный размер области фокусировки) не может быть меньше половины длины волны излучения [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Пер. с англ. Главная редакция физико-математической литературы. М., Наука, 1973].
Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006); Y.F. Lu, L. Zhang, W.D. Song, Y.W. Zheng, and B.S. Lukyanchuk Laser writing of a subwavelength structure on silicon (100) surfaces with particle enhanced optical irradiation // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); B.S. . Lukyanchuk , Z.B. Wang, W.D. Song, and M.H. Hong, Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning // Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79(4-6), 747-751 (2004)). Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.
Сферическая микрочастица, таким образом, выполняет роль рефракционной сферической микролинзы, фокусирующей световое излучение в пределах субволнового объема [Ю. Гейнц, А. Землянов, Е. Панина. Микрочастица в интенсивном световом поле. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 с.; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356].
Позднее возможности получения фотонных наноструй были изучены для диэлектрических осесимметричных тел, например эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; Т. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [Cesar Mendez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / Optics Express 16805], а также полусфер [Cheng - Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non - spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], дисков [B. Lukyanchuk, N.I. Zheludev, S.A. Maier, N.J. Halas, P. Nordlander, H. Giessenand T.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater. 9, 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].
Также было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник и т.д. [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; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin and О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu.E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910(2015); Yu.E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, № 4, с. 4-10.].
,
В акустическом диапазоне длин волн для субволновой фокусировки используются звукопроводящие мезоразмерные частицы с возможностью фокусировки излучения непосредственно за теневой границей частицы в область фокусировки (акустострую) с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел, при этом скорость звука в преломляющей среде не превышает скорость звука в окружающей среде больше чем в 2,5 раза [Патенты РФ 167049, 1756842654387].
Фокусирующее устройство на основе звукопроводящей частицы формирует область фокусировки непосредственно за теневой поверхностью с размерами в поперечном (относительно направления распространения излучения) направлении на уровне половинной мощности менее классического дифракционного предела - до четверти длины волны акустического излучения в среде λ, и с протяженностью области фокусировки (1-5)λ, чем достигается повышение локализации сфокусированного акустического поля до субволнового значения и существенное повышение интенсивности акустического поля в фокальной области.
Устройства на основе звукопроводящих частичек, формирующих область фокусировки непосредственно на ее теневой границе используются в сканирующем акустическом микроскопе [Патент РФ 172340], в устройствах формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в акустическом диапазоне длин волн [Патент РФ 2654387], в акустической ловушке в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков [Патент РФ 174330], в акустических датчиках [Патент РФ № 175684], при этом используются частицысо скоростью звука в материале относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне от 0,5 до 0,83,
Наиболее близким устройством к заявляемой полезной модели, принятым за прототип, является акустический диод, состоящий из двойных решеток периодических треугольных частичек расположенных в изотропном, однородном, акустически прозрачном материале, выполненных из материалов с высоким отношением акустических сопротивлений контактирующих сред [Ramya Krishnan, S. Shirota, Y. Tanaka, N. Nishiguchi. High-efficient acoustic wave rectifier // Solid State Communications 144 (2007) 194-197]. Треугольные отверстия действуют как рассеиватели для акустических волн в системе, даже для характерных размеров рассеивателей сравнимых с длиной волны падающего излучения. Если акустическая волна падает на основания треугольных отверстий, то она отражается и не проходит вперед. При падении акустической волны на вершину треугольников, она рассеивается и проходит вперед.
Недостатком устройства является его недостаточная эффективность.
Таким образом, задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно создание простого акустического диода с высокой эффективностью.
Указанная задача решена благодаря тому, что в акустическом диоде, содержащем двойную решетку периодических треугольных частичек, расположенных в изотропном, однородном, акустически прозрачном материале, новым является то, что частичка выполнена в виде мезоразмерной звукопроводящей частицы фокусирующей падающее на ее вершину излучение с пространственным разрешением, не менее дифракционного предела, с полным углом раствора при ее вершине и относительным коэффициентом преломления материала, выбранным из условия обеспечения полного внутреннего отражения излучения при его падении со стороны основания частицы.
Кроме того, звукопроводящие частицы в двойной решетке расположены в шахматном порядке.
Кроме того, на вершине треугольной звукопроводящей частицы, со стороны падающего излучения расположен слой материала с наибольшим отношением акустического сопротивления контактирующих сред и диаметром порядка λ/1,5.
В результате проведенных исследований, было обнаружено, что звукопроводящая треугольная частица, с характерным размером не менее λ, где λ - длина волны используемого излучения в среде, с относительным показателем преломления (продольной скоростью звука) в материале частицы относительно показателя преломления окружающей среды лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4.
Из технической литературы известно, что величина обратного рассеяния акустического излучения от звукопроводящего кругового конуса или 2D треугольника при падении излучения на его вершину меньше, чем рассеяние от его основания.
Кроме того, известен эффект полного внутреннего отражения, который заключается в том, что если излучение падает из «оптически» более плотной среды на границу раздела с «оптически» менее плотной средой, то угол падения меньше угла преломления. При увеличении угла падения можно подойти к такому его значению, когда преломленный луч заскользит по границе раздела двух сред и не попадет во вторую среду. При переходе из среды «оптически» менее плотной в среду более плотную полное внутреннее отражение невозможно [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].
Критический угол α при облучении со стороны основания конуса или пирамиды может быть вычислен по выражению:
,
N
где  показатель преломления звукопроводящей частицы. Критический угол при облучении со стороны основания конуса или 2D треугольника может быть определен по следующему выражению [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]:
N
, >.
На Фиг. 1 показана схема акустического диода в режиме работы в прямом (а) и обратном направлениях (б).
На Фиг. 2 показана отдельная треугольная звукопроводящая частица с расположенным со стороны падающего излучения слоя материала с наибольшим отношением акустического сопротивления контактирующих сред и диаметром порядка λ/1,5.
На Фиг. 3 показано распределение интенсивности поля сформированного звукопроводящим треугольной частицей с основанием и высотой равными λ, с показателем преломления материала N равным 1,46 в случае падения излучения на его вершину (a) и основание (б).
Обозначения: 1 - направление падения акустического излучения на звукопроводящую частицу в «прямом направлении», 2 - треугольная звукопроводящая частица в двойной решетке, 3 - формируемая «фотонная струя» область повышенной интенсивности поля с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4, 4 - отраженное акустическое излучение от звукопроводящей частицы, 5 - слой материала с наибольшим отношением акустического сопротивления контактирующих сред и диаметром порядка λ/1,5.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
В прямом направлении, падающее излучение 1 освещает звукопроводящую частицу 2, которая фокусирует это излучение в «фотонную струю» 3 с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4, которая возникает непосредственно на ее теневой границе. Рассеянное на звукопроводящей частице 2 излучение фокусируется вторым рядом звукопроводящих частиц. Таким образом, достигается максимальное пропускание акустического излучения в «прямом» направлении.
В обратном направлении акустическое излучение 1 падает на основание треугольных звукопроводящих частиц 2. В результате полного внутреннего отражения, излучение из области вершины частицы 2 падающее излучение отражается назад 4 и не выходит из области вершины, что обеспечивает минимальное пропускание акустического излучения в «обратном» направлении.
Для уменьшения величины пропускания акустического излучения в акустическом диоде в «обратном» направлении звукопроводящие частицы в двойной решетке расположены в шахматном порядке.
Для уменьшения величины пропускания акустического излучения в акустическом диоде в «обратном» направлении на вершине треугольной звукопроводящей частицы может располагаться со стороны падающего излучения слоя материала с наибольшим отношением акустического сопротивления контактирующих сред и диаметром порядка ширины «фотонной» струи, равной λ/1,5.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» для характерных размеров конуса или 2D треугольника менее λ/2 не формируется. Устойчиво локализация акустического поля типа «фотонная струя» формируется при размерах звукопроводящей частицы не менее λ.
Акустический диод в котором треугольные мезоразмерные звукопроводящие частицы, фокусирующие падающее на ее вершину излучение с пространственным разрешением, не менее дифракционного предела, с полным углом раствора при ее вершине и относительным коэффициентом преломления материала, выбранным из условия обеспечения полного внутреннего отражения излучения при его падении со стороны основания частицы в двойной решетке расположенные в изотропном, однородном, акустически прозрачном материале, позволяют повысить эффективность устройства - отношение интенсивности акустического излучения в «прямом» и «обратном» направлениях, по сравнению с прототипом в 3-4 раза.