СПОСОБ ОДНОСТОРОННЕГО ПРОПУСКАНИЯ ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
METHOD FOR ONE-WAY TRANSMISSION OF SOUND VIBRATIONS

Изобретение относится к области физической акустики и может найти применение в ультразвуковой технике, например в конструкциях ультразвуковых измерительных устройств, используемых в медицинской диагностике или неразрушающем промышленном контроле.
Известен с недавнего времени способ одностороннего пропускания звука через нелинейную акустическую среду (см. http://www.mallex.info//science/Fiziki-sozdali-akusticheskii-diod/. Такое направление физической акустики только начинает разрабатываться в мировой науке и является весьма актуальным.
Недостатком известного способа является сложность, обусловленная необходимостью создания специальных нелинейных сред, а также вынужденная необходимость изменения частоты звука (см. B.Liang, X.S.Guo, J.Tu, D.Zhang, J.C.Cheng. Acoustic rectifier. // Natural Materials, V.9, P.989-992, 2010).
Наиболее близким по технической сущности (но не по назначению) к заявляемому способу является «Способ одностороннего акустического согласования сред» (Патент №2413212 RU, МПК G01N 29/00, опубл. 27.02.2011 г., Бюл. №6). По этому способу в среде с более низким акустическим сопротивлением на ее плоской контактной границе выполняют пустотелые углубления прямоугольной формы (в продольном разрезе). Полное (стопроцентное), но одностороннее акустическое согласование сред обеспечивают удовлетворением двум требованиям: суммарная относительная площадь β, занимаемая углублениями на плоской контактной границе двух сред, и их глубина l должны подчиняться соотношениям
k=1, 2, 3, …,
2
1
где Z и Z - акустические сопротивления согласуемых сред, относящиеся соответственно к среде, в которой выполнены углубления, и к среде, не содержащей их,
2
2
λ - длина звуковой волны в среде с более низким значением Z акустического сопротивления.
Хотя рассматриваемый способ не предназначен для обеспечения одностороннего пропускания звука, он может использоваться для этой цели, т.к. полное (стопроцентное) акустическое согласование двух сред автоматически влечет за собой и полное (стопроцентное) пропускание звука в том направлении, для которого это согласование достигнуто. И наоборот, неполное акустическое согласование двух сред в противоположном направлении автоматически влечет и неполное пропускание звука во втором направлении. То есть слабо выраженный эффект одностороннего пропускания звука (он может количественно быть рассчитан) по способу-прототипу может быть проявлен. Иного и нельзя было ожидать, т.к. цели одностороннего пропускания звука в способе-прототипе не ставилось. Таким образом, первый и основной недостаток способа-прототипа с точки зрения заявляемого способа - ничтожная степень эффекта одностороннего пропускания звука.
Другим недостатком способа-прототипа выступает необходимость при его осуществлении задавать для пустотелых углублений строго определенную (прямоугольную) форму и размеры, подчиняющиеся вышенаписанным математическим соотношениям.
Третьим недостатком способа-прототипа выступает необходимость при его осуществлении использовать две различные по акустическим свойствам (сопротивлениям) среды и создавать между ними плоскую границу контакта, что затрудняет реализацию способа.
Целью изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков способа-прототипа, а именно:
1) обеспечение высокой степени эффекта одностороннего пропускания звука,
2) снятие жестких ограничений на форму и размеры пустотелых включений внутри звукопроводящей среды,
3) устранение необходимости использования двух различных по акустическому сопротивлению сред и плоской границы контакта между ними.
Поставленная цель достигается за счет того, что внутри звукопроводящей среды на пути распространения звука создают пустотелые полости определенной формы и размеров, поперечный размер полостей выполняют увеличивающимся в направлении пропускания звука, а концы полостей, имеющие наибольшие поперечные размеры по их длине, перекрывают границами звукопроводящей среды.
Таким образом, в заявляемом способе, в отличие от прототипа, поперечный размер пустот выполняют непостоянным по их длине, а увеличивающимся в направлении пропускания звука, с формы пустот и их размеров (удельная площадь на границе акустического контакта с остальной средой и глубина в направлении распространения звука) снимают ограничения, подчиняющиеся у прототипа строгим математическим зависимостям, в составе звукопроводящей среды не обязательно используют разные материалы, а границу контакта, перекрывающую полости со стороны остальной среды, не обязательно выполняют плоской. Все это позволяет достичь комплексной цели изобретения.
Техническим результатом изобретения является достижение высокой степени эффекта одностороннего пропускания звука простыми средствами.
На фиг.1 схематически показан пример осуществления способа для простейшей конфигурации полости и единственной звукопроводящей среды. На фиг.2 представлены примеры конфигураций полостей, которые пригодны для реализации способа.
В простейшем примере осуществлении способа одностороннего пропускания звуковых колебаний «справа налево» (см. фиг.1), в звукопроводящей среде 1 выполняют пустотелую полость 2 в форме полого конуса, обращенного основанием в сторону пропускания звука, а вершиной в противоположном направлении. Полость выполняют с помощью прогрессивных методов литья либо с использованием сфокусированного излучения (лазер, ультразвук и т.п.), либо путем механической обработки (резание). В последнем случае металлическую или полимерную заготовку 1 разрезают на две части (на фиг.1 - вертикально), в одной из полученных частей специальным инструментом (коническая фреза и т.п.) вытачивают полость 2, затем часть заготовки, в которой выполнено пустотелое углубление, соединяют с цельной частью среды, обеспечивая между ними акустический контакт 3 (например, путем склейки). Допустимо вторую, цельную часть звукопроводящей среды выполнять из другого материала, мало отличающегося по акустическому сопротивлению от первой части.
С помощью излучателя звука (на фиг.1 не показан) в звукопроводящую среду 1 вводят звуковые колебания «справа» (на чертеже не показаны), которые свободно распространяются в этой среде и, достигнув вершины конуса 2, огибают коническую полость и распространяются дальше, не теряя заметно своей энергии при одновременном увеличении своей интенсивности (за счет концентрирования в сужающемся сечении пучка). Достигнув уровня основания конуса 2, звуковые колебания переходят в последующую часть звукопроводящей среды, где полость отсутствует, и, не встречая препятствий, свободно распространяются в ней в прежнем направлении (на фиг.1 «справа налево»). Таким образом, в указанном направлении звуковые колебания свободно пропускаются.
Если же с помощью излучателя звука (на фиг.1 не показан) звуковые колебания ввести «слева направо», то, дойдя до границы цельной звукопроводящей среды 1 с основанием полого конуса 2, они практически полностью отразятся назад по чисто физическим соображениям: за счет большой степени акустического рассогласования между плотной средой и воздухом (вакуумом). Таким образом, заявленный способ обеспечивает сильно выраженный эффект одностороннего пропускания звука достаточно простыми средствами.
Рекомендуется выполнять длину конической полости больше длины волны звука в материале среды 1, чтобы сужение звукопроводящих отрезков этой среды вне конуса 2 происходило плавно, не вызывая существенных препятствий для звуковых волн. Относительную площадь акустического контакта 3 на уровне основания конуса 2 нерационально сводить к нулю, ибо в таком случае в указанных местах возникнут точечные источники звука с круговой диаграммой направленности и переизлучением звука во всех направлениях, в том числе «слева направо» (см. фиг.1). Это обстоятельство может заметно ухудшить степень выраженности эффекта одностороннего пропускания волн. Поэтому рекомендуется обеспечивать относительную площадь контакта 3 в размере не менее 0,1 части от площади поперечного сечения среды 1. Основание пустотелого конуса 2 (см. фиг.1) не обязательно задавать плоским. Оно может быть выпуклым «влево» или «вправо», ребристым (рассеивающим) и т.п. Главное, чтобы поперечный размер основания конуса был достаточно большим и обеспечивал отражение звука в обратном направлении.
На фиг.2 в поперечном разрезе представлены формы и распределение пустотелых областей (на уровне их доньев) в звукопроводящей среде, которые также могут использоваться для одностороннего пропускания звуковых колебаний. Это могут быть конусы, призмы и т.п. конструктивные элементы. Рационально все полости выполнять одинаковыми по форме и размерам и равномерно распределять их по поперечному сечению среды.
Заявленный способ одностороннего пропускания звуковых колебаний не требует для своего промышленного применения создания каких-либо новых материалов или разработки новых технологий. Все операции способа могут быть осуществлены с помощью известных веществ и технологий обработки материалов (точение, пайка, склейка и т.д.).