Акустическая линза

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.
Известны различные акустические линзы для фокусировки упругих волн, материалом которых могут быть жидкие, твердые и газообразные вещества, при этом линзы могут иметь плоско-выпуклую поверхность, плоско-вогнутую, двояковыпуклую, двояковогнутую и выпукло-вогнутую поверхности [Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977, с. 3-36].
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].
Известна жидкостная звуковая линза [патент РФ №441976], выполненная из искусственного материала с переменным коэффициентом преломления, представляющая собой набор цилиндров в звукопроницаемой оболочке, заполненных рабочей жидкостью с диаметром сечения менее половины длины волны и расстоянием между цилиндрами менее длины волны.
Известна надувная акустическая линза в тонкой резиновой оболочке, наполненная углекислым газом и с относительным диаметром D/λ=13.6 на частоте 10000 Гц в 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.].
Недостатком известных акустических линз являются большие габариты, относительный диаметр D/λ, более 10-15, низкое пространственное разрешение, не превышающее дифракционного предела.
В качестве прототипа выбрана 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.
Известная акустическая линза позволяет осуществить фокусировку акустического излучения в газе, однако имеет значительные габариты (порядка длины волны используемого излучения), при этом пространственное разрешение не превышает дифракционного предела для заданных длины волны излучения, диаметра и фокусного расстояния линзы.
Таким образом, задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно значительное снижение габаритов акустической линзы при повышении пространственного разрешения.
Заявляемая акустическая линза, кроме того, обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных акустических устройств фокусировки излучения с субволновыми размерами.
-
Указанная задача решена благодаря тому, что в акустической линзе, содержащей оболочку из податливого материала, заполненную газом, новым является то, что оболочка выполняется в форме кубика с размером ребра не менее λ/2, где λдлина волны излучения в окружающем пространстве линзы, а заполняемое вещество оболочки имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83.
На фиг. 1 показана акустическая линза в виде куба и ее сечение.
На фиг. 2 показана акустическая линза в виде сферы и ее сечение.
На фиг. 3 показаны результаты моделирования газовой акустической линзы в виде куба в воздухе с относительной скоростью звука в материале линзы, равного 0.68.
На фиг. 4 показаны результаты моделирования жидкостной акустической линзы в воде с относительной скоростью звука в материале линзы, равного 0.68.
На фиг. 1-2 обозначено: 1 - направление падения излучения на акустическую линзу 2 с мезомасштабными размерами; 3 - формируемая «фотонная струя», тонкая звукопроводящая оболочка 4 и рабочее вещество 5 линзы.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Падающее акустическое излучения 1 освещает линзу 2, которая фокусирует это излучение в «фотонную струю» 3.
Фотонная струя 3 [Chen Z., Taflove A., Backman V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visiblelight ultramicroscopy technique // Optics Express, 12, N 3, pp. 1214-1220, 2004; И.В. Минин, O.B. Минин. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015, с. 163] возникает в области теневой поверхности мезомасштабной линзы, непосредственно у границы раздела материалов с различной скоростью звука, и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью акустического в области фокусировки излучения, при этом достижимо пространственное разрешение, превышающее дифракционный предел.
Достоинством устройства 2 является возможность фокусировки акустического излучения в газе или жидкости с поперечными размерами порядка λ/3 непосредственно за устройством, формирующим «фотонную струю», и протяженностью 2-10 λ.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» у кубика начинается с размера грани 0.5 длины волны используемого излучения. В то время как у сферы при таком диаметре на одной поляризации локализация поля еще не выявлена. При этом максимальная интенсивность поля на оси кубика выше, чем у сферы в 1.4 раза.
Для характерных размеров кубика и сферы менее λ/2 «фотонная струя» не формируется.
При относительной скорости звука в рабочем веществе линзы 0.83 формируемая «фотонная струя» не обеспечивает эффективной концентрации акустического излучения, и при примерно более 0.5 «фотонная струя» формируется внутри линзы.
Для акустической линзы, предназначенной для работы, например, в воздухе при 0°С (скорость звука 331 м/с), в качестве рабочей среды можно использовать хлор (скорость звука 331 м/с), относительная скорость звука 0.62, пары эфира (скорость звука 179 м/с), относительная скорость звука 0.54, пары спирта (скорость звука 230 м/с), относительная скорость звука 0.69, оксид углерода (скорость звука 260 м/с), относительная скорость звука 0.785 и т.д.
Для акустической линзы, предназначенной для работы в жидкости, например в воде при 25°С (скорость звука 1490 м/с), в качестве рабочей среды можно использовать метиловый спирт (скорость звука 1143 м/с), относительная скорость звука 0.767, четыреххлористый углерод (скорость звука 926 м/с), относительная скорость звука 0.62, эфир (скорость звука 985 м/с), относительная скорость звука 0.66, этиловый спирт (скорость звука 1180 м/с), относительная скорость звука 0.79 и т.д.
В качестве материала оболочки может использоваться, например, латексная резина.
Техническим результатом является снижение габаритов линзы и увеличение пространственного разрешения выше дифракционного предела. Кроме того, заявляемая акустическая линза обеспечивает актуальное расширение приборного арсенала современных газовых и жидкостных акустических линз.