Акустический датчик

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.
Акустические датчики широко используются для различных систем акустического видения [Leonard J.J. & Durrant-Whyte, H.F. Directed Sonar Sensing for Mobile Robot Navigation, vol. 448 (Kluwer Academic Publishers, 1992)], устройствах акустической навигации и связи [Freitag, L. et al. The WHOI micro-modem: an acoustic communications and navigation system for multiple platforms. Proc. OCEANS 2, 1086-1092 (2005).], для неразрушаеющего контроля [Farrar, С.R. & Worden, K. An introduction to structural health monitoring. Phil. Trans. R. Soc. A 365, 303-315 (2007).], в медицине [Szabo, Т.L. Diagnostic Ultrasound Imaging: Inside Out (Academic Press, (2004).], при этом в качестве чувствительных элементов для регистрации акустического излучения используются устройства, работающие на различных физических принципах: пьезорезистивный [Papila, М., Haftka, R.Т., Nishida, Т. & Sheplak, М. Piezoresistive microphone design pareto optimization: tradeoff between sensitivity and noise floor. J. Microelectromech. Syst. 15, 1632-1643 (2006).], пьезоэлектрический [Tadigadapa, S. & Mateti, K. Piezoelectric MEMS sensors: state-of-the-art and perspectives. Meas. Sci. Technol. 20, 092001 (2009).], емкостный [Scheeper, P.R. et al. A new measurement microphone based on MEMS technology. J. Microelectromech. Syst. 12, 880-891 (2003).], оптический [Bucaro, J.A., Lagakos, N., Houston, В.H., Jarzynski, J. & Zalalutdinov, M. Miniature, high performance, low-cost fiber optic microphone. J. Acoust. Soc. Am. 118, 1406-1413 (2005)]. К акустоэлектрическим преобразователям относятся физические устройства, элементы, детали и материалы, способные под действием переменного давления акустической волны создавать эквивалентные электрические сигналы. Однако чувствительность этих датчиков ограничивается минимальным регистрируемым давлением.
Для повышения величины давления на чувствительном элементе приемника осуществляют фокусировку акустического излучения на нем с помощью акустических линз.
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].
Известен акустический микроскоп по патенту РФ № 79219, содержащий излучатель ультразвука, акустическую линзу для фокусировки пучка, отраженного от объекта и акустического приемника.
Известен сканирующий акустический микроскоп по патенту США № 4028933, содержащий передающий акустический элемент со сферической акустической линзой, приемный акустический элемент, жидкостную ячейку (иммерсионную среду), установленную между передающими и приемными элементами, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на экране видеоконтрольного устройства.
Известны акустические линзы, выполненные из искусственных материалов (акустических метаматериалов) [Zhang, S., Yin, L. & Fang, N. Focusing ultrasound with an acoustic metamaterial network. Phys. Rev. Lett. 102, 194301 (2009); Zhu, J. et al. A holey-structured metamaterial for acoustic deep-subwavelength imaging. Nat. Phys. 7, 52-55 (2010); Li, J., Fok, L., Yin, X., Bartal, G. & Zhang, X. Experimental demonstration of an acoustic magnifying hyperlens. Nat. Mater. 8, 931-934 (2009); Martin, T.P. et al. Sonic gradient index lens for aqueous applications. Appl. Phys. Lett. 97, 113503 (2010); Climente, A., Torrent, D. & , J. Sound focusing by gradient index sonic lenses. Appl. Phys. Lett. 97, 104103 (2010).]
Ни в одной из упомянутых конструкций не решается проблема повышения уровня давления на чувствительном элементе ультразвукового преобразователя за счет сверхфокусирови падающего на него излучения.
Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) акустического поля с помощью линзовых систем [Борн М., Вольф Э., Основы оптики - М.: Наука, 1970]
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F - фокусное расстояние фокусирующего устройства.
Поперечный размер области фокусировки излучения возрастает с увеличением фокусного расстояния, длины волны используемого излучения и уменьшением характерного размера фокусирующего устройства.
Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости, определяет качество получаемого изображения и область концентрации акустической энергии для идеального фокусирующего устройства: линзы или зеркальной антенны. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способна зарегистрировать данная система. Максимальное разрешение идеальной линзовой системы не может превышать величины λ/2.
Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].
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. , // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); B.S. , 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 возможность 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 [ 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 [, 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.].
Недостатком известных акустических датчиков с акустическими линзами является большие габариты, обусловленным тем, что для фокусировки акустического излучения относительный диаметр линзы D/λ должен быть не менее 10-15 и значительный размер области фокусировки, не менее дифракционного предела, что снижает максимальную величину давления на приемном устройстве.
В качестве прототипа выбран ультразвуковой датчик [патент США № 3765403], содержащий ультразвуковой преобразователь и фокусирующую звукопроводящую линзу. Известный ультразвуковой датчик с двояковыпуклой звукопроводящей линзой имеет значительные габариты (диаметр не менее (10-15)D/λ), при этом пространственное разрешение акустической линзы 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 повышение чувствительности акустических датчиков с фокусирующими устройствами.
Указанная задача решена благодаря тому, что акустический датчик, содержащий ультразвуковой преобразователь и фокусирующую звукопроводящую линзу, отличается тем, что линза выполнена в виде звукопроводящей частицы, непосредственно контактирующей с ультразвуковым преобразователем, и с возможностью фокусировки излучения непосредственно за теневой границей частицы с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел.
Кроме того, звукопроводящая частица может быть выполнена в форме шарика.
Кроме того, звукопроводящая частица может быть выполнена в форме кубика.
Кроме того, звукопроводящая частица может быть выполнена в форме усеченного шарика.
Кроме того, звукопроводящая частица может быть выполнена в форме кругового конуса.
В результате проведенных исследований было обнаружено, что звукопроводящая частица, например, в форме кубика или шарика или усеченного шарика или кругового конуса, с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83, 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.
На фиг. 1 показана схема акустического датчика с звукопроводящей частицей в форме шарика (а), кубика (б), усеченного шарика (в), кругового конуса (г).
На фиг. 2 показан пример формирования звукопроводящей частицей (в виде шарика, кубика, кругового конуса, усеченного шарика) области повышенного давления на ее теневой стороне с субдифракционным разрешением.
Обозначения: 1 - направление падения акустического излучения на звукопроводящую частицу в виде шарика 2, кубика 5, усеченного шарика 6, кругового конуса 7; 3 - формируемая «фотонная струя» область повышенного давления с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 и ультразвуковой преобразователь.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Падающее акустическое излучения 1 освещает звукопроводящую частицу 2, или 5, или 6, или 7, которая фокусирует это излучение в «фотонную струю» с повышенным давлением 3, которая возникает непосредственно на теневой границе частиц 2, 5, 6, 7, при этом достижимо пространственное разрешение, превышающее дифракционный предел. Далее это повышенное давление преобразуется ультразвуковым преобразователем, например, в электрический сигнал и регистрируется.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» для характерных размеров кубика и шарика менее λ/2 не формируется. Устойчиво локализация акустического поля типа «фотонная струя» формируется при размерах звукопроницаемой частицы не менее λ.
При относительной скорости звука в материале звукопроводящей частице более 0.83 формируемая «фотонная струя» не обеспечивает эффективной концентрации акустического излучении и менее 0.5 «фотонная струя» формируется внутри звукопроводящей частице.
Для звукопроводящей частицы, предназначенной для работы, например в воздухе, при 0°С (скорость звука 331 м/с), в качестве рабочей среды можно использовать хлор (скорость звука 206 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 звукопроводящей частицы, 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 звукопроводящей частицы может использоваться, например, латексная резина.
Для звукопроводящей частицы предназначенной для работы в жидкости, например, в воде при 25°С (скорость звука 1490 м/с), в качестве материала звукопроводящей частицы может использоваться рексолит (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0.645 и т.д.
Сравнение прототипа и предлагаемого устройства производилось на частоте 1 МГц с жидкостной ячейкой из воды при 25°С (скорость звука 1490 м/с) и звукопроводящей частицы из рексолита (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0.645, формы частиц шарик, кубик, усеченный шарик, круговой конус с характерным размером 1.5 λ. Было установлено, что в предлагаемом устройстве достигнуто пространственное разрешение, превышающее пространственное разрешение по прототипу в 3-3.5 раза. Повышение пространственного разрешения по предлагаемому устройству приводит к одновременному повышению чувствительности акустического датчика без повышения интенсивности излучения источника акустического поля в 7-9 раз.
Техническим результатом является снижение габаритов акустического датчика и увеличение его чувствительности.