АКУСТИЧЕСКАЯ ЛИНЗА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЛАСТИ ФОКУСИРОВКИ НЕПОСРЕДСТВЕННО ЗА ТЕНЕВОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при ультразвуковом контроле, неразрушающем контроле качества и в медицинской диагностике, в системах звуковидения, акустических микроскопах, для ультразвукового сверления отверстий, перемешивания веществ и т.п.
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).
Идея использовать звуковое излучение для визуализации структуры материалов была высказана чл.-корр. АН СССР С.Я. Соколовым еще в 1934 г. Он же впервые ввел термин «звуковидение» [Соколов С.Я. // Докл. АН СССР. 1949. Т. 64. С. 333]. В 1949 г. импульсный ультразвуковой сигнал был впервые использован в клинической практике для диагностики камней в желчных путях и инородных тел в мягких тканях. Разрешающая способность данного метода та же, что и в оптической микроскопии, а с повышением рабочей частоты акустического излучения может сравниться даже с разрешением электронных микроскопов.
В 1974 г. К. Квейт и Р. Лемонс (США) предложили принцип визуализации звуковых изображений, основанный на использовании фокусированного ультразвукового пучка, который последовательно, «построчно» просвечивает образец. После взаимодействия с объектом сигнал может приниматься или той же фокусирующей акустической линзой, или другой, конфокальной ей [Lemons R.A., Quate С F. // Appl. Phys. Lett. 1974. V. 24. P. 163]. Однако предел разрешения для классических идеальных линз (поперечный размер области фокусировки) вследствие фундаментальных дифракционных ограничений 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].
Линза акустическая (ультразвуковая) - устройство для изменения сходимости звукового (ультразвукового) пучка (фокусировки). Подобно оптическим линзам акустическая (ультразвуковая) линза обычно ограничена двумя рабочими поверхностями [например, акустическое фокусирующее устройство выполняется в виде пары акустических двояковогнутых линз, Евразийский патент 020059 G01N 29/04 (2006.01); Авторское свидетельство СССР №849072, 24.07.1981 г.] и выполняется из материала, скорость звука в котором отлична от скорости звука в окружающей среде с тем, чтобы показатель преломления n отличался от единицы. Для достижения наибольшей прозрачности волновое сопротивление этого материала должно быть близко к волновому сопротивлению среды, а вязкие потери в нем минимальны [Большая Советская Энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. 1969-1978. http://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/103754/%D0%9B%D0%B8%D0%BD%D0%B7%D0%B0].
При этом пространственное разрешение такого устройства ограничивается дифракционным пределом, т.е. не может быть менее половины длины волны используемого излучения.
Волновое сопротивление в акустике, в газообразной или жидкой среде, как известно, это отношение звукового давления р в бегущей плоской волне к колебательной скорости v частиц среды. Волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой: p/v=rc, где r - плотность среды, с - скорость звука. Волновое сопротивление представляет собой удельный импеданс среды для плоских волн [Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1983. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/396/%D0%92%D0%9E%D0%9B%D0%9D%D0%9E%D0%92%D0%9E%D0%95].
Известна акустическая линза в виде металлического шарового сегмента (зеркальная линза) [Патент РФ №2393907 МПК B01D 21/28 (2006.01)]. Такая акустическая линза сложна в изготовлении и не может обеспечить фокусировку акустического излучения в локальную область меньше классического дифракционного предела, поскольку известно, что для классических идеальных линз поперечный размер области фокусировки вследствие фундаментальных дифракционных ограничений 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]. Более того, минимальные поперечные размеры такой линзы составляют не менее 10 длин волн, что в ряде приложений не приемлемо.
Известна акустическая линза, содержащая звукопроводящий элемент, выполненный в виде набора акустически изолированных друг от друга волокон [Авторское свидетельство СССР N 419786, кл. G01N 29/04, 1974]. Такая акустическая линза сложна в изготовлении и не может обеспечить фокусировку акустического излучения в локальную область меньше классического дифракционного предела. Более того, минимальные поперечные размеры такой линзы составляют не менее 10 длин волн, что в ряде приложений не приемлемо.
Известна акустическая (ультразвуковая) линза, выполненная различной формы, преимущественно цилиндрической, в виде акустически проводящего (звукопроводящего) твердого материала [Европейский патент WO 2013081494 А1]. Такая акустическая линза сложна в изготовлении и не может обеспечить фокусировку акустического излучения в локальную область меньше классического дифракционного предела. Более того, минимальные поперечные размеры такой линзы составляют не менее 10 длин волн, что в ряде приложений не приемлемо.
Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является акустическая линза, состоящая из преломляющей среды из акустически проводящего материала с границами раздела с окружающей средой со скоростью звука в преломляющей среде в 1.25-2.5 раз больше, чем скорость звука в окружающей среде [Патент US №20020045819 А1]. Данная известная акустическая линза выбрана в качестве прототипа.
В устройстве [Патент US 20020045819 A1] используется система акустических осесимметричных (абзац 98) двояковогнутых линз (фиг. 1 описания) из однородного материала, предназначенных для работы в диапазоне 1-10 МГц (7 абзац описания), описанных в патенте US 5235553 Solid ultrasonic lens (абзацы 18, 96 описания US 20020045819). Описаны ультразвуковые линзы большого диаметра не менее 15-20 см, при длине волны на частоте 1 МГц в воде 1.5 мм и 0.346 мм в воздухе (абзац 13). Таким образом, относительный диаметр линзы по отношению к длине волны излучения составляет не менее 100 для водной среды и 430 для воздуха. Относительное фокусное расстояние линзы может составлять от 4 до 12 диаметров (абзац 97), при этом отношение толщины линзы к диаметру может составлять от 4 до 12 диаметров (абзац 97) или не менее 10 длин волн излучения.
Достоинством акустической линзы является возможность фокусировки акустических волн в различных средах.
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]. Для акустической линзы по патенту US 20020045819 обеспечивается поперечное разрешение больше 4-5 длин волн излучения, при этом повышение величины поперечного разрешения до субволнового значения не достижимо.
Кроме того, недостатком известной акустической линзы являются большие габариты (диаметр, толщина), низкое поперечное разрешение, не превышающее дифракционный предел, сложная форма поверхности линзы и невозможность формирования области фокусировки непосредственно за теневой границей линзы.
Задача полезной подели - повышение локализации сфокусированного акустического поля до субволнового значения - меньше классического дифракционного предела - при снижении минимальных размеров линзы до величины порядка одной длины волны.
Поставленная задача достигается тем, что в акустической линзе для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью, содержащей преломляющую среду из акустически проводящего материала с границами раздела с окружающей средой со скоростью звука в преломляющей среде не более 2.5 раз, чем скорость звука в окружающей среде, линза выполнена в виде трехмерной частицы с характерными размерами порядка длины волны акустического излучения в среде, с относительной скоростью звука в материале частицы по отношению к скорости звука в материале среды не менее 1.1 и относительным волновым сопротивлением не более 25.
При этом линза выполнена сферической формы диаметром не менее длины волны акустического излучения в среде.
При этом линза выполнена цилиндрической формы диаметром не менее длины волны акустического излучения в среде.
При этом линза выполнена кубической формы с размером грани не менее длины волны акустического излучения в среде.
При этом линза выполнена в виде конической пирамиды с размером основания не менее длины волны акустического излучения в среде.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящей полезной модели критерию «новизна».
Благодаря реализации отличительных признаков полезной модели объект приобретает технический результат - это два принципиально новых, весьма важных свойства.
- Область фокусировки акустического излучения заявляемой акустической линзы для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью находится непосредственно за теневой поверхностью линзы 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,
- Минимальный размер акустической линзы для формирования области фокусировки может составлять величину порядка длины волны акустического излучения в среде.
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков полезной модели на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие полезной модели критерию «изобретательский уровень».
В заявляемой полезной модели акустическая линза для формирования области фокусировки выполнена в виде трехмерной акустически проводящей частицы с характерным размером порядка длины волны акустического излучения в среде, формирующим область фокусировки (локализации) акустического излучения непосредственно за теневой поверхностью линзы, имеющей протяженность вдоль направления распространения излучения порядка 1-5 длин волн и в поперечном направлении  d порядка 1/4…1/3 длины волны акустического излучения в окружающей среде на уровне половинной мощности (т.е. меньше классического дифракционного предела).
На Фиг. 1 приведена схема устройства акустической линзы для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью в случае выполнения линзы сферической формы, или кубической формы, или в виде конической пирамиды.
На Фиг. 2 приведены примеры результатов математического моделирования взаимодействия акустической волны со сферической частицей диаметром, равным двум длинам волн излучения, и со скоростью звука в материале линзы, превышающей скорость
звука в окружающей среде в 1.1-2.5 раз, и с различными величинами относительного волнового сопротивления.
Обозначено:
1 - падающий на линзу акустический плоский волновой фронт,
2 - акустическая линза,
3 - формируемая область фокусировки,
d - поперечный размер сфокусированного излучения на уровне половинной мощности.
Линза, выполненная в виде частицы сферической формы, или цилиндрической формы, или кубической формы, или в виде конической пирамиды, или в виде трехмерной частицы с характерным размером, кратным длине волны акустического излучения в среде, работает следующим образом. Плоская волна 1 от источника акустического излучения, падая на линзу 2, проникает внутрь акустически проводящего материала. Поскольку излучение внутри линзы в окрестности ее края распространяется с большей фазовой скоростью, чем излучение в центре линзы 2, возникающий набег фазы между различными участками падающей волны приводит к деформациям волнового фронта акустического излучения 1, который при определенных параметрах линзы приобретает положительную кривизну (излучение направляется внутрь линзы от края к центру), что соответствует условию фокусировки излучения. В результате формируется локальная область фокусировки с пространственным разрешением менее дифракционного предела 3.
В результате экспериментальных исследований и результатов математического моделирования было обнаружено, что выполнение акустической линзы, например, в форме кубоида или сферы из материала со скоростью звука, по отношению к скорости звука в окружающей среде более 2.5 происходит формирование области фокусировки внутри тела линзы, фиг. 2.
При скорости звука в материале линзы менее 1.1 относительно скорости звука в окружающей среде область фокусировки удаляется от выходной апертуры линзы и происходит ее дефокусировка (размер области фокусировки становиться больше классического дифракционного предела), а интенсивность поля в струе (давление) становится небольшим.
Аналогичные результаты были получены для линз цилиндрической, сферической, конической формы. Экспериментально обнаружено, что такие частицы (куб, сфера, цилиндр, коническая пирамида с указанными характерными размерами и относительной скоростью звука позволяют сформировать указанные области фокусировки 3 с поперечным размером d, меньшим классического дифракционного предела. То есть такие частицы обладают субдифракционным поперечным размером области фокусировки до одной четверти длины волны при длине области фокусировки до нескольких единиц акустической длины волны в среде.
Минимальный размер акустической линзы 2 составляет порядка длины волны используемого акустического излучения 1, поэтому размер апертуры линзы равен примерно длине волны падающего волнового фронта. При размере линзы менее длины волны акустического излучения способность фокусировки излучения в с субдифракционным поперечным размером области фокусировки не сохраняется.
В результате проведенных исследований было обнаружено, что акустическая линза для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью сохраняет свои фокусирующие свойства на гармониках излучения. Таким образом, линза сохраняет свою работоспособность с размером, кратным длине волны акустического излучения в среде.
Установлено, что при увеличении величины относительного волнового сопротивления линзы происходит уменьшение интенсивности акустического поля в области фокусировки и увеличении относительного волнового сопротивления материала линзы более 25 интенсивность поля в области фокусировки уменьшается более чем в 5 раз. При относительной скорости звука в материале линзы по отношению к скорости звука в среде менее 1.1 значение интенсивности поля в области фокусировки (давление) становится менее 2 (по отношению к интенсивности поля (давлении) в падающей волне, а при относительной скорости звука более 2.5 эффекта фокусировки практически не наблюдается - область повышенной интенсивности находится внутри проницаемой (акустически проводящего материала) частицы.
Таким образом, совокупность заявляемых признаков позволяет достичь поставленной задачи и обеспечить область фокусировки акустического излучения заявляемой акустической линзы 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, при минимальном размере акустической линзы порядка длины волны акустического излучения в среде.
Материал линзы может быть различным и зависит от акустических свойств окружающей линзу среды (см. Таблица 1, Фиг. 2). Например, в воде со скоростью звука с=1480 м/с и с акустическим волновым сопротивлением rc=1.48 линза может быть выполнена, например, из акрила со скоростью звука в материале с=2670 м/с (относительная скорость звука 1.8) и rc=3.15 (относительное волновое сопротивление 2.1) или полиамида (относительная скорость звука 1.77) и rc=2.88 (относительное волновое сопротивление 1.95). Для линзы из титана со с=6230 м/с и rc=28.3, в окружающей среде из меди с=4700 и rc=41.8 (относительная скорость звука 1.33), (относительное волновое сопротивление 1.48) и, например, для линзы из стали с=5940 м/с (относительная скорость звука 1.39) и rc=46.6 материале окружающей среды - стекло с=4260 м/с и rc=15.3 (относительное волновое сопротивление 3.05) сохраняется возможность формирования для формирования области 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 и при минимальном размер акустической линзы порядка длины волны акустического излучения в среде.
Акустическая линза для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью может быть изготовлена из композиционных материалов [И.В. Гусенко, В.Ю. Кунаев, Р.А. Михальцов. Композиционный пьезоматериал с высокой удельной поверхностью // Инженерный вестник Дона, №2, 2007, с. 132-136; А.В. Смирнов, И.В. Синев, А.М. Шихабудинов. Акустические свойства композита 0-3 на основе вольфрама и полистирола. // Ж-л «Радиоэлектроника», 2012, №12; патент РФ №2280250 и т.д].
3
3
3
Например, в композитах на основе пористой керамики достижимы плотности материала от 3.3 г/см до 7.4 г/см и скорости звука от 3870 м/с до 600 м/с. С ростом пористости падают значения плотности материала, скорости звука. В композитах на основе вольфрама и полистирола в зависимости от концентрации вольфрама скорость звука изменяется от 900 до 1700 м/с. В патенте РФ №2280250 приведены примеры композитов с плотностью 8.79…9.0 г/см и продольной скоростью звука, изменяющейся в пределах 6682-5772 м/с.
3
3
3
Например, в композитах на основе пористой керамики достижимы плотности материала от 3.3 г/см до 7.4 г/см и скорости звука от 3870 м/с до 600 м/с. С ростом пористости падают значения плотности материала, скорости звука. В композитах на основе вольфрама и полистирола в зависимости от концентрации вольфрама скорость звука изменяется от 900 до 1700 м/с. В патенте РФ №2280250 приведены примеры композитов с плотностью 8.79…9.0 г/см и продольной скоростью звука, изменяющейся в пределах 6682-5772 м/с.
Используя в качестве наполнителя металлы с большей скоростью звука в материале можно создать материал с любой величиной скорости звука, но не превышающей максимальной скорости звука одного из компонентов.
Таким образом, в заявляемой акустической линзе для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью формируется область фокусировки с поперечным размером (1/4-1/5)λ, т.е. значительно лучше, чем поперечное разрешение идеальной линзы и с протяженностью области фокусировки (1-5)λ, чем достигается повышение локализации сфокусированного акустического поля до субволнового значения. В заявляемой акустической линзе для формирования области фокусировки непосредственно за теневой поверхностью характерные размеры: толщина и диаметр для осесимметричного случая и толщина, высота и ширина для неосесимметричного случая имеют характерные размеры порядка длины волны излучения, при этом линза может быть выполнена сферической формы диаметром порядка длины волны акустического излучения в среде, быть выполнена цилиндрической формы диаметром порядка длины волны акустического излучения в среде, быть выполнена кубической формы с размером грани порядка длины волны акустического излучения в среде, быть выполнена в виде конической пирамиды с размером основания не менее длины волны акустического излучения в среде.
Этим достигается снижение минимальных размеров линзы: толщины в 4-5 раз, поперечных размеров не менее чем в 100 раз.