Способ одностороннего пропускания звука

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. Техническим результатом изобретения является увеличение степени акустического согласования сред для одного направления распространения звука через границу контакта сред и увеличение степени акустического рассогласования сред для противоположного направления распространения звука. Способ заключается в том, что на контактной границе в среде с более высоким значением акустического сопротивления создают пустотелые углубления прямоугольной формы, суммарную относительную площадь β которых и их глубину 1 устанавливают из приведенных соотношений. 1 з п. ф-лы, 1 ил.

 

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 способ акустического согласования двух сред посредством включения между ними сплошного четвертьволнового «просветляющего» слоя с плоскими границами акустического контакта с исходными средами, причем акустическое сопротивление материала промежуточного слоя выбирают равным среднему геометрическому значению от акустических сопротивлений исходных сред (см., например, Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. - М.: Машиностроение, 1981. - С.36). Указанный способ является низкотехнологичным, т.к. требует для своего осуществления теоретически единственного значения акустического сопротивления материала промежуточного слоя, который может отсутствовать среди известных материалов и требовать новых технологических продуктов. Вместе с тем, упомянутый способ обеспечивает полное (стопроцентное) и двухстороннее акустическое согласование выбранных сред. Последнее касается направления нормального падения звука на промежуточный слой - со стороны условно первой среды в направлении второй или наоборот.

Недостатком этого способа с точки зрения заявляемого является именно двухсторонний характер акустического согласования сред. В подавляющем большинстве технических приложений акустики достаточно одностороннего согласования сред, т.е. обеспечения одностороннего прохождения звука от его источника к заданной нагрузке. Тогда как прохождение звука в обратном направлении может потребоваться затруднить или вообще его исключить. Такое направление физической акустики только начинает разрабатываться в мировой науке и является весьма актуальным (см. http://www. mallex.info//science/Fiziki-sozdali-akusticheskii-diod/. Известные единичные способы одностороннего пропускания звука через специально сконструированные звукопроводные системы являются весьма сложными и изменяют физические характеристики 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 и назначению к заявляемому способу является «Способ акустического согласования сред» (Патент №2036469 RU, МПК G01N 29/24, опубл. 27.05.95. Бюл. №15). По этому способу в среде с более высоким акустическим сопротивлением на ее плоской контактной границе выполняют пустотелые углубления прямоугольной формы (в продольном разрезе). Полное (стопроцентное) и двухстороннее акустическое согласование сред обеспечивают удовлетворением двух требований суммарная относительная площадь β, занимаемая углублениями на плоской контактной границе двух сред, и их глубина l должны подчиняться соотношениям

где Z₂ и Z₁ - акустические сопротивления согласуемых сред, относящиеся соответственно к среде, в которой выполнены углубления, и к среде, не содержащей их,

λ₂ - длина звуковой волны в среде с акустическим сопротивлением Z₂.

Недостаток этого способа тот же, что и у ранее рассмотренного аналога (Ермолов И.Н., цитированный источник) - двухсторонний характер акустического согласования сред и, как следствие, невозможность обеспечить одностороннюю передачу звука.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа акустического согласования двух сред, включающего выполнение в среде с более высоким значением акустического сопротивления на ее контактной границе пустотелых углублений прямоугольной формы, эффекта одностороннего пропускания звука. Поставленная задача решается за счет того, что в способе акустического согласования сред, включающем выполнение в среде с более высоким значением акустического сопротивления на ее контактной границе пустотелых углублений прямоугольной формы, суммарную относительную площадь углублений, занимаемую ими на контактной границе, устанавливают из соотношения (1), а глубину углублений устанавливают из соотношений:

или

(все обозначения прежние), причем сопрягаемые среды выбирают с максимально возможным отношением Z₂/Z₁ их акустических сопротивлений из набора доступных материалов.

Таким образом, в заявляемом способе, в отличие от прототипа, глубину пустотелых углублений устанавливают не из соотношения

,

которое идентично выражению (2) для прототипа, а из соотношений (3) или (4). Соотношения (3)-(5) между собой попарно не пересекаются, поэтому различия в глубине выполняемых пустотелых углублений в среде с более высоким значением акустического сопротивления у двух способов - заявляемого и прототипа - являются существенными и, как будет показано далее, обеспечивают эффект одностороннего пропускания звука.

Другим отличием заявляемого способа от прототипа является условие, что сопрягаемые среды выбирают с максимально возможным отношением Z₂/Z₁ из набора доступных материалов. Как будет показано далее, последнее условие, наряду с условиями (1), (3) или (4), обеспечивают наибольшую степень выраженности эффекта одностороннего пропускания звука в количественном плане, причем варьирование глубины углублений в некоторых интервалах и подбор материалов сопрягаемых сред позволяют избежать узкополосности заявляемого способа, т.к. приводят к вариациям отношения l/λ₂.

Техническим результатом заявленного способа является обеспечение максимальной степени акустического согласования двух сопрягаемых сред при одном направлении падения звука на границу акустического контакта сред и максимальной степени акустического рассогласования тех же двух сред при противоположном направлении падения звука. Именно этот технический результат и позволяет обеспечить максимальную степень пропускания звука (по амплитуде или энергии) через границу акустического контакта в одном направлении и максимальную степень непропускания (блокирования, заграждения) звука при его падении на границу сред в противоположном направлении.

На рисунке схематически показано осуществление заявленного способа.

Заявляемый способ одностороннего пропускания звука осуществляют следующим образом (см. рисунок). Вначале выбирают две среды, первую 1 и вторую 2, с наибольшим отношением Z₂/Z₁, причем Z₂>Z₁>0. Это могут быть две твердые среды (например, вольфрам и магний: Z₂/Z₁=10), твердая среда и жидкость (например, платина и ацетон: Z₂/Z₁=89) или твердая среда и газ (например, золото и воздух: Z₂/Z₁=1,45*10⁵), которые не вступают друг с другом в химическое взаимодействие. Затем в каждой из сред формируют плоскую границу и вводят их в акустический контакт по созданной границе 3, предварительно выполнив во второй среде с акустическим сопротивлением Z₂ пустотелые углубления 4. Относительная площадь, занимаемая углублениями на контактной границе 3, должна удовлетворять соотношению (1), а их глубина - подчиняться одному из соотношений (3) или (4). При контакте двух твердых сред никаких дополнительных мер по сохранению углублений пустотелыми принимать не требуется, а при сопряжении двух жидкостей или твердого тела с жидкостью и т.п. можно воспользоваться тонкими металлическими мембранами или другими аналогичными конструктивными элементами. Затем в одной из сред возбуждают звуковые колебания в направлении, перпендикулярном границе 3 (на рисунке не показаны). Если звуковые колебания падают на границу слева (см. рисунок), они практически беспрепятственно проникнут во вторую среду с акустическим сопротивлением Z₂. Если же колебания будут падать на границу контакта сред справа, они будут практически полностью отражены в обратном направлении, и в первую среду с акустическим сопротивлением Z₁ они почти не попадут.

Теоретические расчеты, подтверждающие сделанные выводы и обосновывающие границы интервалов глубины l углублений, представленные в соотношениях (3) или(4), следующие. Амплитудный коэффициент отражения R₁₂ звука, падающего на границу контакта 3 слева (см. рисунок) равен

обозначения прежние. Полагая R₁₂=0 и решая полученное уравнение относительно β, получим выражение (1). Очевидно, R₁₂ от l не зависит, в том числе - и R₁₂=0 (обеспечение полного согласования для звука, падающего на границу сред слева). Зафиксируем полученное значение β и запишем выражение для амплитудного коэффициента отражения звука при его падении на границу контакта сред справа (см. рисунок).

где Z_вх,2 - входное сопротивление на уровне доньев углублений для звука, падающего на границу контакта справа (см. рисунок), остальные обозначения прежние. На основе теории длинных линий

где k - волновое число (k=2π/λ₂),

j - мнимая единица,

остальные обозначения прежние. Очевидно, Z_вх,2 и R₂₁ от l зависят. При этом, если

мы получим известное техническое решение, взятое в качестве прототипа, для которого R₂₁=0, и налицо полное двухстороннее акустическое согласование сред с отсутствием одностороннего пропускания звука. Если kl=πn, n=0, 1, 2, …, мы математически получаем новое решение, взятое в качестве заявляемого способа. В этом случае при падении звука на границу контакта со стороны среды с более высоким акустическим сопротивлением Z_вx,2=Z₁, R₂₁=(Z₁-Z₂)/Z₂<0. Таким образом, при «полуволновых» углублениях в заявляемом способе, в отличие от «четвертьволновых» углублений в прототипе, достигается максимальное прохождение звука при его падении на границу контакта сред со стороны среды с более низким акустическим сопротивлением и минимальное прохождение звука при его падении на границу сред со стороны среды с более высоким значением акустического сопротивления.

Однако общее решение поставленной в заявляемом способе задачи получается при подстановке в выражение (6) соотношения (7) с последующим нахождением модуля математически комплексного коэффициента отражения т.е. Путем элементарных математических преобразований для последней величины получается выражение

остальные обозначения прежние. Величина определяет долю амплитуды отраженного звука в сравнении с таковой для падающего звука, а квадрат этой величины - долю отраженной энергии. Анализ выражения (8) приводит к выводу, что максимальное значение этой величины, равное 1, достигается при Z₂/Z₁→∞ и одновременно kl=πn, n=0, 1, 2, … Это и есть условие полного непропускания звука при падении его на границу контакта со стороны среды с более высоким значением акустического сопротивления. Вместе с тем, табулирование функции (l/λ₂) показывает, что в пределах изменения ее аргумента

(0,5n-0,095)≤l/λ₂≤(0,5n+0,095), n=1, 2, 3, …,

сама функция изменяется в соответствующих пределах 0,95≤≤1. Это означает, что в указанных пределах квадрат указанной функции, т.е. доля отраженной (задержанной) энергии звука, лежит в пределах от 0,9 до 1, что вполне допустимо из общетехнических соображений при осуществлении заявленного способа и обосновывает существенное условие (4) в его характеристике. Что касается обоснования аналогичного условия (3), необходимо пояснить следующее. Поскольку отрицательные значения величины l/λ₂, а также нулевое ее значение физически невозможны, за нижнюю границу интервала в условии (3) удобно взять l/λ₂>0, а за верхнюю границу интервала в том же выражении - l/λ₂=0,095. При этом следует учесть, что, например, в металлах ультразвуковые волны практически полностью отражаются от тончайших (l≅10^-5 λ₂) пустотелых зазоров, причем в этих случаях R=0,999; R²=0,997 (см. Ермолов И.Н., цитированный источник. - С.37). Точное значение минимальной глубины пустотелых углублений указать проблематично, т.к. подобные расчеты являются приближенными, а их результат зависит от соотношения Z₂/Z₁.

Заявленный способ не требует для своего осуществления создания новых устройств и использования новых веществ. Все процедуры способа могут быть реализованы на известном оборудовании, предназначенном для механической или физико-химической обработки материалов (точение, сверление, фрезерование, пайка, склейка и т.п.) с помощью известных материалов (металлов, пластмасс, керамики, жидкостей, газов и т.п.).

1. Способ одностороннего пропускания звука через плоскую границу акустического контакта двух сред, включающий создание в среде с более высоким значением акустического сопротивления на ее контактной границе пустотелых углублений прямоугольной формы, суммарную относительную площадь β которых, занимаемую ими на границе контакта, подчиняют соотношению

где Z₂ и Z₁ - акустические сопротивления контактирующих сред,
относящиеся соответственно к среде, в которой выполнены углубления, и к среде, не содержащей их,
отличающийся тем, что глубину 1 углублений устанавливают из соотношений
0<1≤0,095λ₂ или
(0,5n-0,095)λ₂≤1≤(0,5n+0,095)λ₂, n=1, 2, 3, …,
где λ₂ - длина звуковой волны в среде с акустическим сопротивлением Z₂.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контактирующие среды выбирают с максимально возможным соотношением Z₂/Z₁ их акустических сопротивлений из набора доступных материалов.