CC BY
16
УДК 621.372.81
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ
Игорь Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: prof.minin@gmail.com
Олег Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, e-mail: prof.minin@gmail.com
Геннадий Владимирович Шувалов
Сибирский научно-исследовательский институт метрологии, 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова, 4, кандидат технических наук, директор, тел. (383)210-17-26, e-mail: shuvalov@sniim.ru
Галина Вячеславовна Симонова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры метрологии и технологии оптического приборостроения, тел. (913)724-67-47, e-mail: simgal@list.ru
Светлана Владимировна Ромасько
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ассистент кафедры метрологии и технологии оптического приборостроения, тел. (383)361-07-45
В статье проведен анализ возможности создания акустической линзы с субдифракционным разрешением.
Ключевые слова: оптика, акустика, линза, дифракция.
ACOUSTIC LENS
Igor V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Professor of the Department of Metrology and Technology of Optical Production chair, tel. (383)361-07-45, e-mail: prof.minin@gmail.com
Oleg V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Professor of the Department of Metrology and Technology of Optical Production chair, tel. (383)361-07-45, e-mail: prof.minin@gmail.com
Gennady V. Shuvalov
Siberian Research Institute of Metrology, 630004, Russia, Novosibirsk, 4 Dimitrova Prospect, Ph. D., Director, tel. (383)210-17-26, e-mail: shuvalov@sniim.ru
Galina V. Simonova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate Professor of the Department of Metrology and Optical Instrumentation Technology, tel. (913)724-67-47, e-mail: simgal@list.ru
Svetlana V. Romasko
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., assistant of the Department of Metrology and Optical Instrumentation Technology, tel. (383)361-07-45
The article analyzes the possibility of creating an acoustic lens with subdi-fractional resolution.
Key words: optics, acoustics, lens, diffraction.
Задачей акустической линзы является сфокусировать звуковую волну в определенной точке пространства и не допустить рассеивание звука. Акустическая линза похожа по форме на оптическую линзу, однако выполнена из другого материала и наделена иными свойствами. Актуальность рассматриваемой темы обусловлена обширным кругом задач, решаемых с помощью этого технического устройства, однако, недостатком известных акустических линз является большие габариты, относительный диаметр D/X более 10-15, низкое пространственное разрешение, не превышающее дифракционного предела.
Для снижения потерь при прохождении звуковой волны через линзу используют различные формы изменения профиля (плавное, зональное, канальное). Изменение фокусного расстояния линзы может быть получено при использовании податливого материала. Изменение радиуса кривизны в этом случае формируется изменением давления внутри оболочки.
где а - радиус кривизны, г - расстояние от центра или оси линзы.
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 [1], например, акустическая линза, содержащая тонкую звукопроницаемую оболочку, заполненную жидкой средой с двояковыпуклой или двояковогнутой поверхностью [1, 2] и жидкостная звуковая линза [3], 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 также надувная акустическая линза в тонкой резиновой оболочке наполненная углекислым газом с относительным диаметром О/Х = 13.6 на ча-
стоте 10 000 Гц в воздухе, при этом скорость звука в рабочей среде линзы меньше, чем скорость звука в окружающей среде [4].
В качестве объекта исследования выбрана акустическая линза, описанная в патенте РФ № 2192235, выполненная в виде оболочки из податливого материала с плосковогнутыми рабочими поверхностями, заполненной жидкостью, или оболочки с плосковыпуклыми рабочими поверхностями, заполненной углекислым газом. Такая акустическая линза позволяет осуществить фокусировку акустического излучения в жидкости или газе, однако имеет значительные габариты, определяемые, в основном, фокусным расстоянием акустической линзы и ее диаметром, при этом пространственное разрешение, не превышает дифракционного предела для заданных длины волны излучения, диаметра и фокусного расстояния линзы.
В статье рассматривается возможность устранение указанных недостатков, а именно значительное снижение габаритов акустической линзы при повышении пространственного разрешения.
Указанная задача решена благодаря тому, что в акустической линзе, содержащей оболочку из податливого материала, заполненной жидкостью, или оболочки, заполненной газом, предлагается выполнить оболочку устройства в форме кубика с размером ребра не менее Х/2 или в виде сферы с диаметром не менее X, где X длина волны излучения в окружающем пространстве линзы, а вещество, заполняющее оболочку имеет скорость звука относительно скорости звука в окружающей среде лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83.
Предлагаемая акустическая линза, обеспечивает также актуальное расширение приборного арсенала современных акустических устройств фокусировки излучения с субволновыми размерами.
На рисунке показаны результаты моделирования газовой акустической линзы в виде куба в воздухе с относительной скоростью звука в материале линзы равного 0.68 и сферической жидкостной акустической линзы в воде с относительной скоростью звука в материале линзы равного 0.68.
На рисунке видно, «фотонная струя» [5-6] 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 сигнала в области фокусировки, при этом достижимо пространственное разрешение ниже дифракционного предела.
Достоинством предложенной акустической линзы является возможность фокусировки акустического излучения в газе или жидкости с поперечными размерами порядка Х/3 непосредственно за устройством формирующего «фотонную струю» и протяженностью 2-10 X.
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 выделена. При этом максимальная интенсивность поля на оси у кубика выше, чем у сферы в 1.4 раза.
1-I-г
■1 О 1
а) б)
Рис. Результаты моделирования газовой акустической линзы в виде:
а) куба в воздухе на различных материалах с относительной скоростью звука в материале линзы равного 0.68; б) сферической жидкостной акустической линзы в воде с относительной скоростью звука в материале линзы равного 0.68
Для характерных размеров кубика и сферы менее Х/2 «фотонная струя» не формируется.
При относительной скорости звука в рабочем веществе линзы менее 0.83, формируемая «фотонная струя» не обеспечивает эффективной концентрации акустического излучения и примерно более 0.5, «фотонная струя» формируется внутри линзы.
Для акустической линзы предназначенной для работы, например, в воздухе при 0 оС (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 акустической линзы предназначенной для работы в жидкости, например, в воде при 25 оС (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,
Для твердых сред может использоваться звукопроводящий диэлектрик рексолит (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0.645 и т. д.
В качества материала оболочки может использоваться, например, латекс-ная резина.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Каневский И. Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. - М. : Наука, 1977. - С. 3-36.
2. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / под ред. И. П. Голяминой. - М. : Советская энциклопедия, 1979. - С. 176-178.
3. Патент РФ № 441976.
4. Cleon E. Dean and Kendez Parker A ray model of sound focusing with a balloon lens: An experiment for high school students // J. Acoust. Soc. Am. 131 (3), Pt. 2, March 2012, рр. 24592462.
5. Chen Z., Taflove A., Backman V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visiblelight ultramicroscopy technique // Optics Express, 12, № 7, 2004, pp. 1214-1220.
6. Минин И. В., Минин О. В. Квазиоптика: современные тенденции развития. - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. - 163 с.
© И. В. Минин, О. В. Минин, Г. В. Шувалов, Г. В. Симонова, С. В. Ромасько, 2017
