СПОСОБ ОДНОСТОРОННЕГО ПРОПУСКАНИЯ ЗВУКА Российский патент 2012 года по МПК G01N29/00 

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 одностороннего акустического согласования сред» (Патент №2413212 RU, МПК G01N 29/00, опубл. 27.02.2011. Бюл. №6). По этому способу в среде с более низким значением акустического сопротивления на ее плоской контактной границе выполняют пустотелые углубления прямоугольной формы (в продольном разрезе). Полное (стопроцентное) акустическое согласование сред обеспечивают удовлетворением двух требованиям: 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 контактирующих 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.

Указанное акустическое согласование двух сред является односторонним, обеспечиваемым только для направления падения звука на границу акустического контакта со стороны среды, в которой выполнены углубления. При падении звука на границу контакта с противоположной стороны, т.е. из среды с более высоким акустическим сопротивлением, налицо акустическое рассогласование контактирующих сред. Таким образом, рассматриваемый способ-прототип заявляемого - обладает свойством неравного пропускания звука через границу акустического контакта двух сред.

Недостатком указанного способа-прототипа является низкая степень выраженности акустического рассогласования контактирующих сред в общем случае в сравнении с полным акустическим согласованием тех же сред при выполнении условий (1) и (2). Этот недостаток является очевидным следствием задачи, которая решалась при создании способа-прототипа: обеспечить полное пропускание звука в определенном направлении через созданную границу акустического контакта. Задачи обеспечения непропускания звука в обратном направлении через ту же границу в способе-прототипе не ставилось.

Целью изобретения является обеспечение эффекта одностороннего пропускания звука через плоскую границу акустического контакта двух сред в случае, когда в среде с более низким значением акустического сопротивления выполняют пустотелые углубления прямоугольной формы.

Поставленная цель достигается за счет того, что в среде с более низким значением акустического сопротивления на ее контактной границе выполняют углубления прямоугольной формы (в продольном разрезе), суммарную относительную площадь β которых, занимаемую ими на контактной границе, подчиняют соотношению (1), а глубину l устанавливают из соотношений

или

где все обозначения прежние, причем контактирующие среды выбирают с максимально возможным отношением Z₁/Z₂ 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). При этом интервал (3) для глубин углублений является существенно новым в сравнении с прототипом и с выражением (5) никак не пересекается. Что касается сопоставления выражений для глубин l (4) и (5), то, очевидно, последнее является частным узким случаем первого. Таким образом, различия в глубине выполняемых пустотелых углублений в среде с более низким 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 контактирующие среды выбирают с максимально возможным отношением Z₁/Z₂ их акустических сопротивлений 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 контактирующих 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 контактирующих 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 чертеже 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 Z₁/Z₂, причем Z₁>Z₂>0. Это могут быть две твердые среды (например, вольфрам и магний: Z₁/Z₂=10), твердая среда и жидкость (например, платина и ацетон: Z₁/Z₂=89) или твердая среда и газ (например, золото и воздух: Z₁/Z₂=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 контакте 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 чертеже не показаны). Если звуковые колебания падают на границу справа (см. чертеж), они практически беспрепятственно проникнут во вторую среду с акустическим сопротивлением Z₁. Если же колебания будут падать на границу контакта сред слева, они будут практически полностью отражены в обратном направлении, и во вторую среду с акустическим сопротивлением Z₂ 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 R₂₁ звука, падающего на границу контакта 3 справа (см. чертеж), равен

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

где k - волновое число (k=2π/λ₂), j - мнимая единица, остальные обозначения прежние. Полагая l=0,5λ₂m, m=0, 1, 2, 3, …, получим Z_вx,2=Z₁. Тогда выражение (6) упростится

Теперь положим R₂₁=0 и, решая полученное уравнение относительно β, получим выражение (1) и зафиксируем β. При таком β обеспечивается полное акустическое согласование и, следовательно, полное пропускание звука при падении его на границу контакта «справа» (см. рисунок). Что касается прохождения звука при падении его на границу контакта «слева» (см. рисунок), то соответствующий амплитудный коэффициент отражения равен

Подставляя в последнее выражение фиксированное β из (1), мы получим для R₁₂ выражение: R₁₂=(Z₂-Z₁)/Z₁. Очевидно, R₁₂ от l не зависит, с одной стороны, и является отрицательным, не равным нулю, с другой стороны. То есть достижения полного согласования контактирующих сред для звука, падающего на границу «слева», не происходит. При этом максимальное отражение звука (по модулю R₁₂) будет наблюдаться при увеличении отношения Z₁/Z₂. Теоретически при Z₁/Z₂→∞ получаем R₁₂→-1. Таким образом, в заявленном способе, действительно, может быть обеспечено одностороннее пропускание звука при падении его на границу контакта со стороны среды с более низким значением акустического сопротивления, в которой выполнены прямоугольные углубления.

Однако общее решение поставленной в заявляемом способе задачи с обоснованием заявленных интервалов для глубины l углублений 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

где все 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 минимальное значение этой величины, равное 0 (при постоянстве величины (Z₁-Z₂)/Z₁), достигается при kl=πm, m=0, 1, 2, 3, … . Это и есть условие полного пропускания звука при падении его на границу контакта со стороны среды с более низким значением акустического сопротивления. Вместе с тем, табулирование функции |Sin kl| показывает, что в пределах изменения ее аргумента

(0,5n-0,05)≤l/λ₂≤(0,5n+0,05), n=1, 2, 3, …,

сама функция изменяется в пределах 0≤|Sin kl|≤0,316. В то же время (Z₁-Z₂)/Z₁)≤1. Это означает, что в указанных выше интервалах l квадрат функции , т.е. доля отраженной (задержанной) энергии звука, лежит в пределах от 0 до 0,1 (доля прошедшей энергии - 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=0,05. Точное значение минимальной глубины пустотелых углублений указать проблематично, т.к. подобные расчеты являются приближенными, а их результат зависит от соотношения Z₁/Z₂ (см., например, Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов / [И.А.Рогов, В.Я.Адаменко, С.В.Некрутман и др.]; под ред. И.А.Рогова. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - С.240).

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.).

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.

1. Способ одностороннего пропускания звука через плоскую границу акустического контакта двух сред, включающий создание в среде с более низким 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≤0,05λ₂ или
(0,5n-0,05)λ₂≤1≤(0,5n+0,05)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 отношением Z₁/Z₂ их акустических сопротивлений из набора доступных материалов.