Акустический диод Российский патент 2024 года по МПК G10K11/00 

Изобретение относится к области физической акустики и может найти применение в ультразвуковой технике, например, в устройствах ультразвуковой медицинской диагностики или неразрушающего контроля, устройствах шумоподавления и для визуализации с высоким разрешением.

Акустический диод - устройство, пропускающее звуковую волну только в одну сторону. Односторонний поток звука обеспечил бы более яркие и четкие ультразвуковые изображения за счет устранения акустических помех, вызванных звуковыми волнами, идущими в двух направлениях одновременно и интерферирующими друг с другом.

Известны устройства акустического диода, состоящие из двух половинок: нелинейной акустической среды и фононного кристалла [Bin Liang, Во Yuan, and Jian-chun Cheng. Acoustic Diode: Rectification of Acoustic Energy Flux in One-Dimensional Systems // Physical Review Letters, 103, 104301 (2009), DOI: 10.1103/PhysRevLett. 103.104301; B. Liang, X. S. Guo, J. Tul, D. Zhang and J.C. Cheng. An acoustic rectifier // Nature Materials, Vol 9, December, pp. 989-992]. Если эта звуковая волна вначале попадает в нелинейную среду, то как раз из-за нелинейности она частично превращается в волну удвоенной частоты. Далее эта комбинация волн переходит в фононный кристалл; исходная волна там поглощается, а волна на удвоенной частоте спокойно проходит вперед. Если же запустить начальную звуковую волну с другого торца, то она первым делом упрется в фононный кристалл и просто отразится назад.

Известно устройство акустического диода по патенту US 8511423 В2, МПК G01K 11/00 (2006.01), включающее в себя фононную кристаллическую среду, состоящую из двух частей: периодических слоев воды и стекла (фотонный кристалл) и нелинейной акустической среды. Нелинейная акустическая среда представляет собой слой ультразвукового контрастного вещества суспензии микропузырьков. Контрастное вещество ультразвука - это гель, который широко используется в ультразвуковой дефектоскопии для повышения качества визуализации, ультразвуковой диагностики. Когда акустическая волна определенной частоты проходит через суспензию микропузырьков контрастного вещества, она будет частично преобразовываться в волну с удвоенной частотой.

Недостатками известных устройств являются:

- сложность конструкции и состава, требующая, в частности, разработки специальных материалов (гель с нелинейными акустическими свойствами);

- узкополосность, поскольку эффект одностороннего пропускания звука проявляется только в узких диапазонах частот;

- искажение исходных характеристик звуковых колебаний, поскольку эффект одностороннего пропускания выражен только для удвоенной частоты звука.

Известно устройство одностороннего пропускания звука по патенту РФ 2465578, МПК G01N 29/00 (2006.01), состоящее из двух сред, непосредственно примыкающих друг к другу по их плоским границам, выполненных из материалов с наибольшим отношением Z2/Z1, где Z2 и Z1 - акустические сопротивления контактирующих сред, а на плоской поверхности среды с наибольшим значением акустического сопротивления выполнены пустотелые углубления прямоугольной формы, суммарная относительная площадь Р которых, подчиняется соотношению:

β=(Z₂-Z₁)/2Z₂,

при этом глубина 1 углублений устанавливают из соотношений 0<7≤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. Например, 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=l,45*10⁵), которые не вступают друг с другом в химическое взаимодействие.

Из технической литературы известно, что коэффициент отражения акустической волны от границы раздела двух сред пропорционален относительному акустическому сопротивлению этих сред [Е. Гидеман, Кельн. Ультразвук // Успехи физических наук, Т. XVI, вып. 5, 1936; с. 586-656.]. Поэтому акустическая волна не проникает в среду с относительно большим акустическим сопротивлением из среды с малым акустическим сопротивлением, а отражается от нее.

Недостатком известного устройства является его сложность, узкополосность и низкая эффективность.

Известно устройство акустического вентиля по патенту РФ 2465580, МПК G01N 29/00 (2006.01), содержащее звукопровод из однородного материала и два акустически связанных с его торцами приемно-передающих акустических преобразователя, причем звукопровод включает, по меньшей мере одну пустотелую внутреннюю область, поперечный размер которой однонаправленно монотонно изменяется вдоль звукопровода.

Внутри звукопровода размещена пустотелая замкнутая область, поперечный размер которой однонаправленно изменяется по длине звукопровода, в простейшем случае от нуля до максимума по прямой образующей, т.е. в форме конической поверхности.

Недостатком известного устройства является его низкая эффективность.

В других устройствах используется двумерный фононный кристалл, который с одного торца является для звуковой волны гладким, а с другого торца - шероховатым. Попадая с гладкого торца; звуковая волна нужной частоты отражается, а попадая с шероховатой стороны - она проходит насквозь и лишь отклоняется вбок.

Известен акустический диод, состоящий из дифракционной решетки расположенной на гладкой однородной подложке [Hong-xiang Sun, Shu-yi Zhang, and Xiu-ji Shui. A tunable acoustic diode made by a metal plate with periodical structure // Applied Physics Letters 100, 103507 (2012); doi: 10.1063/1.3693374]. Акустический диод реализован на тонкой латунной пластине с односторонней периодической прямоугольной решеткой, погруженной в воду.

Известно устройство акустического диода, состоящего из концентрической дифракционной решетки на одной стороне однородной пластины с центральным отверстием [Wang JiWei, Yuan BaoGuo, Cheng Ying & LIU XiaoJun. Unidirectional acoustic transmission in asymmetric bull's eye structure // Sci China-Phys Mech Astron, 2014,' doi: 10.1007/sl 1433-014-5517-у].

Известно устройство акустического диода в соответствии с патентом WO 2014/146294 А1, МПК Н03Н 9/25 (2006.01), А61В 8/00 (2006.01), состоящего из периодической акустической решетки, имеющей множество решеток, и однородной пластины, отделенной от периодической акустической решетки с резонансной полостью. Акустическая волна, падающая на акустическую решетку, проходит через нее, волна, падающая на однородную пластину, отражается и не проходит вперед.

Известно устройство акустического диода, состоящего из акустической асимметричной решетки [Zhaojian Не, Shasha Peng, Yangtao Ye, Zhongwei Dai, Chunyin Qiu, Manzhu Ke, Zhengyou Liu. Asymmetric acoustic gratings // Applied Physics Letters 98, 083505, 2011]. Работа устройства основана на одностороннем дифракционном эффекте, индуцированного по разным периодам прорези на обеих поверхностях решетки.

Известно устройство акустического диода, состоящего из акустической асимметричной решетки, нанесенной с двух сторон однородной пластины [Jie LI, Jiu-jiu CHEN. Unidirectional and tunable acoustic diode made by asymmetric double layer metallic grating with periodical structure // 2016 Symposium on Piezoelectricity, Acoustic waves, and Device Applications, Oct. 21-24, Xi'an, Shaanxi, CHINA, pp. 389-392.].

Известно устройство акустического диода по патенту US 99499721, состоящего из периодической акустической решетки и однородной пластины, отделенной от периодической акустической решетки резонансной полостью.

Недостатком известных устройств является их узкополосность, сложность и низкая эффективность.

Известно устройство акустического диода на основе несимметричного фотонного кристалла [Xuefeng Zhu, Xinye Zou, Bin Liang, and Jianchun Cheng. One-way mode transmission in one-dimensional phononic crystal plates // Journal of Applied Physics 108, 124909 (2010); doi: 10.1063/1.3520491; Xue-Feng Li, Xu Ni, Liang Feng, Ming-Hui Lu, Cheng He, and Yan-Feng Chen. Tunable Unidirectional Sound Propagation through a Sonic-Crystal-Based Acoustic Diode // Physical Review Letters, 106, 084301 (2011)].

Акустический диод на основе фотонного кристалла может быть выполнен в виде би-призмы [Joo Hwan Oh, Hoe Woong Kim, Pyung Sik Ma, Hong Min Seung, and Yoon Young Kim. Inverted bi-prism phononic crystals for one-sided elastic wave transmission applications // Applied Physics Letters 100, 213503 (2012), http://dx.doi.org/10.1063/1.4721485].

Недостатком известного устройства является его узкополосность, сложность и низкая эффективность.

В акустическом диапазоне длин волн для субволновой фокусировки используются звукопроводящие мезоразмерные линзы с возможностью фокусировки излучения непосредственно за теневой границей частицы в область фокусировки (акустострую) с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел, при этом скорость звука в преломляющей среде не превышает скорость звука в окружающей среде больше чем в 2,5 раза [Патенты РФ 167049, 175684, 2654387].

Фокусирующее устройство на основе звукопроводящей линзы формирует область 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 λ, и с протяженностью области фокусировки (1-5)λ, чем достигается повышение локализации сфокусированного акустического поля до субволнового значения и существенное повышение интенсивности акустического поля в фокальной области.

Наиболее близким устройством к заявляемому изобретению, принятым за прототип (RU 202522 U1 (СГУГиТ), 20.02.2021.), является акустический диод, состоящий из треугольной мезоразмерной звукопроводящей линзы фокусирующей излучение с пространственным разрешением, не менее дифракционного предела и выполненной из решетки соосных V-образных параллельных пластин, при этом пластины выполнены из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды.

Недостатком устройства является его низкая эффективность и сложная коническая форма звукопроводящей частицы.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно создание простого мезоразмерного акустического диода с плоскими гранями и высокой эффективностью.

Указанная задача решена благодаря тому, что в акустическом диоде, содержащем мезоразмерную звукопроводящую линзу фокусирующей падающее на нее излучение с пространственным разрешением, не менее дифракционного предела и выполненной из решетки соосных параллельных V-образных пластин, при этом относительный показатель преломления материала акустического диода зависит только от физической длины параллельных пластин или от угла наклона этих пластин по отношению к падающему излучению и акустический диод имеет форму кубоида с размером ребер граней не менее 3λ, где λ длина волны акустического излучения.

Заявляемый акустический диод обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для изделий подобного назначения и неизвестных из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки на полезную модель.

На Фиг. 1 показана схема акустического диода.

На Фиг. 2 показан внешний вид акустического диода на частоту излучения 5000 Гц, изготовленного на 3D принтере. Акустический диод был изготовлен методом 3D печати из ABS пластика. Параметры воздуха принимались равными: плотность 1,21 кг/ м³, скорость звука 343 м/с, ABS пластик: плотность 1050 кг/м³, скорость звука 2250 м/с.

На Фиг. 3 показано распределение интенсивности поля, сформированного звукопроводящей кубоидной линзой в прямом (а) и обратном (б) направлениях с характерным размером порядка 3λ на частоте 5000 Гц и расположенной в воздухе, с углом раствора V-образных пластин равного 124 градуса.

Результаты моделирования были получены с использованием 2D- акустической модели COMSOL Multiphysics Modeling ©. Акустический мезоразмерный кубический пластинчатый акустический диод, предназначенный для работы в воздухе, имел размер ребер граней ≈3λ, расстояние между пластинами λ/6, толщина пластин около 0,02λ, где λ - длина волны акустического излучения, полный угол раствора пластин α=1240, частота акустического излучения 5000 Гц.

Обозначения: 1 - направление падения акустического излучения на звукопроводящую частицу в «прямом направлении», 2 - кубоидная звукопроводящая линза, образованная из V-образных пластин, установленных под углом α, 3 - формируемая область повышенной интенсивности поля с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 - акустоструя.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

При выполнении акустического диода с плоскими гранями в форме кубоида составленного из решетки соосных параллельных V-образных пластин и с величиной импеданса материала пластин отличного от импеданса окружающей среды, с углом раствора пластин α было установлено на основе математического и физического моделирования, что положение формируемой области фокусировки вблизи теневой поверхности акустического диода зависит от структуры искусственной среды из параллельных пластин и их ориентации. Механизм субволновой фокусировки в рассматриваемом акустическом диоде заключается в интерференции волны диафрагмирующей на углах кубоида и элементарных волн, зарождающихся за щелями между пластинами, при облучении кубоидной линзы волной с плоским волновым фронтом. При облучении акустического диода, на его поверхности возникают поверхностные волны, которые и возбуждают волны в щелях между пластинами.

В случае падения акустического излучения с вогнутой стороны V-образных пластин (прямое направление) на теневой поверхности кубоида может формироваться субволновая область фокусировки излучения - акустоструя. При падении акустического излучения со стороны вершины V-образных пластин (обратное направление), акустическое излучение не проходит на теневую поверхность звукопроводящей частицы.

В прямом направлении падающее излучение 1 освещает звукопроводящую частицу 2, которая в результате дифракции и интерференции волн фокусирует это излучение в акустострую 3, которая возникает непосредственно на ее теневой границе. Таким образом, достигается максимальное пропускание акустического излучения в «прямом» направлении.

В обратном направлении акустическое излучение 1 падает со стороны вершины V-образных параллельных пластин, образующих кубоидную звукопроводящую линзу 2. В результате дифракции и интерференции волн акустическое излучение 1 не проходит через акустический диод 2 и на теневой грани кубоида не возникает область фокусировки излучения 3, что обеспечивает минимальное пропускание акустического излучения в «обратном» направлении.

Выполнение пластин, составляющих искусственную среду из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды, позволяет эффективно распространяться акустическим волнам между наклонно расположенными пластинами. При этом V-образные пластины для акустического диода, предназначенного для работы, например, в воздухе могут быть изготовлены из различных металлов, керамики или пластика.

Ключевой особенностью мезоразмерного акустического диода, образованного системой соосных параллельных V-образных пластин кубоидной формы является то, что его свойства зависят в первую очередь не от материала, из которого он сделаны, а от угла наклона V-образных параллельных пластин, образующих внутреннюю структуру диода, а внешняя форма диода может быть достаточно произвольной.

Достоинством предлагаемого акустического диода является независимость его свойств от параметров окружающей среды, так как материал окружающей среды находится в структуре диода, а ее относительный показатель преломления зависит только от физической длины параллельных пластин или от угла наклона этих пластин по отношению к падающему излучению.

Акустический диод кубоидной формы позволяет повысить эффективность устройства - отношение интенсивности акустического излучения в «прямом» и «обратном» направлениях, по сравнению с прототипом, в 2-3 раза и упростить его за счет изготовления акустического диода с плоскими гранями.

Изобретение относится к акустике. Акустический диод, содержащий мезоразмерную звукопроводящую частицу, фокусирующую падающее на нее излучение с пространственным разрешением не менее дифракционного предела и выполненную из решетки соосных параллельных V-образных пластин, при этом пластины выполнены из материала с величиной импеданса, отличной от импеданса окружающей среды. При этом относительный показатель преломления материала акустического диода зависит только от физической длины параллельных пластин или от угла наклона этих пластин по отношению к падающему излучению и акустический диод имеет форму кубоида с размером ребер граней не менее 3λ, где λ - длина волны акустического излучения. Технический результат – получение простого мезоразмерного акустического диода с плоскими гранями и высокой эффективностью. 3 ил.

Акустический диод, содержащий мезоразмерную звукопроводящую частицу, фокусирующую падающее на нее излучение с пространственным разрешением не менее дифракционного предела и выполненную из решетки соосных параллельных V-образных пластин, при этом пластины выполнены из материала с величиной импеданса, отличной от импеданса окружающей среды, отличаюшийся тем, что относительный показатель преломления материала акустического диода зависит только от физической длины параллельных пластин или от угла наклона этих пластин по отношению к падающему излучению и акустический диод имеет форму кубоида с размером ребер граней не менее 3λ, где λ - длина волны акустического излучения.