Фокусирование звуковых и ультрозвуковых волн - Каневский И.Н.
Скачать (прямая ссылка):
Перечисленные направления объединяет общность физических явлений, протекающих при фокусировании упругих волн.
Фокусирование упругих волн, в общих чертах, сходно с фокусированием световых волн: в обоих случаях фокусирование осуществляется преобразованием волновых фронтов при помощи устройств, изменяющих направление распространения волны и длину волнового пути. Однако, наряду с общностью, между фокусированием упругих и световых волн имеются существенные различия. В оптике, как правило, имеют дело с некогерентными волнами, длина которых составляет ничтожную долю (стотысячную или миллионную) линейных размеров фокусирующего устройства; в акустике волны всегда когерентны и обычно их длина лишь в несколько раз меньше линейных размеров фокусирующего устройства. Поэтому при фокусировании в акустике существенное влияние оказывают интерференционные явления, роль которых в оптике незначительна.
Имеется существенное различие между импедансами материалов фокусирующих устройств в оптике (для
ВВЕДЕНИЕ
9
электромагнитных волн) и в акустике (для упругих ноли); в последнем случае импеданс может изменяться is столь широких пределах, что без учета этого явления рассчитать акустическую фокусирующую систему практически невозможно.
Показатели преломления материалов в оптике всегда больше единицы, тогда как в акустике они могут быть больше и меньше единицы. Это открывает возможность создания акустических собирающих линз как с выпуклыми, так и с вогнутыми поверхностями, а также дополнительную возможность (по сравнению с оптикой) корректирования фазовой аберрации.
Фокусирование упругих волн твердыми рефракторами осложняется частичным преобразованием продольных волн в поперечные, вследствие чего возникают два фокуса на оси системы. Это явление не наблюдается в оптике.
Если при расчете оптических фокусирующих систем, как правило, можно использовать методы геометрической оптики, то при расчете акустических систем в подавляющем большинстве случаев необходимо учитывать дифракционные явления; «геометрическая акустика» (в таком же понимании, как геометрическая оптика) имеет весьма ограниченную область применения.
Перечисленные основные различия между фокусированием оптических и звуковых волн не позволяют перенести оптические методы и расчеты на акустические системы и вызывают необходимость разработки специальных методов проектирования фокусирующих устройств для упругих волн.
Несмотря на то, что эффекты фокусирования звуковых волн при отражении от вогнутых поверхностей были известны «много веков назад и описывались еще в XVII веке (Кирхнер, 1673), а первые опыты с собирающими звуковыми линзами и зональной пластинкой были проведены в середине и конце XIX века (Зондхауз, 1852; Хаех, 1856; Гезехус, 1886; Рэлей, 1888), регулярные исследования начали проводиться только в начале XX века, когда появились источники звуковых и ультразвуковых волн и были разработаны сравнительно простые и надежные методы их регистрации (Леонтьев, 1925; Хопвуд, 1929; Обата и Иосида, 1930; Гройцмахер,
10
ВВЕДЕНИЕ
1935; Без-Бардили, 1935). Первые теоретические исследования звуковых рефлекторов с использованием теории дифракции были проведены во Франции Ро,каром (1932) и в СССР Гутиным (1935). Исследованием фокусирования упругих волн занимались в нашей стране и за рубежом многие ученые.
В 1949 г. вышла книга Л. Д. Розенберга «Звуковые фокусирующие системы», подводящая итог исследований фокусирования упругих волн различными авторами и обобщающая результаты теоретических и экспериментальных работ в этой области.
В связи с бурным развитием акустики, в частности ультразвуковой техники, за прошедшие два десятилетия после выхода .книги Л. Д. Розенберга (1950—1970 гг.) появилось большое количество работ по фокусированию упругих волн. К ним следует прежде всего отнести фундаментальные работы Л. Д. Розенберга, в том числе «Фокусирующие излучатели ультразвука» (раздел монографии «Источники мощного ультразвука», «Наука», M., 1967), опубликованные в 1950—1967 гг., и основополагающие исследования методов расчета и измерения параметров акустических фокусирующих устройств Б. Д. Тартаковского, опубликованные в 1951—1963 гг. Благодаря работам Розенберга и Тартаковского в нашей стране вопросы фокусирования звуковых и ультразвуковых волн получили дальнейшее развитие в трудах многих исследователей.
Несмотря на обилие публикаций по фокусированию звуковых и ультразвуковых волн, по этой теме отсутствуют не только монографии, но даже достаточно полные обзоры. Назрела необходимость обобщить результаты работ по фокусированию упругих волн и изложить с единой точки зрения теорию фокусирования этих волн. Это позволит исследователям и разработчикам звуковых и ультразвуковых фокусирующих устройств легко ориентироваться в новых достижениях в области фокусирования упругих волн и использовать в своих работах ре зультаты, достигнутые в смежных областях звуковой и ультразвуковой техники.
Обобщение результатов по фокусированию упругих волн представит интерес для специалистов не только в области акустики и ультразвуковой техники, но и в
