Фокусування звуку - перетворення плоских або розходяться сферичних або циліндричних акустичних хвиль в сходяться. Так само як для оптичних і радіохвиль, фокусування звуку здійснюється методами віддзеркалення або заломлення.
Основними характеристиками якості фокусування звуку є форма і розміри фокальної області і так званий коефіцієнт посилення по звуковому тиску, що є відношенням звукового тиску в центрі (або на осі) фокальної області до тиску на вході системи. Для найпростішого випадку осесиметричного круглого пучка, що сходиться під малим кутом, основна енергія виявляється зосередженою усередині фокального плями, що представляє собою в даному випадку коло радіусом r0 = 0,61λF / R. а коефіцієнт посилення. без урахування втрат, дорівнює К = πR 2 / λF, де λ - довжина хвилі, F - фокусна відстань, R - радіус зіниці фокусуючої системи.
Фокусування ультразвукових променів можна проводити за допомогою лінз на основі закону заломлення. Але при цьому, якщо лінза виготовляється з твердого матеріалу, в якому швидкість звуку більше, ніж у навколишньому середовищі, то збиральної лінзою буде лінза з увігнутими поверхнями (рис. 1), а не з опуклими, як в оптиці.
Знаючи величину швидкості звуку в матеріалі збиральної лінзи (с2) і в навколишньому середовищі (з1), неважко знайти зв'язок між кривизною поверхонь лінзи і її фокусною відстанню для параксіальної пучків. У наближенні, яке зазвичай застосовується в оптиці, отримуємо:
де R1 і R2 - радіуси кривизни поверхонь лінзи, d - її товщина по головній осі; знак мінус відповідає уявному фокусу опуклою лінзи. для якої радіуси кривизни повинні бути прийняті негативними. Для плоско-увігнутої лінзи (R1 = ∞) з радіусом кривизни увігнутій поверхні R2 = R формула (1) дає
Для розрахунку посилення ультразвуку в фокусі збиральної лінзи необхідно враховувати, крім хвильових опорів, такі фактори, як залежність коефіцієнта проходження хвилі через лінзу від кута падіння, від поглинання ультразвуку в матеріалі лінзи, вплив нелінійних ефектів на фокусування ультразвуку.
Фокусування звуку використовується для отримання звукового зображення в звуковізорах, в ультразвуковому мікроскопі, в системах звуковий голографії і т.п .; для формування заданої характеристики спрямованості акустичних випромінювачів і приймачів; в системах сканування ультразвукового променя в приладах медичної діагностики і т.п .; для концентрації ультразвукової енергії з метою її використання в технологічних процесах, в ультразвуковій хірургії і т.п.
Природна фокусування звуку спостерігається, наприклад, в печерах із склепінчастою стелею. Часткова фокусування звуку спостерігається в підводному звуковому каналі в морях і океанах. У процесі фокусування звуку відбувається концентрація енергії звукових хвиль, яка досягає максимальної величини у фокусі, що збігається зазвичай з радіусом кривизни сходиться хвильового фронту. Для фокусування звуку користуються фокусирующими системами, які підрозділяються на активні і пасивні. Перші являють собою увігнутий випромінювач, безпосередньо створює сходиться хвильовий фронт (наприклад, концентратори акустичні), тоді як другі змінюють акустичну довжину шляху kL (де k - хвильове число, L - геометрична довжина шляху) таким чином, що перетворять плоский або розходиться хвильовий фронт в сходиться (наприклад, акустичні лінзи або дзеркала). На малюнку 1 показаний спосіб фокусування за допомогою акустичного дзеркала.
Фокусування за допомогою акустичного дзеркала
Тіньовий метод візуалізації ультразвукових полів зводиться до просвітління ділянок середовища зі зміненим оптичним показником заломлення. Оскільки останній змінюється у фазі з щільністю, т. Е. З тиском, то тіньова фотографія, експонована протягом часу, що значно перевищує період ультразвукових коливань, реєструє загальне просвітлення області середовища, «зайнятої» ультразвуковим пучком, дозволяючи вивчити його структуру і геометрію.
На рис.1 приведена тіньова фотографія ультразвукового пучка, сфокусованого акустичної лінзою.
Тіньова фотографія ультразвукового пучка
Лінза акустична - пристрій для зміни збіжності звукового пучка (фокусування звуку). Подібно оптичної лінзи, акустичні лінзи обмежені двома робочими поверхнями і виконуються з матеріалу, швидкість звуку в якому відмінна від швидкості звуку в навколишньому середовищі, з тим, щоб показник заломлення n відрізнявся від одиниці. Для досягнення найбільшої прозорості хвильовий опір цього матеріалу має бути близько до хвильовому опору середовища, а в'язкі втрати в ньому - мінімальні. Акустичні лінзи можуть бути твердими, рідкими і газоподібними, в останніх двох випадках тверда оболонка лінзи повинна володіти найбільшою прозорістю. Для роботи в рідких середовищах матеріалом лінзи є пластмаси (n = 0,5-0,8), хлороформ, чотирихлористий вуглець (n = 1,3-1,4). Для роботи в газах, наприклад у повітрі, поряд з лінзами, наповненими воднем або вуглекислим газом, застосовуються т. Зв. неоднорідні акустичні лінзи, обсяг яких заповнений кульками, сітками і т. п. Неоднорідні розсіюють повітряні лінзи застосовуються для поліпшення характеристик спрямованості гучномовців. Тверді і рідкі лінзи служать для отримання звукових зображень, для цілей дефектоскопії, медичної діагностики, а також для концентрації ультразвуку при різних його технологічних і біологічних застосуваннях.
1. Фріш С.Е. Тіморева А.В. Курс загальної фізики. Том 1. Фізичні основи механіки. Молекулярна фізика. Коливання і хвилі. - 11 вид. стер. - М. Физматгиз, 1962.- 466 с. мул. Стор. 445.
2. Красильников В.А. Звукові і ультразвукові хвилі: Учеб. Допомога. - 3-е изд. перераб. і доп. - М. Физматгиз, 1960.- 560 с. мул. Стор. 66.
Необхідна підтримка вбудованих фреймів.