Фокусирование звуковых и ультрозвуковых волн - Каневский И.Н.
Скачать (прямая ссылка):
ГЛ 8]
ЛИНЗЫ
229
тую поверхность. В первом случае Со < C9 сходящийся фронт образуется за счет замедления волн вблизи оси линзы, а во втором C0 > с и сходящийся фронт образуется за счет ускорения волн вдали от оси линзы. Поэтому линзы с N > I называются замедляющими, а с N<. 1—ускоряющими. В оптике всегда ЛГ>1, лоэто-му оптические линзы бывают только замедляющими. В СВЧ-электронике, как и в акустике, возможны линзы обоих типов.
При выборе материала линзы, кроме N9 необходимо учитывать коэффициент прохождения энергии D через границу раздела материала линзы и окружающей ее среды, коэффициент поглощения энергии 2у в материале линзы на рабочей частоте v. Следует стремиться к тому, чтобы импеданс материала линзы р0с0 минимально отличался от импеданса среды рс, а поглощение было мало.
Поскольку упругие волны могут распространяться <в веществах, находящихся їв любом іагрегатном состоянии— твердом, жидком и газообразном, то линзы могут быть изготовлены из твердых тел, жидкостей /или газов. В последних двух случаях жидкость или газ заключают в оболочку, (которая должна быть достаточно танкой, чтобы обеспечить максимальное прохождение энергии и незначительное дополнительное отклонение лучей при преломлении.
В зависимости от симметрии формы линз относительно акустической оси они разделяются на осесим-метричные и цилиндрические. У первых преломляющая поверхность (или поверхности) является телом вращения кривых относительно акустической оси, а у вторых преломляющая поверхность является частью поверхности прямого цилиндра. Вращаемые кривые (в осесим-метричнам случае) или нацравляющие (Кривые (в цилиндрическом случае) могут быть, вообще говоря, самыми разнообразными, но на практике обычно встречаются кривые, симметричные относительно акустической оси. В наших исследованиях мы ограничимся случаями, когда эти кривые являются кривыми второго порядка — эллипсом, гиперболой или окружностью, поскольку они имеют наибольшее значение. Линзы, сечения которых являются кривыми второго порядка, мы
230
линзы
[ГЛ. 8
будем называть !соответственно эллиптическими, гиперболическими и круговыми. Последние названия будем относить каїк к осесимметричным, так їй к цилиндрическим линзам. В зависимости от формы поверхностей линзы бывают плоско-вогнутыми, плоско-выпуклыми, двояковогнутыми, двояковыпуклыми и выпукло-вогнутыми. Линзы с двумя криволинейными поверхностями будем называть двоякокриволинейными.
Линзы, имеющие форму замкнутой сферы или замкнутого прямого кругового цилиндра, будем называть сферообразными и цилиндрообразными. Основная особенность таких линз состоит в том, что фокусирование осуществляется ими одинаково при любом направлении прихода плоской волны (для цилиндрообразных линз предполагается, что нормаль к фронту волны лежит в плоскости, ортогональной цилиндрической поверхности).
В зависимости от свойств материала, из которого изготовлены «линзы, различают однородные линзы, когда показатель преломления N во всем объеме линзы постоянный, и неоднородные линзы, когда N внутри объема линзы изменяется. Неоднородные линзы могут быть с дискретно изменяющимся N и с непрерывно изменяющимся N.
К первым относятся слоистые линзы, состоящие из двух и более слоев материала с различными N; ко вторым относятся линзы Люнеберга (цилиндро- и сферо-образная линзы) и линзы Максвелла (полуцилиндрическая или полусферическая линза), у которых N изменяется непрерывно вдоль радиуса линзы [83].
К однородным линзам относятся зональные линзы, или линзы Тарноци, у которых преломляющая поверхность разбита на зоны максимального прохождения энергии, поскольку в пределах каждой зоны толщина линзы кратна целому числу полуволн [84].
К линзам принято относить систему волноводов, обеспечивающую синфазное сложение волн, прошедших через волноводы, и концентрирующую таким образом энергию упругих волн в малом объеме. Такие линзы называются волноводными [85].
В этой главе мы также кратко остановимся на зональной пластинке, фокусирование которой осуществляется дифракцией волн на кольцах (в сферическом слу-
§ 8.11 СФЕРИЧЕСКИЕ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ЛИНЗЫ 231
*) Поскольку линза безаберрационная, то ее фокусы — параксиальный, волновой и крайний — совпадают друг с другом.
чае) или на полосах (в цилиндрическом случае), закрывающих четные зоны Френеля или оборачивающих фазу волны на я в нечетных зонах Френеля [11]. По терминологии Розенбеїрга зональные шгастинш следует относить к дифракторным фокусирующим устройствам [10], ъ отліичие от линзовых — рефракторов и отражательных — рефлекторов.
При помощи звуковых линз можно осуществлять как фокусировку упругих волн, так и дефокусировку. Иными словами, звуковые линзы позволяют расходящиеся іволновьіе фронты прсобрамвывать в сходящиеся или плоские фронты, сходящиеся волновые фронты преобразовывать в расходящиеся или плоские фронты и, наконец, плоские волновые фронты преобразовывать в сходящиеся или расходящиеся фронты. Основное внимание буд^т уделено линзам, создающим сходящиеся волновые фронты, поскольку такие линзы, во-первых, наиболее широко применяются на практике и, во-вторых, результаты исследования этих линз распространяются на линзы, создающие расходящиеся или плоские волновые фронты вследствие обратимости линз.
