Фокусирование звуковых и ультрозвуковых волн - Каневский И.Н.
Скачать (прямая ссылка):
10.1.2. Сверхмощные концентраторы. Для создания сверхмощных ультразвуковых сферических концентраторов возникла необходимость значительно увеличить излучающую поверхность фокусирующего устройства — до десятых долей квадратного метра. Поскольку изготовить
Рис. ЮЛ.
§ ЮЛ] СФЕРИЧЕСКИЕ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ КОНЦЕНТРАТОРЫ 299
пьезоизлучатели таких размеров невозможно, Розенберг и Сиротюк предложили оригинальную конструкцию сверхмощного концентратора [40].
Внешняя (выпуклая) сторона полуволновой алюминиевой сферической оболочки покрывается пьезоэлектрическими излучателями, а внутренняя сторона излучает сходящийся сферический фронт. При такой конструкции излученная мощность определяется только возможностью изготовления достаточно большой оболочки с большой степенью точности. Розенберг и Сиротюк разработали
Рис. 10.2.
концентраторы с фокусными расстояниями 31,4 см и 18,3 см, с углами раскрытия соответственно 68 и 75°, с площадями излучающих поверхностей 0,37 и 0,16 м2. На частотах 0,5 и 1 МГц эти концентраторы в некавити-рующей жидкости могли бы развивать интенсивности в центре фокального пятна до 105 и 146 кВт/см2.
10.1.3. Исследование структуры поля концентраторов. В § 3.4, п. 3.4.2.2, теоретически показано, что в окрестности фокуса волновые фронты должны быть плоскими. Эксперимент полностью подтверждает этот вывод.
300
КОНЦЕНТРАТОРЫ
ІГЛ. 10
На рис 10.2 изображены фотографии поля, полученные теневым методом, когда в кювете теневой установки помещались цилиндрический излучатель с углом раскрытия 60°, работающий на частоте 830 кГц (рис. 10.2, а), и сферический излучатель с таким же углом раскрытия.
Рис 10.3.
работающий на частоте 2,4 МГц (рис. 10.2, б). В обоих случаях в окрестности фокуса волновые фронты плоские. На рис. 10.3 (светлые кружки) показаны значения фазы в окрестности фокуса сходящегося цилиндрического
а 5
Рис 10.4.
фронта с углом раскрытия 60° и частотой 830 кГц. Измерения производились микрощупом с помощью прецизионного координатного устройства. Относительные изменения фазы регистрировались с помощью высокочас-
§ ЮЛ] СФЕРИЧЕСКИЕ И ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ КОНЦЕНТРАТОРЫ 301
R
тотного двухлучевого осциллографа. Перед излучателем устанавливался полуволновой фильтр для ослабления косых пучков. Сравнение рис. 10.3 и 3.9 показывает хорошее совпадение эксперимента с теорией.
Вычисление фазы при помощи формулы (3.4.25) показывает, что в фокальной плоскости разность фаз между точками, разделенными нулями; во-первых, постоянна и, во-вторых, равна я. Этот результат был проверен экспериментально для цилиндрического фронта с углом раскрытия 90° и частотой 830 кГц «у \ і I и приведен на рис. 10.4, а. Одновременно с фазой снималось также распределение амп- ч_л\ л, литуды, показанное на рис _ Зг"*" 10.4, б. Сплошные кривые— С" Vy і YTY экспериментальные, прерывистые — теоретические. Обращает на себя внимание полное соответствие между фазовыми v ^ ^ и амплитудными кривыми: в ^ ' главном и первом боковом максимумах теория полностью совпадает с экспериментом, в последующих максимумах эта Зп закономерность нарушается, Z причем фазовые и амплитудные искажения происходят одновременно. Эти искажения обусловлены относительно большим влиянием на слабые боковые максимумы косых пучков, не полностью отфильтрованных.
Нам также удалось подтвердить экспериментально вывод об уменьшении на единицу числа полуволн в каждом последующем побочном максимуме по сравнению с предыдущим [135]. Этот результат предсказан теорией в п. 3.4.2.2. На рис. 10.5 показана схема строения поля увеличенной фотографии рис. 10.2. Мы видим, что семи полуволнам в главном максимуме 0 соответствует шесть полуволн в первом побочном максимуме / и пять полуволн во втором побочном максимуме //. Сплошными кривыми показаны линии равных фаз.
Зп Z
Рис. 10.5.
302
концентраторы
ІГЛ. 10
§ 10.2. Сферообразные и цилиндрообразные концентраторы
В настоящее время для создания больших плотностей энергии ультразвуковых волн предложен новый тип высокочастотных концентраторов, в которых сходящиеся волновые фронты сначала распространяются в твердом теле, а затем переходят в жидкую среду [120]. Такой концентратор позволяет предотвратить возникновение кавитации на пути распространения волны и тем самым
обеспечить высокую плотность энергии в жидкости. На рис. 10.6 показано сечение концентратора плоскостью большого круга в сферическом случае или плоскостью, ортогональной оси цилиндра, в цилиндрическом случае. Толстостенная оболочка / радиуса &, изготовленная из металла, имеет полость 2 радиуса а, заполненную жидкостью. Снаружи оболочка обклеена пьезокерамическими элементами в виде сплошного слоя активного материала 3, создающего сходящуюся волну. Такие устройства мы будем называть сферообразными и цилиндрообразными концентраторами ультразвука, чтобы отличать их от сферических и цилиндрических концентраторов.
Теоретическое рассмотрение работы сферообразного» концентратора в режиме, когда на границе жидкости устанавливается узел звукового давления, впервые провел Исакович [1201, а экспериментальное исследование— Сиротюк [121]. В настоящем параграфе приведены общие выражения для собственных частот, распределения звукового давления в полости и коэффициента усиления давления сферо- и цилиндрообразных концентраторов, а также изучено поведение собственных частот концентратора при сближении резонансных частот его оболочки и полости [136].
