Файл: Абрамов Г.В. Акустические прожекторные системы.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 25.06.2024

Просмотров: 50

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

М И Н И С Т Е Р С Т В О В Ы С Ш Е Г О И С Р Е Д Н Е Г О С П Е Ц И А Л Ь Н О Г О О Б Р А З О В А Н И Я Р С Ф С Р

К У Й Б Ы Ш Е В С К И Й О Р Д Е Н А Т Р У Д О В О Г О К Р А С Н О Г О З Н А М Е Н И А В И А Ц И О Н Н Ы Й ИНСТИТУТ им. С . П. К О Р О Л Е В А

Г. В. АБРАМОВ, А. А. ПОДОЛЬСКИЙ, А. И. МАХОВ

А К У С Т И Ч Е С К И Е

П Р О Ж Е К Т О Р Н Ы Е

С И С Т Е М Ы

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О С А Р А Т О В С К О Г О У Н И В Е Р С И Т Е Т А

1 9 7 2

Г#а. публичная

і

библиотек* Cov. Р j

экземпляр

ЧИТАЛЬНОГО «АЛАJ

УДК 534.23

Книга содержит систематическое изложение теории акустических прожекторных систем, являющихся наибо­ лее универсальными устройствами для искусственного формирования квазиплоскнх ультразвуковых полей. Ос­ новное внимание уделено рассмотрению рефракторных и рефлекторных систем, их расчету и проектированию. Изложение теории проведено на базе аппарата лучевой акустики. Отдельные главы книги посвящены изложе­ нию методов измерения локальных параметров квазнплоского ультразвукового поля и результатам экспери­ ментальных исследований.

Иллюстраций — 54, таблиц — 7, библиографий — 44.

Вв е д е н и е

Фокусирование ультразвука широко применяется в практике исследовательских лабораторий и в настоящее время из стадии эксперимента перешло в область промышленного применения.

С некоторым запозданием то ж е самое происходит и с форми­ рованием параллельного пучка звуковых лучей, что представляет собой задачу, обратную фокусированию.

Развитие техники формирования квазиплоского ультразвукового

поля имеет большое значение д л я целого ряда отраслей

науки

и

техники. Д а в н о известно применение параллельных звуковых

лу­

чей в технике акустических измерений, например, при

исследова­

нии свойств материалов, изучении рассеяния ультразвука на раз­ личных поверхностях.

В настоящее время делаются успешные попытки использовать квазиплоское ультразвуковое поле ( К У П ) д л я исследования рас­ сеивающих свойств объектов методом моделирования, расширяются исследования по применению К У П в дефектоскопии, медицине, акустической голографии и т. п.

Основным методом создания квазиплоских ультразвуковых по­

лей является, к а к будет

показано

в дальнейшем, применение аку­

стических прожекторных

систем.

П о д акустической прожектор ­

ной системой (АПС) авторы понимают устройство, состоящее из

источника расходящихся

волн (первичного излучателя)

и тела,

пре­

образующего сферическую волну в плоскую. В качестве такого

тела

могут быть использованы

рефракторы (линзы), рефлекторы (зерка­

ла) и д и ф ф р а к т о р ы (зональные

пластинки) . Из этого перечисления

следует, что одни

и те ж е

устройства могут быть использованы для

получения пучка

параллельных

лучей и

фокусирования

ультразву ­

ка, или, иными словами,

А П С

обладают

свойством обратимости.

Применение А П С д л я фокусировки имеет довольно длинную историю. Исследования по архитектурной акустике показывают, что у ж е в глубокой древности люди обратили внимание на фокуси-

р у ю щ ие свойства твердых поверхностей, и широко использовали их при строительстве различных сооружений.

Значительно позже было обнаружено, что фокусировка звуко­ вых волн может быть т а к ж е произведена при помощи звуковой лин­ зы. В 1852 г. К. Зондхаусс изготовил первую звуковую линзу. Она представляла собой заполненный углекислым газом объем, ограни­

ченный д в у м я кусками тонкой коллодиевой пленки,

изготовленны­

ми в виде участков сферической поверхности и скрепленными

костя­

ным кольцом. В 1886 г. Ы. А. Гезехус предложил конструкцию

зву­

ковой

линзы из

пористого

материала .

Его

линза

представляла

собой

железную

сетку диаметром 0,4

м, заполненную

эбонитовы­

ми стружками . Фокусировка звуковых волн с помощью

зональной

пластинки была

впервые

экспериментально

показана

Релеєм

в

1888

г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В 1949 г. вышла монография Л . Д . Розенберга «Звуковые

фоку­

сирующие системы» [ 1 ] , о б о б щ а ю щ а я работы

в области

исследова­

ния и разработки звуковых фокусирующих

систем.

Эта

работа

послужила толчком к проведению дальнейших

фундаментальных

исследований в

области

фокусировки

звука

(Л. Д .

Розенберг,

И . Н . Каневский, М. Г. Сиротюк, Б. Д .

Тартаковский, Д . Б . Дианов,

В. Г. Прохоров), результаты которых

опубликованы

в литературе .

В настоящее время назрела необходимость издания

аналогичной

монографии по вопросам формирования квазиплоских ультразвуко ­

вых полей, обобщающей результаты анализа, расчета,

разработки

и экспериментальных

исследований

А П С .

 

Д л я практического

применения

А П С

в научных исследованиях

и технике необходимо представление о

широком круге

вопросов,

что и определило содержание настоящей

монографии. Авторы соч­

ли необходимым включить, кроме вопросов формирования и ис­ пользования КУП, изложение специфики акустических измерений в

жидкостях в

диапазоне порядка

единиц мегагерц

и сведения

по

электронной

аппаратуре: необходимой для нормального

функцио­

нирования А П С .

 

 

 

 

 

 

 

При написании

монографии

использовались

как

результаты

собственных

исследований авторов, т а к и

материалы статей, опуб­

ликованных в отечественной и зарубежной печати.

 

 

 

 

Монография состоит из 7 глав .

 

 

 

 

 

В

первой

главе

рассмотрены

вопросы

прохождения

плоской

и

сферической

волн в неограниченной среде с потерями,

отражение

на границах

двух сред, прохождение их через пластинку,

а т а к ж е

особенности волн конечной амплитуды .

 

 

 

 

 

Во второй главе вводится понятие об акустических

прожектор­

ных

системах и дается последовательный

анализ

рефракторных

А П С .

Здесь

изложен вывод уравнения профиля линзы,

получена

и

исследована функция распределения интенсивности поля в раскры - ве А П С , дано сравнение рефракторов из различных материалов . В заключение рассмотрены параметры вторичных полей в раскрыве системы, обусловленные переотражениями в линзе.

В третьей главе проведено аналогичное исследование рефлек­ торных А П С .

В четвертой главе получены уравнения идеального излучателя и дана характеристика реальных излучателей, приближающихся к

идеальным .

И з л о ж е н инженерный

расчет

излучателей

А П С .

В пятой

главе рассматриваются

элементы проектирования аку­

стических

прожекторных систем. Д а е т с я

определение

габаритных

размеров

и конструктивный расчет

А П С ;

приведены

расчетные

соотношения для нахождения характерных размеров гидроакусти­

ческого бассейна;

 

 

 

 

 

рассмотрены причины,

вызывающие

неоднородности

фазы поля

в раскрыве А П С ; определены

допуски

на изготовление и

установку

элементов А П С .

 

 

 

 

 

В шестой главе изложена методика измерения параметров уль­

тразвуковых полей в жидкости . Предлагаются

оригинальные-мето­

ды и приборы для измерения

распределения фазы в раскрыве А П С .

Д а е т с я анализ погрешностей

измерения.

 

 

В заключительной, седьмой главе изложены методика и резуль­

таты экспериментальных исследований

А П С ;

дано описание гидро­

акустического комплекса,

его

электронной аппаратуры;

приведены

параметры разработанных

А П С , д и а г р а м м ы распределения ампли­

туды и фазы акустического давления в раскрыве рефракторных и рефлекторных А П С . Приведено обсуждение результатов .

Авторы полагают, что включение краткого изложения основ распространения ультразвуковых волн и некоторых других вопро­ сов в состав монографии наряду со специальными вопросами фор­

мирования

К У П сделает книгу доступной

широкому кругу

читате­

лей и даст

достаточно полное представление о сравнительно

новой

и многообещающей отрасли науки.

 

 

 

 

 

В то ж е

время они

в ы р а ж а ю т

надежду,

что

появление

моногра­

фии повысит интерес

специалистов к А П С ,

явится толчком

к даль ­

нейшему развитию этой области

акустики.

 

 

 

 

Введение к книге,

а т а к ж е главы

I — V

написаны Г. В. Абрамо ­

вым и А. А. Подольским, главы

V I

и V I I — Г.

В. Абрамовым и

А. И . М а х о в ы м . Книга в существенной мере является сводкой мате­ риалов, полученных в 1966—1971 гг. в работах, проводившихся под руководством Г. В. Абрамова . Естественно, что настоящая ра­ бота, будучи первой в области теории и проектирования акустиче­ ских прожекторных систем, не может претендовать на полноту и исчерпывающее решение поставленных вопросов.

Авторы

в ы р а ж а ю т благодарность

кандидату физико-матема­

тических наук Д . П. Фролову за ценные советы

и замечания, сде­

л а н н ы е ими

при просмотре рукописи,

а т а к ж е

т. т. Л . А. Н а з а р о ­

вой, И. А. Слеповой, Л . В. Подольской, чья помощь в проведении расчетов и оформлении рукописи ускорила появление настоящей книги.

Г л а в а

I. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ

ВОЛНЫ

В НЕОГРАНИЧЕННОЙ

 

И ОГРАНИЧЕННОЙ

С Р Е Д А Х

 

 

§

1.1. Р А С П Р О С Т Р А Н Е Н И Е З В У К О В Ы Х

В О Л Н

 

В И Д Е А Л Ь Н О Й И П О Г Л О Щ А Ю Щ Е Й С Р Е Д А Х

 

Р а с п р о с т р а н е н ие колебаний

в

идеальной (непоглощающей)

среде описывается волновым

уравнением

 

 

 

с 2

ДФ

 

= д2Ф

 

(1.1)

где Ф — потенциал скорости звуковой

волны,

 

 

 

 

 

 

 

а^Ф

(1.2)

 

дх1 ^

ду2

^

дг*'

 

 

с — скорость распространения

 

волны.

 

 

Потенциал скорости связан с колебательной скоростью v и из­ быточным давлением р соотношениями:

 

 

 

дФ

 

 

 

 

~

дх

 

 

 

Vy

 

дФ

 

 

 

~

ду

 

(1.3)

 

 

 

дФ

 

 

 

 

~

dz

 

 

 

р --

дФ

 

 

 

 

 

 

где р — плотность

среды.

 

 

 

 

Используя (1.3) и (1.1),

можно показать, что волновое уравне ­

ние справедливо

т а к ж е для

колебательной

скорости

и звукового

давления . Частными решениями

волнового

уравнения

(1.1) явля ­

ются плоская, цилиндрическая и сферическая волны.

В плоской волне распределение скорости, давления и потен­ циала зависит только от одной координаты, например, от координа­ ты х- В этом случае волновое уравнение принимает вид

д*Ф

( 1 4 )

— = С ^

В цилиндрической волне распределение скорости, давления и потенциала зависит от расстояния до оси, т. е. звуковая волна об-

6

л а д а е т осевой симметрией. Волновое уравнение, записанное в ци­ линдрических координатах, имеет вид

г <?/• [ дг I

г* д<\>*

йгз]-

^ ' 0 J

В сферической волне распределение скорости, давления и потен­ циала зависит только от расстояния до центра, и, следовательно, волна обладает сферической симметрией. Волновое уравнение в сферической системе координат будет

д ' Ф

.г*~дг\Г

dt ) + r*sin« .ав V S m

(Эв J + г 2 sin e d ^ J ' t 1 , *

Остановимся более подробно на свойствах плоской и сферичес­ кой волн. В случае гармонических колебаний решение волнового уравнения д л я плоской волны можно записать в виде

 

ф =

Ае№-**)1

(1.7)

где

ш — круговая частота

колебаний;

 

k = -г- = — волновое число;

ЛС

А— амплитуда волны;

А— длина волны.

Используя соотношения

(1.3), получим из (1.7) в ы р а ж е н и я для дав ­

ления и колебательной

скорости

в плоской

волне:

 

 

р =

=

/

сор Аеі^-кх^

I

 

 

 

%Ф

 

 

 

о - 8 >

 

 

и =

— j£

=

jkAeJi"1-**)

j

И з (1.8)

следует,

что в

плоской

волне

колебательная скорость и

звуковое

давление

находятся

в

одной

фазе . Это свойство можно

положить в основу удобного для практических целей определения плоской волны к а к волны, для которой поверхность равных фаз (поверхность волнового фронта) представляет собой плоскость. Отношение давления к колебательной скорости в плоской волне называется удельным акустическим сопротивлением среды

Я = 1 = Р с

(1.9)

Акустическое сопротивление есть характеристическая

константа

среды, роль которой проявляется при прохождении волны через

границу двух сред. В таблице 1

приведены

значения

рс д л я некото­

рых сред.

 

 

 

Нетрудно показать [ 2 ] , что

средняя

плотность

акустической

энергии плоской синусоидальной

волны

 

 

где vM — амплитудное значение скорости.

Смотрите также файлы