RU2465578C1

RU2465578C1 - Method for one-way transmission of sound

Info

Publication number: RU2465578C1
Application number: RU2011125354/28A
Authority: RU
Inventors: Петр Османович Липовко-Половинец (RU); Петр Османович Липовко-Половинец
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2012-10-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: hollow rectangular depressions are formed on the contact boundary in a medium with higher acoustic resistance, where total relative area β and depth l of said depressions are set based on given relationships.

EFFECT: high degree of acoustic matching of media for one direction of propagation of sound through a media contact boundary and high degree of acoustic mismatch of media for the opposite direction of propagation of sound.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области физической акустики и может найти применение в ультразвуковой технике, например в конструкциях ультразвуковых измерительных устройств, используемых в медицинской диагностике или неразрушающем промышленном контроле.The invention relates to the field of physical acoustics and can find application in ultrasonic technology, for example, in the designs of ultrasonic measuring devices used in medical diagnostics or non-destructive industrial testing.

Известен способ акустического согласования двух сред посредством включения между ними сплошного четвертьволнового «просветляющего» слоя с плоскими границами акустического контакта с исходными средами, причем акустическое сопротивление материала промежуточного слоя выбирают равным среднему геометрическому значению от акустических сопротивлений исходных сред (см., например, Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. - М.: Машиностроение, 1981. - С.36). Указанный способ является низкотехнологичным, т.к. требует для своего осуществления теоретически единственного значения акустического сопротивления материала промежуточного слоя, который может отсутствовать среди известных материалов и требовать новых технологических продуктов. Вместе с тем, упомянутый способ обеспечивает полное (стопроцентное) и двухстороннее акустическое согласование выбранных сред. Последнее касается направления нормального падения звука на промежуточный слой - со стороны условно первой среды в направлении второй или наоборот.There is a method of acoustic matching of two media by including a continuous quarter-wave “antireflection” layer between them with flat boundaries of acoustic contact with the source media, and the acoustic resistance of the material of the intermediate layer is chosen equal to the geometric mean value from the acoustic resistances of the initial media (see, for example, Yermolov I. N. Theory and practice of ultrasonic testing. - M.: Mechanical Engineering, 1981. - P.36). The specified method is low-tech, because requires for its implementation the theoretically unique value of the acoustic resistance of the material of the intermediate layer, which may be absent among known materials and require new technological products. However, the aforementioned method provides full (one hundred percent) and two-way acoustic matching of the selected media. The latter concerns the direction of the normal incidence of sound on the intermediate layer - from the side of the conventionally first medium in the direction of the second or vice versa.

Недостатком этого способа с точки зрения заявляемого является именно двухсторонний характер акустического согласования сред. В подавляющем большинстве технических приложений акустики достаточно одностороннего согласования сред, т.е. обеспечения одностороннего прохождения звука от его источника к заданной нагрузке. Тогда как прохождение звука в обратном направлении может потребоваться затруднить или вообще его исключить. Такое направление физической акустики только начинает разрабатываться в мировой науке и является весьма актуальным (см. http://www. mallex.info//science/Fiziki-sozdali-akusticheskii-diod/. Известные единичные способы одностороннего пропускания звука через специально сконструированные звукопроводные системы являются весьма сложными и изменяют физические характеристики звука (см. B.Liang, X.S.Guo, J.Tu, D.Zhang, J.C.Cheng. Acoustic rectifier. // Natural Materials, V.9, P.989-992, 2010).The disadvantage of this method from the point of view of the claimed is precisely the two-sided nature of the acoustic matching media. In the vast majority of technical applications of acoustics, one-sided harmonization of media is sufficient, i.e. ensure one-way sound from its source to a given load. While the passage of sound in the opposite direction may need to be difficult or even excluded. This direction of physical acoustics is only just beginning to be developed in world science and is very relevant (see http: // www. Mallex.info//science/Fiziki-sozdali-akusticheskii-diod/. Known single unit methods for one-way sound transmission through specially designed sound-conducting systems are very complex and alter the physical characteristics of sound (see B. Liang, XSGuo, J. Tu, D. Zhang, JCCheng. Acoustic rectifier. // Natural Materials, V.9, P.989-992, 2010).

Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому способу является «Способ акустического согласования сред» (Патент №2036469 RU, МПК G01N 29/24, опубл. 27.05.95. Бюл. №15). По этому способу в среде с более высоким акустическим сопротивлением на ее плоской контактной границе выполняют пустотелые углубления прямоугольной формы (в продольном разрезе). Полное (стопроцентное) и двухстороннее акустическое согласование сред обеспечивают удовлетворением двух требований суммарная относительная площадь β, занимаемая углублениями на плоской контактной границе двух сред, и их глубина l должны подчиняться соотношениямThe closest in technical essence and purpose to the claimed method is the "Method of acoustic media matching" (Patent No. 2036469 RU, IPC G01N 29/24, publ. 05/27/95. Bull. No. 15). According to this method, in a medium with higher acoustic impedance, hollow rectangular cavities (in longitudinal section) are performed on its flat contact boundary. Full (one hundred percent) and two-way acoustic matching of the media ensures that the two relative requirements are met by the total relative area β occupied by the recesses on the flat contact boundary of the two media, and their depth l must obey the relations

где Z₂ и Z₁ - акустические сопротивления согласуемых сред, относящиеся соответственно к среде, в которой выполнены углубления, и к среде, не содержащей их,where Z ₂ and Z ₁ are the acoustic impedances of the matched media, corresponding respectively to the medium in which the recesses are made, and to the medium not containing them,

λ₂ - длина звуковой волны в среде с акустическим сопротивлением Z₂.λ ₂ - the sound wavelength in a medium with acoustic impedance Z ₂ .

Недостаток этого способа тот же, что и у ранее рассмотренного аналога (Ермолов И.Н., цитированный источник) - двухсторонний характер акустического согласования сред и, как следствие, невозможность обеспечить одностороннюю передачу звука.The disadvantage of this method is the same as that of the previously considered analogue (I. Yermolov, cited source) - the two-sided nature of the acoustic matching of the media and, as a consequence, the inability to provide one-way sound transmission.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа акустического согласования двух сред, включающего выполнение в среде с более высоким значением акустического сопротивления на ее контактной границе пустотелых углублений прямоугольной формы, эффекта одностороннего пропускания звука. Поставленная задача решается за счет того, что в способе акустического согласования сред, включающем выполнение в среде с более высоким значением акустического сопротивления на ее контактной границе пустотелых углублений прямоугольной формы, суммарную относительную площадь углублений, занимаемую ими на контактной границе, устанавливают из соотношения (1), а глубину углублений устанавливают из соотношений:The objective of the invention is to expand the functionality of the method of acoustic matching of two media, including the execution in a medium with a higher value of acoustic impedance at its contact boundary of hollow hollows of a rectangular shape, the effect of one-way sound transmission. The problem is solved due to the fact that in the method of acoustic matching of media, including the execution in a medium with a higher value of acoustic resistance at its contact boundary, hollow rectangular recesses, the total relative area of the recesses occupied by them at the contact boundary is established from the relation (1) , and the depth of the recesses is determined from the relations:

или

or

(все обозначения прежние), причем сопрягаемые среды выбирают с максимально возможным отношением Z₂/Z₁ их акустических сопротивлений из набора доступных материалов.(all designations are the same), and the mating media is selected with the maximum possible ratio Z ₂ / Z _{1 of} their acoustic impedances from the set of available materials.

Таким образом, в заявляемом способе, в отличие от прототипа, глубину пустотелых углублений устанавливают не из соотношенияThus, in the inventive method, in contrast to the prototype, the depth of the hollow recesses is not set from the ratio

,

которое идентично выражению (2) для прототипа, а из соотношений (3) или (4). Соотношения (3)-(5) между собой попарно не пересекаются, поэтому различия в глубине выполняемых пустотелых углублений в среде с более высоким значением акустического сопротивления у двух способов - заявляемого и прототипа - являются существенными и, как будет показано далее, обеспечивают эффект одностороннего пропускания звука.which is identical to the expression (2) for the prototype, and from the relations (3) or (4). Relationships (3) - (5) do not intersect in pairs, therefore, differences in the depth of hollow recesses in an environment with a higher acoustic impedance in two ways - the claimed one and the prototype - are significant and, as will be shown below, provide the effect of one-way transmission sound.

Другим отличием заявляемого способа от прототипа является условие, что сопрягаемые среды выбирают с максимально возможным отношением Z₂/Z₁ из набора доступных материалов. Как будет показано далее, последнее условие, наряду с условиями (1), (3) или (4), обеспечивают наибольшую степень выраженности эффекта одностороннего пропускания звука в количественном плане, причем варьирование глубины углублений в некоторых интервалах и подбор материалов сопрягаемых сред позволяют избежать узкополосности заявляемого способа, т.к. приводят к вариациям отношения l/λ₂.Another difference of the proposed method from the prototype is the condition that the mating medium is selected with the highest possible ratio Z ₂ / Z ₁ from a set of available materials. As will be shown below, the last condition, along with conditions (1), (3), or (4), provides the greatest degree of severity of the effect of one-sided sound transmission in quantitative terms, and varying the depth of the recesses in some intervals and the selection of materials of the mating media allow avoiding narrowband the proposed method, because lead to variations in the ratio l / λ ₂ .

Техническим результатом заявленного способа является обеспечение максимальной степени акустического согласования двух сопрягаемых сред при одном направлении падения звука на границу акустического контакта сред и максимальной степени акустического рассогласования тех же двух сред при противоположном направлении падения звука. Именно этот технический результат и позволяет обеспечить максимальную степень пропускания звука (по амплитуде или энергии) через границу акустического контакта в одном направлении и максимальную степень непропускания (блокирования, заграждения) звука при его падении на границу сред в противоположном направлении.The technical result of the claimed method is to ensure the maximum degree of acoustic matching of two mating media with one direction of sound falling on the boundary of the acoustic contact of the media and the maximum degree of acoustic mismatch of the same two media with the opposite direction of sound. It is this technical result that makes it possible to ensure the maximum degree of sound transmission (in amplitude or energy) through the boundary of the acoustic contact in one direction and the maximum degree of sound transmission (blocking, barrage) when it falls on the boundary of the media in the opposite direction.

На рисунке схематически показано осуществление заявленного способа.The figure schematically shows the implementation of the claimed method.

Заявляемый способ одностороннего пропускания звука осуществляют следующим образом (см. рисунок). Вначале выбирают две среды, первую 1 и вторую 2, с наибольшим отношением Z₂/Z₁, причем Z₂>Z₁>0. Это могут быть две твердые среды (например, вольфрам и магний: Z₂/Z₁=10), твердая среда и жидкость (например, платина и ацетон: Z₂/Z₁=89) или твердая среда и газ (например, золото и воздух: Z₂/Z₁=1,45*10⁵), которые не вступают друг с другом в химическое взаимодействие. Затем в каждой из сред формируют плоскую границу и вводят их в акустический контакт по созданной границе 3, предварительно выполнив во второй среде с акустическим сопротивлением Z₂ пустотелые углубления 4. Относительная площадь, занимаемая углублениями на контактной границе 3, должна удовлетворять соотношению (1), а их глубина - подчиняться одному из соотношений (3) или (4). При контакте двух твердых сред никаких дополнительных мер по сохранению углублений пустотелыми принимать не требуется, а при сопряжении двух жидкостей или твердого тела с жидкостью и т.п. можно воспользоваться тонкими металлическими мембранами или другими аналогичными конструктивными элементами. Затем в одной из сред возбуждают звуковые колебания в направлении, перпендикулярном границе 3 (на рисунке не показаны). Если звуковые колебания падают на границу слева (см. рисунок), они практически беспрепятственно проникнут во вторую среду с акустическим сопротивлением Z₂. Если же колебания будут падать на границу контакта сред справа, они будут практически полностью отражены в обратном направлении, и в первую среду с акустическим сопротивлением Z₁ они почти не попадут.The inventive method of one-way transmission of sound is as follows (see figure). First, two media are selected, the first 1 and second 2, with the highest ratio Z ₂ / Z ₁ , with Z ₂ > Z ₁ > 0. It can be two solid media (e.g. tungsten and magnesium: Z ₂ / Z ₁ = 10), a solid medium and liquid (e.g. platinum and acetone: Z ₂ / Z ₁ = 89) or a solid medium and gas (e.g. gold and air: Z ₂ / Z ₁ = 1.45 * 10 ⁵ ), which do not enter into chemical interaction with each other. Then, a flat boundary is formed in each of the media and they are introduced into acoustic contact along the created boundary 3, having previously performed hollow recesses 4 in the second medium with acoustic resistance Z _{2. The} relative area occupied by the recesses on the contact boundary 3 must satisfy the relation (1), and their depth - obey one of the relations (3) or (4). When two solid media come in contact, no additional measures are required to keep the hollows hollow, and when two liquids or a solid are conjugated with a liquid, etc. thin metal membranes or other similar structural elements can be used. Then, in one of the media, sound vibrations are excited in a direction perpendicular to boundary 3 (not shown in the figure). If sound vibrations fall on the border to the left (see figure), they penetrate almost unhindered into the second medium with acoustic impedance Z ₂ . If the oscillations fall on the boundary of the media contact on the right, they will be almost completely reflected in the opposite direction, and they will almost not fall into the first medium with acoustic resistance Z ₁ .

Теоретические расчеты, подтверждающие сделанные выводы и обосновывающие границы интервалов глубины l углублений, представленные в соотношениях (3) или(4), следующие. Амплитудный коэффициент отражения R₁₂ звука, падающего на границу контакта 3 слева (см. рисунок) равенTheoretical calculations confirming the conclusions made and justifying the boundaries of the intervals of depth l of the recesses presented in relations (3) or (4) are as follows. The amplitude reflection coefficient R _{12 of the} sound incident on the boundary of contact 3 on the left (see figure) is

обозначения прежние. Полагая R₁₂=0 и решая полученное уравнение относительно β, получим выражение (1). Очевидно, R₁₂ от l не зависит, в том числе - и R₁₂=0 (обеспечение полного согласования для звука, падающего на границу сред слева). Зафиксируем полученное значение β и запишем выражение для амплитудного коэффициента отражения звука при его падении на границу контакта сред справа (см. рисунок).designations are the same. Putting R ₁₂ = 0 and solving the resulting equation with respect to β, we obtain expression (1). Obviously, R ₁₂ does not depend on l, including - and R ₁₂ = 0 (ensuring full agreement for sound falling on the media boundary on the left). We fix the obtained value of β and write the expression for the amplitude reflection coefficient of sound when it falls to the media contact boundary on the right (see figure).

где Z_вх,2 - входное сопротивление на уровне доньев углублений для звука, падающего на границу контакта справа (см. рисунок), остальные обозначения прежние. На основе теории длинных линийwhere Z _{in, 2} is the input resistance at the level of the bottom of the recesses for the sound falling on the contact boundary to the right (see figure), the remaining designations are the same. Based on the theory of long lines

где k - волновое число (k=2π/λ₂),where k is the wave number (k = 2π / λ ₂ ),

j - мнимая единица,j is the imaginary unit

остальные обозначения прежние. Очевидно, Z_вх,2 и R₂₁ от l зависят. При этом, еслиother designations are the same. Obviously, Z _{in, 2} and R ₂₁ depend on l. Moreover, if

мы получим известное техническое решение, взятое в качестве прототипа, для которого R₂₁=0, и налицо полное двухстороннее акустическое согласование сред с отсутствием одностороннего пропускания звука. Если kl=πn, n=0, 1, 2, …, мы математически получаем новое решение, взятое в качестве заявляемого способа. В этом случае при падении звука на границу контакта со стороны среды с более высоким акустическим сопротивлением Z_вx,2=Z₁, R₂₁=(Z₁-Z₂)/Z₂<0. Таким образом, при «полуволновых» углублениях в заявляемом способе, в отличие от «четвертьволновых» углублений в прототипе, достигается максимальное прохождение звука при его падении на границу контакта сред со стороны среды с более низким акустическим сопротивлением и минимальное прохождение звука при его падении на границу сред со стороны среды с более высоким значением акустического сопротивления.we get a well-known technical solution, taken as a prototype, for which R ₂₁ = 0, and there is a complete two-way acoustic matching of media with the absence of one-way sound transmission. If kl = πn, n = 0, 1, 2, ..., we mathematically get a new solution, taken as the proposed method. In this case, when sound falls on the contact boundary from the side of the medium with a higher acoustic impedance Z _{in, 2} = Z ₁ , R ₂₁ = (Z ₁ -Z ₂ ) / Z ₂ <0. Thus, with the "half-wave" recesses in the claimed method, in contrast to the "quarter-wave" recesses in the prototype, the maximum sound transmission is achieved when it falls to the medium’s contact boundary from the side of the medium with lower acoustic impedance and the minimum sound transmission when it falls to the border media from a medium with a higher acoustic resistance value.

Однако общее решение поставленной в заявляемом способе задачи получается при подстановке в выражение (6) соотношения (7) с последующим нахождением модуля математически комплексного коэффициента отражения

т.е.

Путем элементарных математических преобразований для последней величины получается выражениеHowever, the general solution to the problem posed in the claimed method is obtained by substituting relation (7) into expression (6), followed by finding the module of the mathematically complex reflection coefficient

those.

By elementary mathematical transformations for the last quantity, the expression

остальные обозначения прежние. Величина

определяет долю амплитуды отраженного звука в сравнении с таковой для падающего звука, а квадрат этой величины - долю отраженной энергии. Анализ выражения (8) приводит к выводу, что максимальное значение этой величины, равное 1, достигается при Z₂/Z₁→∞ и одновременно kl=πn, n=0, 1, 2, … Это и есть условие полного непропускания звука при падении его на границу контакта со стороны среды с более высоким значением акустического сопротивления. Вместе с тем, табулирование функции

(l/λ₂) показывает, что в пределах изменения ее аргументаother designations are the same. Value

determines the fraction of the amplitude of the reflected sound in comparison with that for the incident sound, and the square of this quantity is the fraction of the reflected energy. An analysis of expression (8) leads to the conclusion that the maximum value of this quantity, equal to 1, is achieved at Z ₂ / Z ₁ → ∞ and at the same time kl = πn, n = 0, 1, 2, ... This is the condition for complete sound transmission for its fall on the contact boundary from the side of the medium with a higher value of acoustic resistance. However, the tabulation function

(l / λ ₂ ) shows that within the limits of changing its argument

(0,5n-0,095)≤l/λ₂≤(0,5n+0,095), n=1, 2, 3, …,(0,5n-0,095) ≤l / λ ₂ ≤ (0,5n + 0,095), n = 1, 2, 3, ...,

сама функция изменяется в соответствующих пределах 0,95≤

≤1. Это означает, что в указанных пределах квадрат указанной функции, т.е. доля отраженной (задержанной) энергии звука, лежит в пределах от 0,9 до 1, что вполне допустимо из общетехнических соображений при осуществлении заявленного способа и обосновывает существенное условие (4) в его характеристике. Что касается обоснования аналогичного условия (3), необходимо пояснить следующее. Поскольку отрицательные значения величины l/λ₂, а также нулевое ее значение физически невозможны, за нижнюю границу интервала в условии (3) удобно взять l/λ₂>0, а за верхнюю границу интервала в том же выражении - l/λ₂=0,095. При этом следует учесть, что, например, в металлах ультразвуковые волны практически полностью отражаются от тончайших (l≅10^-5 λ₂) пустотелых зазоров, причем в этих случаях R=0,999; R²=0,997 (см. Ермолов И.Н., цитированный источник. - С.37). Точное значение минимальной глубины пустотелых углублений указать проблематично, т.к. подобные расчеты являются приближенными, а их результат зависит от соотношения Z₂/Z₁.the function itself varies within the corresponding limits of 0.95≤

≤1. This means that within the specified limits, the square of the specified function, i.e. the fraction of the reflected (delayed) energy of sound lies in the range from 0.9 to 1, which is quite acceptable from general technical considerations when implementing the claimed method and justifies the essential condition (4) in its description. As for the justification of a similar condition (3), the following should be clarified. Since negative values of l / λ ₂ and its zero value are physically impossible, it is convenient to take l / λ ₂ > 0 for the lower boundary of the interval in condition (3), and l / λ ₂ = as the upper boundary of the interval in the same expression 0.095. It should be noted that, for example, in metals, ultrasonic waves are almost completely reflected from the thinnest (l≅10 ^-5 λ ₂ ) hollow gaps, and in these cases R = 0.999; R ² = 0.997 (see Yermolov I.N., cited source. - P.37). The exact value of the minimum depth of hollow recesses is problematic to indicate, because such calculations are approximate, and their result depends on the ratio Z ₂ / Z ₁ .

Заявленный способ не требует для своего осуществления создания новых устройств и использования новых веществ. Все процедуры способа могут быть реализованы на известном оборудовании, предназначенном для механической или физико-химической обработки материалов (точение, сверление, фрезерование, пайка, склейка и т.п.) с помощью известных материалов (металлов, пластмасс, керамики, жидкостей, газов и т.п.).The claimed method does not require for its implementation the creation of new devices and the use of new substances. All methods of the method can be implemented on known equipment designed for mechanical or physico-chemical processing of materials (turning, drilling, milling, soldering, gluing, etc.) using known materials (metals, plastics, ceramics, liquids, gases and etc.).

Claims

1. The method of one-way transmission of sound through a flat boundary of the acoustic contact of two media, including the creation in a medium with a higher value of acoustic resistance at its contact boundary of hollow rectangular cavities, the total relative area β of which they occupy at the contact boundary is subject to the relation

where Z ₂ and Z ₁ are the acoustic impedances of the contacting media,
related respectively to the medium in which the recesses are made, and to the medium not containing them,
characterized in that the depth of 1 recesses is set from the ratios
0 <1≤0,095λ ₂ or
(0,5n-0,095) λ ₂ ≤1≤ (0,5n + 0,095) λ ₂ , n = 1, 2, 3, ...,
where λ ₂ is the sound wavelength in a medium with acoustic impedance Z ₂ .

2. The method according to claim 1, characterized in that the contacting medium is selected with the maximum possible ratio of Z ₂ / Z ₁ their acoustic impedances from a set of available materials.