RU175684U1

RU175684U1 - Acoustic sensor

Info

Publication number: RU175684U1
Application number: RU2017115054U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2017-12-14

Abstract

Полезная модель относится к области акустики, в частности к фокусирующим линзам. Акустический датчик содержит ультразвуковой преобразователь и фокусирующую звукопроводящую линзу. Линза выполнена в виде звукопроводящей частицы, непосредственно контактирующей с ультразвуковым преобразователем, и с возможностью фокусировки излучения непосредственно за теневой границей частицы с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел. Звукопроводящая частица может быть выполнена в форме шарика, кубика, усеченного шарика, кругового конуса. Технический результат - повышение чувствительности акустических датчиков с фокусирующими устройствами. 4 з.п. ф-лы.The invention relates to the field of acoustics, in particular to focusing lenses. The acoustic sensor contains an ultrasonic transducer and a focusing sound-conducting lens. The lens is made in the form of a sound-conducting particle in direct contact with the ultrasonic transducer, and with the possibility of focusing the radiation directly behind the shadow border of the particle with a spatial resolution exceeding the diffraction limit. The sound-conducting particle can be made in the form of a ball, a cube, a truncated ball, a circular cone. EFFECT: increased sensitivity of acoustic sensors with focusing devices. 4 s.p. f-ly.

Description

Полезная модель относится к области акустики и может быть широко использована для проведения научно-исследовательских, контрольно-измерительных и диагностических работ при осуществлении технологических процессов и воздействии на организм и ткани человеческого организма.The utility model relates to the field of acoustics and can be widely used for research, control and diagnostic and diagnostic work in the implementation of technological processes and the impact on the body and tissues of the human body.

Акустические датчики широко используются для различных систем акустического видения [Leonard J.J. & Durrant-Whyte, H.F. Directed Sonar Sensing for Mobile Robot Navigation, vol. 448 (Kluwer Academic Publishers, 1992)], устройствах акустической навигации и связи [Freitag, L. et al. The WHOI micro-modem: an acoustic communications and navigation system for multiple platforms. Proc. OCEANS 2, 1086-1092 (2005).], для неразрушаеющего контроля [Farrar, С.R. & Worden, K. An introduction to structural health monitoring. Phil. Trans. R. Soc. A 365, 303-315 (2007).], в медицине [Szabo, Т.L. Diagnostic Ultrasound Imaging: Inside Out (Academic Press, (2004).], при этом в качестве чувствительных элементов для регистрации акустического излучения используются устройства, работающие на различных физических принципах: пьезорезистивный [Papila, М., Haftka, R.Т., Nishida, Т. & Sheplak, М. Piezoresistive microphone design pareto optimization: tradeoff between sensitivity and noise floor. J. Microelectromech. Syst. 15, 1632-1643 (2006).], пьезоэлектрический [Tadigadapa, S. & Mateti, K. Piezoelectric MEMS sensors: state-of-the-art and perspectives. Meas. Sci. Technol. 20, 092001 (2009).], емкостный [Scheeper, P.R. et al. A new measurement microphone based on MEMS technology. J. Microelectromech. Syst. 12, 880-891 (2003).], оптический [Bucaro, J.A., Lagakos, N., Houston, В.H., Jarzynski, J. & Zalalutdinov, M. Miniature, high performance, low-cost fiber optic microphone. J. Acoust. Soc. Am. 118, 1406-1413 (2005)]. К акустоэлектрическим преобразователям относятся физические устройства, элементы, детали и материалы, способные под действием переменного давления акустической волны создавать эквивалентные электрические сигналы. Однако чувствительность этих датчиков ограничивается минимальным регистрируемым давлением.Acoustic sensors are widely used for various acoustic vision systems [Leonard J.J. & Durrant-Whyte, H.F. Directed Sonar Sensing for Mobile Robot Navigation, vol. 448 (Kluwer Academic Publishers, 1992)], acoustic navigation and communication devices [Freitag, L. et al. The WHOI micro-modem: an acoustic communications and navigation system for multiple platforms. Proc. OCEANS 2, 1086-1092 (2005).], For non-destructive testing [Farrar, C.R. & Worden, K. An introduction to structural health monitoring. Phil. Trans. R. Soc. A 365, 303-315 (2007).], In medicine [Szabo, T. L. Diagnostic Ultrasound Imaging: Inside Out (Academic Press, (2004).], While devices operating on various physical principles are used as sensitive elements for recording acoustic radiation: piezoresistive [Papila, M., Haftka, R.T., Nishida , T. & Sheplak, M. Piezoresistive microphone design pareto optimization: tradeoff between sensitivity and noise floor. J. Microelectromech. Syst. 15, 1632-1643 (2006).], Piezoelectric [Tadigadapa, S. & Mateti, K. Piezoelectric MEMS sensors: state-of-the-art and perspectives. Meas. Sci. Technol. 20, 092001 (2009).], Capacitive [Scheeper, PR et al. A new measurement microphone based on MEMS technology. J. Microelectromech. Syst . 12, 880-891 (2003).], Optical [Bucaro, JA, Lagakos, N., Houston, B.H., Jarzynski, J. & Zalalutdinov, M. Miniature, high performance, low-cost fiber optic microphone. J. Acoust. Soc. Am. 118, 1406-1413 (2005). Acoustoelectric transducers include physical devices, elements, parts, and materials capable of acting AC pressure acoustic waves create equivalent electrical signals. However, the sensitivity of these sensors is limited by the minimum recorded pressure.

Для повышения величины давления на чувствительном элементе приемника осуществляют фокусировку акустического излучения на нем с помощью акустических линз.To increase the pressure on the sensitive element of the receiver, the acoustic radiation is focused on it using acoustic lenses.

Известны различные акустические линзы для фокусировки упругих волн, материалом которых могут быть жидкие, твердые и газообразные вещества, при этом линзы могут иметь плоско-выпуклую поверхность, плоско-вогнутую, двояковыпуклую, двояковогнутую и выпукло-вогнутую поверхности [Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977, с. 3-36].There are various acoustic lenses for focusing elastic waves, the material of which can be liquid, solid and gaseous substances, while the lenses can have a plano-convex surface, plano-concave, biconvex, biconcave and convex-concave surfaces [Kanevsky I.N. Focusing sound and ultrasound waves. M .: Nauka, 1977, p. 3-36].

Известна акустическая линза, содержащая тонкую звукопроницаемую оболочку, заполненную жидкой средой и с двояковыпуклой или двояковогнутой поверхностью [Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Под ред. И.П. Голяминой. М.: Советская энциклопедия, 1979, с. 176-178; Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977, с. 265].Known acoustic lens containing a thin soundproof shell filled with a liquid medium and with a biconvex or biconcave surface [Ultrasound. Little Encyclopedia. Ed. I.P. Golemina. M .: Soviet Encyclopedia, 1979, p. 176-178; Kanevsky I.N. Focusing sound and ultrasound waves. M .: Nauka, 1977, p. 265].

Известна жидкостная звуковая линза [патент РФ № 441976], выполненная из искусственного материала с переменным коэффициентом преломления, представляющая собой набор цилиндров в звукопроницаемой оболочке, заполненных рабочей жидкостью с диаметром сечения менее половины длины волны и расстоянием между цилиндрами менее длины волны.Known liquid sound lens [RF patent No. 441976], made of artificial material with a variable refractive index, which is a set of cylinders in a soundproof shell filled with a working fluid with a cross-section diameter of less than half the wavelength and a distance between the cylinders of less than the wavelength.

Известна надувная акустическая линза в тонкой резиновой оболочке, наполненная углекислым газом и с относительным диаметром D/λ=13.6 на частоте 10000 Гц в воздухе, при этом скорость звука в рабочей среде линзы меньше, чем скорость звука в окружающей среде [Cleon Е. Dean and Kendez Parker A ray model of sound focusing with a balloon lens: An experiment for high school students // J. Acous. Soc. Am. 131 (3), Pt. 2, Mart 2012, pp. 2459-2462].Known inflatable acoustic lens in a thin rubber shell, filled with carbon dioxide and with a relative diameter of D / λ = 13.6 at a frequency of 10,000 Hz in air, while the speed of sound in the working environment of the lens is less than the speed of sound in the environment [Cleon E. Dean and Kendez Parker A ray model of sound focusing with a ball lens: An experiment for high school students // J. Acous. Soc. Am. 131 (3), Pt. 2, Mart 2012, pp. 2459-2462].

Известен акустический микроскоп по патенту РФ № 79219, содержащий излучатель ультразвука, акустическую линзу для фокусировки пучка, отраженного от объекта и акустического приемника.Known acoustic microscope according to the patent of the Russian Federation No. 79219, containing an ultrasonic emitter, an acoustic lens for focusing the beam reflected from the object and the acoustic receiver.

Известен сканирующий акустический микроскоп по патенту США № 4028933, содержащий передающий акустический элемент со сферической акустической линзой, приемный акустический элемент, жидкостную ячейку (иммерсионную среду), установленную между передающими и приемными элементами, а также системы сканирования исследуемого объекта и восстановления его изображения на экране видеоконтрольного устройства.Known scanning acoustic microscope according to US patent No. 4028933, containing a transmitting acoustic element with a spherical acoustic lens, a receiving acoustic element, a liquid cell (immersion medium) installed between the transmitting and receiving elements, as well as a system for scanning the studied object and restoring its image on the video-control screen devices.

Известны акустические линзы, выполненные из искусственных материалов (акустических метаматериалов) [Zhang, S., Yin, L. & Fang, N. Focusing ultrasound with an acoustic metamaterial network. Phys. Rev. Lett. 102, 194301 (2009); Zhu, J. et al. A holey-structured metamaterial for acoustic deep-subwavelength imaging. Nat. Phys. 7, 52-55 (2010); Li, J., Fok, L., Yin, X., Bartal, G. & Zhang, X. Experimental demonstration of an acoustic magnifying hyperlens. Nat. Mater. 8, 931-934 (2009); Martin, T.P. et al. Sonic gradient index lens for aqueous applications. Appl. Phys. Lett. 97, 113503 (2010); Climente, A., Torrent, D. &

, J. Sound focusing by gradient index sonic lenses. Appl. Phys. Lett. 97, 104103 (2010).]Known acoustic lenses made of artificial materials (acoustic metamaterials) [Zhang, S., Yin, L. & Fang, N. Focusing ultrasound with an acoustic metamaterial network. Phys. Rev. Lett. 102, 194301 (2009); Zhu, J. et al. A holey-structured metamaterial for acoustic deep-subwavelength imaging. Nat. Phys. 7, 52-55 (2010); Li, J., Fok, L., Yin, X., Bartal, G. & Zhang, X. Experimental demonstration of an acoustic magnifying hyperlens. Nat. Mater. 8, 931-934 (2009); Martin, TP et al. Sonic gradient index lens for aquatic applications. Appl. Phys. Lett. 97, 113503 (2010); Climente, A., Torrent, D. &

, J. Sound focusing by gradient index sonic lenses. Appl. Phys. Lett. 97, 104103 (2010).]

Ни в одной из упомянутых конструкций не решается проблема повышения уровня давления на чувствительном элементе ультразвукового преобразователя за счет сверхфокусирови падающего на него излучения.None of the mentioned structures solves the problem of increasing the pressure level on the sensitive element of the ultrasonic transducer due to the superfocusing of the radiation incident on it.

Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) акустического поля с помощью линзовых систем [Борн М., Вольф Э., Основы оптики - М.: Наука, 1970]The diameter of the Airy spot h is determined by the so-called Rayleigh criterion, which sets the concentration limit (focusing) of the acoustic field using lens systems [Born M., Wolf E., Fundamentals of Optics - M .: Nauka, 1970]

где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы, F - фокусное расстояние фокусирующего устройства.where λ is the radiation wavelength, D is the diameter of the primary mirror or lens, F is the focal length of the focusing device.

Поперечный размер области фокусировки излучения возрастает с увеличением фокусного расстояния, длины волны используемого излучения и уменьшением характерного размера фокусирующего устройства.The transverse size of the radiation focusing area increases with an increase in the focal length, wavelength of the radiation used and a decrease in the characteristic size of the focusing device.

Диаметр пятна Эйри h является важным параметром фокусирующей системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости, определяет качество получаемого изображения и область концентрации акустической энергии для идеального фокусирующего устройства: линзы или зеркальной антенны. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способна зарегистрировать данная система. Максимальное разрешение идеальной линзовой системы не может превышать величины λ/2.The diameter of the Airy spot h is an important parameter of the focusing system, which determines its own resolution in the focal plane, determines the quality of the resulting image and the region of acoustic energy concentration for an ideal focusing device: a lens or a mirror antenna. It shows the minimum distance between the field of point sources in the focal plane that this system is able to register. The maximum resolution of an ideal lens system cannot exceed λ / 2.

Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].By overcoming the diffraction limit is meant focusing radiation into a spot with dimensions smaller than that of an Airy spot [M. Born, E. Wolf. Fundamentals of Optics. - M.: Mir, 1978].

Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006); Y.F. Lu, L. Zhang, W.D. Song, Y.W. Zheng, and B.S.

, // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); B.S.

, Z.B. Wang, W.D. Song, and M.H. Hong, "Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning," Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79(4-6), 747-751 (2004)). Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.The diffraction limit in optics can be overcome in various ways, for example, using the photon nanostructure effect (for example, see A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl. Phys. Lett., 89, 221118 (2006); YF Lu, L. Zhang, WD Song, YW Zheng, and BS

, // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); BS

, ZB Wang, WD Song, and MH Hong, "Particle on surface: 3D-effects in dry laser cleaning," Appl. Phys., A Mater. Sci. Process. 79 (4-6), 747-751 (2004)). A photon stream arises in the region of the shadow surface of dielectric microspherical particles - the so-called near diffraction zone - and is characterized by strong spatial localization and high optical field intensity in the focusing region. It was shown that with a plane wave incident on a spheroidal particle, a spatial resolution of up to one third of the wavelength is achievable, which is below the classical diffraction limit.

Сферическая микрочастица, таким образом, выполняет роль рефракционной сферической микролинзы, фокусирующей световое излучение в пределах субволнового объема [Ю. Гейнц, А. Землянов, Е. Панина. Микрочастица в интенсивном световом поле. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 с.; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356].Thus, a spherical microparticle plays the role of a refractive spherical microlens focusing light radiation within a subwave volume [Yu. Heinz, A. Zemlyanov, E. Panina. Microparticle in an intense light field. - Palmarium Academic Publishing (2012), ISBN-13: 978-3-8473-9641-3. - 252 s .; Daniel S. Benincasa, Peter W. Barber, Jian-Zhi Zhang, Wen-Feng Hsieh, and Richard K. Chang Spatial distribution of the internal and near-field intensities of large cylindrical and spherical scatterers // Applied Optics, Vol. 26, No. 7, 1987, pp. 1348-1356].

Позднее возможность получения фотонных наноструй были изучены для диэлектрических осесимметричных тел, например эллиптических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; Т. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [

Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], дисков [

, N.I. Zheludev, S.A. Maier, N.J. Halas, P. Nordlander, H. Giessenand T.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater. 9, 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].Later, the possibility of producing photonic nanostructures was studied for dielectric axisymmetric bodies, for example, elliptical nanoparticles [Minin IV, Minin OV Quasioptics: modern development trends - Novosibirsk: SGUGiT, 2015. - 163 p .; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014).], Multilayer layered inhomogeneous microspherical particles with a radial gradient of the refractive index [

Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], as well as hemispheres [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.], Discs [

, NI Zheludev, SA Maier, NJ Halas, P. Nordlander, H. Giessenand TC Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater. 9, 707-715 (2010); CY. Liu and CC. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016).], Cylinder spheres [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].

Также было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами, например куб, усеченный шар, пирамида, усеченная пирамида, призма, объемный шестигранник и т.д. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin and О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; Yu.E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910(2015); Yu.E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); И.В. Минин, О.В. Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, № 4, с. 4-10.].It was also found that photonic jets can be formed by asymmetric mesoscale dielectric particles, such as a cube, a truncated ball, a pyramid, a truncated pyramid, a prism, a volume hexagon, etc. [I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin and O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin, O.V. Minin and Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002 / andp.201500132; Yu.E. Geintz, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Photonic Nanonanojets from Nonspherical Dielectric Microparticles. Russian Physics Journal 58, 904-910 (2015); Yu.E. Geints, A.A. Zemlyanov and E.K. Panina. Characteristics of photonic jets from microcones. Optics and Spectroscopy 119, 849-854 (2015); I.V. Minin, O.V. Minin. Photonics of isolated dielectric particles of arbitrary three-dimensional shape - a new direction in optical information technology // "Vestnik NSU. Series: Information Technology". 2014, No. 4, p. 4-10.].

Недостатком известных акустических датчиков с акустическими линзами является большие габариты, обусловленным тем, что для фокусировки акустического излучения относительный диаметр линзы D/λ должен быть не менее 10-15 и значительный размер области фокусировки, не менее дифракционного предела, что снижает максимальную величину давления на приемном устройстве.A disadvantage of the known acoustic sensors with acoustic lenses is the large size due to the fact that for focusing the acoustic radiation, the relative diameter of the lens D / λ should be at least 10-15 and a significant size of the focusing area, at least the diffraction limit, which reduces the maximum pressure at the receiving device.

В качестве прототипа выбран ультразвуковой датчик [патент США № 3765403], содержащий ультразвуковой преобразователь и фокусирующую звукопроводящую линзу. Известный ультразвуковой датчик с двояковыпуклой звукопроводящей линзой имеет значительные габариты (диаметр не менее (10-15)D/λ), при этом пространственное разрешение акустической линзы не превышает дифракционного предела для заданных длины волны излучения, диаметра и фокусного расстояния линзы.An ultrasound transducer [US Patent No. 3,765,403] is selected as a prototype, comprising an ultrasound transducer and a focusing sound guide lens. The known ultrasonic sensor with a biconvex sound-conducting lens has significant dimensions (diameter of at least (10-15) D / λ), while the spatial resolution of the acoustic lens does not exceed the diffraction limit for a given radiation wavelength, diameter and focal length of the lens.

Таким образом, задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно повышение чувствительности акустических датчиков с фокусирующими устройствами.Thus, the objective of this utility model is to eliminate these drawbacks, namely, increasing the sensitivity of acoustic sensors with focusing devices.

Указанная задача решена благодаря тому, что акустический датчик, содержащий ультразвуковой преобразователь и фокусирующую звукопроводящую линзу, отличается тем, что линза выполнена в виде звукопроводящей частицы, непосредственно контактирующей с ультразвуковым преобразователем, и с возможностью фокусировки излучения непосредственно за теневой границей частицы с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел.This problem is solved due to the fact that the acoustic sensor containing an ultrasonic transducer and a focusing sound-conducting lens is characterized in that the lens is made in the form of a sound-conducting particle directly in contact with the ultrasonic transducer, and with the possibility of focusing the radiation directly behind the shadow border of the particle with a spatial resolution exceeding diffraction limit.

Кроме того, звукопроводящая частица может быть выполнена в форме шарика.In addition, the sound-conducting particle can be made in the form of a ball.

Кроме того, звукопроводящая частица может быть выполнена в форме кубика.In addition, the sound-conducting particle can be made in the form of a cube.

Кроме того, звукопроводящая частица может быть выполнена в форме усеченного шарика.In addition, the sound-conducting particle can be made in the form of a truncated ball.

Кроме того, звукопроводящая частица может быть выполнена в форме кругового конуса.In addition, the sound-conducting particle can be made in the form of a circular cone.

В результате проведенных исследований было обнаружено, что звукопроводящая частица, например, в форме кубика или шарика или усеченного шарика или кругового конуса, с характерным размером не более поперечного размера области фокусировки и не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения в среде, со скоростью звука в материале частицы относительно скорости звука в окружающей среде, лежащего в диапазоне от 0.5 до 0.83, формирует на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной концентрацией энергии и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4.As a result of the studies, it was found that a sound-conducting particle, for example, in the form of a cube or ball or a truncated ball or circular cone, with a characteristic size of not more than the transverse size of the focusing area and not less than λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used in the medium , with the speed of sound in the material of the particle relative to the speed of sound in the environment, lying in the range from 0.5 to 0.83, forms at its outer border on the opposite side from the incident radiation of the region with a high concentration of en WGIG and with transverse dimensions of the order of λ / 3 - λ / 4.

На фиг. 1 показана схема акустического датчика с звукопроводящей частицей в форме шарика (а), кубика (б), усеченного шарика (в), кругового конуса (г).In FIG. 1 shows a diagram of an acoustic sensor with a sound-conducting particle in the form of a ball (a), a cube (b), a truncated ball (c), a circular cone (d).

На фиг. 2 показан пример формирования звукопроводящей частицей (в виде шарика, кубика, кругового конуса, усеченного шарика) области повышенного давления на ее теневой стороне с субдифракционным разрешением.In FIG. Figure 2 shows an example of the formation of a sound-conducting particle (in the form of a ball, cube, circular cone, truncated ball) of a high-pressure region on its shadow side with a sub-diffraction resolution.

Обозначения: 1 - направление падения акустического излучения на звукопроводящую частицу в виде шарика 2, кубика 5, усеченного шарика 6, кругового конуса 7; 3 - формируемая «фотонная струя» область повышенного давления с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 и ультразвуковой преобразователь.Designations: 1 - the direction of incidence of acoustic radiation onto a sound-conducting particle in the form of a ball 2, a cube 5, a truncated ball 6, a circular cone 7; 3 - formed "photon stream" region of high pressure with transverse dimensions of the order of λ / 3 - λ / 4 and an ultrasonic transducer.

Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.

Падающее акустическое излучения 1 освещает звукопроводящую частицу 2, или 5, или 6, или 7, которая фокусирует это излучение в «фотонную струю» с повышенным давлением 3, которая возникает непосредственно на теневой границе частиц 2, 5, 6, 7, при этом достижимо пространственное разрешение, превышающее дифракционный предел. Далее это повышенное давление преобразуется ультразвуковым преобразователем, например, в электрический сигнал и регистрируется.The incident acoustic radiation 1 illuminates a sound-conducting particle 2, or 5, or 6, or 7, which focuses this radiation into a “photon stream” with increased pressure 3, which arises directly on the shadow boundary of particles 2, 5, 6, 7, and is achievable spatial resolution exceeding the diffraction limit. Further, this increased pressure is converted by an ultrasonic transducer, for example, into an electrical signal and is recorded.

В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» для характерных размеров кубика и шарика менее λ/2 не формируется. Устойчиво локализация акустического поля типа «фотонная струя» формируется при размерах звукопроницаемой частицы не менее λ.As a result of the studies, it was found that the localization of the field of the "photon stream" type for the characteristic dimensions of the cube and ball less than λ / 2 is not formed. Stably localization of the acoustic field of the "photon stream" type is formed at a sound-permeable particle size of at least λ.

При относительной скорости звука в материале звукопроводящей частице более 0.83 формируемая «фотонная струя» не обеспечивает эффективной концентрации акустического излучении и менее 0.5 «фотонная струя» формируется внутри звукопроводящей частице.At a relative speed of sound in the material of the sound-conducting particle of more than 0.83, the generated “photon stream” does not provide an effective concentration of acoustic radiation and less than 0.5 “photon stream” is formed inside the sound-conducting particle.

Для звукопроводящей частицы, предназначенной для работы, например в воздухе, при 0°С (скорость звука 331 м/с), в качестве рабочей среды можно использовать хлор (скорость звука 206 м/с) относительная скорость звука 0.62, пары эфира (скорость звука 179 м/с) относительная скорость звука 0.54, пары спирта (скорость звука 230 м/с) относительная скорость звука 0.69, оксид углерода (скорость звука 260 м/с) относительная скорость звука 0.785 и т.д.For a sound-conducting particle intended to work, for example, in air, at 0 ° С (sound velocity 331 m / s), chlorine (sound velocity 206 m / s), relative sound velocity 0.62, ether vapors (sound velocity) can be used as a working medium 179 m / s), the relative speed of sound is 0.54, alcohol vapor (the speed of sound is 230 m / s), the relative speed of sound is 0.69, carbon monoxide (the speed of sound is 260 m / s), the relative speed of sound is 0.785, etc.

Для звукопроводящей частицы, предназначенной для работы в жидкости, например в воде при 25°С (скорость звука 1490 м/с), в качестве рабочей среды можно использовать метиловый спирт (скорость звука 1143 м/с) относительная скорость звука 0.767, четыреххлористый углерод (скорость звука 926 м/с) относительная скорость звука 0.62, эфир (скорость звука 985 м/с) относительная скорость звука 0.66, этиловый спирт (скорость звука 1180 м/с) относительная скорость звука 0.79 и т.д.For a sound-conducting particle designed to work in a liquid, for example, in water at 25 ° С (sound speed 1490 m / s), methyl alcohol (sound speed 1143 m / s), relative sound speed 0.767, carbon tetrachloride ( sound speed 926 m / s) relative speed of sound 0.62, ether (speed of sound 985 m / s) relative speed of sound 0.66, ethyl alcohol (speed of sound 1180 m / s) relative speed of sound 0.79, etc.

В качестве материала оболочки звукопроводящей частицы может использоваться, например, латексная резина.As the sheath material of the sound-conducting particle, for example, latex rubber can be used.

Для звукопроводящей частицы предназначенной для работы в жидкости, например, в воде при 25°С (скорость звука 1490 м/с), в качестве материала звукопроводящей частицы может использоваться рексолит (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0.645 и т.д.For a sound-conducting particle intended to work in a liquid, for example, in water at 25 ° С (sound speed 1490 m / s), rexolite (sound speed 2311 m / s), relative sound speed 0.645, etc. can be used as the material of the sound-conducting particle. .

Сравнение прототипа и предлагаемого устройства производилось на частоте 1 МГц с жидкостной ячейкой из воды при 25°С (скорость звука 1490 м/с) и звукопроводящей частицы из рексолита (скорость звука 2311 м/с) относительная скорость звука 0.645, формы частиц шарик, кубик, усеченный шарик, круговой конус с характерным размером 1.5 λ. Было установлено, что в предлагаемом устройстве достигнуто пространственное разрешение, превышающее пространственное разрешение по прототипу в 3-3.5 раза. Повышение пространственного разрешения по предлагаемому устройству приводит к одновременному повышению чувствительности акустического датчика без повышения интенсивности излучения источника акустического поля в 7-9 раз.Comparison of the prototype and the proposed device was carried out at a frequency of 1 MHz with a liquid cell from water at 25 ° C (speed of sound 1490 m / s) and a sound-conducting particle from rexolite (speed of sound 2311 m / s), relative speed of sound 0.645, particle shape ball, cube , truncated ball, circular cone with a characteristic size of 1.5 λ. It was found that in the proposed device achieved spatial resolution exceeding the spatial resolution of the prototype by 3-3.5 times. The increase in spatial resolution for the proposed device leads to a simultaneous increase in the sensitivity of the acoustic sensor without increasing the radiation intensity of the acoustic field source by 7-9 times.

Техническим результатом является снижение габаритов акустического датчика и увеличение его чувствительности.The technical result is to reduce the size of the acoustic sensor and increase its sensitivity.

Claims

An acoustic sensor containing an ultrasonic transducer and a focusing sound-conducting lens, characterized in that the lens is made in the form of a sound-conducting particle in direct contact with the ultrasonic transducer, and with the possibility of focusing the radiation directly behind the shadow border of the particle with a spatial resolution exceeding the diffraction limit.

2. The acoustic sensor according to claim 1, characterized in that the sound-conducting particle is made in the form of a ball.

3. The acoustic sensor according to claim 1, characterized in that the sound-conducting particle is made in the form of a cube.

4. The acoustic sensor according to claim 1, characterized in that the sound-conducting particle is made in the form of a truncated ball.

5. The acoustic sensor according to claim 1, characterized in that the sound-conducting particle is made in the form of a circular cone.