RU202522U1 - Акустический диод (варианты) - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области физической акустики и может найти применение в ультразвуковой технике, например, в устройствах ультразвуковой медицинской диагностики или неразрушающего контроля, устройствах шумоподавления, в акустических выпрямителях, акустических диодах, акустическом одностороннем зеркале.Акустический диод - устройство, пропускающее звуковую волну только в одну сторону.Таким образом, задачей настоящей полезной модели является создание простого акустического диода с высокой эффективностью.Достоинством предлагаемого акустического диода является независимость его свойств от параметров окружающей среды, так как материал окружающей среды находится в структуре диода, а ее относительный показатель преломления зависит только от физической длины параллельных пластин или от угла наклона этих пластин по отношению к падающему излучению.Кроме того, акустический диод характеризуется малыми потерями излучения на отражение от искусственной среды частицы и частица не имеет центральной симметрии, т.к. искусственный материал анизотропен по отношению к направлению падения на него излучения.Такая структура может быть изготовлена, например, методом 3D печати.

Description

Полезная модель относится к области физической акустики и может найти применение в ультразвуковой технике, например, в устройствах ультразвуковой медицинской диагностики или неразрушающего контроля, устройствах шумоподавления, в акустических выпрямителях, акустических диодах, акустическом одностороннем зеркале.

Акустический диод - устройство, пропускающее звуковую волну только в одну сторону. Известны устройства акустического диода, состоящие из двух половинок: нелинейной акустической среды и фононного кристалла [Bin Liang, Bo Yuan, and Jian-chun Cheng. Acoustic Diode: Rectification of Acoustic Energy Flux in One-Dimensional Systems // Physical Review Letters, 103, 104301 (2009), DOI: 10.1103/PhysRevLett.103.104301; B. Liang, X. S. Guo, J. Tu1, D. Zhang and J. C. Cheng. An acoustic rectifier // Nature Materials, Vol 9, December, рр. 989-992]. Если эта звуковая волна вначале попадает в нелинейную среду, то как раз из-за нелинейности она частично превращается в волну удвоенной частоты. Далее эта комбинация волн переходит в фононный кристалл; исходная волна там поглощается, а волна на удвоенной частоте спокойно проходит вперед. Если же запустить начальную звуковую волну с другого торца, то она первым делом упрется в фононный кристалл и просто отразится назад.

Известно устройство акустического диода по патенту US 8511423 B2, МПК G01K 11/00 (2006.01), включающее в себя фононную кристаллическую среду, состоящую из двух частей: периодических слоев воды и стекла (фотонный кристалл) и нелинейной акустической среды. Нелинейная акустическая среда представляет собой слой ультразвукового контрастного вещества суспензии микропузырьков. Контрастное вещество ультразвука - это гель, который широко используется в ультразвуковой дефектоскопии для повышения качества визуализации, ультразвуковой диагностики. Когда акустическая волна определенной частоты проходит через суспензию микропузырьков контрастного вещества, она будет частично преобразовываться в волну с удвоенной частотой.

Недостатками известных устройств являются:

сложность конструкции и состава, требующая, в частности, разработки специальных материалов (гель с нелинейными акустическими свойствами);

узкополосность, поскольку эффект одностороннего пропускания звука проявляется только в узких диапазонах частот;

искажение исходных характеристик звуковых колебаний, поскольку эффект одностороннего пропускания выражен только для удвоенной частоты звука.

Известно устройство одностороннего пропускания звука по патенту РФ 2465578, МПК G01N 29/00 (2006.01), состоящее из двух сред, непосредственно примыкающих друг к другу по их плоским границам, выполненных из материалов с наибольшим отношением Z2/Z1, где Z2 и Z1 - акустические сопротивления контактирующих сред, а на плоской поверхности среды с наибольшим значением акустического сопротивления выполнены пустотелые углубления прямоугольной формы, суммарная относительная площадь β которых, подчиняется соотношению:

,

при этом глубина 1 углублений устанавливают из соотношений 0<1≤0,095λ₂ или (0,5n-0,095)λ₂≤1≤(0,5n+0,095)λ₂, n=1, 2, 3, ..., где λ₂ - длина звуковой волны в среде с акустическим сопротивлением Z₂.

Например, 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.

Из технической литературы известно, что коэффициент отражения акустической волны от границы раздела двух сред пропорционален относительному акустическому сопротивлению этих сред [Е. Гидеман, Кельн. Ультразвук // Успехи физических наук, Т. XVI, вып. 5, 1936, с. 586-656.]. Поэтому акустическая волна не проникает в среду с относительно большим акустическим сопротивлением из среды с малым акустическим сопротивлением, а отражается от нее.

Недостатком известного устройства является его сложность, узкополосность и низкая эффективность.

Известно устройство акустического вентиля по патенту РФ 2465580, МПК G01N 29/00 (2006.01), содержащее звукопровод из однородного материала и два акустически связанных с его торцами приемно-передающих акустических преобразователя, причем звукопровод включает по меньшей мере одну пустотелую внутреннюю область, поперечный размер которой однонаправленно монотонно изменяется вдоль звукопровода.

Внутри звукопровода размещена пустотелая замкнутая область, поперечный размер которой однонаправленно изменяется по длине звукопровода, в простейшем случае от нуля до максимума по прямой образующей, т.е. в форме конической поверхности.

Недостатком известного устройства является его низкая эффективность.

В других устройствах используется двумерный фононный кристалл, который с одного торца является для звуковой волны гладким, а с другого торца - шероховатым. Попадая с гладкого торца, звуковая волна нужной частоты отражается, а попадая с шероховатой стороны - она проходит насквозь и лишь отклоняется вбок.

Известен акустический диод, состоящий из дифракционной решетки расположенной на гладкой однородной подложке [Hong-xiang Sun, Shu-yi Zhang, and Xiu-ji Shui. A tunable acoustic diode made by a metal plate with periodical structure // Applied Physics Letters 100, 103507 (2012); doi: 10.1063/1.3693374]. Акустический диод реализован на тонкой латунной пластине с односторонней периодической прямоугольной решеткой, погруженной в воду.

Известно устройство акустического диода, состоящего из концентрической дифракционной решетки на одной стороне однородной пластины с центральным отверстием [Wang JiWei, Yuan BaoGuo, Cheng Ying & LIU XiaoJun. Unidirectional acoustic transmission in asymmetric bull’s eye structure // Sci China-Phys Mech Astron, 2014, doi: 10.1007/s11433-014-5517-y].

Известно устройство акустического диода в соответствии с патентом WO 2014/146294 Al, МПК H03H 9/25 (2006.01), A61B 8/00 (2006.01), состоящего из периодической акустической решетки, имеющей множество решеток, и однородной пластины, отделенной от периодической акустической решетки с резонансной полостью. Акустическая волна, падающая на акустическую решетку, проходит через нее, волна, падающая на однородную пластину, отражается и не проходит вперед.

Известно устройство акустического диода, состоящего из акустической асимметричной решетки [Zhaojian He, Shasha Peng, Yangtao Ye, Zhongwei Dai, Chunyin Qiu, Manzhu Ke, Zhengyou Liu. Asymmetric acoustic gratings // Applied Physics Letters 98, 083505, 2011]. Работа устройства основана на одностороннем дифракционном эффекте, индуцированного по разным периодам прорези на обеих поверхностях решетки.

Известно устройство акустического диода, состоящего из акустической асимметричной решетки, нанесенной с двух сторон однородной пластины [Jie LI, Jiu-jiu CHEN. Unidirectional and tunable acoustic diode made by asymmetric double layer metallic grating with periodical structure // 2016 Symposium on Piezoelectricity, Acoustic waves, and Device Applications, Oct. 21-24, Xi’an, Shaanxi, CHINA, рр. 389-392.].

Недостатком известных устройств является их узкополосность, сложность и низкая эффективность.

Известно устройство акустического диода на основе несимметричного фотонного кристалла [Xuefeng Zhu, Xinye Zou, Bin Liang, and Jianchun Cheng. One-way mode transmission in one-dimensional phononic crystal plates // Journal of Applied Physics 108, 124909 (2010); doi: 10.1063/1.3520491; Xue-Feng Li, Xu Ni, Liang Feng, Ming-Hui Lu, Cheng He, and Yan-Feng Chen. Tunable Unidirectional Sound Propagation through a Sonic-Crystal-Based Acoustic Diode // Physical Review Letters, 106, 084301 (2011)].

Акустический диод на основе фотонного кристалла может быть выполнен в виде би-призмы [Joo Hwan Oh, Hoe Woong Kim, Pyung Sik Ma, Hong Min Seung, and Yoon Young Kim. Inverted bi-prism phononic crystals for one-sided elastic wave transmission applications // Applied Physics Letters 100, 213503 (2012), http://dx.doi.org/10.1063/1.4721485].

Недостатком известного устройства является его узкополосность, сложность и низкая эффективность.

Известно, что для концентрации (фокусировки) звуковых волн применяют акустические и ультразвуковые линзы, основанные на преломлении звуковых лучей при переходе из одной среды в другую с разными скоростями распространения (например, скорость распространения звуковых волн в пористых материалах или в решетках и жалюзи из пластин отличается от скорости распространения в открытом пространстве).

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].

Предел разрешения для классических идеальных линз (поперечный размер области фокусировки) не может быть меньше половины длины волны излучения [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Пер. с англ. Главная редакция физико-математической литературы. М., Наука, 1973].

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. Lukyanchuk Laser writing of a subwavelength structure on silicon (100) surfaces with particle enhanced optical irradiation // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000); B.S. . Lukyanchuk , 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.

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].

Позднее возможности 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 [Cesar Mendez 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 [B. Lukyanchuk , 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].

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].

Области акустики и оптики различны и поэтому термин «фотонная струя», являющийся общепринятым в оптике, не применим в акустике. Однако в работах [Акустический аналог феномена фотонной струи // Вестник СГУГиТ вып.1(33) 2016 139-147; A Theoretical Analysis of Acoustic Jets J. H. Lopes, J. P. Leão-Neto, I. V. Minin, O.V.Minin, G. T. Silva Proc. 22nd International Congress on Acoustics, Buenos Aires, Argentina, September 5-9, 2016 Paper ICA2016-943 http://www.ica2016.org.ar/ica2016proceedings/ica2016/ICA2016-0943.pdf ; Minin, I. V., Minin, O. V., & Tseplyaev, I. S. (2017). The relationship between resonance scattering and the formation of an acoustojet under the interaction of ultrasound with a dielectric sphere immersed in water. // Journal of Physics: Conference Series, 881, 012025. doi:10.1088/1742-6596/881/1/012025; I. V. Minin, O. V. Minin, S. E. Shipilov and K V Zavyalova. The possibility of total protein concentration determination based on acoustojet phenomenon // AIP Conference Proceeding 2017 J. Phys.: Conf. Ser. 881 012038 doi :10.1088/1742-6596/881/1/012038] был введен термин акустоструя как аналог фотонной струи в акустике.

В акустическом диапазоне длин волн для субволновой фокусировки используются звукопроводящие мезоразмерные частицы с возможностью фокусировки излучения непосредственно за теневой границей частицы в область фокусировки (акустострую) с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел, при этом скорость звука в преломляющей среде не превышает скорость звука в окружающей среде больше чем в 2,5 раза [Патенты РФ 167049, 175684, 2654387].

Фокусирующее устройство на основе звукопроводящей частицы формирует область фокусировки непосредственно за теневой поверхностью с размерами в поперечном (относительно направления распространения излучения) направлении на уровне половинной мощности менее классического дифракционного предела - до четверти длины волны акустического излучения в среде λ, и с протяженностью области фокусировки (1-5)λ, чем достигается повышение локализации сфокусированного акустического поля до субволнового значения и существенное повышение интенсивности акустического поля в фокальной области.

Устройства на основе звукопроводящих частичек, формирующих область фокусировки непосредственно на ее теневой границе, используются в сканирующем акустическом микроскопе [Патент РФ 172340], в устройствах формирования изображения объектов с субдифракционным разрешением в акустическом диапазоне длин волн [Патент РФ 2654387], акустической ловушке в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков [Патент РФ 174330], акустических датчиках [Патент РФ № 175684], при этом используются частицы со скоростью звука в материале относительно скорости звука в окружающей среде в диапазоне от 0,5 до 0,83.

Наиболее близким устройством к заявляемой полезной модели, принятым за прототип, является акустический диод, состоящий из треугольной частицы, расположенной в изотропном, однородном, акустически прозрачном материале и выполненной из материалов с высоким отношением акустических сопротивлений контактирующих сред [Shin-ichiro Shirota, Ramya K Rishan, Yukihiro T Anaka, and Norihiko N Ishiguhi. Rectifying Acoustic Waves // Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 42, 2007, pp. L1025–L1027].

Треугольные частицы действуют как рассеиватели для акустических волн в системе, даже для характерных размеров рассеивателей сравнимых с длиной волны падающего излучения. Если акустическая волна падает на основания треугольных частиц, то она отражается и не проходит вперед. При падении акустической волны на вершину треугольников, она рассеивается и проходит вперед.

Недостатком устройства является его низкая эффективность.

Кроме того, для твердых материалов в акустике наблюдается две скорости звука – продольная и поперечная или два показателя преломления, соответствующего этим скоростям. Рассеяние и дифракция акустического излучения на твердых частичках зависят от показателя преломления материала или скорости звука. Наличие двух скоростей звука приводит к тому, что оптимальные размеры и форма частички для одной величины скорости звука является неоптимальной для другой.

Таким образом, задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно создание простого акустического диода с высокой эффективностью.

Указанная задача решена благодаря тому, что в акустическом диоде, содержащем треугольную частицу, расположенную в изотропном, однородном, акустически прозрачном материале новым является то, что частица выполнена в виде мезоразмерной звукопроводящей частицы фокусирующей падающее на ее вершину излучение с пространственным разрешением, не менее дифракционного предела, с полным углом раствора при ее вершине и относительным коэффициентом преломления материала, выбранным из условия обеспечения полного внутреннего отражения излучения при его падении со стороны основания частицы и выполненной из решетки параллельных пластин установленных под углом +α или 180-α к падающему излучению выше оптической оси частицы и под углом -α или -(180-α) ниже оптической оси частицы, при этом пластины выполнены из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды.

В результате проведенных исследований, было обнаружено, что звукопроводящая треугольная частица, с характерным размером не менее λ, где λ - длина волны используемого излучения в среде, с относительным показателем преломления (продольной скоростью звука) в материале частицы относительно показателя преломления окружающей среды лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7, 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.

Из технической литературы известно, что величина обратного рассеяния акустического излучения от звукопроводящего кругового конуса или 2D треугольника при падении излучения на его вершину меньше, чем рассеяние от его основания.

Кроме того, известен эффект полного внутреннего отражения, который заключается в том, что если излучение падает из «оптически» более плотной среды на границу раздела с «оптически» менее плотной средой, то угол падения меньше угла преломления. При увеличении угла падения можно подойти к такому его значению, когда преломленный луч заскользит по границе раздела двух сред и не попадет во вторую среду. При переходе из среды «оптически» менее плотной в среду более плотную полное внутреннее отражение невозможно [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].

Критический угол α при облучении со стороны основания конуса или пирамиды может быть вычислен по выражению:

,

где N показатель преломления звукопроводящей частицы. Критический угол при облучении со стороны основания конуса или 2D треугольника может быть определен по следующему выражению [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]:

, N>

.

Известна искусственная среда, образованная из системы параллельных пластин, установленных под углом к падающему излучению в акустике, например, из работ [Kock W. E. Metal-lens antennas // Proc. IRE. 34, 828–836 (1946); Winston E. Kock. Metallic Delay Lenses // Bell System Technical Journal, 1948, 27, р. 58-82; Jones, S. S. D. & Brown, J. Metallic Delay Lenses // Nature 163, 324–325 (1949); Brown, J. Artificial dielectrics having refractive indices less than unity // Proc. IEE. 100, 51–62 (1953).] Принцип действия такой искусственной среды заключается в том, чтобы заставить волны двигаться между наклонно расположенными пластинами. В этом случае, проходимый путь возрастает в 1/сosθ раз, что соответствует эффективному показателю преломления по отношению к распространению волн в свободном пространстве N _эф =1/сosθ.

В таком искусственном диэлектрике эффективный показатель преломления зависит только от угла наклона пластин решетки. В таблице 1 приведены значения эффективного показателя преломления N _эф от угла наклона пластин.

Таблица 1

Эф. показатель преломления, Nэф	1,00	1,02	1,06	1,15	1,31	1,56	1,74	2,00
Угол наклона пластин	0	10	20	30	40	50	55	60

Расстояние между пластинами выбирается менее λ/2, например, примерно 0,4λ. При уменьшении расстояния между пластинами увеличивается «однородность» искусственного диэлектрика, но может уменьшаться величина интенсивности акустического поля, проходящая через такую среду.

Заявляемая акустическая линза обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для изделий подобного назначения и неизвестных из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки на полезную модель.

На Фиг. 1 показана схема акустического диода в режиме работы в прямом (а) и обратном направлениях (б) для двух возможных ориентаций пластин, под углами α и 180-α , составляющих искусственную среду.

На Фиг. 2 показано распределение интенсивности поля, сформированного звукопроводящей треугольной частицей с основанием и высотой равными λ, с относительным показателем преломления материала N равным 1,46 в случае падения излучения на его вершину (a) и основание (б).

Обозначения: 1 - направление падения акустического излучения на звукопроводящую частицу в «прямом направлении», 2 - треугольная звукопроводящая частица, образованная из пластин, установленных под углом α, 3 - формируемая область повышенной интенсивности поля с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 - акустоструя, 4 - треугольная звукопроводящая частица, образованная из пластин, установленных под углом 180-α.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

При выполнении акустического диода в форме кругового конуса и 2D диода из решетки параллельных пластин, установленных под углом +α к падающему излучению выше оптической оси частицы и под углом -α ниже оптической оси частицы и выполненных из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды, формируется область фокусировки с поперечными размерами порядка 0,38λ.

Выполнение решетки параллельных пластин, установленных под углом +α к падающему излучению выше оптической оси линзы и под углом -α ниже оптической оси линзы из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды, позволяет эффективно распространяться акустической волне по такому своеобразному волноводу.

В прямом направлении падающее излучение 1 освещает звукопроводящую частицу 2, 4, которая в результате дифракции и интерференции волн фокусирует это излучение в акустострую 3 с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, которая возникает непосредственно на ее теневой границе. Таким образом, достигается максимальное пропускание акустического излучения в «прямом» направлении.

В обратном направлении акустическое излучение 1 падает на основание треугольных звукопроводящих частиц 2, 4. В результате полного внутреннего отражения, излучение из области вершины частицы 2, 4 падающее излучение отражается назад и не выходит из области вершины, что обеспечивает минимальное пропускание акустического излучения в «обратном» направлении.

Выполнение пластин, составляющих искусственную среду из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды, позволяет эффективно распространяться акустическим волнам между наклонно расположенными пластинами.

В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа акустоструя для характерных размеров конуса или 2D треугольника менее λ/2 не формируется. Устойчиво локализация акустического поля типа акустоструя формируется при размерах звукопроводящей частицы не менее λ.

Акустический диод, в котором треугольные мезоразмерные звукопроводящие частицы, фокусирующие падающее на ее вершину излучение с пространственным разрешением, не менее дифракционного предела, с полным углом раствора при ее вершине и относительным коэффициентом преломления материала, выбранным из условия обеспечения полного внутреннего отражения излучения при его падении со стороны основания частицы, позволяют повысить эффективность устройства - отношение интенсивности акустического излучения в «прямом» и «обратном» направлениях, по сравнению с прототипом, в 2,5-3,5 раза.

Достоинством предлагаемого акустического диода является независимость его свойств от параметров окружающей среды, так как материал окружающей среды находится в структуре диода, а ее относительный показатель преломления зависит только от физической длины параллельных пластин или от угла наклона этих пластин по отношению к падающему излучению.

Кроме того, акустический диод характеризуется малыми потерями излучения на отражение от искусственной среды частицы и частица не имеет центральной симметрии, т.к. искусственный материал анизотропен по отношению к направлению падения на него излучения.

Такая структура может быть изготовлена, например, методом 3D печати.

Claims (1)

1. Акустический диод, содержащий треугольную частицу, расположенную в изотропном, однородном, акустически прозрачном материале, отличающийся тем, что частичка выполнена в виде мезоразмерной звукопроводящей частицы фокусирующей падающее на ее вершину излучение с пространственным разрешением, не менее дифракционного предела, с полным углом раствора при ее вершине и относительным коэффициентом преломления материала, выбранным из условия обеспечения полного внутреннего отражения излучения при его падении со стороны основания частицы и выполненной из решетки параллельных пластин, установленных под углом +α или 180-α к падающему излучению выше оптической оси частицы и под углом -α или -(180-α) ниже оптической оси частицы, при этом пластины выполнены из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды.

Images