77.Для формирования направленных потоков акустического излучения используются Акустические линзы, концентраторы, зеркала и волноводы.

А кустические линзы предназначены для создания сходящихся волновых фронтов акустического излучения сферической или цилиндрической формы. Линза меняет акустическую длину пути L=k*l(где к-волновое число(k=2π/λ), l-геометрическая длина пути) таким образом, что преобразует плоский или расходящийся фронт в сходящийся. Центр кривизны сходящегося волнового фронта называют геометрическим фокусом, а точку, в которой плотность энергии максимальна-волновым фокусом. Для волновых фронтов, форма которых отличается от сферы или прямого кругового цилиндра. Положения геометрического и волнового фокусов не совпадают. Расстояние от поверхности фокусирующей системы до фокуса в направлении фокусирующей оси фронта называют фокусным расстоянием. Акустические линзы изготавливают из твердых материалов, жидкостей и газов. В последних двух случаях используют оболочку, обеспечивающую максимальное прохождение энергии и небольшое отклонение лучей при преломлении.

На рис. Показан принцип фокусировки плоской акустической волны цилиндрообразной линзой, состоящей из совокупности сходящихся к фокусу F волноводов. Свойства линзы определяются свойствами материала, из которого она изготовлена, и окружающей ее среды, а также формой преломляющих поверхностей линзы. Показатель преломления линзы n=c1/c2, где с1 и с2 соответственно скорости волны в среде и в материале линзы. При с2<c1(n>1) собирающая линза имеет хотя бы одну выпуклую поверхность. И называется замедляющей. В противном случае хотя бы одна из преломляющих поверхностей вогнутая, а значит линза ускоряющая. Материал для линзы должен обладать минимальным коэффициентом затухания, а также волновым сопротивлением, не сильно отличающимся от волнового сопотивления окружающей среды.При фокусировке акустического излучения осуществляется увеличение звукового давления p, колебательной скорости частиц среды υ и усиление интенсивности звука I.

Акустическое зеркало-гладкая поверхность, линейные размеры которой велики по сравнению с длиной λ падающей на нее звуковой волны, формирующая регулярное отражение звуковой волны. Поверхность считается гладкой, ели ее шероховатостьменьше λ/20. Свойства акустического зеркала определяются формой отражающей поверхности и коэффициентом отражения , который определяет энергию отраженной волны. Акустические зеркала применяются для изменения направления распространения и фокусировки звуковых волн. Например, плоское зеркало изменяет лишь направление распространения волны. Параболоидное зеркало изменяет и вид плоской акустической волны, превращая ее в сходящуюся сферическую волну. Эллипсоидное зеркало превращает расходящуюся сферическую волну в сходящуюся в другом фокусе также сферическую волну.

Акустический волновод-участок среды, ограниченный в одном или двух направлениях стенками или другими средами, в результате чего устраняется или уменьшается расхождение волн в стороны, так что распространение звука вдоль волновода происходит с меньшим ослаблением, чем в неограниченной среде. Волноводы применяются для передачи жнергии акустического излучения от источника на некоторое расстояние или для ввода энергии в какую-либо среду. В качестве акустических волноводов обычно используют трубы, ограниченные звуконепроницаемыми стенками, а также выполненные из твердого материала стержни или пластины.

Акустический концентратор-активная фокусирующая система, предназначенная для увеличения интенсивности акустического излучения путем сосредоточения его энергии в малом объеме. По принципу действия концентраторы делятся на фокусирующие и стержневые, а по интервалу рабочих частот-на низкочастотные и высокочастотные.

Низкочастотный акустический концентратор предназначен для увеличения амплитуды низкочастотных ультразвуковых колебаний (в интервале от 18 до 44 кГц) и представляют собой отрезок стержневого волновода переменного сечения или переменной плотности, присоединяемый к излучателю более широким концом с большей плотностью материала. Действие его основано на увеличении амплитуды колебаний частиц материала вследствие уменьшения поперечного сечения или плотности стержня в соответствии с законом сохранения импульса. Схема стержневого концентратора приведена на рис. 2.64. Ультразвуковые колебания, возбуждаемые батареей пьезоэлементов 1, излучаются металлической накладкой 3 в виде акустической волны, энергия которой концентрируется сужающимся стержнем 4.

В ысокочастотный концентратор предназначается для увеличения плотности энергии в некоторой части пространства по сравнению с плотностью энергии у поверхности ультразвукового излучателя. Его действие основано на фокусировке звука и потому в качестве высокочастотного концентратора могут быть использованы любые фокусирующие устройства-линзы, зеркала, спец.концентраторы, которые представляют собой ультразвуковые фокусирующие излучатели, имеющие форму части сферы или прямого кругового цилиндра. Схема 2.65: насадка 54 , в объеме которой фокусируется акустическое излучение, образует камеру, заполненную контактной жидкостью. Они могут создавать в фокальной области интенсивности до нескольких киловатт на квадратный сантиметр. Сверхмощные концентраторы, в которых используются фокусировки в жидкости или твердом теле, могут создавать мощность излучения до нескольких мегаватт на см.кв.

78. Действие приборов и устройств. Предназначенных для ультразвуковых исследований и диагностики, основано на способности ультразвуковых волн проникать внутрь вещества без существенного поглощения и отражаться полностью или частично от границ неоднородностей, даже незначительно различающихся по акустическим параметрам, например, по акустическому сопротивлению.

Акустическое волновое сопротивление-отношение звукового давления в бегущей волне. Распространяющейся в жидкости или газе, к колебательной скорости частиц среды: , p-плотность среды, с-скорость звука в этой среде. Волновое сопротивление не зависит от формы волны и является важнейшей характеристикой среды, определяющей условия отражения и преломления акустических волн на границе раздела сред. При нормальном падении волны на плоскую границу раздела двух сред коэффициент отражения определяется только отношением волновых сопротивлений этих сред. Если некоторые волновые сопротивления равны, значит звуковые волны проходят сквозь границу раздела без отражения. Для акустических волн в твердом теле волновое сопротивление: -отношение механического натяжения, взятого с обратным знаком, к колебательной скорости частиц среды.

Комплексное выражение для акустического импеданса: .Действительная часть или активное акустическое сопротивление обусловлена диссипацией энергии в самой системе и затратами энергии на излучение звука; мнимая часть(реактивное акуст.излучение)-реакцией сил упругости или инерции (масс)частиц среды.

В зависимости от способа получения и воспроизведения анализируемого ультразвукового излучения диагностические приборы и устройства разделяют на эхографические и работающие на основе эффекта Доплера.

Эхографические диагностические ультразвуковые приборы делятся на одномерные и двумерные(на основе явления акустического эха при отражении звуковых волн. Одномерные приборы одного типа обеспечивают получение инфии о расположении отражающей структуры вдоль фиксированного направления распространения пучка ультразвука. Одномерные приборы другого типа позволяют регистрировать изменение положения отражающих структур во времени. Двумерные приборы обеспечивают получение изображения поперечного сечения исследуемой области в плоскости перемещения(линейного, секторного, сканирования по ложной траектории).

Ультразвуковая диагностическая аппаратура, работающая на эффекте Доплера, позволяет регистрировать сдвиг частоты УЗ волны, отраженной от подвижного исследуемого объекта, относительно частоты падающей анализирующей волны. При этом различают: индикаторы, обеспечивающие качественную оценку движения объекта и измерители, которые позволяют регистрировать и измерять скорость и ускорение движения . Эффект Доплера: изменение частоты воспринимаемого звука при относительном движении источника и приемника. При одновременном движении источника и приемника воспринимаемая частота : . При расстановке знаков относительность движения источника и приемника акустических волн учитывается след.образом:

.

Ультразвук применяется в медицине.

Пример аналитического прибора, принцип действия которого основан на акустических измерениях: акустический микроскоп(прибор, позволяющий получать увеличенное изображение мелких объектов и их деталей с помощью акустических волн. Наибольшее распространение- сканирующие акустические микроскопы скани просвечивающего и отражающего типа. Просвечивающего(схема): Электроакустический преобрль-излучатель1, возбуждающий акустические волны( в основном в диапазоне частот 0,1-1,0 ГГц), две акустические линзы 3(одна фокусирует акустические волны на исследуемом объекте, другая собирает волны, прошедшие через этот объект) и электроакустический преобрль-приемник 7, который преобразует акустические волны электр.сигналы, модулирующие яркость луча в электронно-лучевом приборе устройства отображения(на экране дисплея)Отражающего типа состоит из 1 преобрля и 1 линзы. Тут преобрль осуществляет возбуждение акустических волн, а потом преобразует акустические волны в электрические после их взаимодействия с объектом.Изображение исследуемого объекта в акустическом микроскопе формируется в процессе сканирования этого объекта пучком акустических волнсинхронно с растровой разверткой луча электронно-лучевого прибора.Использование такого микроскопа позволяет получить визуализацию подповерхностной структуры оптически непрозрачных объектов.

72.При измерении состава вещества методом РОР на расположенный в аналитической камере исследуемый образец в условиях высокого вакуума направляется из ионного источника узкий моноэнергетический пучок анализирующих ионов, ускоренный до энергии 1-4 МэВ. Моноэнергетичность ионного пучка достигается путем выделения из первичного пучка, формируемого вытягивающим электродом ионного источника, ионов с одинаковым удельным зарядом при отклонении в магнитном поле и последующего ускорения пучка постоянным электрическим полем. Необходимое для ускорения ионов высокое напряжение получается с использованием электростатического генератора Ван-де-Граафа. Формирование узкого ионного пучка осуществляется коллимирующей системой диафрагм и ионных линз. Заряд q, приносимый анализирующим пучком на образец, регистрируется интегратором тока. Обратнорассеянные ионы регистрируются поверхностно-барьерным кремниевым детектором, который устанавливается под углом рассеяния Θ по отношению к направлению первичного ионного пучка.

Измерительная информация, получаемая методом РОР, регистрируется в виде энергетического спектра обратнорассеянных ионов, где по оси абсцисс откладывают номер канала анализатора, а по оси ординат – выход обратного рассеяния в импульсах. Поскольку каждому каналу многоканального анализатора соответствует определенный небольшой интервал энергий, то номер канала однозначно связан с энергией регистрируемых рассеянных частиц. Спектр представляет собой распределение ионов, рассеянных на ядрах атомов исследуемого вещества, по кинетическим энергиям. Форма спектра зависит от природы анализирующих ионов, их энергий, а так же от природы и состава исследуемого образца.