Что такое ближняя и дальняя зоны преобразователя и чем она характерна? Как можно объяснить наличие осцилляций в ближней зоне преобразователя?
Поле на акустической оси преобразователя при непрерывном излучении звука определяется зависимостью
где P
и P0 - амплитуды
акустического сигнала на поверхности
cреды, соприкасающейся с
преобразователем и на расстоянии r
по оси преобразователя; а - радиус
пьезопластины.
Приведенная функция имеет максимумы при
и минимумы
при
(n=1, 2, 3, ...).
Графически это можно представить следующим образом (рисунок 2.6). Видно, что функция испытывает осциляции с увеличением расстояния r. Последнего максимума функция достигает при
З
атем
монотонно уменьшается по закону ~Sa/lr.
Область, прилегающая к поверхности
преобразователя (r<rб),
в которой акустическое поле изменяется
немонотонно при изменении расстояния
от преобразователя вдоль оси называется
ближней зоной или зоной Френеля. В
случае излучения коротких импульсов,
имеющих колоколообразную форму, максимумы
и минимумы заметно сглаживаются (рисунок
2.6). Рис 2.6 – Акустическое поле на оси
дискообразного преобразователя.
Образование максимумов и минимумов в ближней зоне объясняется разницей путей от различных точек преобразователя до исследуемой точки и связанной с этим разностью фаз приходящих сигналов (рис.3.10). Преобразователь можно разбить на ряд кольцеобразных зон, расстояния от границ которых до точки наблюдения С различаются на половину длины волны. Сигналы от элементарных источников зоны 1 приходят в точку С с разностью фаз не более , поэтому сигналы отдельных точек взаимно усиливаются и A1=2P0. Сигналы от источников зоны 2 приходят в точку С с разностью фаз не более по отношению друг к другу, но по отношению к зоне 1 находятся в противофазе. Суммарный сигнал равен нулю. Сигналы из зоны 3 приходят с опозданием на 2 по отношению к зоне 1. Видно, что суммарный сигнал (A1+A2+A3) будет максимальным. В данном примере не учтен фактор направленности излучающих точек, т.е. не учитывается тот факт, что с увеличением расстояния до точки С сигнал уменьшается. В связи с этим не будет наблюдаться полных максимумов и минимумов при суммировании сигналов.
В ближней зоне наблюдаются осцилляции и при смещении точки С в сторону от оси. Например, в точке r=rб/2 на оси преобразователя имеется минимум, а на некотором расстоянии от нее - максимум.
Рисунок 2.7 – Схематическое изображение акустического поля.
Схематически поле дискового преобразователя можно изобразить в виде (рисунок 2.7). В ближней зоне около 80% полученной энергии находится в пределах цилиндра, ограниченного краями преобразователя, однако по сечению цилиндра энергия распределена неравномерно.
Дальней зоной преобразователя называют область, в которой акустическое поле монотонно уменьшается с увеличением расстояния от преобразователя до точки вдоль акустической оси. В дальней зоне поле будет иметь вид лучей, выходящих из центра пластины. Обычно поле изображают в виде диаграммы направленности, характеризующей изменение поля в зависимости от угла между направлением луча и акустической осью. За единицу принимают амплитуду на акустической оси. Часть диаграммы направленности, в пределах которой амплитуда уменьшается до нуля от единицы, называют основным лепестком. Диаграмма направленности в дальней зоне определяется выражением
(2.15)
где J1 - функция Бесселя первого порядка; q - угол между направлением луча и акустической осью. Раскрытие основного лепестка определяется выражением
(2.16)
Обычно за нижнее значение амплитуды основного лепестка принимают величину 0,1. Раскрытие лепестка на этом уровне
(2.17)
В пределах основного лепестка диаграммы сосредоточено около 85% энергии поля. Вне основного лепестка диаграмма имеет вид боковых лепестков, уровень которых определяется отношением поля на акустической оси к максимальной величине поля вне основного лепестка. В случае излучения коротких импульсов минимумы поля между лепестками сглаживаются.