Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Абрамов Г.В. Акустические прожекторные системы

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

23.10.2023

Размер:

8.12 Mб

Скачать

☆

1 / 131 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

М И Н И С Т Е Р С Т В О В Ы С Ш Е Г О И С Р Е Д Н Е Г О С П Е Ц И А Л Ь Н О Г О О Б Р А З О В А Н И Я Р С Ф С Р

К У Й Б Ы Ш Е В С К И Й О Р Д Е Н А Т Р У Д О В О Г О К Р А С Н О Г О З Н А М Е Н И А В И А Ц И О Н Н Ы Й ИНСТИТУТ им. С . П. К О Р О Л Е В А

Г. В. АБРАМОВ, А. А. ПОДОЛЬСКИЙ, А. И. МАХОВ

А К У С Т И Ч Е С К И Е

П Р О Ж Е К Т О Р Н Ы Е

С И С Т Е М Ы

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О С А Р А Т О В С К О Г О У Н И В Е Р С И Т Е Т А

1 9 7 2

Г#а. публичная

библиотек* Cov. Р j

экземпляр

ЧИТАЛЬНОГО «АЛАJ

УДК 534.23

Книга содержит систематическое изложение теории акустических прожекторных систем, являющихся наибо лее универсальными устройствами для искусственного формирования квазиплоскнх ультразвуковых полей. Ос новное внимание уделено рассмотрению рефракторных и рефлекторных систем, их расчету и проектированию. Изложение теории проведено на базе аппарата лучевой акустики. Отдельные главы книги посвящены изложе нию методов измерения локальных параметров квазнплоского ультразвукового поля и результатам экспери ментальных исследований.

Иллюстраций — 54, таблиц — 7, библиографий — 44.

Вв е д е н и е

Фокусирование ультразвука широко применяется в практике исследовательских лабораторий и в настоящее время из стадии эксперимента перешло в область промышленного применения.

С некоторым запозданием то ж е самое происходит и с форми рованием параллельного пучка звуковых лучей, что представляет собой задачу, обратную фокусированию.

Развитие техники формирования квазиплоского ультразвукового

поля имеет большое значение д л я целого ряда отраслей	науки	и
техники. Д а в н о известно применение параллельных звуковых		лу
чей в технике акустических измерений, например, при	исследова

нии свойств материалов, изучении рассеяния ультразвука на раз личных поверхностях.

В настоящее время делаются успешные попытки использовать квазиплоское ультразвуковое поле ( К У П ) д л я исследования рас сеивающих свойств объектов методом моделирования, расширяются исследования по применению К У П в дефектоскопии, медицине, акустической голографии и т. п.

Основным методом создания квазиплоских ультразвуковых по

лей является, к а к будет	показано	в дальнейшем, применение аку
стических прожекторных	систем.	П о д акустической прожектор

ной системой (АПС) авторы понимают устройство, состоящее из

источника расходящихся		волн (первичного излучателя)			и тела,	пре
образующего сферическую волну в плоскую. В качестве такого						тела
могут быть использованы		рефракторы (линзы), рефлекторы (зерка
ла) и д и ф ф р а к т о р ы (зональные			пластинки) . Из этого перечисления
следует, что одни	и те ж е	устройства могут быть использованы для
получения пучка	параллельных		лучей и	фокусирования	ультразву
ка, или, иными словами,		А П С	обладают	свойством обратимости.

Применение А П С д л я фокусировки имеет довольно длинную историю. Исследования по архитектурной акустике показывают, что у ж е в глубокой древности люди обратили внимание на фокуси-

р у ю щ ие свойства твердых поверхностей, и широко использовали их при строительстве различных сооружений.

Значительно позже было обнаружено, что фокусировка звуко вых волн может быть т а к ж е произведена при помощи звуковой лин зы. В 1852 г. К. Зондхаусс изготовил первую звуковую линзу. Она представляла собой заполненный углекислым газом объем, ограни

ченный д в у м я кусками тонкой коллодиевой пленки,							изготовленны
ми в виде участков сферической поверхности и скрепленными									костя
ным кольцом. В 1886 г. Ы. А. Гезехус предложил конструкцию										зву
ковой	линзы из	пористого	материала .	Его	линза		представляла
собой	железную	сетку диаметром 0,4		м, заполненную				эбонитовы
ми стружками . Фокусировка звуковых волн с помощью								зональной
пластинки была		впервые	экспериментально		показана			Релеєм		в
1888	г.
В 1949 г. вышла монография Л . Д . Розенберга «Звуковые									фоку
сирующие системы» [ 1 ] , о б о б щ а ю щ а я работы					в области			исследова
ния и разработки звуковых фокусирующих					систем.		Эта		работа
послужила толчком к проведению дальнейших						фундаментальных
исследований в		области	фокусировки	звука		(Л. Д .		Розенберг,

И . Н . Каневский, М. Г. Сиротюк, Б. Д .	Тартаковский, Д . Б . Дианов,
В. Г. Прохоров), результаты которых	опубликованы	в литературе .
В настоящее время назрела необходимость издания		аналогичной

монографии по вопросам формирования квазиплоских ультразвуко

вых полей, обобщающей результаты анализа, расчета,				разработки
и экспериментальных	исследований	А П С .
Д л я практического	применения	А П С	в научных исследованиях
и технике необходимо представление о			широком круге	вопросов,
что и определило содержание настоящей			монографии. Авторы соч

ли необходимым включить, кроме вопросов формирования и ис пользования КУП, изложение специфики акустических измерений в

жидкостях в		диапазоне порядка		единиц мегагерц		и сведения			по
электронной		аппаратуре: необходимой для нормального						функцио
нирования А П С .
При написании			монографии	использовались		как	результаты
собственных		исследований авторов, т а к и			материалы статей, опуб
ликованных в отечественной и зарубежной печати.
Монография состоит из 7 глав .
В	первой	главе	рассмотрены	вопросы	прохождения		плоской		и
сферической		волн в неограниченной среде с потерями,					отражение
на границах		двух сред, прохождение их через пластинку,						а т а к ж е
особенности волн конечной амплитуды .
Во второй главе вводится понятие об акустических							прожектор
ных	системах и дается последовательный				анализ	рефракторных
А П С .	Здесь	изложен вывод уравнения профиля линзы,					получена		и

исследована функция распределения интенсивности поля в раскры - ве А П С , дано сравнение рефракторов из различных материалов . В заключение рассмотрены параметры вторичных полей в раскрыве системы, обусловленные переотражениями в линзе.

В третьей главе проведено аналогичное исследование рефлек торных А П С .

В четвертой главе получены уравнения идеального излучателя и дана характеристика реальных излучателей, приближающихся к


идеальным .		И з л о ж е н инженерный	расчет	излучателей	А П С .
В пятой		главе рассматриваются	элементы проектирования аку
стических	прожекторных систем. Д а е т с я			определение	габаритных
размеров	и конструктивный расчет		А П С ;	приведены	расчетные

соотношения для нахождения характерных размеров гидроакусти

ческого бассейна;
рассмотрены причины,	вызывающие		неоднородности		фазы поля
в раскрыве А П С ; определены		допуски	на изготовление и		установку
элементов А П С .
В шестой главе изложена методика измерения параметров уль
тразвуковых полей в жидкости . Предлагаются				оригинальные-мето
ды и приборы для измерения		распределения фазы в раскрыве А П С .
Д а е т с я анализ погрешностей		измерения.
В заключительной, седьмой главе изложены методика и резуль
таты экспериментальных исследований			А П С ;	дано описание гидро
акустического комплекса,	его	электронной аппаратуры;			приведены
параметры разработанных	А П С , д и а г р а м м ы распределения ампли

туды и фазы акустического давления в раскрыве рефракторных и рефлекторных А П С . Приведено обсуждение результатов .

Авторы полагают, что включение краткого изложения основ распространения ультразвуковых волн и некоторых других вопро сов в состав монографии наряду со специальными вопросами фор

мирования	К У П сделает книгу доступной				широкому кругу			читате
лей и даст	достаточно полное представление о сравнительно							новой
и многообещающей отрасли науки.
В то ж е	время они	в ы р а ж а ю т	надежду,		что	появление	моногра
фии повысит интерес		специалистов к А П С ,			явится толчком		к даль
нейшему развитию этой области			акустики.
Введение к книге,		а т а к ж е главы		I — V	написаны Г. В. Абрамо
вым и А. А. Подольским, главы			V I	и V I I — Г.		В. Абрамовым и

А. И . М а х о в ы м . Книга в существенной мере является сводкой мате риалов, полученных в 1966—1971 гг. в работах, проводившихся под руководством Г. В. Абрамова . Естественно, что настоящая ра бота, будучи первой в области теории и проектирования акустиче ских прожекторных систем, не может претендовать на полноту и исчерпывающее решение поставленных вопросов.

Авторы	в ы р а ж а ю т благодарность	кандидату физико-матема
тических наук Д . П. Фролову за ценные советы			и замечания, сде
л а н н ы е ими	при просмотре рукописи,	а т а к ж е	т. т. Л . А. Н а з а р о

вой, И. А. Слеповой, Л . В. Подольской, чья помощь в проведении расчетов и оформлении рукописи ускорила появление настоящей книги.

Г л а в а	I. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ		ВОЛНЫ			В НЕОГРАНИЧЕННОЙ
	И ОГРАНИЧЕННОЙ		С Р Е Д А Х
§	1.1. Р А С П Р О С Т Р А Н Е Н И Е З В У К О В Ы Х					В О Л Н
В И Д Е А Л Ь Н О Й И П О Г Л О Щ А Ю Щ Е Й С Р Е Д А Х
Р а с п р о с т р а н е н ие колебаний			в	идеальной (непоглощающей)
среде описывается волновым		уравнением
	с 2	ДФ		= д2Ф			(1.1)
где Ф — потенциал скорости звуковой					волны,
						а^Ф	(1.2)
	дх1 ^			ду2	^	дг*'

с — скорость распространения				волны.

Потенциал скорости связан с колебательной скоростью v и из быточным давлением р соотношениями:

			дФ
		~	дх
	Vy		дФ
	Vy	~	ду		(1.3)
			дФ
		~	dz
	р --		дФ
	р --
где р — плотность	среды.
Используя (1.3) и (1.1),		можно показать, что волновое уравне
ние справедливо	т а к ж е для	колебательной		скорости	и звукового
давления . Частными решениями			волнового	уравнения	(1.1) явля

ются плоская, цилиндрическая и сферическая волны.

В плоской волне распределение скорости, давления и потен циала зависит только от одной координаты, например, от координа ты х- В этом случае волновое уравнение принимает вид

д*Ф	( 1 4 )
— = С ^

В цилиндрической волне распределение скорости, давления и потенциала зависит от расстояния до оси, т. е. звуковая волна об-

л а д а е т осевой симметрией. Волновое уравнение, записанное в ци линдрических координатах, имеет вид

г <?/• [ дг I

г* д<\>*

йгз]-

^ ' 0 J

В сферической волне распределение скорости, давления и потен циала зависит только от расстояния до центра, и, следовательно, волна обладает сферической симметрией. Волновое уравнение в сферической системе координат будет

д ' Ф

.г*~дг\Г

dt ) + r*sin« .ав V S m

(Эв J + г 2 sin e d ^ J ' t 1 , *

Остановимся более подробно на свойствах плоской и сферичес кой волн. В случае гармонических колебаний решение волнового уравнения д л я плоской волны можно записать в виде

	ф =	Ае№-**)1	(1.7)
где	ш — круговая частота	колебаний;

k = -г- = — волновое число;

ЛС

А— амплитуда волны;

А— длина волны.

Используя соотношения			(1.3), получим из (1.7) в ы р а ж е н и я для дав
ления и колебательной			скорости		в плоской		волне:
		р =	=	/	сор Аеі^-кх^		I
			%Ф				о - 8 >
		и =	— j£	=	jkAeJi"1-**)		j
И з (1.8)	следует,	что в	плоской		волне	колебательная скорость и
звуковое	давление	находятся		в	одной	фазе . Это свойство можно

положить в основу удобного для практических целей определения плоской волны к а к волны, для которой поверхность равных фаз (поверхность волнового фронта) представляет собой плоскость. Отношение давления к колебательной скорости в плоской волне называется удельным акустическим сопротивлением среды

Я = 1 = Р с	(1.9)
Акустическое сопротивление есть характеристическая	константа

среды, роль которой проявляется при прохождении волны через

границу двух сред. В таблице 1	приведены	значения	рс д л я некото
рых сред.
Нетрудно показать [ 2 ] , что	средняя	плотность	акустической
энергии плоской синусоидальной	волны

где vM — амплитудное значение скорости.

						Таблица	I
с		Вещество		Р.	с,	рс - 10 - 6 ,
в.		Вещество		кг/мя	м 1 сек	кг їм2	сек
в.				кг/мя	м 1 сек	кг їм2	сек
1.	Воздух (20°, 760 мм рт. ст.) . . .			1,29	331
2.	Вода	дистиллированная		1000	1500	1,5
3.	Спирт	этиловый	углерод . . . .	795	1240	0,986
4.	Четыреххлористый		углерод . . . .	1590	938	1,49
5.	Латунь			8100	4430	36,1
6.	Алюминий			2700	6260	16,9
7.	Сталь			7800	6100	47,6
8.	Оргстекло			1180	2670	3,2
9.	Полистирол			1060	2350	2,3
10.	Кварц			2650	5750	15,2
11.	Титанат бария			560	5500	3,1
	П р и м е ч а н и е .		Для твердых веществ приведены значения скорости продоль

ных волн.

Интенсивность звука, т . е . среднее значение потока акустической энергии через поверхность 1 м2 в 1 секунду, найдем, составив про изведение ЕХ_с;

/ = £ С 4 р

е т » ы

4 | ,

( ї л о

где /?м — амплитудное

значение

звукового

давления .

Перейдем к рассмотрению сферической

волны. К а к у ж е отмеча

лось,

она является

частным

решением уравнения

(1.6)

дл я случая

сферической

симметрии колебательного

процесса. Д л я

гармониче

ских

колебаний, расходящихся из центра,

решение имеет вид

Ф = А.еЯ<»<-**)

(1.12)

В ы р а ж е н и я д л я звукового давления и колебательной

скорости в

расходящейся

сферической

волне, могут

быть записаны

в виде:

р =

grt°"-*r> = Р ы енш-ы)

•

(1.13а)

/•рС COS <? .en*t-*r-*)

(1.136)

где

o = a r c t g - ^ ; .

Из

(1.13)

следует,

что

поверхность

равных

фа з

(поверхность

волнового фронта)

в случае

сферической волны представляет

собой

сферу. Отсюда, следует, что на больших расстояниях

от центра и в

пределах малого телесного угла сферическая волна

может

быть

аппроксимирована

плоской.

Ф а з о в а я скорость

дл я

сферических

волн

давления совпадает с фазовой скоростью

дл я плоских

волн.

Д е л я

(1.13а)

на (1.136), получим в ы р а ж е н и е

дл я

акустического

сопротивления на поверхности пульсирующей сферы, отнесенное к единице площади этой поверхности:

k?r* + jkr

, ,ч

Комплексность сопротивления z, так же, как и непосредственный анализ выражений (1.13), показывает, что в сферической волне дав ление и колебательная скорость сдвинуты по фазе на угол ср. Р а з делив в (1.14) мнимую и вещественную части, получим

г = R + jx	=	рс (/?„ + jxo),	(1.15)
где
Н ° ~ 1 + k2r2	'	_ 1 + fcV	•

Активная с о с т а в л я ю щ а я сопротивления представляет собой удель

ное сопротивление излучения сферы радиуса г,							реактивная состав
л я ю щ а я — сопротивление,				обусловленное		инерцией		так	называе
мой соколеблющейся массы среды.
Н а	рис. 1.1 представлены графики				зависимости			коэффициентов
Ro и х0 от		безразмерного		параметра	кг.	Из графиков следует,				что
при кг<1		сферический излучатель оказывается					малоэффективным
(R0 =	K2 г2).	При	увеличении частоты		(увеличении			к)	эффектив
ность	излучателя		растет,	и при к т » 1	сферическая			поверхность		из
лучает	такую ж е		энергию	на единицу площади,			к а к	и плоская		син-

фазно к о л е б л ю щ а я с я поверхность. Эти соображения учитываются при проектировании реальных излучателей.

1 / 131 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ