Экспериментальное исследование дифракции ультразвуковой волны на полых цилиндрах

Приведены результаты экспериментальных исследований распределения амплитуды ультразвуковой волны, дифрагировавшей на полых цилиндрах при изменении положения источника волны. Вычислены распределения интенсивности этой волны. Получено, что пространственные дифракционные картины вытянуты вдоль оси цилиндра. Поперечная полуширина центрального максимума дифракционной картины для первого цилиндра составляет 10 мм, для остальных цилиндров достигает 5-6 мм. Экспериментально получено, что в точке фокусировки амплитуда ультразвуковой волны, дифрагировавшей на пяти цилиндрах в 9 раз превышает амплитуду падающей волны.

Целью нашей работы являлось экспериментальное исследование дифракции ультразвуковой волны на полых цилиндрах с различными диаметрами и длинами, а так же на комбинациях этих цилиндров. В работе решались следующие задачи: 1) расчет размеров и изготовление полых цилиндров при заданной длине ультразвуковой волны, 2) разработка экспериментальной установки для измерения пространственного распределения амплитуды ультразвуковой волны, дифрагировавшей на полых цилиндрах, 3) экспериментальное определение пространственного распределения амплитуды дифрагировавшей ультразвуковой волны при перемещении излучателя.

В последнее время интерес исследователей привлекают устройства, позволяющие выполнять заданные преобразования акустической волны [1,2]. Известно, что объемная зонная пластина Френеля может преобразовывать расходящуюся сферическую волну в сходящуюся волну, а полый цилиндр в виде трубы может выполнять фокусировку и преобразование сферической расходящейся волны в сходящуюся торическую волну, поэтому представляют практический интерес  преобразующие свойства объемной зонной пластины Френеля зоны которой представляют собой полые цилиндры. В доступной литературе экспериментальные данные преобразования ультразвуковой волны такими объемными зонными пластинами отсутствуют.

Расчет радиусов и длин полых цилиндров производился по формулам скалярной теории дифракции например, формула радиусов зон Френеля. Разработаная экспериментальная установка для измерения амплитуды дифрагировавшей волны включала в себя: компьютер, ультразвуковой излучатель, полый цилиндр, устройство регистрации с ультразвуковым (пьезоэлектрическим) приемником, направляющую для перемещения приемника, координатный стол, линейку  и лазер. Принцип работы установки заключался в следующем: излучатель генерировал направленную на полые цилиндры ультразвуковую волну с длиной волны 8,5 мм. Эта волна дифрагировала на цилиндрах и амплитуда дифрагировавшей волны измерялась устройством регистрации с пьезоэлектрическим приемником. В устройстве регистрации сигнал поступал с приемника на усилитель и величина выходного сигнала с усилителя измерялась мультиметром. В процессе измерения приемник перемещался вдоль направляющей.  Камера фиксировала показания мультиметра и линейки, по которой определялось смещение приемника в координатной плоскости. Экспериментальные данные обрабатывались на компьютере. В установке была обеспечена возможность перемещения на координатном столе как приемника, так и излучателя.

В работе рассчитаны и изготовлены пять полых цилиндров, с радиусами и высотой соответствующими четному числу зон Френеля, разработана экспериментальная установка для изучения дифракции ультразвуковой волны на этих цилиндрах, измерены распределения амплитуды дифрагировавшей волны и рассчитаны распределения интенсивности для всех пяти цилиндров. Сканирование ультразвуковым приемником осуществлялось с шагом согласованным с диаметром входного отверстия приемника, равного 5 мм. Выполнено измерение амплитуды дифрагировавшей волны на всех комбинациях полых цилиндров, в том числе и на пяти, расположенных соосно. Из полученных экспериментальных данных было выявлено, что для всех цилиндров существует вытянутые вдоль оси цилиндров максимумы амплитуды дифрагировавшей волны. Эти распределения имеют несимметричный характер вдоль оси цилиндра. При удалении приемника от цилиндра наблюдаются второстепенные дифракционные максимумы, а затем локальная амплитуда дифрагировавшей волны быстро увеличивается, достигает главного (наибольшего) максимума и значительно медленнее уменьшается. Наибольшей по величине является амплитуда главного максимума у первого цилиндра. Для последующих цилиндров амплитуда главного максимума уменьшается. Наименьшее значение амплитуды наблюдается у пятого кольца. Поперечная полуширина главного максимума составляет 6-7 мм для всех цилиндров, кроме первого цилиндра. Для первого цилиндра полуширина составляет 10 мм. Наряду с  главным максимумом наблюдаются несколько боковых максимумов. Амплитуда и интенсивность боковых максимумов существенно меньше главного максимума. Также в горизонтальной плоскости существует максимум, находящийся ближе к цилиндру. Он наблюдается у всех цилиндров. Из представленных в работе экспериментальных графиков следует, что при приближении источника к цилиндру максимум интенсивности дифракционной картины расположеный на расстоянии примерно 220 мм начинает удаляться, а затем приближаться к цилиндру. Одновременно с этим дополнительные максимумы, расположенные ближе к цилиндру, увеличиваются и начинают превышать величину главного максимума. Аналогичным образом ведёт себя и интенсивность дифрагировавшей волны. При  исследовании зависимости дифракционных картин от поперечного смещения источника ультразвуковой волны было получено,  что картины состоят из двух частей существенно отличающихся друг от друга, а именно: в одной части наблюдаются резкие колебания амплитуды дифрагировавшей волны, а в другой части изменения амплитуды происходят более плавно. Экспериментально получено, что в точке фокусировки амплитуда ультразвуковой волны, дифрагировавшей на всех пяти цилиндрах в 9 раз превышает амплитуду падающей волны, а расчетное значение интенсивности превышает в 81 раз. Полученные результаты могут быть использованы при разработке фокусирующих акустических систем.

1. Sanchis L., Yánez A., Galindo P.L., Pizarro J., Martínez J. / Three-dimensional acoustic lenses with axial symmetry // Applied Physics Letters. Published online 2 August. 97, 054103, 2010.
2. Moleron M., Serra-Garcia M. Daraio C. / Acoustic Fresnel lenses with extraordinary transmission // Applied Physics Letters 105, 114109 (2014).
3. Тюшев А.Н. Курс лекций по физике. Ч. 3. Колебания и волны. Волновая оптика / Новосибирск: СГГА, 2011. – 194 с.

The experimental results of ultrasonic wave amplitude distribution of diffracted on hollow cylinders are presented when changing the source of the wave position. Distribution of this wave intensity calculated. It was found that the spatial diffraction patterns extend along the axis of the cylinder. Transverse half-width of the central maximum of the diffraction pattern for the first cylinder is 10 mm, for the rest of the cylinder reaches 5-6 mm. It is noted that the amplitude at the focal point of the ultrasonic wave diffracted at five cylinders 9 times greater than the amplitude of the incident wave.