Концентратор акустический - устройство для увеличения интенсивности УЗ (амплитуды колебат. смещения частиц).
По принципу действия различны два типа К.: фокусирующие, или высокочастотные,
и стержневые, или низкочастотные.
Фокусирующие К. увеличивают
интенсивность звука в нек-рой части пространства по сравнению с интенсивностью
у поверхности УЗ-излучателя. Действие их основано на фокусировке звука, поэтому
в них могут быть применены любые фокусирующие устройства - линзы акустические, рефлекторы и др.
Наиб. распространены К.,
в к-рых использованы фокусирующие эл--акустич. преобразователи. По форме такие
преобразователи представляют собой часть сферич. или цилиндрич. оболочки, иногда
- полый цилиндр, работающие на резонансной частоте колебаний по толщине, составляющей
от неск. сотен кГц до неск. МГц. Применяются также цилиндрич. К., работающие
в диапазоне частот от единиц до десятков кГц на резонансной частоте радиальных
колебаний. Интенсивность звука в фокальной области фокусирующих преобразователей
сферич. формы достигает неск. кВт/см2. Излучатели цилиндрич. формы
создают меньшую концентрацию энергии, однако имеют большую фокальную область,
вытянутую вдоль оси.
Стержневой К. служит для
увеличения амплитуды колебат. смещения частиц (колебат. скорости частиц) в низкочастотном
УЗ-диапазоне; представляет собой твёрдый стержень перем. сечения или перем.
плотности, присоединяемый к излучателю более широким концом или частью с большей
плотностью материала. Увеличение амплитуды смещения тем больше, чем больше различие
диаметров или плотностей противоположных торцов стержня. Такие К. применяются
в УЗ-технологии и являются составной частью колебат. УЗ-систем, работающих в
диапазоне частот от 18 до 100 кГц. Стержневой К. можно рассматривать как акустич.
волновод, в к-ром распространяется одна нулевая мода колебаний, характеризуемая
пост. амплитудой по сечению. Макс. линейный размер широкого конца концентратора
D должен быть меньше 
(где 
- длина волны в материале концентратора). Работают К. обычно на резонансной
частоте, поэтому длина концентратора l должна быть резонансной, т. е.
кратна целому числу полуволн: 
, где n=1, 2, 3, ... При заданной частоте
зависит от формы К. вследствие дисперсии звука в волноводах с перем.
сечением.
К. с перем. плотностью
обычно изготавливают в виде двух соединённых между собой стержней из разных
материалов длиной 
с одинаковым поперечным сечением.
К. классифицируют по форме
продольного сечения (рис. 1), по форме поперечного сечения (круглый, клинообразный
и др.), по кол-ву элементов с разл. профилем продольного сечения (простой, составной
- рис. 2), по форме ср. линии (прямолинейный, изогнутый), по типу колебаний
К. (продольные, сдвиговые, крутильные).
Рис. 1. Сечения круглых
простых одноступенчатых концентраторов продольных колебаний: a - ступенчатый,
б - конический, в - экспоненциальный, г - катеноидальный,
д - гауссов (ампульный); кривые показывают распределение амплитуды колебательной
скорости 
и деформации и по длине концентратора.
Коэф. усиления стержневого
К. 
, где 
и 
-
амплитуды смещения соответственно на его узком и широком концах. При гармонич.
колебаниях с круговой частотой 
амплитуда колебат. скорости 
и, следовательно, 
. Для ступенчатого К. K=N2, где N=Rl/R0, а Rl и R0 - радиусы узкого (выходного)
и широкого (входного) торцов соответственно. Для экспоненциального К. K =
N, для катеноидального 
,
для конического K<N, и всегда K<4,6. Макс. амплитуда колебат.
скорости nмакc получаемая на узком конце стержневого К., зависит
от свойства его материала - разрушающего усталостного напряжения F - и
волнового сопротивления 
(где 
- плотность,
с - скорость звука), а также от безразмерной функции Ф, зависящей только
от формы К.: 
.
Рис. 2. Составной концентратор: I - цилиндр большого диаметра; II - отрезок стержня конической или экспоненциальной формы; III - цилиндр малого диаметра.
И. Н. Каневский
|
|
 |
