Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
КОНЦЕНТРАТОР

КОНЦЕНТРАТОР

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/см ². 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=R_l/R₀, а R_l 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 n _макc 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 ф-ции 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.

Лит.: Розенберг Л. Д., Фокусирующие излучатели ультразвука, в кн.: Источники мощного ультразвука, М., 1967; Физическая акустика, под ред. У. Мэзона, пер. с англ., т. I, ч. Б, М., 1967, гл. 6; Каневский И. Н., Фокусировка звуковых и ультразвуковых волн, М., 1977. И. Н. Каневский.