Звуковая линза – изобретение 1952 года

Известные звуковые линзы, в которых преобразование фронта звуковой волны из плоской в сходящуюся, или расходящуюся, или наоборот, из сходящейся или расходящейся в плоскую, достигается за счет соответствубщей формы поверхностей линзы, обладают существенными недостатками. Например, диаграмма направленности вогнутой плоско-гиперболической замедляющей линзы, преобразующей плоскую звуковую волну в расходящуюся сферическую (или цилиндрическую), характеризуется предельным углом, вне которого звуковое поле отсутствует, и значительной неравномерностью внутри сектора, охватываемого предельным углом. Звуковое давление резко возрастает по мере удаления от оси линзы и приближения к предельному углу.

Диаграмма направленности (по давлению) линзы, преобразующей плоскую  волну в расходящуюся цилидрическую, определяется (без учета зависимости прорачности от показателя преломления) выражением:

где:

• р(φ) – давление на луче, образующем с оптической осью линзы уroл φ;
• р(о) – давление на оптической оси линзы;
• n – показатель преломления материала линзы.

Нетрудно видеть, что предельный угол φ_пр для такой линзы находится из выражения:

cos φ_пр = 1/n

и зависит только от показателя преломления линзы. При n≤2 угол φ_пр не превосходит 60° и неравномерность диаграммы направленности в пределах угла ±50° составляет не менее 15 дБ. Выполнение линзы с n>2 связано с уменьшением ее прозрачности и с конструктивными трудностями. Кроме указанных, плоско-гиперболическая линза обладает еще и тем недостатком, что, имея одну из поверхностей выполненной в форме гиперболы, линза неминуемо обладает значительной осевой длиной.

С целью исключения указанных недостатков и обеспечения возможности расширения диаграммы направленности и повышения ее равномерности, предлагается выполнить звуковую линзу таким образом, чтобы показатель преломления ее материала в каждой точке зависел от координат этой точки.

Фиг. 1:

Фиг. 2:

• на фиг. 1 и 2 схематически поясняется принцип действия предлагаемой звуковой линзы;
• на фиг. 3 показана известная линза, состоящая из наклонных к ее оси ребер;
• на фиг. 4 – форма выполнения такой линзы, обеспечивающая получение различных значений показателя преломления в разных точках линзы.

Фиг. 3:

Так как предлагаемая линза предназначена, главным образом, для расширения диаграмм направленности громкоговорителей, то принцип ее действия описывается на примере замедляющей линзы, преобразующей плоскую волну в расходящуюся цилиндрическую.

Фиг. 4:

Пусть плоская звуковая волна встречает на своем пути плоское тело А, показатель преломления n которого является функцией координаты y и не зависит от координат x и z

n = n(y)

причем:

n = 1 при у = 0

n (у) = n (- –y)

n (y₁) > n(у₂) при у₁>у₂>0

Нетрудно видеть, что такая линза будет преобразовывать плоскую волну в цилиyдрическую расходящуюся.

Для получения анаберрационного преобразования формы волны волновые фронты по выходе из линзы должны иметь вид круговых цилиндров. Как показывают расчеты, это условие оказывается выполненным в линзе, показатель преломления которой изменяется по закону, определяемому выражением:

где

• f – фокусное расстояние линзы;
• у – расстояние от оси линзы в горизонтальном направлении.

Согласно расчетам, диаграмма направленности такой линзы без учета зависимости прозрачности от показателя преломления определяется выражением:

Ф (φ) = p (φ) / p(o) = 1 / √ cos φ

где

• p(φ) – звуковое давление в точке В, расположенной ца луче, исходящем из фокуса под углом φ;
• р(о) – звуковое давление в точке С, расположенной на оси линзы.

Можно показать, что для линзы, преобразующей плоскуо волну не в цилиндрическую, а в сферическую расходящуюся, последнее выражение принимает вид:

Сравнение диаграмм направленности цилиндрической плоско-гиперболической линзы и линзы с переменным преломлением показывает, что в последней предельный угол отсутствует, а неравномерность диаграммы направленности в пределах заданного угля существенно меньше.

При необходимости получения волновых фронтов сложной формы, а также и в других случаях могут, конечно, найти применение и комбинированные линзы, в которых переменный показатель преломления сочетается с той или иной формой поверхностей линзы.

Изменение показателя преломления в линзе может быть осуществлено путем выполнения ее в соответствии с фиг. 4 из наклоненных к ее оси ребер. Отличие этой линзы от известной линзы, также состоящей из наклонных к ее оси ребер (фиг. 3), вызывающих удлинение хода волны и, как следствие, изменение эффективной скорости звука в материале линзы, состоит в том, что указанные ребра наклонены к ее оси под различными углами. Этим обеспечивается возможность получения в разных точках линзы различных значений показателя преломления.

Осевая длина l линзы по фиг. 3 задается ее фокусным расстоянием и рабочим диапазоном частот и не может быть сделана малой. При тех же условиях осевая длина l₁ линзы с переменным значением показателя преломления, показанной на фиг. 4, не связана с фокусным расстоянием и может быть сделана весьма малой. Этим обеспечивается выигрыш в весе и габаритах линзы.

Предмет изобретения:

1. Звуковая линза для преобразования волнового фронта звуковой волны, отличающаяся тем, что, с целью расширения или сужения диаграммы направленностии, она выполнена таким образом, что показатель преломленя ее материала в каждой точке линзы зависит от координат этой точки.
2. Линза по п. 4, состоящая из наклонных к ее оси ребер, отличающаяся тем, что для получения различных значений показателя преломления в разных точках линзы ребра наклонены к оси под различными углами.

Автор: Белкин Б.Г., 1952