Карачун В.В.

Національний технічний університет України «КПІ»

ФОКУСУВАННЯ ЕНЕРГІЇ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПРОМЕНЯ.
ZONE KAUSTIKOS

Розкриємо деякі аспекти природи виникаючого фокусування енергії проникного акустичного випромінювання. Для конкретності розглянемо середній шпангоут (рис. 1).

Падаюча ззовні на циліндричний корпус гіроскопічного приладу звукова хвиля Р генерує в матеріалі колові (уздовж кола шпангоута) коливання , які розповсюджуються в напрямку паралелі зі швидкістю , тобто, уздовж бічної поверхні корпуса, а також згинні (радіальні) коливання в площині шпангоута зі швидкістю .

Рис. 1. Фокусування енергії акустичного випромінювання

З’ясуємо, перш за все, механізм дії колової хвилі. Приймаючи бічну поверхню корпуса оболонкою достатньо великого хвильового розміру, припустимо розглядати окремо взятий елемент внутрішньої поверхні шпангоута як пластину нульової кривизни, швидкість поздовжніх хвиль у якій збігається з коловою швидкістю оболонки.

Якщо швидкість поздовжньої хвилі більше швидкості звуку в рідині, тобто

,

тоді біжуча уздовж паралелі хвиля буде випромінювати у рідину звукову хвилю, причому напрямок її розповсюдження буде складати з вектором швидкості кут , який обчислюється за формулою:

.

Внаслідок цього, значна частина енергії звукової хвилі буде зосереджувати поблизу кола радіуса (рис. 1)

.

Так, наприклад, якщо прийняти радіус внутрішньої порожнини корпуса за , матеріал прийняти алюмінієвим сплавом (, ), рідинностатичний підвіс – з гліцерину (), а частоту ультразвукового променя f=42 кГц, тоді хвильовий розмір буде становити 3,43.

Не потребує зусиль обчислення радіуса поверхні каустики (рис. 1) –

.

Зрозуміло, що за умови , кут і біжуча уздовж паралелі хвиля буде випромінювати в рідину звукову хвилю, яка перетинає ось приладу. Таким чином, зникне аберація і каустична поверхня обернеться на геометричне місце точок концентрації енергії, які знаходяться на осі гіроскопа.

Аналогічно, якщо , тоді і каустична поверхня зовсім не утворюється згинною хвилею.

Являє інтерес оцінка впливу температури на ступінь концентрації енергії в рідинностатичній частині. Швидкість звуку в рідині при зміні температури обчислюється за формулою –

.

Для гліцерину . Отже, при , швидкість звуку в рідинностатичній частині підвісу зменшиться до 1851 . В той же час, при , навпаки, швидкість звуку збільшиться до . Гарантійні зобов'язання заводу-виробника гарантують стійку роботу при на протязі 7 хвилин. Тобто швидкість звуку в рідині буде дорівнювати . Звідкіля походить, що підтримка сталої температури рідини створює умови для управління процесом формування “zone kaustikos” і, відповідно, впливом на похибку гіроскопа за льотної експлуатації.

З цієї ж причини, поперечна хвиля буде призводити до концентрації енергії поблизу колового циліндра радіуса:

.

Радіус поплавка прийнятий рівним , тому очевидно, що каустична поверхня радіуса щезне, а поверхня радіуса – залишиться (рис. 2).

Каустичні поверхні радіуса та чітко розмежують області акустичної тіні в рідині.

Зрозуміло, що підбираючи повним чином матеріал корпуса і рідини, можна впливати на характер зон каустики. Наприклад, зробити їх дискретно-неперервними.

Якщо скористатися методами променевої акустики, тоді можна класифікувати вивчаєме явище як, свого роду, аберацію ( від грец. aberration – відхилення від нормалі) звукових хвиль. У безабераційних конструкцій, як відомо, каустична поверхня обертається на ось і, таким чином, в нашому прикладі буде знаходитися на осі корпуса.

Рис. 2. Фокусування енергії проникаючого випромінювання в рідинностатичній частині поплавкового підвісу

Можна стверджувати, що наявність усередині оболонок зон збурення є наслідком співпадіння швидкості сліду падаючої хвилі із швидкістю хвиль, генеруємих в оболонці.

За опромінювання корпуса поплавкового приладу досить широким звуковим пучком, що, власне, і має місце в експлуатаційних умовах у вигляді ревербераційного простору блоку приладів управління (БПУ), резонанс співпадання може проявлятися як для поперечних, так і для колових хвиль.

Не зайвим буде зауважити, що в рідинностатичній частині підвісу можуть виникати також радіальні площини концентрації звукового випромінювання, як наслідок інтерфераційних явищ. Вони набувають вигляду чергуючихся темних (акустична тінь) і світлих смуг, хоча і не таких інтенсивних, як поверхні радіуса та .