Звуковая линза – изобретение 1952 года

Известные , обеспечивающие преобразование фронта звуковой волны из плоской в сходящуюся (или расходящуюся) за счет геометрической формы поверхностей, обладают существенными недостатками. Например, диаграмма направленности вогнутой плоско-гиперболической замедляющей линзы, преобразующей плоскую звуковую волну в расходящуюся сферическую (или цилиндрическую), характеризуется наличием предельного угла. Вне этого угла звуковое поле отсутствует, а внутри сектора наблюдается значительная неравномерность: звуковое давление резко возрастает по мере удаления от оси линзы и приближения к предельному углу.

Диаграмма направленности (по звуковому давлению) линзы, преобразующей плоскую волну в расходящуюся цилиндрическую, определяется (без учета зависимости прозрачности от показателя преломления) следующим выражением:

где:

p(φ) – звуковое давление на луче, образующем с оптической осью линзы угол φ;

p(0) – звуковое 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°, а неравномерность диаграммы направленности в пределах угла ±50° составляет не менее 15 дБ. Выполнение линзы с n > 2 связано с уменьшением ее прозрачности и конструктивными трудностями. Кроме указанных недостатков, плоско-гиперболическая линза обладает значительной осевой длиной из-за гиперболической формы одной из поверхностей.

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. Подробнее о том, как акустические элементы влияют на качество звучания, можно узнать из обзора акустической линзы на громкоговоритель.

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. История развития таких технологий неразрывно связана с знаковыми датами в истории развития радиотехники.

Фиг. 4:

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

n = n(y)

причем:

n = 1 при y = 0

n (y) = n (-y)

n (y₁) > n(y₂) при y₁ > y₂ > 0

Нетрудно видеть, что такая линза будет преобразовывать плоскую волну в цилиндрическую 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;
y – 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(0) = 1 / √ cos φ

где

p(φ) – звуковое давление в точке B, расположенной на луче, исходящем из фокуса под углом φ;
p(0) – звуковое давление в точке C, расположенной на оси линзы.

Можно показать, что для линзы, преобразующей плоскую 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 угла существенно меньше.

При необходимости получения волновых фронтов сложной формы, а также в других случаях могут найти применение и комбинированные линзы, в которых переменный показатель преломления сочетается с той или иной формой поверхностей линзы. Примером современной реализации акустических систем является динамик 2А-20 «Ломо».

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:

Звуковая линза для преобразования волнового фронта звуковой волны, отличающаяся тем, что, с целью расширения или сужения диаграммы направленности, она выполнена таким образом, что показатель преломления ее материала в каждой точке линзы зависит от координат этой точки.
Линза по п. 1, 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.