Zapraszam serdecznie na Seminarium Katedry Akustyki, które odbędzie się we wtorek 21.01.2025, o godz. 11:30 w w Audytorium im. Prof. Szczepana Szczeniowskiego w formie hybrydowej. Transmisja Teams pod linkiem:
Prelegent: mgr inż. Tomasz Nowak, PWr
Temat: Kształtowanie frontu fali za pomocą soczewek akustycznych
Streszczenie:
Seminarium będzie dotyczyło zagadnień związanych z przygotowywaną rozprawą doktorską, której promotorem jest prof. dr hab. inż. Andrzej Dobrucki.
Rozprawa doktorska przedstawia prowadzone badania nad możliwością kontroli kształtu czoła fali akustycznej, a tym samym kształtowania charakterystyki kierunkowości dla dowolnego źródła przy użyciu soczewki akustycznej. Rozwiązanie techniczne zostało opisane pod kątem innowacyjności względem podobnych pomysłów obecnych w literaturze. Zaprezentowano model geometryczny opisujący zasadę działania, przeprowadzono symulacje działania metodami numerycznymi oraz wykonano pomiary w części eksperymentalnej. Przeprowadzono dodatkowe obliczenia i pomiary rozgraniczające uzyskane wyniki na pole bliskie oraz pole dalekie. Granica pola bliskiego, przy stałych wymiarach źródła zależy od częstotliwości. Źródło wyposażone w soczewkę ma większe rozmiary, więc odległość pola bliskiego również się zwiększa. Przy tak dużym zakresie badanych długości fali należało ustalić ‘najgorszy przypadek’, czyli przetwornik z soczewką pracujący z najwyższą rozpatrywaną częstotliwością, gdzie teoretyczna granica pola bliskiego znajduje się poniżej odległości 1 m.
W dysertacji analizowana jest przykładowa soczewka zaprojektowana dla konkretnego przetwornika izodynamicznego, który cechuje w przybliżeniu jednorodny rozkład prędkości na całej powierzchni membrany. Zadaniem soczewki było nadanie płaskiemu czołu fali określonej krzywizny poprzez podział na jednostkowe kanały różnej długości, osiągając określony rozkład opóźnień w komórkach macierzy wyjściowej. Promień tej krzywizny można kontrolować na etapie projektowania geometrycznego.
Soczewka w modelu numerycznym była odwzorowana w rzeczywistości za pomocą druku 3D z dużą dokładnością. Dokładność z jaką wykonano model soczewki jak i dokładności w systemie pomiarowym (pozycjonowanie, napięcie, poziom ciśnienia akustycznego) znacząco przewyższają dokładność odwzorowania modelu soczewki w symulacji, biorąc pod uwagę wymiary elementów przestrzennej siatki obliczeniowej. Dowodem na powtarzalność pomiarów są wszystkie wykresy, gdzie przedstawiono wyniki w zakresie kątowym od -90° do 90°, gdzie uzyskano symetrię przebiegów względem osi (0°). Każdy z wyników po obu stronach osi był niezależnym pomiarem, który pokrywa się wynikiem z pomiarem odpowiadającym po przeciwnej stronie. Świadczy to o braku wpływu warunków pomiarowych, niepewności oraz dokładności pozycjonowania na prezentowane wyniki.
Teza pracy zakłada możliwość kształtowania czoła fali w dwóch płaszczyznach pracy soczewki, ‘pionowej’ i ‘poziomej’. Symulacje oraz pomiary wykazały możliwość niezależnego wpływu na jedną i drugą. Dla pola bliskiego, w większości przypadków wyniki eksperymentalne były zgodne z modelami numerycznymi. W kilku przypadkach, dla których wystąpiła rozbieżność, przedstawiono hipotezę przyczyn tej rozbieżności.
Wizualizacja rozkładu ciśnienia w polu akustycznym w części symulacyjnej weryfikuje tezę bezpośrednio. Wyniki pomiarów w polu dalekim części eksperymentalnej potwierdzają ją pośrednio, poprzez charakteryzację źródła pod względem kierunkowości w funkcji częstotliwości, porównując przetwornik bez soczewki z przetwornikiem wyposażonym w soczewkę. Zakrzywienie frontu falowego ma bezpośredni wpływ na kierunkowość źródła, pozwalając na kontrolę szerokości wiązki dla długości fali mniejszych niż wymiary powierzchni promieniującej. Dla każdego przypadku tłoka w odgrodzie, który promieniuje wycinek fali płaskiej, kierunkowość rośnie szybko ze wzrostem częstotliwości. Zachowanie przetwornika z soczewką i bez niej zostało przedstawione na wykresach rozkładu poziomu ciśnienia akustycznego w przestrzeni, gdzie można zaobserwować malejącą szerokość wiązki po stronie fali płaskiej oraz rozproszone promieniowanie po stronie zagiętego frontu falowego. Holistyczną metodą prezentacji kierunkowości przetwornika jest rozkład poziomu ciśnienia akustycznego w funkcji częstotliwości i kąta, na których wykreślone są krzywe wyznaczające 6dB spadek względem poziomu na osi. Krzywe te pozwalają odczytać szerokość wiązki w funkcji częstotliwości, w obu płaszczyznach dla przetwornika z soczewką jest w przybliżeniu ±2° stała, powyżej częstotliwości odcięcia. W przypadku przetwornika bez soczewki, zgodnie ze wzrostem zysku kierunkowości w obu płaszczyznach maleje szerokość wiązki wraz ze wzrostem częstotliwości. Najbardziej drastyczna różnica po zastosowaniu soczewki jest w płaszczyźnie pionowej dla częstotliwości 20 kHz, gdzie szerokość wiązki wzrasta niemal ośmiokrotnie. Uzyskane wyniki nie są możliwe bez osiągnięcia zakrzywionego czoła fali akustycznej, przetwornik z soczewką funkcjonuje w zbliżony sposób do źródła w postaci wycinka pulsującej elipsoidy.
Działanie soczewki może potencjalnie umożliwić powstanie głośnika o stałej kierunkowości, skutecznie rywalizującego ze znacznie większymi rozwiązaniami tubowymi. W porównaniu z konwencjonalnymi falowodami, prezentowane rozwiązanie minimalizuje odległość pomiędzy przetwornikiem a właściwym „wyjściem”, zmniejszając gabaryty urządzenia głośnikowego, a także wprowadzane opóźnienie akustyczne związane z prędkością propagacji. Zakrzywianie czoła fali uzyskane przez omawiany typ soczewki może również być osiągane w większych układach soczewek, zapewniając sumowanie sygnałów z wielu źródeł z niewielkimi lub żadnymi destrukcyjnymi interferencjami między nimi. Ta cecha pozwala na zaprojektowanie określonej krzywizny frontu falowego i rozmiaru źródła za pomocą wielu przetworników zachowujących się jak pojedynczy o zadanych parametrach kierunkowości.
Z poważaniem,
Jędrzej Kociński
starszy specjalista ds. seminariów katedralnych
____________________________________
dr. hab. Jędrzej Kociński, assoc. prof. of AMU
Department of Acoustics
Faculty of Physics
Adam Mickiewicz University, Poznań
Uniwersytetu Poznańskiego 2
61-614 Poznań
Poland
