Эффективность воздействия ультразвука зависит от интенсивности акустических колебаний. Повысить интенсивность ультразвука можно не только повышением мощности ультразвукового генератора, но и применением устройств, которые концентрируют акустическую энергию в определенной точке. Один из способов повышения интенсивности- это использование фокусирующей акустической линзы. Самый распространенный вариант акустической линзы- это твердое тело особой геометрической формы, которое фокусирует упругие волны путем изменения акустического пути и преломления волн на границе раздела между материалом линзы и окружающей ее средой. В некоторых случаях в качестве акустической линзы может быть жидкость или даже газ, заключенный в тонкую оболочку.
Лучевой характер распространения ультразвука позволяет изготовлять акустические линзы, аналогичные по форме оптическим линзам. Однако между акустикой и оптикой все же имеются различия. Основное отличие ультразвуковой волны от световой- это ее когерентность, т.е. согласованность во времени и пространстве волновых процессов. Когерентные волны приводят к формированию интерференции, которая определяет интенсивность волны в заданной точке пространства. Кроме того, фокусирующее действие ультразвуковой линзы определяется не только ее формой, но и акустическими свойствами среды, в которой находится линза. Если в оптике вогнутая линза всегда является рассеивающей, то в акустике такая линза может быть фокусирующей, поскольку акустический показатель преломления может быть меньше единицы. Рассчитать фокусное расстояние ультразвуковой линзы методами геометрической оптики невозможно, т.к. длина волны ультразвука лишь ненамного меньше геометрических размеров линзы, и возникает дифракция.
В зависимости от конкретного применения форма ультразвуковой линзы может быть либо осесимметричной, либо цилиндрической. В первом случае поверхность линзы является телом вращения кривой линии относительно оси линзы, а во втором случае преломляющая поверхность- часть поверхности прямого цилиндра. Кривые вращения, образующие поверхность линзы могут быть различными, но чаще всего используют окружность, эллипс или гиперболу. Ультразвуковые линзы могут иметь плоско-вогнутую, плоско-выпуклую, двояковогнутую, двояковыпуклую и выпукло-вогнутую поверхность. В некоторых ультразвуковых аппаратах применяют сферическую линзу (шарик), позволяющую фокусировать плоскую ультразвуковую волну независимо от направления ее распространения. На рисунке ниже показан поперечный разрез простых ультразвуковых линз.
1- сферическая плоско-вогнутая линза
2- эллиптическая плоско-вогнутая линза
3- сферическая плоско-выпуклая линза
4- гиперболическая плоско-выпуклая линза
Особые виды ультразвуковых линз имеют неоднородную структуру материала, из которого они изготовлены. Показатель преломления таких линз дискретно или непрерывно меняется от оси линзы к ее краю.
В конструкциях ультразвуковых увлажнителей может использоваться зональная ультразвуковая линза, преломляющая поверхность которой разбита на зоны максимального прохождения энергии (толщина зоны кратна целому числу полуволн).
Поперечный разрез зональной линзы
