Преломление звука - изменение направления распространения звуковой волны при её прохождении через границу раздела двух сред.

При падении на границу раздела двух однородных сред (воздух – стена, воздух – водная поверхность и т.д.) плоская звуковая волна может частично отражаться и частично преломляться (проходить во вторую среду), как показано на рисунке 1.

Необходимым условием для преломления является различие скоростей распространения звука в обеих средах.

По закону преломления, преломленный луч (OL") лежит в одной плоскости с падающим лучом (OL) и нормалью к поверхности раздела сред, проведенной в точке падения O. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β равно отношению скоростей звуковых волн в первой и второй средах C₁ и C₂ (закон Снеллиуса):

Из закона преломления следует, что чем выше скорость звука в той или иной среде, тем больше угол преломления.

 

Первые опыты над преломлением звука были сделаны Зондгаусом (Sondhauss, 1852 г.). Если устроить из упругих перепонок (пузыря, коллодия или резины), прикрепленных к обручу, двояковыпуклую чечевицу и наполнить ее углекислым газом, то она будет собирать звук (например от карманных часов) в одну точку (фокус), подобно тому как стеклянная чечевица собирает световые лучи.

Можно акустическую чечевицу устроить еще иначе (Н. Гезехус, 1890). Если наполнить полушаровую тонкую металлическую сетку пухом, ватой или какими-либо стружками, прикрыв ее плоской сеткой, то такая плосковыпуклая чечевица будет также собирать звук вследствие того, что скорость распространения звука в ней будет замедлена сравнительно со скоростью звука в свободном воздухе. Поэтому, поместив с одной стороны чечевицы источник звука (карманные часы или свисток), мы в состоянии будем найти положение фокуса по другую сторону или прямо ухом, или при помощи чувствительного пламени. Зная расстояние источника звука и фокуса акустического центра чечевицы, можно вычислить показатель преломления, а следовательно, и скорость звука в чечевице.

Хажех (Hajech, 1857) исследовал преломления звука в разных газах и в воде посредством акустической призмы. В стену, разделявшую две комнаты, была вставлена труба, концы которой были закрыты перепонками, составлявшими между собой некоторый угол. Труба наполнялась испытуемым газом или жидкостью и определялось направление, по которому звук, прошедший через трубу, слышался наилучше. Опыты над преломления. звука производили также Нейренеф (1894), Перро и Дюссо (1895) и др.

Лазерная интерферометрия является одной из основных технологий, используемых в устройствах, формирующих изображение, в установках совмещения и последовательного шагового мультиплицирования, в метрологическом оборудовании для производства полупроводников. Этот метод позволяет с высокой точностью устанавливать положение инструментов и манипулировать ими при изготовлении микрочипов.

Используемые в настоящее время методы интерферометрии не достаточно точны для того, чтобы обеспечить технические условия для технологий, предполагающих управление аппаратурой в воздухе (в подвешенном состоянии). Недостаток данного метода обусловлен нестабильностью параметров воздуха, особенно его температуры. Давление, температура, влажность и примеси из окружающего воздуха влияют на показатели преломления воздуха в траектории интерферометрического измерения, что отрицательно влияет на определение положения инструмента и объекта. Действительно, когда в прецизионных процессах допускаются погрешности менее 100 нм, определение преломляющего коэффициента воздуха представляет серьезную проблему, а для оборудования на данном этапе технологического развития до сих пор остается основным источником неточностей и погрешностей.

Изменение скорости распространения звука в воздухе является почти в две тысячи раз более «чутким» индикатором изменения температуры воздушной среды, чем преломляющие свойства воздуха. В основу технологии AcWaCo (Acoustic Wavelength Compensation - акустическая компенсация/корректировка длины волны) и лег этот феномен. Для акустического измерения средняя температура в траектории лазерного луча в коротком временном интервале измеряется с точностью менее 1 мК; скорость получения и обновления данных ограничена скоростью распространения звукового сигнала. Данная технология позволяет измерять изменение показателя преломления воздуха с точностью до 1 ppb при частоте обновления данных свыше 350 Гц. Еще одно преимущество акустического метода состоит в том, что действительный показатель преломления в момент замера измеряется по всей длине лазерного луча, чем исключаются погрешности затухания луча в трассе. Технология AcWaCo значительно улучшает точность существующих лазерных интерферометров благодаря компенсации изменений свойств воздуха, которые современные интерферометры не способны отличить от движения мишени.

При использовании предлагаемой технологии акустическое оборудование устанавливают непосредственно на имеющуюся оптику лазерного интерферометра: оси акустических излучателей располагаются симметрично вокруг лазерного луча для компенсации температурных отклонений. При типичном применении в производстве полупроводников – для координатных столов с рабочим ходом 300 мм – переданные серии звуковых импульсов отражаются от той же точки плоского зеркала, откуда отражается лазерный луч; при таких условиях частота обновления данных с датчиков может превышать 300 раз в секунду, а точность позиционирования объекта может быть менее 1 нм.

Технология подходит для многоцелевого использования: от производства полупроводников до изготовления жидкокристаллических и TFT-экранов, а также в системе контроля и управления станками, работающими в крайне жестком режиме – одним словом, везде, где потребитель желает действительно исключить искажение лазерных интерферометрических измерений, обусловленное влиянием изменений среды.