2
Содержание
Введение...................................................... 5
Глава 1. Ультразвуковая велосиметрия потока жидкости и обращение волнового фронта в акустике. Обзор литературы................................... 18
1.1. Ультразвуковая велосиметрия потока жидкости............18
1.1.1. Измерение скорости потока жидкости при помощи
эффекта Доплера......................................20
1.1.2. Метод измерения скорости течения жидкости по разности времени прохода движущейся среды..........................23
1.1.3. Корреляционный метод измерения скорости
течения жидкости.....................................24
1.2. Границы применимости ультразвуковых методов измерения скорости потока жидкости...............................27
1.3. Обращение волнового фронта в акустике..................32
1.3.1. Параметрическое обращение волнового фронта
в твердых телах......................................36
1.3.2. Обращение времени.................................44
1.3.3. Основные приложения эффекта ОВФ в неподвижных средах. .45 Выводы к главе 1..........................................48
Глава 2. Распространение фазово-сопряженных волн в движущейся среде.......................................50
2.1. Нелинейное распространение акустических воли в движущейся среде. Основные уравнения.....................................50
2.2. Генерация второй гармоники обращенной волны............52
2.3. Нелинейные эффекты при распространении обращенных волн в
движущейся среде..........................................56
2.3.1. Синхронизация фаз гармоник в присутствии потоков...56
2.3.2. Фазовый сдвиг стоксовой компоненты комбинационного рассеяния фазово-сопряженных волн в движущейся среде 58
Выводы к главе 2.............................................60
Глава 3. Измерение скорости потока жидкости при помощи фазово-сопряженных УЗ волн.............................62
3.1. Экспериментальная установка.............................62
3.2. Методика расчета скорости течения жидкости по расходу...67
3.3. Изменение скоростей потоков различных типов методом обращения волнового фронта ультразвуковых волн.....................70
3.3.1. Трубка, содержащая встречные потоки................70
3.3.2. Ламинарный поток жидкости..........................73
3.3.3. Регистрация двумерного пространственного распределения скоростей потока в трубке, содержащей сужение.............75
3.3.4. Трубка, содержащая резкое сужение..................78
3.3.5. Трубка, содержащая плавное сужение.................80
3.3.6. Вихревой поток под вращающимся диском..............81
3.3.7. Затопленная струя..................................86
Выводы к главе 3.............................................88
Глава 4. Нелинейные эффекты при распространении и взаимодействии фазово-сопряженных волн в
движущейся среде.............................................8*9
4.1. Генерация второй гармоники обращенной волны
в движущейся среде........................................89
4
4.2. Экспериментальная регистрация фазового сдвига стоксовой компоненты комбинационного рассеяния ультразвука в движущейся среде..........................................98
Выводы к главе 4...........................................103
Глава 5. Примеры реализаций систем измерения расхода и скорости потока жидкости на основе параметрического ОВФ ультразвука.........................105
5.1. Ультразвуковые расходомеры, основанные на использовании эффекта параметрического ОВФ...........................105
5.1.1. Сдвиг фазы, приобретаемый плоской обращенной волной в движущейся среде.........................................105
5.1.2. Схема расходомера с прямым прохождением ультразвукового луча.....................................................107
5.1.3. Схема расходомера с множественными отражениями 109
5.1.3. Расходомер, основанный на нелинейном взаимодействии фазово-сопряженных волн..................................110 *
5.2. Моделирование измерения скорости кровотока в венах (in vitro)... 114
5.3. Параллельное измерение скорости потока и концентрации примесей в жидкости.............................................118
Выводы к главе 5...........................................122
Общие выводы по работе ......................................124
Список использованной литературы............................126
5
Введение
Измерение скорости потока жидкости является актуальной задачей для многих приложений в областях медицины, промышленности и научных исследований. Наиболее распространенными методами измерения, применяющимися для этой цели, являются ультразвуковые. Основными их достоинствами являются прежде всего их неинвазивность по отношению к потокам (отсутствует необходимость помещать датчики или зонды непосредственно в поток) и высокая точность. Кроме этого, ультразвуковое излучение не является ионизирующим, что важно с точки зрения медицинских приложений. Благодаря данным преимуществам во многих практических ситуациях измерение скорости потока жидкости является возможным только с использованием ультразвуковых волн.
Широкое использование ультразвука для велосиметрии (измерения скорости) потоков жидкости началось в 1960-х г.г. с появлением пьезоэлектрических излучателей. В эти годы были предложены основные успешно применяющиеся и в настоящее время методы измерения. Один из этих методов основан на измерении скорости по разности временных задержек распространения ультразвуковой волны попутно и встречно потоку (так называемый время-импульсный или фазово-импульсный метод). В другом случае скорость потока определяется по доплеровскому смещению частоты ультразвукового излучения, рассеиваемого захваченными движением среды частицами (доплеровский метод). Первый из упомянутых методов обычно используется в промышленности, где имеют дело с измерением скорости течения одно-
I
родных жидкостей, не содержащих рассеивателей. В медицине, напротив, стоит задача определения скорости кровотока - жидкой среды, обильно содержащей рассеиватели ультразвукового излучения, - эритроциты. По этой
6
причине при исследованиях сердечнососудистой системы в основном применялся доплеровский метод.
В 1970-х г.г. был предложен корреляционный метод измерения скорости жидкой среды, содержащей рассеиватели. Он основывается на отслеживании смещения участка эхо-сигнала от группы рассеивателей во временной области по максимум}' корреляционной функции между двумя последовательно зарегистрированными эхо-сигналами. Эта информация позволяет определить изменение положения группы рассеивателей за некоторый интервал времени. Корреляционный метод обладает рядом преимуществ по сравнению с допле-ровским: он нечувствителен к частотным искажениям, вносимым неподвижными биологическими тканями, позволяет проводить измерения в более глубоко расположенных кровеносных сосудах и обладает большими быстродействием и точностью. Большинство создаваемых в настоящее время медицинских аппаратов ультразвуковой диагностики сердечнососудистой системы основаны на этом методе.
Как показывают исследования последнего времени, для измерения скорости потока жидкости может быть использован эффект обращения волнового фронта (ОВФ). Обращением волнового фронта является преобразование волнового поля, при котором направление распространения волн меняется на противоположное при сохранении первоначального распределения амплитуд и фаз. Возможность его осуществления в недиссипативной среде обуславливается инвариантностью волнового уравнения по отношению к замене знака времени. В движущихся средах данная инвариантность нарушается, что приводит к появлению некомпенсированного фазового сдвига обращенной волны, величина которого зависит от скорости потока.
Впервые этот эффект обнаружили при проведении гидроакустических исследований в мелком море с использованием техники обращения времени, которая также позволяет получать ОВФ звуковых волн. Методика обращения времени состоит в регистрации распределения акустического поля в некото-
7
рой области пространства при помощи решетки приемно-излучающих пьезопреобразователей, последующей инверсии записанных сигналов во времени и их переизлучении в пространство. Рабочая частота созданных систем составляет величину около 5 МГц, при этом дальнейшее её увеличение сопряжено со значительными техническими трудностями. К достоинствам таких устройств следует отнести отсутствие ограничений на вид обрабатываемых акустических сигналов и возможность целенаправленного корректирования амплитудно-фазового распределения переизлучаемых акустических пучков. Следует отметить, что многоэлементные системы обращения времени являются очень сложными и дорогостоящими.
Альтернативным методом, используемым на практике для получения эффекта ОВФ ультразвуковых пучков, является параметрическое фазовое сопряжение в активных магнито-акустических материалах. Существование режима ОВФ за порогом абсолютной неустойчивости ультразвуковых волн в твердом теле позволило получить гигантское усиление обращенной волны (превосходящее 80 дБ при использовании магнитострнкционной керамики). Нижние рабочие частоты данных устройств составляют от единиц до десятков мегагерц, при повышении частоты эффективность ОВФ-преобразования повышается, по этой причине верхний диапазон частот ограничивается факторами практической и технической целесообразности реализации систем в диапазоне сверхвысоких частот. Магнитоакустические системы ОВФ работают с квази-монохроматическими звуковыми пучками, их отличает простота, невысокая стоимость, а также возможность работы в частотном диапазоне от единиц до нескольких десятков мегагерц, представляющим наибольший интерес для практических приложений.
Применение методов параметрического фазового сопряжения и обращения времени позволяет значительно улучшить характеристики ультразвуковых систем и реализовать принципиально новые возможности, к числу которых относятся автоматическая компенсация фазовых искажений, вносимых
8
средой распространения, и автофокусировка звуковых пучков на источники излучения и рассеивающие объекты. Явление автоматической компенсации фазовых искажений находит применение в подводных коммуникациях, неразрушающем контроле и системах ОВФ-акустоскопии. Автофокусировка обращенных акустических пучков применяется в медицинской терапии и неразрушающем контроле, где позволяет решать задачи фокусировки акустического излучения и детектирования объектов в сильно неоднородных средах. Гигантское усиление обращенной волны делает возможным использование в ОВФ-акустоскопии нелинейных акустических эффектов, таких как генерация высших гармоник и комбинационное рассеяние звука на звуке, что дает возможность увеличения разрешающей способности и чувствительности акустических систем формирования изображений.
Возможности использования явления параметрического ОВФ в велоси-метрии и диагностике потоков в актуальном для приложений частотном диапазоне единиц и десятков мегаг ерц до настоящего времени оставались неисследованными.
Этот метод, также как и время-импульсный и фазово-импульсный методы, применим для измерения скорости изоэхогенных жидкостей, т.е. не предполагает наличие в движущейся среде рассеивателей ультразвука. Помимо этого, он позволяет задействовать преимущества, предоставляемые эффектом ОВФ, такие как компенсация фазовых искажений и восстановление исходного распределения акустического поля на источнике излучения, что делает возможным его применение в сильно неоднородных средах. Высокая интенсивность обращенной волны при параметрическом фазовом сопряжении дает возможность применения методов нелинейной акустики, которые в настоящее время практически не используются в ультразвуковой ве-лосиметрии потоков.
Таким образом, развитие современных эффективных методов обращения волнового фронта ультразвука и потребности в совершенствовании средств
9
ультразвуковой велосиметрии потоков обуславливают актуальность исследования ультразвуковых волн с обращенным фронтом в движущихся средах и разработки методов диагностики потоков на основе ОВФ.
Целыо работы является изучение процессов распространения ультразвуковых волн с параметрически обращенным фронтом в движущихся нелинейных средах и демонстрация возможных применений обращенных ультразвуковых волн для велосиметрии потоков жидкости. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:
1) Разработка теоретической модели нелинейного распространения обращенных ультразвуковых волн в движущейся среде.
2) Создание экспериментальной установки и проведение экспериментов по измерению скоростей потоков жидкостей с помощью параметрического обращения волнового фронта ультразвуковых пучков. Сравнение полученных данных и результатов численных расчетов, выполненных в соответствии с разработанной моделью.
3) Исследование нелинейных эффектов, возникающих при распространении и взаимодействиях обращенных волн в движущейся среде, таких как генерация высших гармоник и комбинационное рассеяние звука на звуке.
4) Исследование возможности применения нелинейных эффектов для улучшения точностных характеристик акустических систем велосиметрии потоков жидкости.
5) Разработка демонстрационных макетов измерителей скорости потоков для технических и биомедицинских приложений.
10
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись аналитические методы нелинейной акустики на основе обобщенных уравнений Вестервельта и Хохлова-Заболотской-Кузнецова а также методы численного интегрирования систем дифференциальных уравнений нелинейной геометрической акустики. При проведении экспериментов использовались методы автоматизации, основанные на концепции виртуальных измерительных приборов.
Научная новизна исследования. В работе впервые:
- экспериментально исследованы процессы распространения ультразвуковых волн с параметрически обращенным фронтом в движущихся средах;
- экспериментально и теоретически исследована генерация акустических гармоник параметрически усиленной обращенной волной в жидкости с неоднородно распределенными потоками;
~ экспериментально реализовано комбинационное рассеяние акустических гармоник нелинейных фазосопряженных волн в движущейся жидкости;
- разработаны схемы и созданы лабораторные макеты систем велосимет-рии и диагностики потоков жидкости на основе параметрического обращения волнового фронта ультразвука.
Практическая значимость работы. Результаты исследования распространения волн с обращенным фронтом в движущихся средах составляют основу для разработки новых эффективных методов ультразвуковой велоси-метрии в технических и биомедицинских приложениях.
Разработанные алгоритмы численного моделирования распространения и генерации гармоник обращенной волной могут использоваться в диагностике и акустоскопии сред с неоднородно распределенными потоками.
- Київ+380960830922