СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5 стр.
Глава 1. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНОВОГО
ФРОНТА В АКУСТИКЕ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 18 стр.
§1.1. Принципы формирования волны
с обращенным волновым фронтом в акустике 19 стр.
1.1.1. Радиоэлектронные методы ОВФ в акустике________________20 стр.
1.1.2. Физические принципы ОВФ в акустике____________________22 стр.
1.1.3. Голографические механизмы ОВФ в акустике ____________23 стр.
1.1.4. Параметрическое ОВФ звука в твердом теле______________25 стр.
§ 1.2. Обращение волнового фронта за порогом
абсолютной параметрической неустойчивости 30 стр.
1.2.1. Обращенная волна при запороговом ОВФ 31 стр.
1.2.1 Исследование свойств ультразвуковых волн с ОВФ_________35 стр.
§1.3. Выводы_________________________________________________36 стр.
Глава 2. НЕЛИНЕЙНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИ ОБРАЩЕННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПУЧКОВ
ЧЕРЕЗ ФАЗОВО-НЕОДНОРОДНЫЕ СРЕДЫ____________________;__________38 стр.
§2.1. Компенсация фазовых аберраций и автофокусировка нелинейной волны при обратцении волнового фронта с усилением 40 стр.
2.1.1. Схема эксперимента 41 стр.
2.1.2. Акустические поля падающей и обращенной волны 42 стр.
2.1.3. Обсуждение результатов 48 стр.
§2.2. Оценка качества запорогового параметрического
ОВФ ультразвука 49 стр.
2.2.1. Схема эксперимента 50 стр.
2.2.2. Методика оценки качества ОВФ________________:__________52 стр.
2.2.3. Оценка качества ОВФ на основе двумерного сканирования__54 стр.
2.2.4. Оценка качества ОВФ на основе одномерного сканирования_56 стр.
2.2.5. Обсуждение результатов 59 стр.
§2.3. Выводы 61 стр.
Глава 3. СЕЛЕКТИВНОЕ ОВФ ГАРМОНИК ИНТЕНСИВНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ В ОДНОРОДНЫХ И
ФАЗОВО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ___________________________________62 стр.
§3.1. ОВФ второй гармоники интенсивной падающей волны в однородной срсдс 65 стр.
3.1.1. Численная модель на основе уравнения ХЗК______________65 стр.
3.1.2. Схема эксперимента____________________________________67 стр.
3.1.3. Результаты измерений и расчетов_______________________69 стр.
3.1.4. Обсуждение результатов________________________________74 стр.
§3.2. Компенсация фазовых искажений и автофокусировка
при ОВФ второй гармоники падающей волны
в фазово-неоднородной среде_________________________________75 стр..
3.2.1. Схема эксперимента____________________________________75 стр.
3.2.2. Акустические поля падающей и обращенной волны_________77 стр.
3.2.3. Обсуждение результатов,_______________________________83 стр.
§3.3. Ультразвуковая акустоскопия в фазово-неоднородных средах
на высших гармониках_________________________________________83 стр.
3.3.1. Схема эксперимента____________________________________85 стр.
3.3.2. Акустические изображения объекта______________________90 стр.
3.3.3. Обсуждение результатов 93 стр.
§3.4. Выводы________________________________________________.94 стр.
Глава 4. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ОБРАЩЕННОЙ ВОЛНЫ В ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ОВФ-УСИЛИТЕЛЯХ НА МАГНИТОСТРИКЦИОННОЙ
НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТОВОЙ КЕРАМИКЕ__________________________________96 стр.
§4.1. Акустическое согласование активного элемента параметрического
)
ОВФ-усилителя на основе магнитострикционной керамики с водой в ультразвуковом диапазоне частот____________________________99 стр.
4.1.1. Требования к согласующему слою____________________100 стр.
4.1.2. Условия эксперимента 101 стр.
4.1.3. Акустические поля падающей и обращенной волны_____102 стр.
4.1.4. Динамика параметрической ОВФ-системы 105 стр.
4.1.5. Обсуждение результатов____________________________107 стр.
§4.2. Возможность повышения эффективности магнитоупругого взаимодействия в ОВФ-элементе на основе Н1Ре204 за счет выбора температурно-полевого режима_____________________________108 стр.
4.2.1. Схема эксперимента________________________________108 стр.
4.2.2. Экспериментальные результаты______________________110 стр.
4.2.3. Обсуждение результатов____________________________113 стр.
§4.3. Выводы_____________________________________________114 стр.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ_______________________________________________115 стр.
Приложение 1. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
ЗАПОРОГОВОГО ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ОВФ________________________117 стр.
Приложение 2. 011ИСАНИЕ
НЕОДНОРОДНОЕ О ФАЗОВОГО СЛОЯ_____________________________125 стр.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ________________________________________129 стр.
4
ВВЕДЕНИЕ
Методы ультразвуковой визуализации широко используются в современных медицинских диагностических исследованиях и неразрушающем контроле. В последние годы развитие ультразвуковых методов включает в себя не только совершенствование соответствующей приборной базы, но и разработку новых методик. Одним из перспективных направлений является использование нелинейных волновых эффектов, проявляющихся при распространении интенсивных ультразвуковых пучков. Такое «нелинейное звуковидение» среды, основанное на анализе высших гармоник исходной ультразвуковой волны, зачастую имеет преимущества перед традиционными линейными режимами [1-3]. Так, например, эхоимпульсные изображения структуры биоткани, получаемые в современных устройствах медицинской ультразвуковой диагностики с использованием второй гармоники, отличаются повышенным разрешением, обусловленным обужением фокальной области второй гармоники, понижением уровня боковых лепестков и подавлением реверберационных шумов по сравнению с волной основной частоты [4-6]. При этом, важно, что анализ гармоник нелинейно распространяющейся волны легко адаптируется к существующим диагностическим системам.
Одной из проблем современных систем построения акустических изображений является визуализация объектов, находящихся в неоднородных средах или, что часто случается, за пространственно локализованным неоднородным слоем. В этом случае высокую эффективность демонстрирует системы обращение волнового фронта (ОВФ) [7-12], использующие способность обращенной волны компенсировать фазовые искажения, вносимые средой распространения. Одним из важных следствий указанного свойства обращенной волны является возможность автофокусировки, или «самонацеливания», ультразвуковых пучков па рассеивающие объекты как в однородных, так и в неоднородных средах, например, скрытых за фазовым
5
экраном. Исследования в области ОВФ ультразвуковых пучков, в последние годы, активно ведутся как в России, так и за рубежом.
Под обращением волнового фронта понимается такое преобразование волнового поля, при котором направление распространения волн меняется на противоположное с сохранением первоначального пространственного распределения амплитуд и фаз [12]. Это преобразование представляет собой инверсию времени, возможность которой обеспечивается инвариантностью волнового уравнения в среде без поглощения относительно изменения знака времени (в некоторых публикациях подобное преобразование называется «обращением времени»). В случае нелинейного распространения акустической волны возможность применения техники ОВФ для нелинейной акусгоскопии неочевидна по нескольким причинам: из-за появления сильной диссипации при образовании ударных участков в профиле волны [13], несовпадения амплитуд падающей и обращенной волн при ОВФ с усилением и неполного воспроизведения спектра подающей волны при параметрическом ОВФ.
Для создания обращенной акустической волны в ультразвуковом диапазоне частот используются несколько способов: голографический, параметрический и цифровой с применением многоэлементных преобразователей и ЭВМ [38]. На сегодняшний день наибольшее развитие получили два последних метода обращения[8]. И тот, и другой позволяют не только осуществлять ОВФ падающей волны, но и значительно ее усиливать.
Одним из наиболее эффективных на сегодняшний день методов создания обращенной акустической волны на ультразвуковых частотах является параметрическое ОВФ за порогом абсолютной неустойчивости фононов в магнито-акустически активных средах [14, 15]. Данный метод позволяет производить ОВФ в реальном времени и работать в режиме гигантского (свыше 80 дБ) усиления. Подобные свойства сделали запороговые ОВФ-усилители на основе магнитострикционной керамики основным инструментом в экспериментальных исследованиях нелинейных
6
эффектов при распространении ультразвуковых пучков с ОВФ. Дальнейшее улучшение характеристик соответствующих устройств может быть достигнуто путем повышения интенсивности обращенной ультразвуковой волны за счет улучшения качества и эффективности преобразований при параметрическом ОВФ.
Развитие ОВФ акустических пучков конечной амплитуды соответствует основной тенденции развития современной ультразвуковой акустики. На момент, когда автор приступил к исследованиям ОВФ ультразвуковых волн, были проведены первые эксперименты по формированию интенсивных ультразвуковых пучков с ОВФ. При этом, исследования структуры акустического поля интенсивных обращенных пучков, их свойств в однородных и неоднородных средах, а также способов их практического применения только начинались. Данная диссертационная работа посвящена экспериментальным исследованиям нелинейных эффектов при параметрическом обращении волнового фронта ультразвуковых пучков.
ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
1. Экспериментально исследовать физические особенности ОВФ ультразвуковых пучков при нелинейном распространении падающей и обращенной волн в однородной и неоднородной водной среде.
a. Для экспериментальных исследований свойств интенсивных ультразвуковых пучков с ОВФ в неоднородной среде создать модель фазово-неоднородного слоя со стабильными характеристиками неоднородностей и сильной деструкцией пространственного спектра сфокусированных акустических пучков в частотном диапазоне 1—10 МГц.
b. Экспериментально исследовать структуру поля обращенной ультразвуковой волны в условиях ее нелинейного распространении через фазово-неоднородный слой.
7
с. Разработать методику ОВФ гармонической компоненты интенсивного ультразвукового пучка при запороговом параметрическом ОВФ и исследовать структуру акустического поля в процессах компенсации фазовых искажений и автофокусировки обращенной гармоники в однородной среде и через фазовонеоднородный слой.
2. Построить экспериментальную модель ультразвукового акустоскопа с использованием параметрического ОВФ гармонической компоненты интенсивного ультразвукового пучка в среде с фазовой неоднородностью.
3. Повысить интенсивность обращенной ультразвуковой волны при параметрическом ОВФ, за счет улучшения акустического согласования магнитосгрикционной никель-кобальтовой керамики с водой и усиления магнитоакустической связи за счет оптимизации выбора температуры и поля подмагничивания активного ОВФ-элемента.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ
1. Экспериментально доказана возможность компенсаци фазовых искажений при нелинейном распространении ультразвуковой волны с ОВФ в фазово-неоднородной среде.
2. Реализовано селективное обращение фронта гармоник нелинейных волн за счет выбора частоты накачки в схеме запорогового параметрического ОВФ на магнитострикционной никель-кобальтовой керамике. Экспериментально реализовано ОВФ высшей (пятой) гармоники нелинейной волны и продемонстрирована автофокусировка обращенной гармоники в однородной и фазово-неоднородной среде.
3. Впервые экспериментально получено акустическое изображение объекта за фазовым экраном на пятой гармонике волны с ОВФ. Визуализация объекта реализована в условиях, при которых использование зондирующей волны той же частоты не позволяло получить изображение объекта, а
8
построение изображения на основной гармонике не обеспечивало необходимого разрешения.
4. Предложена и использована в обработке экспериментальных данных
новая методика количественной оценки качества запорогового
параметрического ОВФ ультразвука с использованием фазово-
неоднородного слоя.
5. Экспериментально исследована запороговая динамика твердотельного параметрического ОВФ-усилителя ультразвука с согласующим слоем на границе «активная среда — жидкость».
6. Экспериментально обнаружено усиление магнитоупругой связи в магнитострикционной керамике на основе Ы1Ре204 при оптимальном выборе рабочего температурно-полевого режима.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ
Представленные результаты экспериментальных исследований
интенсивных ультразвуковых пучков с ОВФ показывают, что, несмотря на
заметные нелинейные искажения, в процессе обращения сохраняются важные для практических задач свойства компенсации фазовых искажений и автофокусировки пучка на рассеивающие объекты. Результаты могут быть использованы для создания систем акустоскопии, совмещающих известные методы вторичной тканевой гармоники с техникой ОВФ.
Представленные результаты экспериментальных исследований
демонстрируют возможность селективного ОВФ гармонических составляющих падающего интенсивного ультразвукового пучка. Здесь обращенная волна обеспечивает компенсацию фазовых искажений при ее обратном распространении в фазово-неоднородной водной среде. Полученные результаты могут служить физической основой разработки и создания систем нелинейной ОВФ-акустоскопии высокого разрешения,
9
предназначенных для визуализации объектов, расположенных за экранирующей фазовой неоднородностью.
Показано, что применение согласующего четвертьволнового слоя из полимерного материала позволяет повысить амплитуду звукового давления в фокусе обращенной волны и динамический диапазон параметрического магнитострикционного ОВФ-преобразователя, что может быть использовано в медицинских приложениях акустических пучков высокой интенсивности, в частности, в гипертермии.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. Данные экспериментальных исследований процессов нелинейного распространения интенсивных ультразвуковых волн с параметрически обращенным фронтом сквозь аберрирующий слой демонстрируют эффекты автофокусировки и компенсации фазовых искажений в бездисперсионной водной среде.
2. Разработанный экспериментальный метод позволяет количественно оценить эффективность работы ультразвуковых ОВФ-систем. Показано, что качество ОВФ в линейном режиме ОВФ-усилителя выше, чем в режиме насыщения.
3. Автофокусировка обращенной гармоники нелинейной ультразвуковой волны при параметрическом ОВФ реализуема, как в однородной, так и в фазово-неоднородной бездисперсионной водной среде.
4. Селективное фазовое сопряжение высших гармоник нелинейных волн позволяет повысить разрешение и устранить фазовые аберрации в системах нелинейной акустоскопии на основе ОВФ.
10
СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ
В главе 1 представлен обзор механизмов и методов обращения волнового фронта в акустике. В §1.1 описаны принципы формирования акустической волны с ОВФ. Рассмотрены достоинства и недостатки основных из них: голографического, параметрического и цифрового с использованием многоэлементных преобразователей и ЭВМ. §1.2 посвящен параметрическому обращению волнового фронта в твердом теле за порогом абсолютной параметрической неустойчивости фононов.
В главе 2 экспериментально исследуются основные свойства волн с обращенным фронтом: компенсация фазовых искажений и автофокусировка , в случае работы системы параметрического ОВФ в режиме усиления, когда при распространении интенсивной обращенной ультразвуковой волны происходит генерация высших гармоник с образованием ударного фронта. Также проводится сравнение качества ОВФ-фокусировки в случае линейного режима параметрической ОВФ-системы и режима насыщения.
В §2.1 приведены результаты прямых измерений структуры поля сфокусированной обращенной ультразвуковой волны, распространяющейся в фазово-неоднородной среде в условиях развитой нелинейности. Приведены результаты измерений фокального и осевого распределения поля звукового давления обращенной волны и сделано их сравнение с падающим пучком. Показано, что свойства компенсации фазовых искажений и автофокусировка волны с ОВФ сохраняются.
В §2.2 вводится критерий качества ОВФ для акустической волны. Приводятся данные его расчетов на основе экспериментальных измерения поля акустического давления двумя способами: двумерным и одномерным сканированием. Проводится сравнение критерия качества для случая линейного и для нелинейного режима работы запороговой параметрической ОВФ-системы в режиме усиления.
В главе 3 исследуется возможность осуществления селективного
ОВФ гармонической составляющей сфокусированных интенсивных
11
ультразвуковых пучков в однородной и фазово-неоднородной средах. Сравниваются экспериментальные результаты с численным моделированием в случае ОВФ второй гармоники ультразвуковой волны в однородной среде и приводятся экспериментальные результаты сохранения автофокусировки и компенсации фазовых искажений при обращении второй гармоники интенсивного ультразвукового пучка, прошедшего через фазовонеоднородный слой. Также представлена экспериментальная реализация акустической визуализации объекта в случае расположении фазового экрана перед излучателем зондирующего сигнала, что аналогично схеме акустоскопа «на отражение», в случае невозможности использования стандартных методов ОВФ из-за сильного разрушения зондирующего ультразвукового пучка. Показывается, что в этом случае акустическое изображение можно получить, используя в качестве зондирующего интенсивного ультразвуковой пучок низкой основной частоты с построением изображения с использованием ОВФ пятой гармоники.
В §3.1 исследуется возможность селективного ОВФ второй гармоники падающей интенсивной ультразвуковой волны. Данные измерений осевого и фокального распределений акустического давления обращенной волны сравниваются с численным расчетом на основе уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова. Экспериментально показывается возможность использования запорогового параметрического ОВФ для селективного обращения гармонических составляющих ультразвуковой волны с сохранением эффекта автофокусировки обращенного пучка
В §3.2 продолжено изложение экспериментальных исследований свойств «неполного» ОВФ второй гармоники интенсивного падающего ультразвукового пучка, но уже в фазово-неоднородной среде. Приводятся осевые и фокальные распределения акустического давления второй гармоники падающей и обращенной волны. Проведенные измерения показали, что наличие в среде распространения фазовых неоднородностей не препятствует самофокусировке при селективном фазовом сопряжении второй гармоники сфокусированного пучка
12
- Київ+380960830922