Введение к работе
Актуальность темы . Проблема получения акустических полей большой интенсивности, локализованных в малой области пространства, решается с помощью фокусирующих устройств. Описание процесса Фокусировки в таких задачах требует учета нелинейных эффектов. Нелинейная акустика сходящихся сферических и цилиндрических волн, а также пространственно-ограниченных пучков периодических возмущений -хорошо исследованная область.' развитие которой в Р^-е - 60-о годы стимулировалось приложениями к ультразвуковой технологии.
В 80-х годах на первый план выдвигаются задачи фокусировки мощных одиночных импульсов, связанные, ь первую очередь, с введением в клиническую практику экстракорпоральных ударноволновых литотриптеров.
Литотрипсия сегодня - бурно развивающееся направление в медииине. име. аее дело с бесконтактным удалением почечных и желчных камней из организма человека С этим заболеванием страдает около 4 % населения Земли). Мощные звуковье импульсы генерируется вне тела ..ациента. фокусируется на область расположения камня и дробят его до песка, выходящего затем естественным путем.
Фокусировка имеет безусловные преимущества перед альтернативнім методом - прямш подведением мощного ультразвука к камню - так как. во-первых, исключает хирургическог вмешательство в организм и. во-вторых, обе( :ечивает локализация силового воздействия на камне, не затрагивая при этом окружающие ткани.
Кроме того. малье фокусированные импульсы находят применение во многих других задачах ультразвуковой техн'"<и и технологии, оптоакустики, медицины.
По сравнению со слабыми возмущениями фокусировка мощного ультразвука происходит принципиально по-ичому: среда начинает проявлять своп нелинейность. Таких проявлений в основном два. Это, во-первых, саморрфрлкния, то есть искривление акустических лучей из-за того, что каждая точка ударного фронта имеет свою скорость распространения, определяемую величиной давления гэ
JpoiiTOM. Во-вторых, принципиальным становится нелинейное поглощение, суть которого - интенсивная диссипация энергии волны на ударном фронте, приводящая к уменьшению амплитуды волны. Оказі дается, что во многих случаях именно эти проявления нелинейности определяют процесс фокусировки ударных волн, в то время как дифракция уже не оказывает решающего воздействия. Нелинейность приводит к резкому падению усиления при фокусировке, значительному увеличению размеров фокальной о<5..а«ти и ряду других эффектов. Процесс сильно усложняется.
Теоретическое описание фокусировки интенсивных возмущений может б-ть проведено на основе анализа нелинейного эволюционного уравнения Хохлог j-Заболотской-Кузнецова. Но это уравнение не имеет аналитического решения. поэтому теоретическое исследование нелинейных процессов, как правило. сводится к их численному моделированию. Кроме того численный анализ многомерных нелинейных задач требует большого количества машинного времени и связан со значительными математическими трудностями. Результаты, полученные в каждом проведенном численном эксгэрименте, конкретны, и априорно их нельзя обобщать или переносить на другие решения с иными начальными и граничными условиями. Поэтому исследование и выявление основных закономерностей воздействия нелинейности среды на фокусировку мощного ультразвука требуют развития специальной теории такой фокусировки, позволяющей провести комплексный анализ процесса и упростить численное моделирование.
Имевшиеся к моменту начала работы над диссертацией, экспериментальные исследования указывали на доминирующую роль! нелинейных эф*
исследования механизмов разрушения , альтернативных кавитационному.
Настоящая диссертационная работа направлена на исследование отмеченных нерешенных проблем фокусировки мощных акустических импульсов в условиях проявления нелинейных эффекте .
Целью работы являлось:
1. Теоретическое описание фокусировки мощных акустических
импульсов с учетом саморефракции и нелинейного поглощения.
2. Экспериментальное исследование нелинейных эффектов
саморефракции и поглощения в фокусированных импульсні-'х звуковых
пучках.
Научная новизна работы определяется следующим:
-
Развита теория, описывающая фокусированные пучки мощных акустических импульсов. Выведена упрощенная самосогласованная система уравнений, позволившая провести численный анализ фокусировки в широком диапазоне изменений исходных параметров звукового пучк Показано, что проявления нелинейных эффектов -саморефракции и нелинейного поглощения - принципиально изменяют процесс фокусировки, в то время как во многих случаях влияние дифракции оказывается несущественным.
-
Определены основные закономерности нелинейной эволюции фокусированных импульсов треугольной формы для различных соотношений между длиной образования разрыва, длиной дифракционной расходимости и радиусом фокусировки.
-
Впервые предсказано явление насыиения пикового давления мощного сходящегося импульса в фокусе звукового пучка! Показано, что увеличение интенсивности исходного сигнала или изменение его длительности не позволяют получить в Фокусе давление, .большее нексорой предельной величины.
4. Уровень насыиения акустического давления в ф~чусе
определяется только внутренним давлением среды и углом
схождения пучка. Насыдение для коротких импульсов наступает при
меньших исходных пиковых давлениях на излучателе, чем для
импульсов большей длительности. В любой конкретной среде
достигаемый уровень может быть повьшен только увеличением угла
схождения акустического пучка.
5. Проведено комплексное экспериментальное изучение ВЛИЯНИ'1
іе;:.;!'.ейного поглощения и саморефракции на процесс фокусировки
мощных импульсов. Результаты демонстрируют соответствие
порученных данных расчетам на основе построенной теории.
Усиление давления в фокусе резко .падает с ростом влияния
нелинейных эффектов, причем для достаточно мощных импульсов
усиления может не быть вовсе; происходят "размывание" фокальной
области и сгл.. .:иьание поперечного распределения пикового
давления в пучке. Г,
5. Установлено, что при деструктивном воздействии мощных импульсов С в том числе фокусированных) на твердотельные образцы наравне с. навигационной эрозией необходимо учитывать откольный механизм разрушения. Реализованы условия эксперимента, в которых кавитационный механизм разрушения был подавлен. В качестве обоазцов предложено использовать материалы типа канифоли. Показано, что разрушение возникает на тыльной стороне o6pi.jua и усиливается при увеличении разности импедансов образца и окрі лающей среды. .
Научно-практическая ценность.
Проведенными экспериментальными исследованиями доказано, что эффекты саморёфракции и нелинейного поглощения являются определяющими в процессе фокусировки мощных звуковых импульсов. В определенных условиях указанные . нелинейные эффекты ограничивают максимально достижимое значение давления в фокальной области, которое невозможно увеличить путем повышения исходного пикового давления на излучателе.
Этот результат является принципиально важным для понимания физики процесса фокусировки импульсных возмущений с урчрным фронтом и описания работы акустических фокусирующих устройств.
Гредложенная нелинейная модель фокусировки и алгоритм ее численного расчета могут быть использованы для количественных оценок основных характеристик акустического поля экстракорпоральных ударноволновых литотриптеров и решения задачи оптимизации режимов работы фокусирующих блоков этих систем. Найденные закономерности будут полезны при конструироваї ш устройств, функцией которых является усиление' акустического давления путем фокусировки.
Возможно применение полученных результатов при моделировании
распространения звукового удара от объектов, движущихся в атмосфере со сверхзвуковой скоростью, эволюции взрывных и сейсмических волн в океане, а также в нелинейной акустической диагностике. при планировании экспериментов с мощным ультразвуковым излучением и т. д. - во всех тех с учаях. когда происходит нелинейное искажение мощных импульсных возмущений.
Результаты экспериментов продемонстрировали возможность использования оптоакустического источника для целей разрушения твердотельных образцов ударными импульсами. Практически важным результатом этих исследований является обнаружение откольгюго механизма разрушения в условиях. когда деструктивное воздействие кавитации существенно ослаблено. Эти данные могут быть положены в основу поиска принципиально новьк способов разрушения и удаления конкрементов в организме человека Спочечных. желчных камней, тромбов и т.д.). а также для исследования свойств твердых тел.
Д п р о б а чия работы. Основные результаты диссертации докладывались на XI Всесоюзной акустической конференции (Москва. 1091) . на Международной конференции по передовым и лазерным технологиям СМосква. 1992) . на 3-м Всероссийском научном семинаре "'Динамика волновых явлений и солитоны" (Красновидоьо. 1992) . на XIII Международном симпозиуме по нелинейной акустике С Берген. Норвегия. 1993), на семинарах кафедры физики МГГЛ. Акустического института имени Н. Н. Андреева, Института прикладной физики РАН и неоднократно обсуждались на семинарах кафедры ак ~тики физического фзкультета МГУ имени М.В.Ломоносова.
Публикации. Пи теме диссертации опубликованы четыре статьи в науч'чх куриалах и четыре доклада в трудах Всесоюзных и Международник конференций.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет ... страниц машинописного текста, из них основного текста - ... страж.д. рисунков - ... страниц. список цитируемой литературы содержит 124 наименования.
г- те
