Введение к работе
Актуальность работы. Использование ультразвуковых колебаний в качестве эффективного средства исследования вещества и воздействия на него имеет более чем полувековую историю. В настоящее время на практике, прежде всего в медицине (в диагностике, в терапии различных заболеваний и в неинвазивной хирургии), а также в различных технологических процессах и при неразрушающем контроле широко используется ультразвук мегагерцевого диапазона частот. Фокусирование ультразвука позволяет локализовать воздействие и получить его уникальные режимы.
Для фокусирования ультразвука мегагерцевого диапазона частот используют излучатели с активным элементом из толщинно-поляризованных вогнутых пьезокерамических пластин. Их применение обусловлено высокой эффективностью преобразования энергии и фокусирования поля, простотой изготовления, надежностью и продолжительностью срока службы. Фокусирование ультразвука с помощью вогнутых пьезокерамических пластин позволяет получать интенсивности в области воздействия, достигающие тысяч и десятков тысяч Вт/см2 при интенсивности на поверхности излучателя, составляющей единицы Вт/см2.
Однако неизменность формы, размеров и положения фокальной области при заданных конструктивных характеристиках излучателей и частоте возбуждения ограничивает их использование. Если область, подлежащая воздействию, отличается по форме и размерам от фокальной области излучателя, то возникает необходимость его перемещений в процессе ультразвукового воздействия.
В этой связи актуальным является электрическое управление пространственно-временной структурой (ЭУ ПВС) создаваемых акустических полей, существенно расширяющее область применения
фокусированного ультразвука мегагерцевого диапазона частот. Такое
управление осуществляется путем изменения по заданному закону
распределения колебательной скорости по рабочей поверхности
излучающей пьезопластины. Одноканальное управление распределением
колебательной скорости по излучающей поверхности
поляризованных по толщине пьезопластин достигается при частотной модуляции напряжения их возбуждения и неравномерной толщине.
Изменение распределения толщины и радиуса кривизны
фокусирующих пьезопластин в зависимости от угла их раскрыва при
возбуждении частотномодулированным напряжением создает
возможность одноканального электрического управления
пространственно-временной структурой создаваемых полей, положением и размерами фокальной области.
Частотномодулированное напряжение возбуждения излучателей с ЭУ ПВС под действием изменяющейся акустической нагрузки подвергается модуляции по амплитуде. Это позволяет неинвазивно определять акустические параметры объекта воздействия в диапазоне частот модуляции.
Изменение положения фокальной области позволяет локально возбуждать направленные колебания во внутренних структурах объекта исследования.
Среди областей использования излучателей с неравнотолщинной пьезопластиной следует отметить: исследовательскую практику, использование в области диагностики и контроля, в медицине, технологии.
Целью работы является:
1. Исследование способов одноканального формирования
фокусированного ультразвукового поля в мегагерцевом диапазоне частот с электрическим управлением пространственно-временной
структурой (ЭУ ПВС).
-
Математическое моделирование полей, создаваемых фокусирующими излучателями с ЭУ ПВС, и их экспериментальное исследование.
-
Исследование источников амплитудной модуляции, возникающей в частотномодулированном напряжении возбуждения фокусирующих излучателей с ЭУ ПВС и возможности ее использования для неинвазивного определения характеристик объекта воздействия.
-
Исследование возможности возбуждения низкочастотных направленных механических колебаний в глубине объекта воздействия с помощью излучателей с ЭУ ПВС.
-
Исследование возможности повышения точности наведения излучателей ультразвука с ЭУ ПВС на требуемую область воздействия.
-
Исследование физических принципов контроля акустического контакта излучателей ультразвука с ЭУ ПВС и объекта воздействия и разработка соответствующих устройств.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Обоснован новый метод одноканального электрического управления пространственно-временной структурой полей фокусирующих излучателей ультразвука.
-
Теоретически и экспериментально исследованы поля, создаваемые фокусирующими излучателями ультразвука с ЭУ ПВС. Получены динамические характеристики их управления.
-
Определены режимы возбуждения направленных механических колебаний во внутренних структурах объекта воздействия.
-
Исследованы информационные характеристики канала неинвазивного измерения параметров внутренних структур объекта воздействия. Определены их предельные значения.
Практическая ценность результатов работы.
Одноканальное электрическое управление пространственно-временной структурой полей фокусирующих излучателей ультразвука обеспечивает вариацию размеров и положения их фокальной области. Изменение положения фокальной области соизмеримо с ее размерами и достаточно для решения ряда практических задач.
Определены характеристики канала неинвазивного контроля параметров объекта воздействия, образующегося при использовании излучателей с ЭУ ПВС. В этом канале совмещены цепи воздействия и измерения его результатов, чем исключаются погрешности установки, наведения и взаимного рассогласования.
Исследована возможность повышения точности наведения источника ультразвука на область воздействия.
Показана возможность возбуждения с помощью фокусирующих излучателей ультразвука с ЭУ ПВС направленных локальных механических колебаний в глубине объекта воздействия и как следствие-расширения диагностических возможностей соответствующей ультразвуковой техники.
Исследованы физические принципы построения устройств контроля акустического контакта излучателей ультразвука с объектом воздействия и предложены варианты технических решений.
Отработана методика изготовления фокусирующих излучателей с ЭУ ПВС, позволяющая использовать для их изготовления существующее оборудование и оснастку.
Предложенные способы электрического управления пространственно-временной структурой полей фокусирующих излучателей ультразвука позволяют повысить точность наведения источника ультразвука на область воздействия непосредственно во время воздействия и после него, создавать новые средства для применения в диагностике и терапии, а также для повышения эффективности различных
технологических процессов и совершенствования средств неразрушающего контроля.
Результаты проведенных исследований изложены в 4 отчетах по итогам научно-исследовательских работ, в выполнении которых участвовал автор.
Апробация работы и публикации.
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: VI сессии Российского акустического общества "Акустика на пороге 21 века" (Москва, 1997); XLVI юбилейной научно-технической конференции МИРЭА (Москва, 1997); XLVIII научно-технической конференции МИРЭА, 2 доклада (Москва, 1999); научных семинарах ГНЦ РФ "АКИН". Полученные результаты изложены в семи опубликованных работах и в четырех научно-технических отчетах.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 133 страницы машинописного текста, из них основного текста 117 страниц. Работа содержит 58 рисунков и 3 таблицы. Список литературы содержит 71 наименование.
