Содержание к диссертации
Введение
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 обращении 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 среде 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 NiFe204 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
- Обращение волнового фронта за порогом абсолютной параметрической неустойчивости
- Оценка качества запорогового параметрического ОВФ ультразвука
- Компенсация фазовых искажений и автофокусировка при ОВФ второй гармоники падающей волны в фазово-неоднородной среде
- Возможность повышения эффективности магнитоупругого взаимодействия в ОВФ-элементе на основе NiFe204 за счет выбора температурно-полевого режима
Введение к работе
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, эхо-импульсные 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 на рассеивающие объекты как в однородных, так и в неоднородных средах, например, скрытых за фазовым 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 акустоскопии 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 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. 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 фазово-неоднородный слой.
Построить экспериментальную модель ультразвукового акустоскопа с использованием параметрического ОВФ гармонической компоненты интенсивного ультразвукового пучка в среде с фазовой неоднородностью.
Повысить интенсивность обращенной ультразвуковой волны при параметрическом ОВФ, за счет улучшения акустического согласования магнитострикционной никель-кобальтовой керамики с водой и усиления магнитоакустической связи за счет оптимизации выбора температуры и поля подмагничивания активного ОВФ-элемента.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ
Экспериментально доказана возможность компенсаци фазовых искажений при нелинейном распространении ультразвуковой волны с ОВФ в фазово-неоднородной среде.
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.
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 построение изображения на основной гармонике не обеспечивало необходимого разрешения.
Предложена и использована в обработке экспериментальных данных новая методика количественной оценки качества запорогового параметрического ОВФ ультразвука с использованием фазово-неоднородного слоя.
Экспериментально исследована запороговая динамика твердотельного параметрического ОВФ-усилителя ультразвука с согласующим слоем на границе «активная среда — жидкость».
Экспериментально обнаружено усиление магнитоупругой связи в магнитострикционной керамике на основе NiFe204 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, 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
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.
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.
Автофокусировка обращенной гармоники нелинейной ультразвуковой волны при параметрическом ОВФ реализуема, как в однородной, так и в фазово-неоднородной бездисперсионной водной среде.
Селективное фазовое сопряжение высших гармоник нелинейных волн позволяет повысить разрешение и устранить фазовые аберрации в системах нелинейной акустоскопии на основе ОВФ.
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 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 фазово-неоднородный 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
3.3 посвящен экспериментальной реализации нелинейной ОВФ-акустоскопии на обращении пятой гармоники зондирующего сигнала в случае, когда образец скрыт за фазовым экраном, что характерно для схемы акустоскопа «на отражение». При характеристиках фазово-неоднородного слоя, исключащих возможность использования стандартных ОВФ-методов из-за сильного пространственного разрушения зондирующего ультразвукового пучка. Представлены изображения тестового объекта в различных режимах работы ультразвукового акустоскопа.
Обращение волнового фронта за порогом абсолютной параметрической неустойчивости
Во всех случаях, когда экспериментально наблюдалось существенное усиление обратной бегущей волны в твердом теле [14, 15, 67, 72, 104], уровни накачки превышали порог абсолютной параметрической неустойчивости фононов, определяемый соотношением: При этом в экспериментах по запороговому ОВФ [8, 107] демонстрировалось высокое качество воспроизведения волнового поля квазиплоских сфокусированных пучков в твердых телах и жидкостях. Наблюдались типичные для ОВФ эффекты: компенсации фазовых искажений и автофокусировки обращенных пучков на регулярные и случайные объекты. Для оценки амплитуды обращенной волны в случае запорогового ОВФ рассмотрим волновое уравнение, описывающее распространение акустической волны в отсутствие затухания: Пусть скорость звука v(t) модулируется электромагнитным полем: где т - Av/v0 — глубина модуляции, сор — частота накачки, v0 — скорость звука при постоянном значении поля подмагничивания. Акустическое поле может быть представлено в виде суммы падающей (А) и обращенной (В) волн. Здесь A(z ,t) и B{z ,f) — медленно меняющиеся амплитуды прямой и обратной волн. Генерацию обращенной волны можно описать при помощи системы параметрически связанных уравнений [52]: где параметр h = mw/2. Система (1.11) дополняется граничными условиями А _=0 = А0, В = 0, где L — пространственная протяженность активной зоны. За начало отсчета выберем момент включения накачки (t = 0). В линейном режиме форма огибающей обращенной волны является функцией импульсного отклика параметрического усилителя. Пространственное распределение амплитуды обращенной волны В в активной зоне после завершения накачки определяется соотношением [108]: содержащим параметр q = h/v0 . Условие qL — 7г/2 соответствует пороговому значению параметрической генерации звука из тепловых шумов. При превышении накачкой данной величины наблюдается запороговый режим усиления обратной волны. В данном режиме во время воздействия накачки амплитуда обращенной волны растет по экспоненциальному закону, при отключении накачки рост амплитуды сменяется спадом, который описывается следующим соотношением: В =qL-sm[qL(yt/L-\)]. (1.13)
Форма огибающей акустического импульса, полученного в результате параметрической генерации обратной волны в запороговом режиме, представлена на рис. 1.2.1 [108]. Механизмом, ограничивающим нарастание амплитуды обращенной волны, является обратное влияние усиленных волн на накачку, называемое истощением накачки. Теоретические оценки предельной мощности акустического излучения при ОВФ в системе «генератор электромагнитной накачки — магнитная параметрически активная среда» за порогом абсолютной устойчивости фононов приведены в работе [ПО]. В ней установлена связь выходной акустической мощности насыщения с основными параметрами активной среды, с генератором накачки и цепями электромагнитного согласования. Показано, что выходная акустическая мощность теоретически ограничена величиной 1/2 от электрической мощности. Такая высокая эффективность преобразования ультразвуковых волн в запороговом режиме усиления показывает высокие потенциальные возможности параметрического ОВФ в магнетиках. Существенным фактором, влияющим на интенсивность обращенной ультразвуковой волны, излучаемой из активной среды в жидкость, являются потери на границе «твердое тело — жидкость». Возможность снижения этих потерь с помощью нанесения согласующего слоя на поверхность активного элемента изучается в главе 4 диссертации. Существенными факторами, влияющими на качество ОВФ, являются угловая зависимость проекции групповой скорости на нормаль к границе раздела жидкость — активная ОВФ-среда, внутреннее отражение волн от боковых поверхностей активного элемента, преломление входного пучка и преобразование мод на поверхности раздела активной и пассивной среды распространения, анизотропия параметрического взаимодействия и конкуренция мод в режиме насыщения.
Влияние этих факторов на формирование ОВФ-пучков частично рассмотрено в работах [40, 111, 112]. Угловая зависимость эффективности запорогового ОВФ исследовалась в работах [114, 115]. В них рассматривалось аномальное отражение плоской волны от поверхности ОВФ-усилителя и было показано, что оптимальное направление падающего пучка, соответствующее максимальной эффективности ОВФ-преобразования, не совпадает с нормалью к поверхности активного элемента. Данные обстоятельства указывают на существенную роль усиления сдвиговых волн в активной среде, обладающих более высокой, чем у продольных волн, чувствительностью скорости звука к магнитному полю, что подтверждается представленной на рис. 1.2.2 зависимостью скорости звука от приложенного магнитного поля для магнитострикционной керамики, выполненной из поликристаллического никелевого феррита [14]. В работе [115] для исправления неравномерности угловой характеристики ОВФ-преобразования использовался эффект компенсации фазовых искажений. Для этого перед входной поверхностью усилителя устанавливалась фазовая пластина, изготовленная из салола. Эффект выравнивания угловой характеристики был достигнут, но потери на отражение и прохождение звука, внесенные фазовой пластиной, оказались велики. Эффективным оказался метод рифления входной поверхности самого активного элемента усилителя, рассмотренный в работе [116].
С его помощью удалось выровнять угловую характеристику в диапазоне углов ±15 с максимальной величиной усиления. На ОВФ-элементах с рифленой поверхностью проводились все эксперименты по исследованию структуры акустических полей с обращенным волновым фронтом в рамках данной диссертационной работы. методов параметрического ОВФ на магнитострикционной керамике позволили перенести внимание с исследований механизмов ОВФ ультразвука на изучение свойств волн с параметрически обращенным фронтом. Наиболее ярким проявлением эффекта ОВФ является самонацеливание (автофокусировка) обращенных пучков на рассеивающие объекты. Автофокусировка импульса, обращенного во времени радиоэлектронным способом, исследовалась в работе [117]. Самонацеливание параметрически обращенных ОВФ-пучков впервые было реализовано в работах [118-120]. В качестве рассеивающего объекта в работе [118] использована погруженная в воду стеклянная полусфера диаметром 10 мм. Ультразвуковые пучки падающей и обращенной волн были визуализированы лазерно- стробоскопическим методом. В работе [119] демонстрируется эффект автофокусировки на случайные движущиеся рассеиватели, в качестве которых использовались всплывающие в воде пузырьки воздуха. В [121] теоретически рассматриваются особенности самонацеливания звука на движущиеся объекты. В последнее время много внимания уделяется исследованию прикладных возможностей ОВФ ультразвука. Возможности использования ОВФ в акустической микроскопии исследуются в работах [122, 124], где
Оценка качества запорогового параметрического ОВФ ультразвука
Известно, что существуют различные типы ОВФ-преобразователей (параметрический, голографический, компьютерный) в которых используются различные способы получения обращенной волны. Причем качество воспроизведения может зависеть как от физических особенностей методов, так и от режима работы конкретной ОВФ-системы. Более того, различие может быть связано и с влиянием условий распространения таких, как дифракция волн звука или их нелинейное искажение. Последнее особенно важно, поскольку исследования в области ОВФ ультразвуковых волн показывают возможность создания интенсивных пучков с обращенным фронтом. Ясно, что для сравнения влияния вышеперечисленных факторов необходимо введение количественной оценки качества ОВФ-системы. Оценки того, насколько тот или иной метод обращения достоверно воспроизводит падающую волну, ранее не поводилось. Используемый в оптике критерий качества ОВФ и способ его измерения хорошо известны [12]. Методика основана на сравнении отношений энергии в обращенной компоненте оптического пучка к общей энергии излучения. Для выделения обращенной компоненты на пути пучка ставится случайная фазовая пластина. Искажения, внесенные фазовой пластиной в падающий пучок, компенсируются при обратном прохождении через нее обращенной волны. Поэтому часть пучка, соответствующая падающей волне, восстанавливается и ее энергия может быть измерена. На сегодняшний день экспериментальные количественные методы оценки качества параметрического ОВФ ультразвуковых пучков автору неизвестны. Поэтому предлагается для этой оценки адаптировать к условиям акустического эксперимента методику, применяемую в оптике. Сильное проявление дифракционных эффектов в ультразвуковой акустике делает невозможным прямой перенос оптической методики измерения качества, поскольку она основана на применении плоскопараллельных пучков с измерением мощности пучка на бесконечности. При этом за аналог измерения на бесконечности можно принять измерение мощности в фокальной плоскости сфокусированного пучка [140]. Схема эксперимента представлена на рис. 2.2.1. Сферически сфокусированный ультразвуковой излучатель S Panametrix М307 располагался конфокально с ОВФ-элементом С [14, 116] в заполненном водой бассейне.
Расстояние между ними составляет 164 мм, таким образом, чтобы фокус располагался на равном удалении, как от источника, так и от ОВФ-системы [146] и Приложение 1. Несущая частота ультразвукового акустического импульса составляет 5 МГц длительность импульса 30 мкс. Амплитуда падающей волны была выбрана небольшой, чтобы ее распространение можно было считать линейным. Аналогично методике, используемой в оптике, на пути распространения акустической волны устанавливался слой фазово-неоднородной среды R, подробно описанный в Приложении 2. В экспериментах использовались два способа расположения слоя. Первый — между источником и фокусом (рис. 2.2.1, положение (1)): в такой конфигурации проводились исследования свойств самого слоя. Второй — между фокусом и ОВФ-системой (рис. 2.2.1, положение (2)). Распространяющаяся в обратном направлении обращенная волна сходится в фокус. В процессе этого распространения, внесенные в падающий пучок фазовые искажения компенсируются, и обращенный пучок сходится в точку фокуса, являющуюся для него источником. В этом случае необращенные компоненты излучения ОВФ-зеркала не сходятся в фокус. Фазовый слой R играет роль согласующего пространственного фазового фильтра, пропускающего исключительно обращенную компоненту. Измерения давления в акустическом поле проводилось звукопрозрачным мембранным PVDF-гидрофоном GEC-Marconi Hd, описанным выше. Сканирование производилось в фокальной плоскости источника с точностью шага 0,2 мм или 0,3 мм, в зависимости от эксперимента. На каждом шаге сканирования проводились измерения среднеквадратичного и пикового давления, а также амплитуд первых четырех гармоник обращенной волны.
Качество обращения мы предлагаем определять таким же образом, как и в оптике [12], как отношение: где Wonj — акустическая мощность, сосредоточенная в центральном фокальном максимуме обращенного пучка, WnJ — общая мощность обращенного (обратного) пучка, Wc — мощность в центральном максимуме поля падающего пучка, Wc — общая мощность падающего пучка. Знаменатель (2.1) представляет собой отношение фокальной и общей мощности падающей волны. В линейном случае, для поршневого сфокусированного излучателя круглой формы, эта величина составляет 0,84. Мощность излучения можно вычислить, приблизительно считая волновой фронт в фокусе плоским, из измеренных величин давления акустического поля как интеграл по фокальной плоскости: акустический импеданс среды. Интеграл берется не по всей фокальной плоскости, поскольку она бесконечна. Для расчета используется только эффективная область, где по экспериментальным данным, амплитуда акустического давления выше уровня шумов. За порогом параметрического ОВФ отчетливо наблюдаются линейный (экспоненциальный) и нелинейный режимы усиления [7]. На рис.2.2.2 показана типичная зависимость амплитуды сигнала обращенной волны от длительности накачки. Представленные измерения были сделаны для плоской волны. Излучение и прием производились одним преобразователем, закрывающим всю апертуру ОВФ усилителя в режиме, позволяющем избежать возникающих при распространении нелинейных эффектов. На представленной зависимости виден переход от линейного режима экспоненциального усиления к нелинейному режиму насыщения выходного сигнала с увеличением как длительности, так и мощности накачки.
Интерес представляет исследование качества ОВФ в обоих режимах работы ОВФ-системы: линейном и нелинейном. 2.2.3. Оценка качества ОВФ на основе двумерного сканирования На рис. 2.2.3 представлено двумерное распределение акустического давления в фокальной плоскости излучателя. Сканирование фокальной плоскости проводилось на площади 8x8 мм. На основе этих данных измерения амплитуды исходного пучка рис. 2.2.3а, было вычислено отношение мощности центрального фокального максимума к общей мощности падающего пучка, которое составило 0,92. Для оценки искажающих свойств используемого фазового слоя R он был сначала установлен на расстоянии 20 мм от источника S (рис. 2.2.1, положение (1)), после чего производились контрольные измерения акустического поля в фокальной плоскости. На рис. 2.2.36 показано распределение амплитуды в фокальной плоскости в случае двумерного сканирования на площади 12x12 мм с установленным фазовым слоем. Из представленного распределения акустического давления видно, что произошло полное разрушение структуры первоначально сфокусированного пучка внесенными аберрациями, что является показателем пригодности фазовой пластины в качестве случайного пространственного фильтра. На рис. 2.2.3 представлено двумерное распределение давления в фокальной плоскости обращенного пучка в случае его нелинейного распространения, когда его начальная амплитуда достаточна для генерации высших гармоник. На графиках (а)—(г) представлены амплитуды первых четырех гармоник соответственно.
Компенсация фазовых искажений и автофокусировка при ОВФ второй гармоники падающей волны в фазово-неоднородной среде
Параграф посвящен экспериментальному исследованию автофокусировки ультразвукового пучка с ОВФ в условиях, когда исходная волна имеет интенсивность, достаточную для проявления нелинейности распространения, но ее спектр воспроизводится при ОВФ лишь частично. Изучается случай, когда преобразованию обращения волнового фронта подвергается только вторая гармоника исходной волны. Экспериментально исследуется структура акустического поля при селективном фазовом сопряжении второй гармоники сфокусированной волны в случае, когда среда распространения содержит неоднородность, вносящую сильные фазовые аберрации в поле падающей волны. Изучается фокусировка акустических гармоник, каскадно генерируемых обращенной волной в процессе ее распространения к источнику. Упрощенная схема эксперимента приведена на рис. 3.2.1. Она аналогична той, что была описана в 2.1. Сферически сфокусированный ультразвуковой преобразователь S с фокусным расстоянием 82 мм, находящийся в заполненном водой бассейне, излучал ультразвуковой импульс длительностью 30 мкс с несущей частотой 3 МГц. Амплитуда импульса была достаточно велика, чтобы при его распространении в воде генерировались гармоники. На расстоянии 206 мм от излучателя S соосно с ним находился параметрический ОВФ-усилитель С, [146] и Приложение 1. Усилитель работал в запороговом режиме гигантского усиления [8, 14] и осуществлял преобразование обращения фазы. Благодаря относительной узкополосности параметрического взаимодействия звука с квазигармонической электромагнитной накачкой производилось селективное обращение фазы отдельной гармонической составляющей падающей волны. За счет выбора значения частоты накачки fp = 12 МГц усилитель был настроен на работу со второй гармоникой 2fin = 6 МГц падающей волны.
Обращенный пучок распространялся назад через область фокуса к излучателю, при этом его интенсивность, в свою очередь, была достаточна для генерации высших гармоник. В используемом импульсно-периодическом режиме работы цуги падающей и обращенной волн при их распространении в воде были полностью разделены во времени. Соответствующее временное стробирование позволяло выбирать требуемый волновой цуг для измерений. Акустическое поле в воде измерялось звукопрозрачным широкополосным мембранным PVDF-гидрофоном Нр с диаметром чувствительного элемента 0,5 мм. Позиционирование гидрофона осуществлялось автоматической двухкоординатной системой с точностью 0,2 мм. В каждой точке поля производилось усреднение сигнала гидрофона по 32 выборкам и определялись его пиковое и среднеквадратичное значения, а также амплитуды первых четырех спектральных компонент. Как и в предыдущих экспериментах, в качестве неоднородной среды использовался слой R изготовленный из силиконового полимера, Приложение 2. Достаточно хорошее акустическое согласование слоя с водой и его сравнительно небольшая толщина позволяли считать, что искажения, вносимые в акустический пучок, носили в основном фазовый характер, а амплитудные потери был несущественным. слоя вносить в проходящую волну заметные искажения была исследована при его размещении в положении, обозначенном нарис. 3.2.1 как (1). Удаленность плоской поверхности слоя от излучателя составляла 62 мм. В этих условиях было измерено распределение звукового давления вдоль прямой, лежащей в фокальной плоскости излучателя. Характерный вид полученного распределения амплитуды давления представлен на рис. 3.2.2.
Видно, что даже на сравнительно малом (20 мм) расстоянии от фокуса слой R эффективно разрушает фокусировку как фундаментальной компоненты с частотой _//,» = 3 МГц, так и ее второй гармоники с частотой 2fjn = 6 МГц). Для сравнения на том же рисунке приведены фокальные распределения амплитуды давления второй гармоники в отсутствие искажающего слоя и квадрата амплитуды давления основной гармоники в присутствии слоя. Последняя кривая демонстрирует хорошую корреляцию с соответствующим распределением второй гармоники. При приближении фазового слоя к излучателю до расстояния 22 мм распределение акустического поля в фокальной плоскости z = 82 мм становится еще более изрезанным, что демонстрирует рис. 3.2.3. Многократное повторение однотипных измерений при параллельном смещении слоя с сохранением расстояния до источника дало сходные по виду результаты деструкции фокуса, отличающиеся расположением, формой и количеством максимумов. Тем самым было подтверждено удовлетворительное качество слоя как среды, вносящей достаточно сильные фазовые аберрации. Для экспериментов с участием обращенной волны фазовый слой был перемещен симметрично относительно фокуса из позиции (1) в позицию (2) (z = 102 мм, см. рис. 3.2.1). В этой геометрии аберрации вносились в падающую волну на ее пути из фокуса до ОВФ-усилителя и в обращенную волну на ее пути к фокусу.
Возможность повышения эффективности магнитоупругого взаимодействия в ОВФ-элементе на основе NiFe204 за счет выбора температурно-полевого режима
В системах запорогового параметрического ОВФ на основе магнитострикционной керамики эффективность обращения зависит от глубины модуляции скорости звука электромагнитной накачкой, что, в свою очередь, определяется эффективностью связи электромагнитного поля с кристаллической решеткой твердого тела. В активных магнитных средах параметры магнитоупругой связи зависят от внешних условий: величины подмагничивающего поля, сторонних напряжений и температуры. В экспериментах на магнитострикционной керамике было отмечено повышение эффективности ОВФ-преобразования при нагреве активного элемента.
В данном параграфе изложены результаты исследования магнитоупругого взаимодействия в поликристаллической магнитострикционной керамике на основе феррита никеля в области высоких температур в диапазоне 300—740 К. В качестве исследуемого объекта был взят образец магнитострикционной керамики на основе NiFe204 с примесями меди, самария и кобальта (состав в молярных процентах: Fe203 — 48,6%, СоО — 1,28%, СиО — 1,34%, Sm203 — 1,49%, остальное — NiO), аналогичный по составу активному элементу установки запорогового параметрического ОВФ [8, 145, 146]. Образец имел форму прямоугольного параллелепипеда с размерами 12,5x7,2x3,3 мм. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 4.2.1. Образец (1) вместе с измерительной катушкой (2) располагается внутри медного нагревателя, схематично показанной в виде спирали (3). Нагреватель вместе с термопары (NiCrNi) на приборе МЕТЕХ M-3870D (7) и вручную регулировалась за счет напряжения, подаваемого на нагреватель (8). Возникающие резонансные моды идентифицировались сравнением измеренной резонансной частоты с рассчитанными частотами сдвиговых и продольных резонансных мод, для характерных размеров образца (длины, ширины, толщины). Известные из предварительных эхо-импульсных измерений величины скорости составляли 3500 м/с для сдвиговых и 7000 м/с для продольных волн.
Измерения проводились на основной сдвиговой моде со смещением параллельным большей длине образца и с длиной волны 14,4 мм. Расчетная резонансная частота для нее составляла 243,06 кГц, а измеренная находилась в пределах 242,71—248,39 кГц в зависимости от величины поля подмагничивания. На рис. 4.2.2 представлены зависимости частоты резонанса сдвиговых волн от температуры образца для трех значений напряженности поля подмагничивания: 300 Э, 653 Э и 969 Э в диапазоне 300—740 К. В области температур от 570 до 640 К наблюдается особенность в виде минимума резонансной частоты. Причем положение минимума зависит от поля подмагничивания и с его ростом смещается в более низкотемпературную область. Точкам минимума соответствовали значения температуры 633 К (300 Э), 613 К (653 Э) и 573 К (969 Э). Как видно из рис. 4.2.2, с изменением поля меняется и крутизна спада температурной зависимости резонансной частоты. Характерные особенности видны и на рис. 4.2.3, где изображены температурные зависимости амплитуды резонанса сдвиговых волн при тех же значениях напряженности поля подмагничивания: 300 Э, 653 Э и 969 Э. В температурном диапазоне от 570 до 700 К наблюдаются области возникновения низкочастотных автоколебаний амплитуды резонанса. Зависимость коэффициента магнитоупругой связи от температуры изображена на рис. 4.2.4. Коэффициент связи определялся из соотношения В температурной области 570—640 К, где амплитуда и частота резонанса имеют минимум, коэффициент магнитоупругой связи имеет максимум. Причем при значении поля подмагничивания 300 Э коэффициент связи при температуре 633 К на 27% выше, чем при комнатной температуре.
Похожие диссертации на Нелинейные эффекты при параметрическом обращении волнового фронта ультразвуковых пучков
