Введение к работе
В настоящей диссертационной работе представлены результаты комплексных исследований по проблеме обращения волнового фронта (ОВФ) ультразвуковых пучков, выполненных автором в период 1982-2008 г.г. в Научном центре волновых исследований Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН, а также, начиная с 1998 г., в Институте электроники, микроэлектроники и нанотехнологий (IEMN, Лилль, Франция).
Актуальность темы
Проблема концентрации энергии в заданной области пространства в заданное время является одной из актуальных в физике распространения электромагнитных и акустических волн. Методы фокусировки излучения в однородных средах хорошо известны и разработаны. Если же на пути волнового пучка имеется фазово-неоднородная среда, то сфокусировать излучение обычными системами, например линзовыми, уже не удается. Традиционные алгоритмы управления многоэлементными приемно-излучающими решетками, предназначенными для фокусировки излучения, также оказываются неэффективными, особенно в случайно-неоднородных средах. В большинстве случаев это происходит из-за отсутствия априорной информации о том, какие именно фазовые сдвиги вносятся в волновой пучок неоднородностями среды. Примеры такого рода случайно-неоднородных сред хорошо известны - это атмосфера и недра Земли, океан, биологические ткани, многие промышленные изделия и т.п. В основе одного из наиболее эффективных и красивых физических методов, позволяющих реализовать фокусировку волн в средах со случайными фазовыми неоднородностями, лежит открытое первоначально в оптике в середине 70-х годов XX века явление обращения волнового фронта (ОВФ). С тех пор эта тематика привлекает к себе внимание своеобразием физических свойств обращенных волновых пучков и теми уникальными возможностями, которые открывает применение техники ОВФ в физических исследованиях, неразрушающем контроле, технологии и медицине.
Обращение волнового фронта - это такое преобразование волнового поля, при котором направление распространения волны меняется на противоположное с сохранением первоначального пространственного распределения амплитуд и фаз [см. напр. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов В.В., "Обращение волнового фронта", М., Наука, 1985]. Основное свойство обращенной волны состоит в компенсации фазовых набегов, возникающих при распространении первичной волны. Благодаря этому волна с обращенным фронтом может фокусироваться на источник не только в однородной среде, но и в неоднородной и, более того, в случайно-неоднородной среде. Автофокусировка или «самонацеливание» волновых пучков на рассеивающие объекты, в том числе и через фазово-неоднородную среду,
схематически проиллюстрировано на Рис.1. Важно, что устройства ОВФ осуществляют обращение автоматически и в реальном времени для произвольных
реализаций первичной волны, т.е. они автоматически согласованы в смысле фокусировки на источник с любыми искажениями фазового фронта. Именно поэтому устройства, обращающие волновой фронт, наряду с фундаментальным, представляют и большой практический
п , г, , интерес. Устройства ОВФ получили широкую
гис.1. Схема автофокусировки или ft- j г j
"самонацеливания" ультразвуковых пучков известность ПОСЛЄ ТОГО, как в 80-х годах XX
с использованием эффекта ОВФ.
1 - источник ультразвуковых волн, века они были реализованы в оптике, хотя в
2 - объект, 3 - фазово-неоднородная среда, радиотехнических системах их уже 4 - ОВФ-зеркало.
использовали, начиная с 60-х годов.
Принципиальная возможность существования волны с ОВФ основывается на
инвариантности волнового уравнения в прозрачной среде по отношению к смене
знака времени. Преобразованию инверсии времени соответствует так называемое
фазовое сопряжение спектральных компонент поля: Ua(r) = um(f), или для фаз
(p(r) =-(p(r). В свою очередь, фазовое сопряжение соответствует смене знака
волновых векторов в пространственном спектре поля: если /ffl(r) = ^4<(u/)e*r , а
Ua(r) = ^Вк(а>)е~Мг, тогда Д(#>) = Ак(о)) . Преобразование ОВФ в линейной и
стационарной среде может включать в себя пространственно однородное изменение амплитуды волнового поля и постоянную временную задержку (фазовый набег). В зависимости от того, каким способом достигается эффект ОВФ в различных конкретных условиях, о нем говорят или как о преобразовании обращения времени (ОВ) или как об обращении волнового фронта.
При всей общности идеи обращения фронта реализация ОВФ для волн различной физической природы отличается друг от друга. Так, бурное развитие исследований по ОВФ в оптике, хотя и стимулировало изучение ОВФ в акустике, тем не менее, не позволило напрямую перенести в нее оптические методы обращения. Специфика ОВФ в физической акустике обусловлена спецификой волновых, в частности, дисперсионных свойств акустических сред, взаимодействиями, обеспечивающими реализацию ОВФ, пространственно-временной структурой акустических пучков, подлежащих обращению, и, наконец, практическими потребностями, в решении которых перспективно использование явления ОВФ. Среди методов ОВФ ультразвука особый интерес представляет параметрическое фазовое сопряжение волн за порогом
абсолютной неустойчивости в твердом теле, находящемся во внешнем переменном
электрическом или магнитном поле. В этом случае возможна эффективная перекачка энергии поля, модулирующего скорость звука в среде, в энергию акустических волн, что обеспечивает их усиление в реальном времени. В известных реализациях такого способа ОВФ ультразвука в качестве обращающей среды применялись монокристаллы, а частота обращенных УЗ волн находилась, как правило, в диапазоне сотен мегагерц и выше. Однако монокристаллы, как известно, характеризуются сильной анизотропией параметрического взаимодействия, поэтому они пригодны только для ОВФ коллимированных УЗ пучков. В тоже время для приложений ОВФ ультразвука основной интерес представляют УЗ пучки с частотой порядка единиц мегагерц и с широким пространственным спектром. По этим причинам потребовался поиск других твердотельных сред, которые обладают минимальной анизотропией параметрического взаимодействия при гораздо более высокой чувствительности скорости звука к изменениям внешнего модулирующего поля, чем в монокристаллах, что необходимо для компенсации падения эффективности параметрического ОВФ, возникающей при понижении частоты на два-три порядка. Другой нерешенной, но принципиальной в исследованиях по ОВФ проблемой являлось отсутствие прямых экспериментальных исследований пространственной структуры акустических полей обращаемого и обращенного пучков. Ранее утверждения об ОВФ основывались лишь на косвенном экспериментальном факте обращения времени в параметрических эхо-импульсных последовательностях. Наконец, реализация параметрического ОВФ с усилением дает основание предполагать, что начальная интенсивность обращенных пучков может быть достаточно велика для проявления нелинейных эффектов при распространении. Такой характер распространения обращенных УЗ пучков также необходимо изучать, т.к. при этом, очевидно, нарушается временная инвариантность волнового уравнения.
Несмотря на то, что использование ОВФ целесообразно и дает наибольший эффект в средах с неоднородностями, но и в однородных средах применение ОВФ ультразвука может быть оправданно, например, для создания автоконфокальных систем, не требующих точной юстировки, или при разработке методов безлинзового построения акустических изображений. Благодаря обнаруженной нами возможности обращения фронта отдельных гармонических составляющих нелинейной УЗ волны с помощью параметрического метода, и тому, что и сама обращенная волна также может быть нелинейна, можно с успехом одновременно использовать преимущества, предоставляемые как техникой ОВФ, так и современными достижениями нелинейной акустики.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена, с одной стороны, потребностями, существующими в научной и практической деятельности, по компенсации фазовых искажений, возникающих при
распространении УЗ пучков в неоднородных средах, а также по точной фокусировке ультразвука на различные объекты, а с другой - возможностями, предоставляемыми при решении подобных задач применением явления ОВФ. Результаты, получаемые при изучении ОВФ ультразвука - это физическая основа для создания принципиально новых УЗ методов исследования сред, образцов УЗ техники и технологии, повышения возможностей существующих методов и устройств.
Основные цели диссертационной работы
создание параметрического обращающего фазу усилителя звука - ПОФУЗа (аббревиатура, введенная Ф.В. Бункиным), который на частотах 1-10 МГц являлся бы источником интенсивных УЗ пучков с ОВФ;
на основе прямых методов исследования акустических полей и численного моделирования выявление характерных физических особенностей линейного и нелинейного режимов распространения УЗ пучков с ОВФ в жидких средах, включая среды с фазовыми неоднородностями;
экспериментальная демонстрация преимуществ и прикладных возможностей запорогового параметрического ОВФ ультразвука.
Научная новизна результатов, представленных в диссертации, состоит:
- в использовании поликристаллических никель-кобальтовых ферритов специального
состава и оригинального усилителя мощности накачки таких ферритов, что впервые
позволило реализовать запороговое параметрическое ОВФ в реальном времени в
диапазоне 1-10 МГц с высоким, свыше 100 дБ, усилением для УЗ пучков с широким
пространственным спектром;
в применении светоотверждаемого полимера для акустического согласования твердотельного обращающего элемента с жидкой средой, что позволяет существенно: в несколько раз, повысить чувствительность и выходную мощность твердотельных параметрических ОВФ-усилителей ультразвука, нагруженных на жидкую среду, при удовлетворительном качестве ОВФ;
в экспериментальном обнаружении и исследовании характерных особенностей нелинейного распространения фазосопряженных ультразвуковых пучков различной геометрии;
в реализации эффекта самонаведения УЗ пучков на случайно расположенные в жидкости стационарные и хаотически движущиеся объекты различной формы;
в предложении, разработке и экспериментальной реализации метода спектральной селекции гармоник нелинейного УЗ пучка с одновременным ОВФ и усилением выделенной гармоники;
- в прямой экспериментальной демонстрации ретрофокусировки УЗ пучков с
обращенным фронтом при их нелинейном распространении в жидкой среде,
содержащей слой, вносящий фазовые искажения;
- в экспериментальной демонстрации возможностей применения и преимуществ
запорогового ОВФ ультразвука в акустоскопии и неразрушающем контроле.
Совокупность полученных в диссертации результатов представляет собой новое крупное научное достижение в исследованиях проблемы ОВФ ультразвука, что позволяет говорить о формировании и развитии нового направления в физической акустике - «нелинейной акустики параметрически обращенных ультразвуковых пучков».
Практическая ценность работы
- Создан новый инструмент для ультразвуковых исследований - параметрический
обращающий фазу усилитель звука. Использование в качестве параметрически
активной среды поликристаллического материала с профилированной рабочей
поверхностью обеспечило хорошее качество ОВФ для УЗ пучков с широким
пространственным спектром, простоту изготовления, надежность. Оригинальный
усилитель мощности импульсов параметрической накачки, входящий в состав ОВФ-
усилителя, по сравнению с известными аналогами обладает существенно лучшими
массо-габаритными характеристиками и более низкой потребляемой мощностью,
обеспечивая при этом необходимые амплитуды поля накачки. Разработанный
параметрический ОВФ-усилитель уже используется в научных лабораториях России и
Франции и служит прототипом специализированных приборов, перспективных в
таких областях, как медицина, неразрушающий контроль, системы акустической
диагностики.
Экспериментально обоснован ряд методов и принципов практического использования ОВФ ультразвука, среди которых: автоматическая безлинзовая фокусировка УЗ пучков на случайно расположенные статические и движущиеся объекты, линейная и нелинейная акустоскопия объектов, находящихся в среде с фазовыми неоднородностями, ультразвуковая диагностика дефектов изделий сложной формы.
- Найден новый для физики ультразвука материал - светоотверждаемый полимер,
акустический импеданс которого близок к теоретически оптимальному значению для
согласования феррита с водой. Это позволило реализовать акустическое согласование
твердых и жидких сред без использования каких-либо склеек для фиксации
четвертьволнового слоя из этого материала и экспериментально подтвердить его
высокую эффективность.
Таким образом, на основе запорогового параметрического ОВФ ультразвука можно создавать новые образцы ультразвуковой техники и технологии, что существенно расширяет возможности и области применения ультразвука и позволяет решать задачи, недоступные для традиционных методов и подходов.
Защищаемые положения:
-
Поликристаллические ферриты специального состава и оригинальный усилитель мощности импульсов накачки таких ферритов обеспечивают в диапазоне 1-10 МГц запороговый режим параметрического ОВФ ультразвуковых пучков с широким пространственным спектром с высоким, более 100 дБ, динамическим диапазоном усиления в реальном времени.
-
Самонаведение ультразвуковых пучков на случайно расположенные стационарные и хаотически движущиеся объекты реализуемо за счет запорогового параметрического ОВФ ультразвука.
-
Ретрофокусировка фазосопряженных ультразвуковых пучков при их нелинейном распространении возможна не только в однородных средах, но и в средах с фазовыми неоднородностями.
-
Запороговое параметрическое ОВФ обеспечивает обращение фронта с усилением для отдельной гармоники нелинейного ультразвукового пучка.
-
Использование самонаведения ультразвуковых пучков с ОВФ на отражающие дефекты позволяет получить существенный выигрыш в скорости их диагностики в стальных трубах с достаточной в условиях производства информативностью.
Апробация результатов. Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих научных форумах:
International Symposium on Nonlinear Acoustics, Novosibirsk, 1987; 2-nd Europeen Conference on Quantum Electronics, Dresden 1989; 1-er Congres Francais d'Acoustique, Lyon, France, 1990; 15-ая Всесоюзная конференция "Акустоэлектроника и физическая акустика твердого тела", Ленинград, 1991; 2-nd France Conference on Acoustics, Arcachon, France, 1992; Memorial R. Khohlov's Conference "Nonlinear waves in non-homogeneous media", Moscow, MSU, 1996; World Congress on Ultrasonics, Yokohama 1997, Japan; Joint meeting of the Acoustical Society of America and the European Acoustics Association, Berlin, Germany, 1999; Third International Conference On Optical Signal and Data Processing, Moscow, 1999; "Nonlinear Acoustics at the Turn of the Millennium: ISNA 15", Goettigen, Germany, 1999; 17th International Congress on Acoustics - ICA17, Rome, Italy, 2001; Ultrasonics International, Delft, Netherlands, 2001; Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодая наука - XXI веку", Иваново, 2001; ВКНСФ-7, Санкт-Петербург, 2001; 142nd Meeting: The Acoustical Society of America; 16th International Symposium on Nonlinear Acoustics, Moscow, MSU, 2002; международная научно-техническая конференция «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию» Москва, МИРЭА, 2002; 6th Frenche Conference on Acoustics, Lille, France, 2002; Конференция "Ломоносов 2003", Москва, МГУ, 2003; ХІІІ-ая сессия РАО, Москва, 2003; 146th Meeting: The Acoustical Society of America; 2nd International conference "Frontiers of nonlinear physics", Nigny Novgorod -
St.-Petersburg, Russia, 2004; Joint workshop of RAS and SFA: "High intensity acoustic waves in modern technological and medical applications", Moscow, 2005; 8th French Acoustic Conference, Tours, France, 2006; International conference "Functional Materials -ICFM", Partenit, Crimea, Ukraine, 2007.
Кроме того, материалы диссертации неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах НЦВИ ИОФ РАН, ИОФ РАН, ФИАН, кафедры акустики физического факультета МГУ, Акустического института, Института электроники, микроэлектроники и нанотехнологий (IEMN, Лилль, Франция), МИРЭА, Лаборатории акустики Университета дю Мэн (LAUM, Ле Ман, Франция), Совете Директоров совместной Европейской ассоциированной лаборатории нелинейной магнитоакустики (LEMAC), сессиях Американского Акустического Общества.
Результаты, вошедшие в диссертацию, были также отмечены присуждением автору премии Ленинского комсомола (1987 г.), премии Института общей физики РАН за лучшую экспериментальную установку (1988 г.), премии Института общей физики РАН для молодых ученых (1989 г.), премии издательства МАИК за лучшую публикацию года в Акустическом журнале (2000 г.), премии РАН по радиофизике им. Л.И. Мандельштама (2006 г.).
Выполнение работ по тематике диссертации было поддержано РФФИ (с 1993 г. по настоящее время), Международным научным фондом - International Science Foundation (ISF) (1994-1995 г.г.), Американским фондом гражданских исследований -US Civilian Research and Development Foundation (CRDF) (1996-1997 г.г. и 2003-2004 г.г.), Национальным центром научных исследований (Франция) - Centre National de la Recherhe Scientifique (CNRS) (c 1998 г. по настоящее время, а с 2004 г. в рамках LEMAC), посольством Франции в Москве (2006, 2007 г.г.), фондом поддержки ведущих научных школ Президента РФ (с 2004 г. по н/вр.).
Публикации. Результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в одном Авторском Свидетельстве СССР и 33 статьях, 27 из которых входят в список ВАК, в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах, таких как Успехи физических наук, Акустический журнал, Известия РАН, серия физическая, Письма в ЖЭТФ, Письма в ЖТФ, Труды ФИАН, Physics Letters, The Journal of the Acoustical Society of America, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Ultrasonics и других. Кроме того, по материалам диссертационной работы имеется более 30 публикаций и тезисов докладов в трудах всесоюзных, российских и международных конференций.
Личный вклад автора. Все оригинальные результаты, включенные в диссертацию, получены лично автором или при его непосредственном участии. Автор производил выбор направлений исследований, определял цели и методы работы, осуществлял
постановку задач, выполнение работ, обработку, анализ результатов и их подготовку к публикациям.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 287 страницах и содержит 131 рисунок. Список литературы включает 201 наименование.
