Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМО. Температура и связанные с нею тепловые параметры веществ являются одними из тех фундаментальных физических характеристик материи, знание которых весьма важно в целом ряде областей человеческой деятельности, таких как металлургическая и оптическая промышленности, медицинская диагностика, геофизика, океанология и т.д. Однако, не всегда оказывается возможным непосредственное измерение температуры поверхности объектов, а особенно, температуры внутри объектов, не разрушая их. Поэтому несомненный интерес представляют измерения температуры пассивными неинвазивными методами по собственному тепловому излучению объектов.
Хорошо известны способы определения поверхностной температуры, например, по инфракрасному или видимому излучению (тепловизоры, пирометры), но информации о поверхностной температуре часто бывает недостаточно.
В настоящее время развиваются радиометрические и акустотермометрические методы дистанционного измерения температуры по собственному тепловому электромагнитному или акустическому излучению объектов. Особенностью этих методов является то, что в тех случаях, когда используемое в них излучение слабо поглощается в исследуемых объектах, регистрация интенсивности такого излучения позволяет судить о температуре внутри объектов.
По сравнению с радиометрическим акустотермометрический метод измерения глубинной температуры имеет ряд преимуществ. Затухание акустических колебаний в средах, представляющих практический
4 интерес, меньше, чем у электромагнитных, это приводит к возможности увеличения глубины зондирования (для частот около I МГц больше 10 см). Кроме того, существенно меньшая скорость распространения акустических волн по сравнению с электромагнитными приводит к существенно меньшим длинам волн (на частоте I МГц -1.5 мм), что позволяет обеспечивать лучшее пространственное разрешение.
Однако, чувствительность акустотермометрического метода хуже радиометрического примерно в 30 раз, что вызвано существенно большим (примерно на три порядка) практически достижимым диапазоном принимаемых частот в радиометрическом методе. Оценки чувствительности акустотермометрического метода показывают, что при допустимых для практики временах накопления (около I мин) она находится вблизи предела, приемлемого, например, для целей медицинской диагностики (~0.1), которая является перспективной для использования акустотермометрии.
В первых экспериментах по измерению температуры путем приема тепловых акустических колебаний была реализована чувствительность, хуже предельно достижимой почти на порядок, что серьезно затрудняет применение метода на практике. Это обстоятельство, а также не изученность основных физических аспектов акустотермометрии и определили начальную постановку данной работы.
ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИИ заключалась в изучении возможности достижения параметров акустотермометров, близких к предельным, а также особенностей применения метода акустотермометрии для исследования свойств различных объектов, в том числе и биологических. Для достижения этой цели решались следующие задачи:
I. Экспериментальное исследование возможностей применения
5 акустозлектроншх модуляторов звука для приема теплового акустического излучения.
2. Исследование физических аспектов электрического
согласования пьезспреобразователя с предусилителем и акустического
согласования пьеэопреобразователя со средой.
3. Разработка и создание действующего макета модуляционного
акустотермометра с внсокой временной стабильностью работы,
ориентированного на исследования биологических объектов.
4. Исследование возможностей измерения
температуропроводности, акустического затухания в биообъектах и
параметра, характеризующего мощность тепловых источников внутри
них, по регистрации акустотермометром процесса распространения
тепла при тепловом воздействии на исследуемая объект.
5. Теоретически и экспериментально исследовалась возможность
получения информации томографического типа о пространственном
распределении источников некогерентного излучения, в том числе -
теплового излучения, с помощью корреляционной обработки шумовых
сигналов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем:
1. Исследованы физические ограничения параметров
акустоэлектронных модуляторов звука и акустотермометров на их
основе.
2. Предложен и реализован на экспериментах ряд возможностей
использования акустотермометров для целей материаловедения и
медицинской диагностики.
3. Предложен и реализован экспериментально новый метод
построения изображения тепловых источников томографического типа
при помощи корреляционной обработки тепловых шумов от этих
источников, принимаемых многоэлементным пьеэопреобразователем. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы определяется тем, что: I.. Показана возможность дистанционного измерения температуры
внутри различных объектов, включая биологические, по их
собственному тепловому акустическому излучению.
2. Предложены методы измерений температуропроводности и
акустического затухания в исследуемых объектах и параметр,
характеризующий мощность тепловых источников внутри них.
-
Предложен'новый способ измерения суммарных диссипативных потерь пьезопреобразователя с слоями, обеспечивающими акустическое согласование, на основе анализа зависимости показаний акусготермометра от температуры пьезопреобразователя.
-
Экспериментально показано, что корреляционная обработка шумовых сигналов, принимаемых многозлементными пьезопреобразователями, позволяет получать 3-х мерное пространственное распределение источников некогерентного излучения.
I.Применение переменного во времени акустозлектронного взаимодействия позволяет осуществлять прием тепловых акустических шумов, что дает возможность проводить высокостабильные измерения акустояркостной температуры объектов с приемлемой для ряда практических применений точностью.
2. По акустояркостной температуре исследуемого объекта при
тепловом воздействии на него можно определять акустическое
затухание, температуропроводность и параметр, характеризующий
мощность тепловых источников в этом объекте.
3. Регистрация зависимости показаний акустотермометра от
7 температуры пьеэопреобраэователя с согласующей системой позволяет определять суммарные диссипативные потери в пьезопреобраэователе вместе с согласующей системой.
4. Корреляционная обработка сигналов, принимаемых многоэлементными пьеэопреобразователями, позволяет получать 3-х мерное пространственное распределение (томографического типа) интенсивности источников некогеренгного излучения, в частном случае, температуры.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались на ХХПІ Генеральной ассамблее международного радиосоюэа (Прага, 1990), конференции "Акустозлектронные системы и компонентыи (Санкт-Петербург, 1993), III сессии Российского Акустического Общества (Москва, 1994), научных семинарах ЙРЭ РАН.
ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований, вошедших в диссертационную работу, опубликовано десять работ, список которых приведен в конце автореферата.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 108 страниц, включая 28 рисунков. Список литературы включает 77 наименований.
Похожие диссертации на Экспериментальное исследование возможности дистанционного измерения температуры по тепловым акустическим шумам
