Мощные ультразвуковые пучки - диагностика источников, самовоздействие ударных волн и воздействие на среду при литотрипсии

На правах рукописиСапожников Олег АнатольевичМОЩНЫЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ПУЧКИ: ДИАГНОСТИКАИСТОЧНИКОВ, САМОВОЗДЕЙСТВИЕ УДАРНЫХ ВОЛН ИВОЗДЕЙСТВИЕ НА СРЕДУ ПРИ ЛИТОТРИПСИИСпециальность 01.04.06 – акустикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степени докторафизико-математических наукМосква, 2008 годРабота выполнена на физическом факультете Московского государственногоуниверситета имени М.В. ЛомоносоваОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессор,академик РАНВиктор Анатольевич АкуличевТихоокеанский океанологический институтимени В.И.

Ильичёва ДВО РАНдоктор физико-математических наук, профессорВиктор Александрович АлешкевичФизический факультетМГУ имени М.В. Ломоносовадоктор технических наукЛеонид Рафаилович ГавриловАкустический институт имени Н.Н. АндрееваВедущая организация:Институт общей физикиимени А.М. Прохорова РАН6ноябряЗащита состоится «_____»___________2008 г. в 16 часов на заседанииДиссертационного совета Д 501.001.67 в Московском государственномуниверситете имени М.В.

Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, ГСП-2,Ленинские горы, д. 1, стр. 2, физический факультет, ауд. им. Р.В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, ГСП-2, Ленинскиегоры, д. 1, стр. 2.22сентября 2008 г.Автореферат разослан «_____»___________Учёный секретарьДиссертационного совета Д 501.001.67кандидат физико-математических наук,доцентА.Ф.

КоролевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫВ настоящей диссертационной работе представлены результаты исследований,выполненных автором на кафедре акустики физического факультета МГУим. М.В. Ломоносова в период 1988 − 2008 г.г. В диссертации проведены комплексныетеоретические и экспериментальные исследования явлений дифракции, воздействия на средуи самовоздействия при излучении и распространении акустических волн. Особое вниманиеуделено ультразвуку мегагерцового диапазона, активно используемому в современныхмедицинских приложениях и неразрушающем контроле.Актуальность темыВолны любой природы создаются источниками конечных размеров.

Среди них важныйкласс составляют источники направленного излучения, распространяющегося почти безослабления на большие расстояния.Образующееся в результате волновое поле,ограниченное в пространстве в поперечном направлении и более протяжённое в направлениираспространения волны, принято называть волновым пучком. Для создания пучка источникдолжен иметь большой волновой размер, т.е.

его диаметр должен намного превышать длинуволны. Кроме того, заданное на нём поле должно быть когерентным. Поэтому источникиволновых пучков обычно имеют искусственную природу. Оптические пучки когерентногоизлучения стали предметом исследования и широкого применения с изобретением лазеров.Практическое использование ультразвуковых пучков началось несколько раньше,с появлением пьезоэлектрических излучателей. Хотя с тех пор прошло более полувека,свойства ультразвуковых пучков всё ещё изучены недостаточно. Одной из причин этогоявляется то, что лишь недавно появились высокоточные экспериментальные средства дляизучения пучков.

В частности, ранее отсутствовала техника, которая позволила быосуществить прецизионную количественную проверку используемых в теориипредположений об ультразвуковых источниках: не были разработаны средства измеренияпространственной структуры полей (миниатюрные широкополосные датчики, системыпозиционирования с компьютерным контролем, лазерные виброметры), не хваталовычислительных мощностей для сбора и обработки соответствующих данных измерений.Другая причина появление новых типов ультразвуковых источников и использование напрактике новых режимов излучения, включая широкополосные и нелинейные, чтообусловлено бурным внедрением акустических пучков в медицинскую практику.Отдельного анализа заслуживают те современные приложения, в которых используетсяультразвук высокой интенсивности. Аналогично тому, как изобретение лазеров в 1960-х г.г.привело к рождению нелинейной оптики, появление примерно в это же время мощныхпьезоэлектрических излучателей дало толчок развитию нелинейной акустики, до этогобывшей скорее теоретической дисциплиной.

В отличие от нелинейной оптики, исследованияпо нелинейной акустике довольно долго носили академический характер. До 1980 г.единственным вошедшим в практику прибором, основанным на нелинейно-акустическихэффектах, была «параметрическая антенна» для гидроакустической локации устройство,1которое позволяет создавать направленное излучение низкочастотных акустическихсигналов за счёт взаимодействия интенсивных волн высокой частоты.В 1980-х г.г. произошёл ещё один качественный скачок в развитии нелинейнойакустики мощный ультразвук стал использоваться в медицинских приложениях. На взглядавтора, среди этих приложений больше всего нового в физику нелинейных волн внеслаэкстракорпоральная литотрипсия. Соответствующие устройства литотриптеры создаютфокусированные пучки микросекундных акустических импульсов с пиковым давлением вфокусе, превышающим 100 МПа.

Эта величина всего лишь на порядок меньше внутреннегодавления в жидкостях. Важно, что такие интенсивные импульсы создаются не на каких-тоуникальных установках, имеющихся в распоряжении единичных лабораторий с высокимбюджетом, а с помощью коммерческих приборов, выпускающихся огромными тиражами.В настоящее время каждая крупная урологическая клиника имеет на своём вооружениилитотриптеры.

Чем ультразвуковые пучки литотриптеров интересны для физиков? Преждевсего, высоким уровнем акустического давления, который намного превосходит уровеньдавления в ультразвуковых полях, использовавшихся в предыдущие годы. Сразу послепоявления литотриптеров был обнаружен ряд нелинейных явлений: ударный характер волн,явление саморефракции, нелинейный сдвиг фокуса, насыщение амплитуды волны в фокусе сростом подаваемой мощности и другие.Стало ясно, что необходимо развиватьтеоретические методы анализа этих новых явлений. Другой уникальной особенностьюлитотрипсии является то обстоятельство, что используемые в ней ультразвуковые импульсыне просто распространяются по среде, а существенным образом воздействуют на неё, вплотьдо разрушения.

В частности, под влиянием фазы разрежения волны литотриптера измикроскопических зародышей образуются газовые пузырьки миллиметровых размеров,которые затем коллапсируют. При таких коллапсах в среде возникают вторичныеакустические импульсы, превышающие по пиковому давлению исходную волну.

Крометого, при падении волны на почечный камень происходит его фрагментация (в чём,собственно, и состоит задача литотрипсии).Эти необычные эффекты, вызванныеимпульсным ультразвуковым пучком, интересны не только как новые волновые явления, нои как факторы, определяющие эффективность лечения. Отметим, что, несмотря намедицинский характер приложений, упомянутые явления имеют отношение к акустике имеханике разрушения, и поэтому являются предметом физического исследования.Во многих практических приложениях ультразвуковых пучков, включая упомянутуювыше литотрипсию, проявляется влияние нелинейного отклика среды на распространениеакустической волны.

Из-за этого волны конечной (большой) амплитуды становятсяударными и их временной профиль приобретает пилообразный вид. Свойства таких волнуникальны и во многом не похожи на свойства хорошо изученных нелинейныхквазигармонических волн в сильно диспергирующих средах. Не только распространениепилообразных волн, но и их воздействие на среду (нагрев среды, генерация течений,кавитация и т.д.) приобретает ряд особенностей по сравнению со случаем волн с гладкимпрофилем.

Один из принципиальных нелинейных эффектов для волн любой природы –самовоздействие, т.е. явление изменения параметров волны (скорости распространения,коэффициента поглощения) с ростом её амплитуды. В случае ударных акустических волн2это, например, тепловое самовоздействие, возникающее за счёт повышенноготепловыделения на ударных участках. Другим примером является самовоздействие за счётгидродинамических потоков, возникающих при поглощении волны. Для одиночныхимпульсов, генерируемых ударноволновыми литотриптерами, возникает явлениебезынерционной саморефракции пучков.Аналогичный эффект наблюдается дляпилообразных волн в кубично-нелинейных средах.

Такое самовоздействие – одна изосновных причин ограничения максимально достижимых интенсивностей при фокусировкемощных импульсных сигналов. Теоретическое исследование этих интересных эффектовсвязано с решением нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных,например уравнения типа Хохлова-Заболотской с различными типами нелинейности среды.Таким образом, актуальность работы определяется рядом обстоятельств. Во-первых,при использовании ультразвуковых пучков для неразрушающего контроля и особенно вновых медицинских приложениях (ультразвуковой диагностике и терапии) чрезвычайноважно уметь точно предсказывать излучаемое акустическое поле. Это, в свою очередь,требует развития методов количественного измерения структуры колебаний поверхностейультразвуковых источников. Во-вторых, в связи с разработкой метода ударноволновойлитотрипсии и некоторых других методов ультразвуковой терапии в широкую практикувошли акустические пучки, пиковое давление в которых настолько велико, что средаразрушается.

Кроме того, при распространении таких мощных волн возникает целый классновых явлений, обусловленных наличием ударных фронтов. Разработка соответствующихтеоретических моделей и проведение экспериментальных исследований указанных эффектов– основа прогресса в этой области.Цели диссертационной работыОсновные цели работы могут быть сформулированы следующим образом:1. Выявление границ применимости интеграла Рэлея для расчёта полей вогнутыхисточников больших волновых размеров.2. Разработка количественных методов для характеризации излучающих свойствультразвуковых источников в жидкостях; в частности, для нахождения распределенияскорости на поверхности пьезоэлектрических преобразователей.3.

Исследование явлений взаимодействия со средой мощных акустических импульсов,применяемых в литотрипсии.4. Исследование нелинейных явлений в пучках пилообразных волн и ударных импульсов, втом числе изучение роли акустической нелинейности в ограничении максимальнодостижимых давлений при фокусировке импульсных пучков.5.