Измерение полей ультразвуковых медицинских преобразователей методами акустической голографии и оптической визуализации, страница 3

Обычно измеряется амплитуда и фаза акустической волны. Однако, еслиисточник имеет импульсный характер, частотный спектр сигналов широк и понятие фазынекорректно. В этом случае измеряется вся форма колебания в каждой точке.Периодичностьпроцессаизлученияакустическихимпульсовдаетвозможностьсинтезировать поверхность измерений, перемещая при помощи системы позиционированиягидрофон последовательно в узлы сетки измерений и производя измерения в каждой точке.Из-за обратимости волнового уравнения во времени поверхность измерений можномысленно заменить обращающим время зеркалом. Тогда отраженная от поверхностиизмерений волна будет распространяться назад и, дойдя до источника, восстановит своиисходные характеристики.

Процесс отражения от обращающего время зеркала ираспространения волны назад являетсявиртуальными (численными).Показано,что временная зависимость нормальной компоненты ускорения в каждой точке поверхности10источника может быть восстановлена, если известна форма акустической волны во всехточках поверхности измерений.Далее выделены требования, предъявляемые при практической реализации метода НАГк экспериментальным измерительным средствам.В параграфе 1.2 рассмотрено экспериментальное применение метода НАГ длявосстановленияколебательнойскоростинаповерхностиисточниковсразличнойконфигурацией. В пункте 1.2.1 описана экспериментальная установка, на которойреализуется метод НАГ.

Далее подробно описаны основные компоненты установки и иххарактеристики, а также типы и параметры исследованных преобразователей.В пункте 1.2.2 обсуждается предварительное численное моделирования для оценкипараметров эксперимента. При подготовке к эксперименту необходимо предварительнооценить некоторые параметры, такие как, – размер области и пространственный шаг междуточкамиизмерения.Описаныдифракционныесоображения,изкоторыхследуютоптимальное расстояние от излучателя до сетки измерений и размер сетки измерений взависимости от длины волны излучения в воде и требуемого пространственного разрешенияпривосстановленииколебательнойскорости.Далееопределеносоотношение,характеризующее зависимость пространственного шага сетки от длины волны излучения вслучае максимального отдаления «двойника» восстановления (максимума первого порядкадифракционнойрешетки,подкоторойпонимается сетка измерений) от искомогораспределенияколебательнойскорости(максимума нулевого порядка).Рассмотрено численное моделирование,необходимоедляуточненияизмерений.ЧисленнаяпрямойобращенныйисхемапараметровиспользуетинтегралРелея.Задается конфигурация источника и скоростьна его поверхности, рассчитывается поле наплоскости измерения в дискретных точках,Рис.

1Пространственноераспределениеколебательнойскоростинаповерхностиизлучателя. Цифрами 1, 2, 3, 4 обозначены областинеоднородностиколебательнойскорости,связанные с дефектами пьезокерамики. Видныкольцевые неоднородности, соответствующиедвум модам Лэмба.затемрешаетсяобратнаязадачаповосстановлению распределения скорости наисточнике.Присравнениирезультатавосстановления с первоначально заданным11распределением оценивается правильность выбранных параметров эксперимента.В пункте 1.2.3 приведено описание эксперимента и экспериментальные результаты.Предварительно методика НАГ была отработана на более простом излучателе по сравнениюс многоэлементными медицинскими датчиками.

Для этого был выбран плоский круглыйпреобразователь диаметром 100 мм и резонансной частотой 1,12 МГц. Измеренияпроводились в импульсном режиме. В результате восстановления были полученыизображения, иллюстрирующие пространственное распределение колебательной скорости наповерхности излучателя и динамику изменения структуры колебаний. Наблюдалосьпоявление кольцевых структур, вызванное генерацией волн Лэмба на поверхностиизлучателя.На рис. 1 изображено пространственное распределение максимума колебательнойскорости на поверхности излучателя представляющее собой усредненное во временипоршневое колебание, промодулированное кольцевыми неоднородностями.

Кольцевыенеоднородности имеют разный масштаб и соответствуют различным модам Лэмба. Такимобразом, в результате проведенных измерений получено четкое восстановление колебанийповерхности излучателя во времени с учетом тонкой структуры, связанной с различныминеоднородностями колебательной скорости.Далееописанэкспериментповосстановлениюколебанийнаповерхностимногоэлементной диагностической решетки. Поверхность представляла собой дугуцилиндрического сектора радиусом кривизны 60 мм с размещенными на ней 96излучающими элементами с размерами 12х0,44 мм.

В эксперименте излучающаябаРис. 2 Восстановленные распределения колебательной скорости на поверхности многоэлементногодиагностического датчика в импульсном режиме. Случаи а-б соответствуют различным моментамвремени после начала излучения. Эллипсы соответствуют различной фокусировке вперпендикулярных плоскостях.12поверхность была ограничена 19 элементами. На излучающие элементы подавалисьвозбуждающие сигналы с диаграммо-формирующего устройства диагностического сканера,имеющие вид радиоимпульса длительностью 1-2 цикла основной частоты 3,5 МГц. Нарис.

2а,бпредставленыраспределенияколебательнойскоростинаповерхностимногоэлементного преобразователя в различные моменты времени после начала излучения.Результаты восстановления показывают, что дискретная структура антенной решеткивосстанавливается, количество элементов совпадает с заданным, размеры элементов ирасстояния между ними также соответствуют значениям, известным по информации отпроизводителя.

Эллипсы на восстановленной поверхности свидетельствуют о фокусировкеизлучаемого акустического поля в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Попараметрам данных эллипсов были рассчитаны положения фокусов.Метод НАГ обладает высокой разрешающей способностью, позволяя при выбранныхпараметрах сетки измерений разрешать даже промежутки между элементами, ширинакоторых приблизительно в 2 раза меньше длины волны излучения на основной частоте вводе. Показано, что метод НАГ позволяет обнаружить и исследовать тонкие особенности впространственновременнойструктуреколебанийповерхностиакустическихпреобразователей, используемых в медицинской диагностике.В параграфе 1.3 приведены выводы к первой главе.Во второй главе рассмотрена шлирен-визуализация акустических полей, излучаемыхпьезокерамическими источниками мегагерцового диапазона.В параграфе 2.1 приведена схема экспериментальной шлирен-установки, подробноописаны основные ее компоненты.

Эксперименты по шлирен-визуализации акустическихполей проводились для различных ультразвуковых источников. Использовались как простыеодноэлементные преобразователи, так и многоэлементные диагностические датчики. Далееописаны типы и характеристики используемых преобразователей.В параграфе 2.2 приведены экспериментальные результаты шлирен-визуализацииультразвуковых полей.

В пункте 2.2.1 описаны результаты исследования акустического поляплоского одноэлементного преобразователя. Целью эксперимента являлось выявлениедополнительных акустических возмущений, излучаемых непоршневыми упругими модамипьезопластины. Результатом эксперимента являлись теневые изображения, полученные вразличные моменты времени после начала излучения.Акустическое поле представлено в виде периодических неоднородностей, расстояниемежду которыми совпадает с длиной волны на основной частоте излучателя в воде.

Заметно13присутствие неоднородностей, являющихся результатом интерференции краевых волн иизлучения поршневой моды. Были выявлены неоднородности, соответствующие излучениюповерхностных мод Лэмба. По углу наклона фронтов неоднородности к оси преобразователябыла рассчитана скорость поверхностной волны.В пункте 2.2.2 описаны результаты исследования акустического поля сферическивогнутого одноэлементного преобразователя. Полученные изображения позволяют выделитьизлучение поршневой моды колебаний преобразователя, при этом периодические линии,соответствующие волновым фронтам, имеют криволинейный характер, что отражаетфокусированность излучения. Также удается обнаружить область фокуса, неоднородности,являющиеся результатом интерференции краевых волн и излучения поршневой моды,неоднородности, соответствующие излучению поверхностных мод Лэмба.

По полученнымданным рассчитаны скорости поверхностных волн, выяснено, что скорости этих волн начастоте1МГцдляданноготипакерамикисоответствуютфазовымскоростямасимметричных мод Лэмба а1 и а0.В пункте 2.2.3 проводится исследование волн Лэмба, возникающих при возбуждениивогнутого одноэлементного преобразователя. Важность исследования связана с тем, чтомоды Лэмба являются паразитными и вносят значительные искажения в предполагаемоеакустическое поле преобразователя, что может негативно сказаться на результатахдиагностики и, что очень важно, терапии.

Целью исследования являлась зависимостьфазовой скорости различных мод волн Лэмба от частоты возбуждения пьезопластины.Cферически вогнутый одноэлементный преобразователь с радиусом кривизны поверхности92,1 мм возбуждался в квазинепрерывном режиме. Данный режим был выбран для того,чтобы колебания пьезопластины представляли собой только вынужденные колебания счастотой, заданной генератором, и чтобы возможно было наблюдать значительную частьсоздаваемого поля. Возбуждаемая в пластине волна Лэмба распространяется вдольповерхности преобразователя с постоянной скоростью, излучая в жидкость волну, причемугол между фронтом излученной волны и касательной к поверхности в каждой точкеявляется постоянным.

Вследствие этого в среде появляются каустики, каждая из которыхсоответствует излучению определенной моды Лэмба. Структура каустики имеет простойгеометрический вид: это дуга окружности радиуса Fc0, центр которой совпадает с фокусомcизлучателя. Здесь c0 - скорость звука в жидкости, c - фазовая скорость волны Лэмба, F радиус кривизны поверхности излучателя. Указанное свойство позволяет использоватьположение каустики для измерения скорости соответствующей волны Лэмба.14По полученным в ходе эксперимента изображениям были проведены расчеты,результаты которых приведены на рис. 3.

На данном рисунке изображены дисперсионныекривые для шести различных мод Лэмба, рассчитанные теоретически по формулам РэлеяЛэмба, и построенные по полученным изображениям экспериментальные точки. При расчётетеоретическихкривыхиспользовалосьзначениескоростейct = 1,94 мм/мксиcl = 4,64 мм/мкс, найденные из измеренных частот отсечки моды a1 (0,45 МГц) и частотытолщинного резонанса (1,08 МГц), соответственно, с учётом известной толщины пластины(2,15 мм). Экспериментальная погрешность, показанная на рис. 3, соответствует характернойширине тени каустики в самой тонкой её части. Как видно, точность измеренных значенийскоростей в среднем высока, поэтому хорошее совпадение с теорией характеризует шлиренметод как весьма точный и эффективный применительно к данной задаче.Подобные исследования могут быть проведены для преобразователей различнойконфигурации и размеров.