Развитие методов акустической голографии и лазерной виброметрии для исследования колебаний ультразвуковых излучателей в жидкостях

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиУДК 534Морозов Андрей ВикторовичРАЗВИТИЕ МЕТОДОВАКУСТИЧЕСКОЙ ГОЛОГРАФИИ И ЛАЗЕРНОЙВИБРОМЕТРИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙУЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ В ЖИДКОСТЯХСпециальность 01.04.06 – акустикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2006Работа выполнена на кафедре акустики физического факультета Московскогогосударственного университета им.

М.В. Ломоносова (МГУ).Научный руководитель:кандидат физико-математических наукСапожников О.А.Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессоркандидат физико-математических наукКарабутов А.А.Фокин А.В.Ведущая организация:Научный Центр Волновых Исследований при Институте Общей Физики РАН(НЦВИ ИОФАН)Защита диссертации состоится « 14 » декабря 2006 года в 16 часов на заседанииДиссертационного Совета Д.501.001.67 в МГУ им. Ломоносова по адресу:119992, г.

Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория ЦФА .С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. Ломоносова (МГУ).Автореферат разослан «____» ноября 2006 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д.501.001.67кандидат физико-математических наук, доцент2Королев А.Ф.Общая характеристика работыАктуальность темыДля создания ультразвука широко применяются пьезоэлектрические излучатели. Ихповерхности колеблются неравномерно, либо из-за структуры самого излучателя (например,многоэлементные излучатели), либо из-за возбуждения волн Лэмба в пьезокерамическойпластине. Знание характера колебаний поверхности важно как само по себе, так и дляточного предсказания излучаемых акустических полей в пространстве.

Однако до сих порнет надежных прямых методов для измерения колебаний поверхности в жидкости.Данная работа посвящена разработке нового метода акустической голографии длявосстановления колебаний источников и предсказания их полей, а также исследованиюприменимости существующего прямого метода лазерной виброметрии в жидкостях.Знание характера колебаний источников важно в следующих областях:• Исследование колебаний различных поверхностей• Исследование поверхностных волн и мод колебаний• Визуализация скрытых повреждений и неоднородностей• Характеризация многоэлементных и других излучателей• Создание излучателей с заранее заданными свойствами• Гидролокация, определение характеристик источника звука• Предсказание излучаемых акустических полей в пространствеПьезоэлектрические излучатели, в зависимости от областей их применения, сильноразличаются по формам, размерам, резонансным частотам и способам изготовления.Простейшие излучатели делаются в форме плоских или вогнутых пьезокерамическихпластин.

Недостатком таких излучателей, как показано в этой работе, является наличиепаразитных волн на их поверхности (волны Лэмба). Они рождаются на краях излучателя исильно искажают основную поршневую моду колебаний. Из-за этих волн колебанияизлучателя становятся неравномерными, что может существенно сказаться на излучаемыхполях. Простое предсказание колебаний поверхности и излучаемых полей становится, такимобразом, невозможным, и для их изучения необходимо применять специальные методы.Пьезокомпозитные излучатели специально разрабатываются для того, чтобыподавить паразитные волны на их поверхности и сделать их колебания более равномерными,более близкими к поршневым.

Такие излучатели состоят из большого количества маленькихэлементов различного размера, колеблющихся в одной фазе. Однако поверхностные волны в3них также существуют и, как показано в этой работе, из-за интерференции волн ототдельных элементов пьезокомпозита могут возникать сложные дополнительные модыколебаний. Таким образом, изучение характера колебаний поверхности пьезокомпозитныхизлучателей также является важным, особенно для производителей таких излучателей.Более сложные источники ультразвука, такие как многоэлементные излучатели ифазированные решетки, изготавливаются для применений в медицине и других областях.Такие излучатели состоят из многих независимых элементов, каждый из которых можетколебаться независимо. Полями таких излучателей можно управлять, подавая на ихэлементы сигналы со специально подобранными амплитудами и фазами.

Как любаяпериодическая решетка из излучающих элементов, такие излучатели часто создают впространстве дополнительные боковые лепестки и паразитные максимумы со значительнойамплитудой. Это может быть очень опасно в медицинских применениях, так как можетвызвать нежелательный перегрев и повреждение живой ткани. Колебания многоэлементныхизлучателей и их поля крайне сложны и нуждаются в тщательном изучении перед ихпрактическим использованием.Знание излучаемых полей в пространстве важно в следующих областях:• Медицинская диагностика, ультразвуковая хирургия и терапия• Дефектоскопия и неразрушающий контроль• Ультразвуковая микроскопия• ГидролокацияЗнание создаваемых излучателями акустических полей может сильно повыситьточность и пространственное разрешение в медицинской диагностике, микроскопии идругих областях, которые используют ультразвук для получения информации о среде.

Вобластях, которые используют ультразвук высокой интенсивности, особенно связанных создоровьем человека, как например ультразвуковая хирургия и терапия, необходимо точнознать интенсивность и дозу ультразвука, а также размеры фокальной перетяжки. Знаниепространственного распределения ультразвукового поля очень важно также для того, чтобыопределять наличие и избегать появления в излучаемом поле дополнительных боковыхлепестков, которые могут вызвать непредвиденный перегрев и повреждение здоровыхтканей. Такие боковые лепестки часто появляются в полях, создаваемых медицинскимимногоэлементными излучателями и фазированными решетками, и они также могутприсутствовать в полях обычных пьезокерамических излучателей.

Любая ошибка или4неточность в медицине связана с риском для здоровья пациента. Вот почему крайне важноразвитие методов для точного предсказания ультразвуковых полей.Существуютразличныеметодыисследованияколебанийповерхностейипредсказания их полей. Прямой метод лазерной виброметрии обладает высокимпространственным и временным разрешением при измерениях смещения и колебательнойскорости поверхности в газах. Однако при измерениях в жидкостях сильное влияние напоказания лазерного виброметра оказывает акустооптическое взаимодействие, связанное сзависимостью показателя преломления от плотности (давления).

Колебания поверхностиисследуемого источника создают в жидкости акустические волны, которые из-за эффектаакустооптического взаимодействия приводят к изменениям показателя преломления. Лучлазера, проходя через среду с переменным показателем преломления, приобретаетдополнительный набег фаз, по величине сравнимый со сдвигом фаз, вызванным смещениемисследуемой поверхности. Эта добавка может быть учтена и скорректирована лишь впростейших случаях.

В данной работе подробно исследован характер искажений, вносимыхакустооптическим взаимодействием, и доказано, что лазерный виброметр неприменим дляизмерений в жидкостях, за исключением отдельных случаев.Существуюттакженепрямые(косвенные)методыисследованияколебанийповерхностей. Колебания излучателя обычно рассчитываются на основе распределениядавления, измеренного напротив изучаемой поверхности.

Такой способ расчета имеет общееназвание – акустическая голография. Конкретные алгоритмы расчета колебаний излучателяна основе измеренного перед ним поля могут быть разными. Наиболее распространен методуглового спектра. Существуют также метод эквивалентной фазированной решетки, методсуперпозиции гауссовых пучков и другие техники. В данной работе описан созданный намиметод обратного распространения (Back Propagation Method, BPM), основанный наинтеграле Рэлея.

Этот метод обладает рядом преимуществ перед другими техниками,главное из которых – возможность работы с источниками и поверхностями измеренийпроизвольной формы.Цели работы• Разработка нового метода акустической голографии для восстановления колебанийисточников и предсказания их полей. Применение метода на практике и демонстрация еговысокой точности и пространственного разрешения.5• Демонстрация возможности применения метода для исследования колебаний различныхповерхностей, визуализации скрытых повреждений, характеризации многоэлементныхизлучателей и предсказания их полей.• Выявление закономерностей влияния акустооптического взаимодействия на показаниялазерного виброметра.

Экспериментальное, теоретическое и численное обоснование того,что лазерный виброметр неприменим для исследования колебаний излучателей вжидкостях, за исключением отдельных выявленных случаев.• Сравнение методов акустической голографии и лазерной виброметрии при измеренияхколебаний реальных излучателей в различных режимах и средах.• Демонстрация наличия сильных паразитных волн на поверхности излучателей.Экспериментальные доказательства неприменимости поршневой модели для предсказанияполей реальных излучателей.• Исследование колебаний и полей пьезокерамических и пьезокомпозитных излучателейразличных форм и частот в различных средах.

Исследование процессов генерации иэволюции волн Лэмба на поверхности излучателей в разных режимах.Научная новизна и практическая ценность работы• Разработан новый метод акустической голографии для восстановления колебанийисточников и предсказания их полей – Метод Обратного Распространения (BackPropagation Method, BPM), основанный на интеграле Рэлея. Его преимущества переддругими методами – возможность работы с поверхностями и излучателями произвольнойформы, высокая точность и скорость расчетов, характеризация колебаний с точки зренияизлучательной способности, применимость во многих областях (в акустике, медицине,аэроакустике, гидролокации, радиолокации), относительная простота и дешевизна.• Метод впервые применен для исследования колебаний поверхностей, визуализациискрытых повреждений, характеризации многоэлементных излучателей и для предсказанияакустических полей.

Доказана его высокая точность и пространственное разрешение.Произведено сравнение методов акустической голографии и лазерной виброметрии.• Впервые представлены комплексные (экспериментальные, теоретические и численные)доказательства неприменимости лазерного виброметра для исследования колебанийизлучателей в жидкостях, за исключением отдельных выявленных случаев.6• Впервые комплексно (экспериментально, численно и теоретически) исследован точныйхарактер искажений, обусловленных акустооптическим взаимодействием, при измеренияхлазерным виброметром в жидкостях в различных режимах.• Экспериментально исследованы процессы генерации и эволюции волн Лэмба наповерхностях разных типов излучателей в различных режимах.