Генерация и распространение сдвиговых волн в резиноподобных средах с неоднородностями сдвигового модуля (1102722), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Развитие экспериментального метода определения положения иразмеров неоднородностей сдвигового модуля, находящихся в однороднойсреде, по регистрации сдвиговых волн, возбуждаемых фокусированнымультразвуковым пучком.2. Развитие экспериментального метода измерения модуля сдвига врезиноподобной среде с использованием сфокусированных ультразвуковыхпучков, а также стандартной аппаратуры ультразвуковой диагностики итерапии.3. Время задержки сдвигового импульса, распространяющегося черезнеоднородность сдвигового модуля, возникающую вследствие нагрева,определяется пространственным распределением температуры вдоль трассыраспространения импульса.4. Амплитуда и длительность сдвигового импульса, генерируемого вобласти неоднородного распределения модуля сдвига, зависит от значениямодуля. При уменьшении модуля сдвига в области генерации, амплитуда идлительность сдвигового импульса увеличиваются.Апробация работы:Материалы диссертации были доложены автором на 7 Всероссийскихконференциях и школах – семинарах: VI и VIII Всероссийских школах семинарах "Волновые явления в неоднородных средах" (Красновидово, Моск.обл., 1998, 2002 гг.), на X, XI и XIII сессиях Российского Акустического6Общества (Москва, 2000, 2002 и 2003 гг.), на Всероссийской научной школе"Нелинейные волны 2004" (Нижний Новгород 2004 г.), на X Всероссийскойшколе – семинаре "Волны – 2004" (Звенигород Моск.
обл. 2004 г.).Кроме того, результаты были представлены на 2 международныхконференциях: на международном конгрессе "Успехи нелинейной науки"(International conference "Progress in nonlinear science" Nizhniy Novgorod, Russia,2001), на 3 - ем Международном симпозиуме по терапевтическому ультразвуку(3 - rd International Symposium on Therapeutic Ultrasound, France, Lyon, 2003), атакже обсуждались на научном семинаре С.А.Рыбака в АкустическомИнституте им. Н.Н.Андреева, на научном семинаре кафедры акустикифизического факультета МГУ.Публикации:По материалам диссертации имеется 11 публикаций, в том числе 2 статьи в"Вестнике Московского Университета.
Серия Физика. Астрономия.", 1 статья вжурнале "Известия Академии Наук Cерия физическая", 1 статья в"Акустическом журнале", а также 7 статей в трудах научных конференций.Структура и объем диссертации:Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и спискацитируемой литературы из 117 наименований. Общий объем работы составляет115 страниц, включающих 35 рисунков.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность темы диссертации,приводятся основные цели работы и положения, выносимые на защиту, а такжеизлагается краткое содержание диссертации по главам.В главе 1 приведен обзор современных методов измерения локальнойсдвиговой упругости резиноподобных сред.
Особое значение уделено обзоруметодов медицинской диагностики неоднородностей сдвигового модуля вмягких биологических тканях. В § 1.1 приведен обзор упругих свойстврезиноподобных материалов и мягких биологических тканей. В § 1.2излагаются основные методы измерения локальной сдвиговой упругостимягких биологических тканей, а также приводятся основные моделирезиноподобных материалов.Вторая глава посвящена измерению модуля сдвига в резиноподобныхсредах с неоднородным распределением сдвиговой упругости. Приведенытеоретические формулы, описывающие процесс генерации сдвиговых волн спомощью сфокусированного ультразвука, построены профили сдвиговых7импульсов,возбуждаемыевусловияхэксперимента.Описаныиспользовавшиеся образцы и экспериментальная установка.
Приведеныэкспериментальные данные и обсуждение результатов. В § 2.1 кратко изложенатеория генерации сдвиговых волн в поглощающей среде сфокусированнымультразвуковым пучком [O.V.Rudenko et. al., J. Acoust. Soc. Am., v. 99, № 5,pp. 2791 - 2798 (1996); В.Г.Андреев и др., Акуст. журн., т. 45, №2, с. 149 - 155(1997)]. При распространении ультразвуковой волны через поглощающуюсреду импульс волны частично передается среде. В жидкостях и газах в такомслучае возникают течения, а в твердых телах генерируются сдвиговыенапряжения.
Если интенсивность исходной продольной волны имеетимпульсно - периодическую модуляцию по времени, то область возникающихсдвиговых напряжений становится источником сдвиговых волн. Сдвиговаяволна имеет форму однополярного импульса, длительность которогоопределяется временем пробега сдвиговой волны по фокальной перетяжке УЗпучка. Пик импульса распространяется со скоростью сдвиговой волны.Поэтому по измерению времени прихода сдвигового импульса в определеннуюточку можно рассчитать локальную скорость сдвиговой волны, исоответствующий ей сдвиговый модуль.
Максимальное сдвиговое смещение,возникающее на оси УЗ пучка можно оценить с помощью соотношения:umax =αaI 0 t0ρ cl ct(1),где α - коэффициент поглощения, a - поперечный размер перетяжкиакустического пучка, I0 - интенсивность падающей ультразвуковой волны, t0 длительность акустического импульса, ρ - плотность среды, cl и ct - скоростьпродольных и поперечных волн ультразвука соответственно. В § 2.2приводится описание образцов, изготовленных из полимерного материалапластисола, а также методов измерения их акустических и упругих свойств.Измерения коэффициента поглощения ультразвука на частоте 2 и 3 МГц быливыполнены по стандартной УЗ методике по измерению амплитудыакустического импульса после прохождения его через слой исследуемогоматериала известной толщины.
Коэффициент поглощения продольных волн наразличных частотах в области 1-10 МГц измерялся также оптоакустическимметодом. Скорость продольных волн в пластисоле измерялась фазовымметодом. Сдвиговый модуль каждого образца измерялся статическим методомпо вдавливанию в него жесткого шарика. Полученные величиныиспользовались в дальнейшем для сравнения с измерениями сдвигового8модуля, выполненными с использованием сдвиговых волн. Было использованорешение контактной задачи Герца о соприкосновении двух тел. В § 2.3 описанпроцесс изготовления образцов из полимерного материала. Процессизготовления образцов заключается в полимеризации материала в кювете изоргстекла и состоит из нескольких этапов.
Сначала жидкий полимерсмешивается с размягчителем в нужном соотношении, после чего смесьподогревается до определенной температуры. При нагревании жидкая смесьполимеризуется, и расплавленный полимер заливается в форму на нужнуюглубину. После застывания материала на свободную поверхность укладываютсямелкие светонепроницаемые частицы – стальные шарики диаметром 0.5 мм.Эти частицы предназначены для детектирования сдвиговой волны с помощьюоптической схемы регистрации. После этого кювета заполняется полностью.Используя полимеры с различной концентрацией размягчителя, можносоздавать образцы с неоднородностями сдвигового модуля.
Изготовленныеобразцы имели форму кубика со стороной 40 мм (рис. 1а, б) и 65 мм (рис. 1в).Первый образец (рис. 1а) состоял из двух слоев со значениями сдвиговогомодуля 1 и 18.5 кПа. Второй образец (рис. 1б), изготовленный из материала сосдвиговым модулем 18.5 кПа содержал в себе мягкую вставку в форме слоятолщиной 5 мм с модулем сдвига 1 кПа. В третий образец, изготовленный изполимера со сдвиговым модулем 25 кПа,Zа)б) Zбыла внедрена мягкая вставка в формецилиндра диаметром 5 мм и сдвиговым11модулем 6 кПа. Сдвиговые модулиYYматериалов, из которых изготавливались X18.518.518.5Xкубики и вставки, были измереныв) Zстатическим методом.
В § 2.4 изложенаметодикаиэкспериментальная6установкадлягенерациии25детектирования волн сдвига в оптическиYпрозрачных полимерных образцах с X1.Геометрияобразцов,неоднородностями сдвигового модуля. Рис.использованныхвэкспериментах:Блок - схемаэкспериментальной двухслойный (а), со вставками в видеустановки представлена на рис. 2. плоского слоя толщиной 5 мм (б) иСдвиговая волна внутри исследуемого цилиндра диаметром 5 мм (в). Положениенепрозрачной частицы показано чернойобразца возбуждалась сфокусированным точкой. Цифры соответствуют величинампьезопреобразователем (1), который сдвигового модуля в кПа, определеннымиз статических измерений.работал в импульсно – периодическом9режимеиизлучалимпульсыдлительностью 300 мкс с частотойзаполнения3.04 МГц.Пьезопреобразователь имел диаметр865 мм и фокусное расстояние 70 мм.Полнаяакустическаямощностьультразвукового пучка варьироваласьвпределах0.5 ÷ 40 Вт.7Пьезопреобразователь возбуждалсяэлектрическим сигналом, подаваемымс выхода генератора электрических Рис.
2. Блок – схема экспериментальнойустановки.1 - сфокусированныйимпульсов(2).Прозрачность пьезопреобразователь, 2 - генератор, 3 образцов позволяла использовать образец, 4 - гелий-неоновый лазер, 5 6 - осциллограф,7оптическую схему регистрации. На фотодетектор,гидробассейн с дегазированной водой, 8 непрозрачную частицу, находящуюся координатное устройство.внутри образца (3) недалеко отграницы раздела неоднородностей с разными значениями модуля сдвига,фокусировался луч гелий – неонового лазера (4). Фокусировка проводиласьтаким образом, чтобы при смещении частицы происходило изменениесветового потока лазера, интенсивность которого регистрироваласьфотодетектором (5). Чувствительность использованной схемы регистрациисоставляла 120 мВ/мкм. Сдвиговая волна, возбужденная в фокальной областиультразвукового пучка, распространялась в образце и смещала легкую частицуот ее первоначального положения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
