Генерация и распространение сдвиговых волн в резиноподобных средах с неоднородностями сдвигового модуля (1102722), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Скорость сдвиговых волн определялась порезультатам измерения времени прихода максимума сдвигового импульса наразличных расстояниях. В § 2.5 приведены экспериментальные результаты. Нарис. 3 показаны измеренные зависимости времени задержки максимумасдвиговой волны по мере удаления от области возбуждения, полученные внеоднородных образцах. По оси абсцисс на приведенных графиках отложенорасстояние,соответствующееперемещениюпьезопреобразователя,возбуждающего сдвиговую волну, При этом нуль на оси абсцисс соответствуетположению преобразователя, когда его фокус находится в точке положениянепрозрачной частицы, играющей роль оптического затвора. По мере удаленияфокуса преобразователя от непрозрачной частицы происходит увеличениезадержки прихода сдвиговой волны, возбуждаемой в фокальной областипьезопреобразователя.
На рис. 3а приведены результаты для двухслойногообразца. Положение границы между слоями, определенное визуально, отмечено10координата точки пересечения двухпрямых, показанных на рисунке. Сточностью до 0.3 мм вычисленноеположение границы соответствоваловизуально определенному значению.Аналогичныерезультатыбылиполучены в образце со вставкой в формеслоя толщиной 5 мм (рис. 3б). Границывставки, более мягкой по сравнению стелом образца, показаны стрелками.Толщина вставки, определенная изграфикапокоординатамточекпересечениясоответствующихаппроксимирующих прямых (4.6 мм)оказалась на 0.4 мм меньше, чем размервставки,полученныйизнепосредственных измерений.
Значениямодуля сдвига в теле образца,вычисленныепонаклону11время задержки, мс4а)32100246перемещение излучателя, ммвремя задержки, мс6б)42026101418перемещение излучателя, ммвремя задержки, мсстрелкой. В обоих слоях задержкаприхода сдвиговой волны растетлинейно с расстоянием от областивозбуждения,нонаклонэтойзависимостиразный.Скоростьсдвиговой волны определялась понаклону прямых, проведенных пометодунаименьшихквадратоввобластях, соответствующих каждомуслою. Модуль сдвига вычислялся понайденным значениям скорости волны, иэтирезультатыпредставленывтаблице 1, в колонке, соответствующейдинамическимизмерениям.Длясравнения также приведены значениясдвигового модуля, определенные изстатических измерений. Положениеграницы двух слоев определялось какв)3210-50510перемещение излучателя, ммРис. 3. Зависимость времени задержкиприхода сдвиговой волны от перемещенияУЗпреобразователя.Результаты,полученные в двухслойном образце (а), вобразцах со вставками в виде плоскогослоя (б) и цилиндра (в).
Нуль на осиабсцисссоответствуетположениюнепрозрачной частицы. Точками показанырезультатыизмерений,отрезкамсоответствуютаппроксимациирезультатовпрямымилиниями.Стрелками показаны границы слоев,определенныенепосредственнымиизмерениями. Окружность соответствуетположению цилиндрической вставки.Таблица 1. Результаты измерения сдвигового модуля в неоднородных образцах.μ, динамическиеμ, статическиеосн. часть (до вставки)измерения, кПа22 ± 2измерения, кПа18 ± 2вставкаосн. часть (после вставки)мягкий слойжесткий слойосн.
часть (до вставки)вставкаосн. часть (после вставки)2.6 ± 0.524 ± 21.0 ± 0.218.5 ± 1.324 ± 27.3 ± 0.528 ± 21.0 ± 0.0718 ± 21.0 ± 0.0718 ± 1.525 ± 26.0 ± 0.425 ± 2Тип образцасо вставкой вформе слоядвухслойныйсо вставкой вформецилиндрааппроксимирующих прямых в области до вставки (22 кПа) и за ней (24 кПа)немного отличаются друг от друга, но эти отличия находятся в пределахпогрешности измерений. На рис.
3в, где приведены результаты измерений вобразце со вставкой в виде цилиндра, положение вставки условно показаноокружностью диаметром 5 мм. Модуль сдвига в материале вставки (7.3 кПа),вычисленный по скорости сдвиговой волны оказался, как и в случае со вставкойв виде слоя, выше значения, определенного из статических измерений.Положение и диаметр цилиндра с точностью до 0.3 мм находились всоответствии с результатами непосредственных измерений. Значениясдвигового модуля, определенные динамическим и статическим методами вобъеме неоднородных образцов оказались довольно близки.В третьей главе приведено описание методики измерения модуля сдвигав однородных фантомах биологической ткани с помощью фокусированныхультразвуковых пучков и стандартной аппаратуры ультразвуковой терапии ивизуализации.
В § 3.1 описывается экспериментальная установка длябесконтактной регистрации волн сдвига с помощью сфокусированныхакустических пучков. Эксперименты по измерению пространственногораспределения сдвигового модуля в резиноподобных материалах былипроведены в оптически прозрачных средах, с использованием оптическойрегистрации сдвиговых волн. Однако оптическая регистрация не может бытьиспользована в непрозрачных средах, к которым относится подавляющеебольшинство, как резиноподобных материалов, так и мягких биологическихтканей.
Поэтому с практической точки зрения было важно показать, что внепрозрачных средах можно использовать ультразвуковые методыдетектирования сдвиговых волн, и, следовательно, методика, предложенная вглаве 2, может быть использована на практике. Схема экспериментальной12установки приведена на рис. 4.7Генерациясдвиговойволны4осуществляласьспомощью6фокусированного пьезопреобразователя5(1), резонансная частота которого9составляла 3.109 МГц.
Преобразователь312имел радиус кривизны 70 мм и диаметр65 мм.Пьезопреобразователь(1)8возбуждалсяэлектрическимиимпульсами длительностью 150 мксек.,Рис. 4. Блок – схема экспериментальнойподаваемыми с выхода ультразвукового установки.1,2–фокусированныегенератора-усилителя (4). В фокальной преобразователи, 3 - образец из желатина, собласти акустического преобразователя внедренной отражающей частицей, 4 генератор-усилитель,5-источник(1) помещался образец (3).
В качестве временных сдвигов, 6 - генератор, 7 8 - гидробассейнсобразца использовался желатиновый осциллограф,дегазированнойводой,9координатноекубикобъемом4х4х4 см3, устройство.изготовленный из 5% - го растворажелатина. В срединном сечении этого кубика была вморожена пенопластоваячастичка с поперечным сечением 1х1 мм2. Для регистрации сдвиговогоимпульса использовался зондирующий фокусированный пьезопреобразователь(2), идентичный преобразователю (1).
В его фокусе помещалась пенопластоваячастица; отраженный от нее ультразвуковой импульс принималсязондирующим пьезопреобразователем. Пьезопреобразователи и образецпогружались в гидробассейн (8) размером 15х20х60 см3 и наполненный водой.Оба пьезопреобразователя закреплялись на координатных устройствах (9) имогли плавно перемещаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях.Импульсы длительностью 10 микросекунд с выхода генератора типа НР 33120А(6) использовались для возбуждения зондирующего пьезопреобразователя.Импульсы генератора (6) были синхронизованы с импульсами генератора (1), изадержаны относительно них на строго определенное время с помощьюисточника временных сдвигов типа И1-8 (5).
Импульс, отраженный отпенопластовой частицы регистрировался с помощью осциллографа типаTektronix TDS 520A (7). Синхронизация осциллографа также осуществляласьимпульсами генератора (1). Перед началом работы проводилась настройкасистемы. Для этого возбуждающий и зондирующий преобразователирасполагались с противоположных сторон и фокусировались на отражающуючастичку внутри образца. После этого зондирующий преобразователь больше13не перемещался. Преобразователь,возбуждающий сдвиговую волну,смещался вверх или вниз от частички сшагом 0.5 мм.
Диаграмма импульсов,поясняющая методику измерений,приведена на рис. 5. Акустическийимпульс(а)фокусировалсявисследуемый образец. В областиперетяжки пучка (r=0) возбуждаласьсдвиговая волна (б), имеющая виддвуполярногоимпульса.Положительное смещение частиц всдвиговойволнесовпадаетснаправлениемраспространенияпадающегоакустическогопучка.tаt1tt2t211’де21вгtr=0бt2’02’t1’Рис. 5. Диаграмма, поясняющая взаимноеположение импульсов, использующихся вэксперименте.Длительность сдвигового импульса определяется временем пробега сдвиговойволны по области перетяжки: τ = a / ct , где а – радиус перетяжки, сt - скоростьраспространения сдвиговой волны.
Отрицательный "хвост" импульсасоответствовал смещению частиц в сторону возбуждающего преобразователя.От области генерации до точки нахождения отражающей частицы сдвиговаяволна доходит за конечный промежуток времени (рис. 5в), при этом ееамплитуда заметно уменьшается. Движение вмороженной легкой частицыотслеживало смещение среды. Смещение частицы в последующие моментывремени отмечено точками на профиле (в). Зондирующие импульсы (г)излучались с задержкой ti, величина, которой могла изменяться в пределахнескольких миллисекунд с дискретностью 1 нс. При этом стабильность временизадержки от импульса к импульсу была не хуже 0.5 нсек., что позволялопроводить усреднение по большому числу импульсов и, тем самым, улучшатьточность измерений фазы волны.
Импульсы, отраженные от частицы (e)принимались зондирующим преобразователем и отображались на экранеосциллографа. Растянутые во времени фрагменты отраженных импульсовпоказаны на рис. 5е. Сначала фиксировалось начальная фаза отраженной волны,соответствующая неподвижной частице (кривая 0). При смещении частицы всторону зондирующего преобразователя соответствующее время задержкиуменьшалось (кривые 1’ и 2’). Изменение фазы отраженной волны было тембольше, чем больше было смещение в сдвиговой волне. Таким образом,изменяя время задержки посылки зондирующего импульса, можно было14прописать временной профиль сдвигового импульса. Такие измерения профиляимпульса были проведены на расстояниях до 2.5 мм от оси возбуждающегопреобразователя с шагом 0.5 мм. По измерению времени прихода максимумасдвигового импульса при различных пройденных расстояниях была определенаскорость сдвиговой волны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
