Нелинейные взаимодействия разрывных акустических волн в средах с распределенными в объеме и на границах случайными неоднородностями (1104075), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Развитие метода эквивалентного аксиально симметричного излучателя длявозможности быстрого расчета нелинейных трехмерных полей многоэлементных терапевтических решеток с использованием двумерных моделей на основе уравнений типа ХЗК либо Вестревельта.6Научная новизна1. Показано, что применение теневого метода позволяет с высокой точностьюопределять ширину фронта N -волны только в случае учета дифракционныхэффектов при моделировании распространения света через неоднородностиоптического показателя преломления на фронте для количественной интерпретации теневых картин.2.
Впервые исследовано нелинейное распространение N -волны в лабораторных условиях через слой термической турбулентности с контролируемымипараметрами. На основе полученных экспериментальных данных показано существенное количественное отличие искажений амплитуды и ширины фронтаN -волны при распространении в термической турбулентности и в воздушномтурбулентном потоке.3. Развита численная модель для описания статистических свойств параметров нелинейного импульса за случайным фазовым экраном.
В отличие отпредыдущих моделей, построенных на основе приближения нелинейной геометрической акустики, в разработанном подходе учитываются эффекты дифракции, диссипации и прохождения через каустики, что существенно расширяет область применимости модели.4. Теоретически показано и подтверждено экспериментально, что при использовании физически реализуемого фазового слоя специальной конфигурации,возможно селективное воздействие на качество фокусировки различных гармоник в слабо сфокусированном пучке конечной амплитуды.5. Разработан новый численный алгоритм, впервые позволивший получитьрешение для трехмерного сфокусированного ультразвукового поля в условиях образования ударных фронтов в области фокуса.
С помощью разработанного алгоритма показано, что при уровнях интенсивности, достижимыхв полях современных многоэлементных терапевтических решеток, в фокусеобразуется развитый ударный фронт.6. Продемонстрирована возможность применения модели эквивалентного аксиально симметричного излучателя для упрощенного расчета трехмерныхнелинейных полей терапевтических решеток в области фокуса.7Достоверность представленных в диссертационной работе результатовподтверждается проверочными численными и физическими экспериментами,а также соответствием результатов экспериментов априорной информации,теоретическим расчетам и данным, полученным в работах других авторов.Практическая значимость1. Результаты экспериментальных исследований показывают, что при интерпретации данных измерений N -волн с помощью конденсаторных микрофоновв модельных аэроакустических экспериментах необходимо учитывать эффектсглаживания ударного фронта.2.
Сравнение результатов эксперимента по распространению N -волны в термической турбулентности с известными данными, полученными в воздушномтурбулентном потоке, показывает существенные отличия в искажении статистики N -волны в турбулентных полях с различной формой пространственного спектра.3. Развитая модель и проведенный численный эксперимент по распространению нелинейного импульса за случайным фазовым экраном могут бытьиспользованы для оценки статистических характеристик акустического поляза экраном в зависимости от трех параметров: нелинейной и рефракционнойдлин фазового экрана и характерного размера неоднородностей флуктуациифазы.4. Специальный фазовый слой может использоваться для выделения отдельных гармоник нелинейного сфокусированного пучка в задачах ультразвуковой диагностики.5.
Разработанный на основе уравнения Вестервельта комплекс программ позволяет рассчитывать ультразвуковые поля, создаваемые преобразователямисложной геометрии, в том числе многоэлементными двумерными решеткамисовременных устройств ультразвуковой хирургии.6.
Модель эквивалентного аксиально симметричного излучателя может бытьиспользована для ускорения и упрощения расчетов нелинейного поля терапевтических решеток в области фокуса в широком диапазоне параметров имощностей излучения. Выполненные расчеты могут использоваться для оптимизации конфигурации решеток на этапе разработки прибора и оценкивлияния нелинейных эффектов при ее работе.8Положения, выносимые на защиту1. Применение теневого метода с последующим решением дифракционнойоптической задачи для интерпретации теневых картин позволяет измерятьударные фронты с шириной до 0.15 мкс, что более чем на порядок превышает точность измерений ширины фронта при использовании современныхконденсаторных широкополосных микрофонов.2. При одинаковых основных параметрах и интенсивности флуктуаций скорости звука в турбулентности воздушного потока и термической турбулентности, последняя приводит к более слабым искажениям статистики распространяющихся в ней N -волн.
Одинаковый уровень искажений достигаетсяпри интенсивности флуктуации в турбулентности воздушного потока в 2-3раза меньшей, чем в термической.3. Развитая нелинейно-дифракционная численная модель позволяет описывать статистические характеристики N -волны при распространении за случайным фазовым экраном с учетом прохождения через каустики. Искажение статистических распределений поля за экраном определяется амплитудойволны, характерной рефракционной длиной и масштабом модуляций фронта.Приближение нелинейной геометрической акустики в данной задаче справедливо до расстояний одной трети рефракционной длины экрана.4.
При помощи специального «резонансного» фазового слоя возможно разрушение фокусировки одних спектральных компонент сфокусированного пучкаконечной амплитуды и сохранение фокусировки других.5. Разработанный новый численный алгоритм позволяет моделировать трехмерные нелинейные ультразвуковые поля с локализованным образованиемударных профилей. В фокусе современных терапевтических решеток при используемых на практике уровнях интенсивности возможно образование ударных фронтов с амплитудой до 80 МПа.6. Модель эквивалентного аксиально симметричного излучателя позволяетс высокой точностью (2 − 3 %) описывать нелинейные эффекты в фокальной области излучателей сложной геометрии, в том числе многоэлементныхфазированных решеток со случайным расположением элементов.9Апробация работыРезультаты диссертации докладывались на сессиях Акуст.
обществ Америки (Гонолулу, 2006; Сиэтл, 2011), Школе-семинаре «Волны-2006» (Звенигород), XVIII, XIX и XXII сессиях Росс. Акуст. общества (Таганрог, 2006;Н.Новгород, 2007; Москва, 2010), 19-ом Межд. конгр. по акустике (ICA2007,Мадрид, 2007), Конгрессе Европейской ассоциации акустиков «Акустика-08»(Париж, 2008), 10-й сесии Французского Акуст. общества (Лион, 2010), 2-омМежд. симп.
по терапевтическому ультразвуку с ЯМР-управлением (Вашингтон, 2010), конференциях «Фундаментальные и прикладные аспекты инновационных проектов физич. ф-та МГУ», «Вычислительный эксперимент в аэроакустике» (Светлогорск, 2010), «Современная метрология для медицинскогоультразвука» (Теддингтон, 2010), 11-ом Межд. симп. по терапевтическомуультразвуку (Нью-Йорк, 2011), Межд. конгрессе по ультразвуку (Гданьск,2011), а также обсуждались на научных семинарах кафедры акустики физ.ф-та МГУ, Акуст.
ин-та им. Н.Н. Андреева и ИОФ РАН им. А.М. Прохорова.Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 10-02-91062-НЦНИ и09-02-01530, МНТЦ 3691, ИНТАС 7841, Президента РФ НШ4449.2006.2, именной стипендии Правительства Москвы, стипендии Американского Акуст. Общества и стипендии французского правительства для подготовки диссертации при совместном руководстве в рамках договора о сотрудничестве междуВысшей Инженерной Школой г. Лиона и физ. ф-том МГУ им. М.В.
Ломоносова. Вычислительные ресурсы были предоставлены СКЦ МГУ и Лабораториеймеханики жидкостей и газов Высшей Инженерной Школы Лиона.Публикации Материалы диссертации опубликованы в 21 печатной работе, список которых приводится в конце автореферата, из них 5 статей врецензируемых журналах.Личный вклад автораВсе представленные в диссертации результаты получены автором лично,либо при его непосредственном участии.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти оригинальных глав, заключения,трех приложений и библиографии. Общий объем работы составляет 161 страницу, включающих 85 рисунков и 5 таблиц.
Библиография включает 152 наименования на 9 страницах.10Содержание работыВо Введении обосновывается3z14актуальность темы диссертационнойrработы, излагается современное соo6стояние проблемы, дается общая поxy5становка задач, описывается краткое2содержание работы по главам.Первая глава посвящена задаче определения ширины ударногофронта коротких N -импульсов больРис. 1. Экспериментальная установка:шой амплитуды при помощи акусти- 1–искровой источник, 2–микрофон в экране,ческих и оптических методов.
В §1.1 3–лампа-вспышка, 4–фокусирующая линза,5-камера и 6–объектив.представлен обзор литературы по использованию искровых источников для создания N -импульсов в модельныхаэроакустических экспериментах. Отмечено, что из-за ограниченного частотного диапазона в области высоких частот, коммерческие конденсаторные микрофоны не позволяют измерять ударные фронты шириной менее 3 микросекунд. Для улучшения временного разрешения при измерениях ширины ударного фронта предложено использовать оптический теневой метод.В §1.2 описывается экспериментальная установка, созданная автором вВысшей Центральной Школе г. Лиона для оптических и акустических измерений сферической N -волны в воздухе (рис. 1).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
