Автореферат (1104103), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Эффект нелинейной рефракции является основнымфактором, ограничивающим предельные уровни давления в импульсных полях,в то время как насыщение давления в периодических полях связано в основномс нелинейным поглощением на ударном фронте волны.§ 3.4 посвящён исследованию влияния аподизации поля на излучателе напространственную структуру и предельные значения параметров фокусированных полей. Излучатели с гауссовской пространственной аподизацией оказались18Рис. 9.
Формирование «ножки» Маха в фокальной области периодического поля (а, в, д) и вполе биполярного импульса (б, г, е) поршневого излучателя. (а), (б) – Временныераспределения давления на различных поперечных расстояниях ρ от оси излучателя. (в), (г) –Структуры волновых фронтов, построенные как производные по времени от распределенийдавления, показанных на (а) и (б), соответственно. (д), (е) – Профили начального сигнала наизлучателе и на различных поперечных расстояниях ρ при σ = 0.8.лучше подходящими для достижения высоких значений пиковых давлений вмалой фокальной области, чем поршневые излучатели.В § 3.5 рассматривается взаимодействие фронтов при фокусировкеаксиально-симметричных импульсных и периодических полей как процесс,аналогичный образованию «ножки» Маха при отражении волны.
Показывается,что численное моделирование на основе уравнения ХЗК позволяет описатьпространственные структуры фронтов типа «ножки» Маха в фокальной областипоршневого излучателя (рис. 9). Структура фронтов в фокальной области имеетвид отражения фон Неймана, а образование «ножки» Маха являетсярезультатом нелинейного взаимодействия центральной и краевой волнизлучателя. В § 3.6 представлены выводы главы 3.Четвертая глава посвящена характеризации нелинейных фокусированных ультразвуковых полей излучателей новых медицинских устройств ударноволновой терапии и диагностического ультразвука. В § 4.1 даётся обзор поперспективам применения методов экстракорпоральной ударно-волновой19терапии (ЭУВТ) для лечения заболеваний костно–мышечной системы иприводятся характерные параметры излучателей ЭУВТ.
Также обсуждаетсяиспользование диагностических датчиков в методе лечения мочекаменнойболезни путём выталкивания из почки мелких почечных камней с помощьюакустической радиационной силы ультразвукового пучка. Обосновываетсяважностьмоделированиянелинейныхполеймедицинскихустройств,использующихся в этих медицинских приложениях.В § 4.2 на основе комплексного подхода, заключающегося в совместномиспользовании методов численного моделирования с граничными условиями,полученнымиизэксперимента,исследуютсянелинейныеэффектывфокусированном поле медицинского электромагнитного устройства ЭУВТDuolith SD1 (рис.10 (а)). Постановка граничного условия в моделированиипроводилась с помощью метода эквивалентного излучателя. Метод состоит виспользовании экспериментальных данных для задания параметров такназываемого эквивалентного излучателя, поле которого наилучшим образомсоответствует полю реального излучателя на оси пучка.
В качестветеоретическоймоделидляописаниянелинейногополяизлучателяиспользовалось уравнение ХЗК (2). На рис. 10 (б) сравниваются профили вфокусе излучателя, измеренные гидрофоном в воде и полученные в численноммоделировании. Профили, полученные с помощью численного моделирования,хорошо согласуются с данными эксперимента, особенно в области резкогоувеличения пикового положительного давления. Несмотря на то, что профиль вРис. 10.
(а) – Экспериментальные данные измерений профилей ударного импульса вплоскости 5 мм от поверхности излучателя для постановки граничного условия вмоделировании. (б) – Сравнение профилей импульса, измеренного гидрофоном иполученного в моделировании, в фокусе излучателя.20фокусе содержит резкий скачок давления, методами численного моделированиябыло показано, что ударный фронт в профиле волны в фокусе не образуется –для его формирования необходима в два раза большая начальная амплитудаволны.В § 4.3 комплексный подход используется для описания особенностейпространственно-временной структуры нелинейного ультразвукового полястандартного диагностического датчика Philips С5-2 (рис.
11), применяемого вклинических экспериментах по толканию почечных камней. Поверхностьдатчика приближённо является цилиндрической, а её проекцией на плоскость xyявляется прямоугольник высоты ly. На поверхности излучателя расположено128 элементов диагностической решётки, варьируя фазу которых можнофокусировать пучок на разную глубину Fx. Для того, чтобы ультразвуковойпучок не расходился в плоскости yz, в датчик встроена акустическая линза,фокусирующая поле на постоянную глубину Fy.
Излучение сигнала можетпроизводиться при подаче напряжения на различное число центральныхэлементов решётки. Измерения с помощью гидрофонов проводились для 16, 32,40, 64 и 128 активных элементов и включали в себя два этапа. Первый этапзаключалсяамплитудныхвизмеренияхпрофилейнизко-давлениявдоль оси z излучателя и в двухпоперечных направлениях в фокальнойплоскости.проводилисьЭтиприизмеренияминимальновозможном подаваемом на решёткунапряжении 2 В и использовалисьдля постановки граничного условия вРис. 11. Геометрия излучателя Philips C5-2.численном моделировании.
Второй этап измерений проводился в широкомдиапазоне напряжений, подаваемых на решётку (от 5 до 90 В). Эти измерениявыполнялись с целью дальнейшего сравнения с результатами численногомоделирования нелинейного поля решётки.21Геометрическиепараметрыизлучателя, эквивалентного датчикуPhilips C5-2, были определены вчисленноммоделированиитакимобразом, чтобы в линейном пучкераспределение давления поля на осиизлучателя и в фокальной плоскости,полученные с помощью интегралаРэлея,наилучшимветствовалиобразомизмерениямвыполненнымнаРис.
12. Кривые насыщения пиковогоположительного и отрицательного давлений,полученные в численном моделировании(сплошные кривые) и с помощью измеренийгидрофоном (маркеры) при запитывании 16,32, 40, 64 и 128 элементов решётки.соот-вводе,первомэтапеэксперимента. Затем моделированиетрехмерного нелинейного поля проводилось на основе уравнения Вестервельта.Расчёт был выполнен в широком диапазоне подаваемых на излучательнапряжений. Отличие результатов нелинейного моделирования и данныхизмерений не превышало 3% для всех конфигураций, кроме случаявозбуждения 128 элементов решетки. В последнем случае хорошее согласиенаблюдалось только для напряжений, меньших 25 В, а дальше моделированиепредсказывало более высокие значения пикового положительного давления,чем это было получено в эксперименте (рис.
12). Моделирование показало, чторазмерфокальнойобластипиковогоположительногодавленияпризапитывании всех элементов решётки при напряжениях выше 25 В составляетоколо 50 мкм, что в два раза меньше размера поверхности гидрофона, спомощью которого проводились измерения. Столь малый размер фокальнойобласти и резкий перепад давления при выходе за её пределы являютсявозможнойпричинойнаблюдаемогорасхождениямеждупрофилями,измеренными с помощью гидрофона и рассчитанными численно.Для эффективного воздействия волны на почечный камень необходимывысокие значения акустической радиационной силы пучка в областинахождения камня, что в свою очередь требует высоких значений пиковогоположительного давления в фокальной области.
Однако за счёт проявления22нелинейных эффектов пиковые значения давления в фокусе датчика будутнасыщаться.Нарис. 12представленыкривыенасыщенияпиковыхположительного и отрицательного давлений для конфигураций из 16, 32, 40, 64и 128 активных элементов решётки. Показано, что толкание почечных камнейакустической радиационной силой ультразвукового пучка диагностическогодатчика,происходящеепринапряжении90 В,соответствуетрежимунасыщения параметров акустического поля, а предельно достижимые значенияпикового положительного давления в точке электронного фокуса решёткиограничены значениями 20 МПа для 64 запитываемых элементов решётки и10 МПа для 32 активных элементов.
В § 4.4 представлены выводы главы 4.Вприложенииприводитсяалгоритмвычисленияобратногопреобразования Абеля от распределения интенсивности шлирен–изображения.В заключении диссертационной работы приводятся основные результаты ивыводы.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1. Созданы установки и реализованы оптические методы для измеренийпрофилей акустического давления в нелинейной сферически расходящейсяN-волне, создаваемой искровым источником в воздухе (шлирен–метод и методинтерферометриипосхемеМаха–Цендера).Показано,чтовременноеразрешение шлирен–метода (3 мкс) определяется временем экспозициивысокоскоростной камеры. Временное разрешение при измерениях с помощьюинтерферометра Маха–Цендера (0.4 мкс) в шесть раз превышает разрешениесовременных конденсаторных микрофонов, что делает возможным егоиспользование для калибровки широкополосных измерительных устройств.2.
С помощью оптических методов (шлирен–метода и метода интерферометрии по схеме Маха–Цендера) визуализирована пространственная структура в виде «ножки» Маха и измерены профили сферически расходящейсяN-волны в воздухе при её нерегулярном отражении от плоской жёсткойповерхности. Определены условия, при которых происходит переход от23регулярного режима отражения N-волны к нерегулярному, и показано, чтонерегулярное отражение имеет динамический характер.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
