Диссертация (1104104), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Áàëàíñ âëèÿíèÿ íåëèíåéíûõýôôåêòîâ è òåðìîâÿçêîãî ïîãëîùåíèÿ îáåñïå÷èâàåò ôèêñèðîâàííóþ øèðèíó τrt óäàðíîãîôðîíòà ïðè êàæäîì êàíêðåòíîì çíà÷åíèè àìïëèòóäû ðàçðûâà As . Åñëè øèðèíà ôðîíòààìïëèòóäû As îêàçûâàåòñÿ áîëüøå çíà÷åíèÿ τrt , çíà÷èò ôðîíò íå ÿâëÿåòñÿ óäàðíûì èïîòåíöèàëüíî åù¼ ìîæåò óêðó÷àòüñÿ çà ñ÷¼ò ïðîÿâëåíèÿ íåëèíåéíûõ ýôôåêòîâ.Îïðåäåëèì äëèòåëüíîñòü ôðîíòà â ôîêóñå èçëó÷àòåëå Duolith SD1 è ïðîàíàëèçèðóåì, ÿâëÿåòñÿ ëè ôðîíò óäàðíûì. Øèðèíà ôðîíòà, îïðåäåëÿåìàÿ ïî óðîâíþ 0.36 îò ìàêñèìóìà ïðîèçâîäíîé ïðîôèëÿ äàâëåíèÿ, ñîñòàâëÿåò 8 íñ è ñîîòâåòñòâóåò ïåðåïàäó äàâëåíèÿíà ôðîíòå Δp = 25 ÌÏà (ðèñ.
4.14).  ñëó÷àå óäàðíîãî ôðîíòà ñ àìïëèòóäîé ðàçðûâàAs = Δp/0.8 øèðèíà ðàçðûâà, îïðåäåëÿåìàÿ ïî (4.2) ïðè ðàñïðîñòðàíåíèè â âîäå ( ε = 3.5,b = 4.33 · 10−3 êã/(ñ·ì)), ñîñòàâëÿåò τrt = 0.28 íñ. Òàêèì îáðàçîì, ïðè èñïîëüçóåìûõ âêëèíè÷åñêîé ïðàêòèêå ìîùíîñòÿõ èçëó÷àòåëÿ óäàðíî-âîëíîâîé òåðàïèè Duolith SD1, ñîçäàâàåìûå èìïóëüñû äàâëåíèÿ íå ñîäåðæàò óäàðíûõ ôðîíòîâ.Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî ïðèâåä¼ííàÿ âûøå îöåíêà øèðèíû ôðîíòà áûëà ïîëó÷åíà ïðèðàñïðîñòðàíåíèè ñèãíàëîâ â âîäå.
Îäíàêî åñëè ïðè èñïîëüçóåìûõ íà èñòî÷íèêå óðîâíÿõäàâëåíèÿ óäàðíûé ôðîíò íå îáðàçóåòñÿ ïðè ôîêóñèðîâêå ïîëÿ â âîäå, òî åãî íå áóäåò èïðè ôîêóñèðîâêå ïîëÿ â áèîëîãè÷åñêîé òêàíè, ãäå ïîãëîùåíèå åù¼ áîëåå ñóùåñòâåííî.Àíàëèç ôîêóñèðîâêè íåëèíåéíûõ ïîëåé [25, 126] ïîêàçàë, ÷òî ìîìåíòó îáðàçîâàíèÿðàçðûâà â ïðîôèëå âîëíû ñîîòâåòñòâóåò òî÷êà ìàêñèìóìà íà ãðàôèêå çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ äàâëåíèÿ ïðè ôîêóñèðîâêå îò íà÷àëüíîé àìïëèòóäû âîëíû. Òàêîéãðàôèê ïðèâåäåí íà âêëàäêå ðèñ.
4.13 (à) - ïî îñè îðäèíàò îòëîæåíî îòíîøåíèå ïèêîâîãîïîëîæèòåëüíîãî äàâëåíèÿ pF â òî÷êå, ãäå îíî äîñòèãàåò ìàêñèìóìà, ê íà÷àëüíîé àìïëèòóäå äàâëåíèÿ p0 íà èñòî÷íèêå. Êðàñíûì ìàðêåðîì îòìå÷åíà òî÷êà, ñîîòâåòñòâóþùàÿ ãðàíè÷íîìó óñëîâèþ, ïîëó÷åííîìó èç ýêñïåðèìåíòà. Âèäíî, ÷òî îíî ñîîòâåòñòâóåò äîðàçðûâíîé îáëàñòè, â êîòîðîé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ pF /p0 óâåëè÷èâàåòñÿ çà ñ÷¼ò ïðîÿâëåíèÿíåëèíåéíûõ ýôôåêòîâ. Ïîñëå îáðàçîâàíèÿ ðàçðûâà óâåëè÷èâàåòñÿ íåëèíåéíîå ïîãëîùåíèå ýíåðãèè âîëíû íà îáðàçîâàâøåìñÿ ðàçðûâå, è êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ óìåíüøàåòñÿ. èññëåäóåìîì ñëó÷àå èçëó÷àòåëÿ Duolith SD1 ðàçðûâ â ïðîôèëå âîëíû îáðàçóåòñÿ ïðèóðîâíÿõ äàâëåíèÿ ïîðÿäêà 20 ÌÏà, òî åñòü ìîæíî óòâåðæäàòü ïðèñóòñòâèå ðàçðûâà â ïîëå èçëó÷àòåëÿ ïðè óâåëè÷åíèè àìïëèòóäû äàâëåíèÿ íà èñòî÷íèêå â äâà ðàçà ïî ñðàâíåíèþñ èñïîëüçóåìûì â êëèíè÷åñêîé ïðàêòèêå.1004.3.
Íåëèíåéíîå óëüòðàçâóêîâîå ïîëå öèëèíäðè÷åñêîãîôîêóñèðóþùåãî èçëó÷àòåëÿ äèàãíîñòè÷åñêîãî óëüòðàçâóêàPhilips Ñ5-24.3.1. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èçìåðåíèÿÑõåìà óñòàíîâêè, èñïîëüçóþùåéñÿ äëÿкомпьютерïðîâåäåíèÿ èçìåðåíèé óëüòðàçâóêîâîãî ïîëÿУЗ машинаVerasonicsäèàãíîñòè÷åñêîãî äàò÷èêà Philips Ñ5-2 (ïðîсистема позиционированияèçâîäèòåëü Philips, Bothel, WA), ïîêàçàíà íà осциллографðèñ. 4.15. Ïàðàìåòðû èçëó÷àåìûõ äàò÷èêîì èìïóëüñîâ è ðåæèìû ðàáîòû óëüòðàçâóêîâîé ðåø¼òêè äàò÷èêà çàäàâàëèñü óïðàâëåíèåì óëüC5-2òðàçâóêîâîé (ÓÇ) ìàøèíû îòêðûòîé àðõèòåêдатчикòóðû Verasonics V-1 (ïðîèçâîäèòåëü Verasonics,гидрофонKirkland, WA).
Äàò÷èê áûë ïîìåù¼í â êþâåòó ñâîäîé è óñòàíîâëåí âåðòèêàëüíî ïîâåðõíîñòüþкювета с водойðåø¼òêè âíèç. Âîäà ïðåäâàðèòåëüíî áûëà äåãàçèðîâàíà äî óðîâíÿ ñîäåðæàíèÿ ðàñòâîð¼ííîãî Ðèñ. 4.15. Ñõåìà ýêñïåðèìåíòàëüíîéêèñëîðîäà 10%. Èçìåðåíèå ïðîôèëåé äàâëåíèÿ óñòàíîâêè äëÿ èçìåðåíèÿ àêóñòè÷åñêîãîñòàíäàðòíîé äèàãíîñòè÷åñêîé ðåïðîèçâîäèëîñü ñ ïîìîùüþ ãèäðîôîíà, ïîëîæå ïîëÿø¼òêè Philips C5-2 â âîäå.íèå êîòîðîãî çàäàâàëîñü 3D ñèñòåìîé ïîçèöèîíèðîâàíèÿ (Velmex NF90, Bloomeld, NY).
Äëÿ èçìåðåíèé âûñîêîàìïëèòóäíûõ ïðîôèëåéäàâëåíèÿ èñïîëüçîâàëñÿ îïòîâîëîêîííûé ãèäðîôîí FOPH-2000 (RP-Acoustics, Leutenbach,Germany; äèàìåòð ïîâåðõíîñòè 100 ìêì), ïîçâîëÿþùèé èçìåðÿòü ñèãíàëû ñ ÷àñòîòîé äî100 ÌÃö. Îïòîâîëîêîííûå ãèäðîôîíû èìåþò îòíîñèòåëüíî íåâûñîêóþ ÷óâñòâèòåëüíîñòü(ïîðÿäêà ÌÏà), îäíàêî îíè õîðîøî ïîäõîäÿò äëÿ èçìåðåíèé ñèãíàëîâ ñ âûñîêèìè óðîâíÿìè äàâëåíèÿ, ñîäåðæàùèõ êðóòûå ó÷àñòêè. Êàëèáðîâî÷íûå èçìåðåíèÿ èìïóëüñîâ ìàëîéìîùíîñòè ïðîèçâîäèëèñü êàïñóëüíûì ãèäðîôîíîì HGL-0085, ñîåäèíåííûì ñ ïðåäóñèëèòåëåì AH-2020 (Onda Corp., Sunnyvale, CA). Êàïñóëüíûå ãèäðîôîíû ïðåäíàçíà÷åíû äëÿèçìåðåíèé ñèãíàëîâ â ÷àñòîòíîì äèàïàçîíå îò 1 äî 20 ÌÃö ñ óðîâíÿìè äàâëåíèÿ ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ ÌÏà.
×óâñòâèòåëüíàÿ ïîâåðõíîñòü êàïñóëüíîãî ãèäðîôîíà ïðåäñòàâëÿëàñîáîé ÏÂÄÔ-ìåìáðàíó äèàìåòðîì 200 ìêì. ÓÇ ìàøèíà áûëà ñèíõðîíèçèðîâàíà ñ îñöèëëîãðàôîì äëÿ âèçóàëüíîé ïðîâåðêè ïàðàìåòðîâ èçëó÷àåìûõ èìïóëüñîâ. Èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü â ðåæèìå èçëó÷åíèÿ 75 öèêëîâ ïåðèîäè÷åñêîé âîëíû ÷àñòîòû f = 2.3 ÌÃö ñ÷àñòîòîé ïîâòîðåíèÿ ñèãíàëà 20 Ãö.Ãåîìåòðèÿ èññëåäóåìîãî óëüòðàçâóêîâîãî èçëó÷àòåëÿ Philips C5-2 ñõåìàòè÷íî ïîêàçàíà íà ðèñ. 4.16. Ïîâåðõíîñòü äàò÷èêà ïðèáëèæ¼ííî ÿâëÿåòñÿ öèëèíäðè÷åñêîé, à å¼ ïðîåêöèåé íà ïëîñêîñòü xy ÿâëÿåòñÿ ïðÿìîóãîëüíèê âûñîòû ly . Íà ïîâåðõíîñòè èçëó÷àòåëÿ101ðàñïîëîæåíî 128 ýëåìåíòîâ äèàãíîñòè÷åñêîé ðåø¼òêè, âàðüèðóÿ ôàçó êîòîðûõ ìîæíî ôîêóñèðîâàòü ïó÷îê íà ðàçíóþ ãëóáèíó Fx .
Èçëó÷åíèå ñèãíàëà ìîæåò âåñòèñü â ðåæèìå çàïèòûâàíèÿ ðàçëè÷íîãî ÷èñëà öåíòðàëüíûõ ýëåìåíòîâ ðåø¼òêè.  ýêñïåðèìåíòàõ èçìåðåíèÿïðîâîäèëèñü äëÿ 16, 32, 40, 64 è 128 àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ. Äëÿ òîãî, ÷òîáû óëüòðàçâóêîâîéïó÷îê íå ðàñõîäèëñÿ â ïëîñêîñòè yz , â äàò÷èê âñòðîåíà àêóñòè÷åñêàÿ ëèíçà, ôîêóñèðóþùàÿ ïîëå íà ïîñòîÿííóþ ãëóáèíó Fy .Ãåîìåòðè÷åñêèå ïàðàìåòðû èçëó÷àyòåëÿ Philips C5-2 òî÷íî íåèçâåñòíû.
Ïðèáëèæ¼ííûå îöåíêè áûëè ïîëó÷åíû ïóò¼ìR 2θèçìåðåíèé ñ ïîìîùüþ ëèíåéêè: ðàäèóñакустическая линзав плоскости yzêðèâèçíû R ≈ 38 ìì, óãëîâàÿ àïåðòóðàlyFyâñåé ïîâåðõíîñòè 2θ ≈ 40◦ , âûñîòà ly ≈x12 ìì. Ýòè îöåíêè ÿâëÿþòñÿ ãðóáûìè, íîFxäàþò íà÷àëüíîå ïðèáëèæåíèå äëÿ ïîäáîэлектронная фокусировкаðà ïàðàìåòðîâ ýêâèâàëåíòíîãî èçëó÷àòåв плоскости xzzëÿ â ÷èñëåííîì ìîäåëèðîâàíèè. ÁðîøþÐèñ. 4.16. Ãåîìåòðèÿ èçëó÷àòåëÿ Philips C5-2.ðà ñ òåõíè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè èçëó÷àòåëÿ Philips C5-2 äà¼ò íîìèíàëüíûå çíà÷åíèÿ äëÿ øèðèíû êàæäîãî ýëåìåíòà äèàãíîñòè÷åñêèé ðåø¼òêè (0.37 ìì) è çàçîðà ìåæäó íèìè (0.05 ìì). ýêñïåðèìåíòå ðàçíîñòü ôàç ìåæäó ñèãíàëàìè, ïîäàâàåìûìè íà ðàçëè÷íûå ýëåìåíòû ðåø¼òêè, ðàññ÷èòûâàëàñü òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ôîêóñèðîâêà ïó÷êà â âîäå ïðîèñõîäèëàíà ãëóáèíó z = Fx = 50 ìì, äëÿ ðàñ÷¼òà èñïîëüçîâàëîñü çíà÷åíèå ñêîðîñòè çâóêà â âîäå1480 ì/ñ.
Èçìåðåíèÿ ñ ïîìîùüþ ãèäðîôîíîâ âêëþ÷àëè â ñåáÿ äâà ýòàïà. Ïåðâûé ýòàïçàêëþ÷àëñÿ â èçìåðåíèÿõ íèçêîàìïëèòóäíûõ ïðîôèëåé äàâëåíèÿ âäîëü îñè z èçëó÷àòåëÿè â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè z = 50 ìì â ïîïåðå÷íûõ íàïðàâëåíèÿõ x è y . Ýòè èçìåðåíèÿïðîâîäèëèñü ïðè ìèíèìàëüíî âîçìîæíîì ïîäàâàåìîì íà ðåø¼òêó íàïðÿæåíèè 2  è èñïîëüçîâàëèñü äëÿ ïîñòàíîâêè ãðàíè÷íîãî óñëîâèÿ â ÷èñëåííîì ìîäåëèðîâàíèè. Èçìåðåíèÿ âûïîëíÿëèñü ñ ïîìîùüþ êàïñóëüíîãî ãèäðîôîíà, øàã èçìåðåíèé ïî îñè z ñîñòàâëÿë0.5 ìì, à â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè ïîïåðå÷íûå øàãè âäîëü îñåé x è y áûëè ðàâíû 0.1 ìì è0.05 ìì, ñîîòâåòñòâåííî.Âòîðîé ýòàï èçìåðåíèé ïðîâîäèëñÿ â øèðîêîì äèàïàçîíå íàïðÿæåíèé, ïîäàâàåìûõíà ðåø¼òêó (îò 5 äî 90 Â).
Ñ ïîìîùüþ îïòîâîëîêîííîãî ãèäðîôîíà áûëè èçìåðåíû ïðîôèëè äàâëåíèÿ íà îñè èçëó÷àòåëÿ â òî÷êå z = 50 ìì. Äëÿ êàæäîãî íàïðÿæåíèÿ è ÷èñëàçàïèòûâàåìûõ ýëåìåíòîâ èòîãîâûé ïðîôèëü áûë ïîëó÷åí óñðåäíåíèåì 128 èçìåðåííûõñèãíàëîâ, ÷àñòîòà äèñêðåòèçàöèè ïîëó÷åííîãî ñèãíàëà ñîñòàâëÿëà 320 ÌÃö. Ýòè èçìåðåíèÿ âûïîëíÿëèñü ñ öåëüþ äàëüíåéøåãî ñðàâíåíèÿ ñ ðåçóëüòàòàìè ÷èñëåííîãî ìîäåëèðîâàíèÿ íåëèíåéíîãî ïîëÿ ðåø¼òêè.1024.3.2. Ïîñòàíîâêà ãðàíè÷íîãî óñëîâèÿ â ìîäåëèðîâàíèè è íàõîæäåíèåïàðàìåòðîâ ýêâèâàëåíòíîãî èçëó÷àòåëÿна оси8642в фокальной плоскости16экспериментмоделирование15Амплитуда давления, МПаÄëÿ íàõîæäåíèÿ óëüòðàçâóêîâîãî ïîëÿèçëó÷àòåëÿ ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ â ÷èñëåííîììîäåëèðîâàíèè ïîäáèðàëèñü òàêèì îáðàçîì,÷òîáû â ëèíåéíîì ñëó÷àå ðàñïðåäåëåíèå äàâëåíèÿ ïîëÿ íà îñè èçëó÷àòåëÿ è â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè íàèëó÷øèì îáðàçîì ñîãëàñîâûâàëîñü ñ èçìåðåíèÿìè â âîäå, âûïîëíåííûìè íà ïåðâîì ýòàïå ýêñïåðèìåíòà ñ ïîìîùüþ êàïñóëüíîãî ãèäðîôîíà.
 ÷èñëåííîììîäåëèðîâàíèè â êà÷åñòâå íà÷àëüíîãî óñëîâèÿ áûëà âûáðàíà íåïðåðûâíàÿ ïåðèîäè÷åñêàÿ âîëíà ÷àñòîòû f = 2.3 ÌÃö. Äëèòåëüíîñòü èìïóëüñîâ â ýêñïåðèìåíòàõ áûëà êîíå÷íîé, îäíàêî äîñòàòî÷íîé äëÿ òàêîãî ïðèáëèæåíèÿ íà÷àëüíîãî ñèãíàëà â ìîäåëèðîâàíèè èìïóëüñû ñîäåðæàëè â ñåáå 75 ïåðèîäîâ ãàðìîíè÷åñêîé âîëíû. Ïîâåðõíîñòüýêâèâàëåíòíîãî èçëó÷àòåëÿ ïðåäïîëàãàëàñüöèëèíäðè÷åñêîé, à ðàñïðåäåëåíèå àìïëèòóäû âîëíû ïî ïîâåðõíîñòè ñ÷èòàëîñü ðàâíîìåðíûì. Ðàñïðåäåëåíèå ôàçû ïðåäïîëàãàëîñü íåïðåðûâíûì è îáåñïå÷èâàþùèì ôîêóñèðîâêó â ïëîñêîñòÿõ xz è yz :3210501510504018641022512815502040 60z, мм80-50x, мм5 -50y, мм5Ðèñ. 4.17. Ñðàâíåíèå ðàñïðåäåëåíèé àìïëèòóäû äàâëåíèÿ, ïîëó÷åííûõ â ýêñïåðèìåíòåè ìîäåëèðîâàíèè ïðè ëèíåéíîì ðàñïðîñòðàíåíèè.  ïåðâîì ñòîëáöå ïîêàçàíû ðàñïðåäåëåíèÿ íà îñè äàò÷èêà, âî âòîðîì è òðåòüåì - â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè z = 50 ìì.Ðàñïðåäåëåíèÿ ïðåäñòàâëåíû äëÿ 16, 32, 40,64 è 128 àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ ðåø¼òêè.y2p(R, θ, y, t) = p0 sin ωt + k Δx +2Fy,(4.3)ãäå Δx = (R sin θ)2 + (R − R cos θ + Fx)2 − Fx ðàçíîñòü õîäà ìåæäó ëó÷àìè, ïðèõîäÿùèìè â ôîêóñ èç öåíòðà èçëó÷àòåëÿ è ñ åãî íàèáîëåå óäàë¼ííîé îò öåíòðà òî÷êè; (R, θ, y) öèëèíäðè÷åñêàÿ ñèñòåìà êîîðäèíàò ñ íà÷àëîì â öåíòðå êðèâèçíû èçëó÷àòåëÿ; ω = 2πf öèêëè÷åñêàÿ ÷àñòîòà, k = 2πf /c0 - âîëíîâîå ÷èñëî; t âðåìÿ.
Èçìåíåíèå ÷èñëà àêòèâíûõýëåìåíòîâ ðåø¼òêè ó÷èòûâàëîñü â ìîäåëè èçìåíåíèåì óãëà àïåðòóðû θ. ÷èñëåííîì ðàñ÷¼òå íàõîæäåíèå ëèíåéíîãî óëüòðàçâóêîâîãî ïîëÿ èçëó÷àòåëÿ ïðîèçâîäèëîñü íà îñíîâå èíòåãðàëà Ðýëåÿ:p(r, t) = −iρ0 fSu(r ) exp(ik |r − r |) dS ,|r − r |103(4.4)Òàáëèöà 4.1. Çíà÷åíèÿ ãåîìåòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ èçëó÷àòåëÿ Philips C5-2, ïðè êîòîðûõ÷èñëåííûé ðàñ÷¼ò ëèíåéíîãî ïîëÿ íà îñíîâå èíòåãðàëà Ðýëåÿ äà¼ò íàèëó÷øåå ñîãëàñèå ñýêñïåðèìåíòîì.×èñëî ýëåìåíòîâÓãëîâàÿ àïåðòóðà θ, ðàä ×10−2Àìïëèòóäà äàâëåíèÿ p0, êÏàÃëóáèíà ôîêóñèðîâêè àêóñò.
ëèíçû Fy , ììÎñòàëüíûå ïàðàìåòðû163240641288.421 16.842 21.053 33.684 67.368295027502650217016008586867070Fx = 50 ìì, R = 38 ìì, ly = 12.5 ììãäå r = {x, y, z}, ρ0 ïëîòíîñòü âîäû, u(r ) êîìïëåêñíàÿ âåëè÷èíà êîëåáàòåëüíîé ñêîðîñòè íà ïîâåðõíîñòè S èçëó÷àòåëÿ.Ïîñêîëüêó ïàðàìåòðû R, θ, ly , p0 , Fx è Fy èçëó÷àòåëÿ èçíà÷àëüíî áûëè èçâåñòíûòîëüêî îöåíî÷íî, à íå òî÷íî, ÷èñëåííûé ðàñ÷¼ò ëèíåéíîãî ïîëÿ ïðîâîäèëñÿ â íåñêîëüêîèòåðàöèé. Ïåðâîíà÷àëüíî ïîëå ðàññ÷èòûâàëîñü äëÿ îöåíî÷íûõ çíà÷åíèé R, θ, ly , ïðèâåä¼ííûõ âûøå â 4.3.1, è çíà÷åíèé Fx = Fy = 50 ìì.
Çàòåì êàæäûé èç ýòèõ ïÿòè ïàðàìåòðîââàðüèðîâàëñÿ ïî îòäåëüíîñòè òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû íîðìèðîâàííûå íà ìàêñèìóì ðàñïðåäåëåíèÿ àìïëèòóäû äàâëåíèÿ íà îñè èçëó÷àòåëÿ è â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè íàèëó÷øèìîáðàçîì ñîâïàäàëè ñ èçìåðåííûìè íà ïåðâîì ýòàïå ýêñïåðèìåíòà. Ïðè÷¼ì êàæäûé ïàðàìåòð âëèÿë íà êîíêðåòíóþ îñîáåííîñòü â ðàñïðåäåëåíèÿõ è ïîýòîìó äîñòàòî÷íî ëåãêîîïðåäåëÿëñÿ.














