WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Апробация работы Материалы диссертации докладывались на научных семинарах кафедры акустики физического факультета МГУ, Акустического института им. акад. Н.Н. Андреева (АКИН), а также на следующих конференциях и симпозиумах: на XI Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам “Ломоносов-2004” (Москва, 2004), на XV сессии Российского Акустического Общества (Нижний Новгород, 2004), на XVI сессии Российского Акустического Общества (Москва, 2005), на XVIII сессии Российского Акустического Общества (Таганрог, 2006), на X Всероссийской школе – семинаре “Волны – 2004” (Звенигород, Моск. обл., 2004 г.), на II Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии “Медицинская физика - 2005” (Москва, 2005).

Кроме того, результаты были представлены на 2 международных конференциях: на Международном симпозиуме “Проблемы нелинейной волновой физики” (International Symposium “Topical Problems of Nonlinear Wave Physics” NWP-2005), на Международном симпозиуме по ультразвуку IEEE (2006 IEEE International Ultrasonics Symposium Vancouver, Canada, 2006).

Публикации Основные результаты изложены в 10 опубликованных работах, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 125 наименований. Общий объем работы составляет 118 страниц, включающие 40 рисунков.

Содержание работы Во введении приводится обзор литературы и современного состояния проблемы, отраженной в теме диссертации. Описана история применения ультразвука в медицине, обозначены основные области применения ультразвука. Выделены трудности, возникающие при характеризации ультразвуковых диагностических источников. Показана важность точного предсказания полей, излучаемых источниками ультразвука. Показана актуальность создания надежных методик контроля колебаний преобразователей и анализа создаваемых ими акустических полей. Рассмотрены различные существующие методы исследования колебаний поверхности акустических преобразователей. Кратко описаны достоинства и недостатки прямого метода лазерной виброметрии по сравнению с непрямыми методами.

Рассмотрен метод акустической голографии, описаны области применения метода, а также его достоинства и недостатки по сравнению с другими техниками.

Также во введении рассмотрены методы исследования пространственного распределения акустического поля диагностических преобразователей. Описаны метод численного моделирования, метод прямого измерения гидрофонами и метод теневой оптической визуализации или шлирен-метод. Выделены достоинства и недостатки вышеописанных методов. В частности, шлирен-метод имеет определенные преимущества при исследовании акустических полей в присутствии модельных объектов, имитирующих биологические ткани и органы; при исследовании неизвестных заранее акустических полей, создаваемых акустическими преобразователями.

Приведено теоретическое описание шлирен-метода. Рассмотрен процесс формирования шлирен-изображения, влияние положения оптического ножа на формируемую картину.

Описано применение в шлирен-системах когерентных и некогерентных источников света, соответствующие типы применяемых оптических ножей. Проведен обзор ряда работ, посвященных шлирен-визуализации ультразвука.

Рассмотрена проблема влияния дискретизации временной задержки в диаграммоформирующих устройствах ультразвуковых диагностических систем на структуру акустического поля, создаваемого многоэлементными датчиками. Описан механизм формирования фазового фронта диаграммо-формирующим устройством, при этом дискретизация временной задержки возбуждающих импульсов не позволяет создать ровный волновой фронт требуемой кривизны, что ухудшает качество фокусировки, оказывая негативное влияние на получаемое изображение в целом. Проведено сравнение специфики данной задачи и сходных задач, решаемых в радиолокации. Доказана актуальность исследования акустических полей многоэлементных диагностических датчиков в зависимости от дискретизации временных задержек сигналов на элементах датчика. Также во введении сформулированы цели и задачи работы.

Первая глава посвящена экспериментальному применению метода нестационарной акустической голографии (НАГ) для исследования структуры колебаний поверхности ультразвуковых преобразователей в импульсном режиме.

В параграфе 1.1 представлено теоретическое описание НАГ для реконструкции распределения колебательной скорости на поверхности источников. Акустической голографией называют способ восстановления источника звука по измерениям акустического давления вдоль некоторой поверхности, расположенной перед этим источником. Обычно измеряется амплитуда и фаза акустической волны. Однако, если источник имеет импульсный характер, частотный спектр сигналов широк и понятие фазы некорректно. В этом случае измеряется вся форма колебания в каждой точке.

Периодичность процесса излучения акустических импульсов дает возможность синтезировать поверхность измерений, перемещая при помощи системы позиционирования гидрофон последовательно в узлы сетки измерений и производя измерения в каждой точке.

Из-за обратимости волнового уравнения во времени поверхность измерений можно мысленно заменить обращающим время зеркалом. Тогда отраженная от поверхности измерений волна будет распространяться назад и, дойдя до источника, восстановит свои исходные характеристики. Процесс отражения от обращающего время зеркала и распространения волны назад является виртуальными (численными). Показано, что временная зависимость нормальной компоненты ускорения в каждой точке поверхности источника может быть восстановлена, если известна форма акустической волны во всех точках поверхности измерений.

Далее выделены требования, предъявляемые при практической реализации метода НАГ к экспериментальным измерительным средствам.

В параграфе 1.2 рассмотрено экспериментальное применение метода НАГ для восстановления колебательной скорости на поверхности источников с различной конфигурацией. В пункте 1.2.1 описана экспериментальная установка, на которой реализуется метод НАГ. Далее подробно описаны основные компоненты установки и их характеристики, а также типы и параметры исследованных преобразователей.

В пункте 1.2.2 обсуждается предварительное численное моделирования для оценки параметров эксперимента. При подготовке к эксперименту необходимо предварительно оценить некоторые параметры, такие как, – размер области и пространственный шаг между точками измерения. Описаны дифракционные соображения, из которых следуют оптимальное расстояние от излучателя до сетки измерений и размер сетки измерений в зависимости от длины волны излучения в воде и требуемого пространственного разрешения при восстановлении колебательной скорости. Далее определено соотношение, характеризующее зависимость пространственного шага сетки от длины волны излучения в случае максимального отдаления «двойника» восстановления (максимума первого порядка дифракционной решетки, под которой понимается сетка измерений) от искомого распределения колебательной скорости (максимума нулевого порядка).

Рассмотрено численное моделирование, необходимое для уточнения параметров измерений. Численная схема использует прямой и обращенный интеграл Релея.

Задается конфигурация источника и скорость на его поверхности, рассчитывается поле на плоскости измерения в дискретных точках, затем решается обратная задача по Рис. 1 Пространственное распределение колебательной скорости на поверхности восстановлению распределения скорости на излучателя. Цифрами 1, 2, 3, 4 обозначены области неоднородности колебательной скорости, источнике. При сравнении результата связанные с дефектами пьезокерамики. Видны кольцевые неоднородности, соответствующие восстановления с первоначально заданным двум модам Лэмба.

распределением оценивается правильность выбранных параметров эксперимента.

В пункте 1.2.3 приведено описание эксперимента и экспериментальные результаты.

Предварительно методика НАГ была отработана на более простом излучателе по сравнению с многоэлементными медицинскими датчиками. Для этого был выбран плоский круглый преобразователь диаметром 100 мм и резонансной частотой 1,12 МГц. Измерения проводились в импульсном режиме. В результате восстановления были получены изображения, иллюстрирующие пространственное распределение колебательной скорости на поверхности излучателя и динамику изменения структуры колебаний. Наблюдалось появление кольцевых структур, вызванное генерацией волн Лэмба на поверхности излучателя.

На рис. 1 изображено пространственное распределение максимума колебательной скорости на поверхности излучателя представляющее собой усредненное во времени поршневое колебание, промодулированное кольцевыми неоднородностями. Кольцевые неоднородности имеют разный масштаб и соответствуют различным модам Лэмба. Таким образом, в результате проведенных измерений получено четкое восстановление колебаний поверхности излучателя во времени с учетом тонкой структуры, связанной с различными неоднородностями колебательной скорости.

Далее описан эксперимент по восстановлению колебаний на поверхности многоэлементной диагностической решетки. Поверхность представляла собой дугу цилиндрического сектора радиусом кривизны 60 мм с размещенными на ней излучающими элементами с размерами 12х0,44 мм. В эксперименте излучающая б а Рис. 2 Восстановленные распределения колебательной скорости на поверхности многоэлементного диагностического датчика в импульсном режиме. Случаи а-б соответствуют различным моментам времени после начала излучения. Эллипсы соответствуют различной фокусировке в перпендикулярных плоскостях.

поверхность была ограничена 19 элементами. На излучающие элементы подавались возбуждающие сигналы с диаграммо-формирующего устройства диагностического сканера, имеющие вид радиоимпульса длительностью 1-2 цикла основной частоты 3,5 МГц. На рис. 2а,б представлены распределения колебательной скорости на поверхности многоэлементного преобразователя в различные моменты времени после начала излучения.

Результаты восстановления показывают, что дискретная структура антенной решетки восстанавливается, количество элементов совпадает с заданным, размеры элементов и расстояния между ними также соответствуют значениям, известным по информации от производителя. Эллипсы на восстановленной поверхности свидетельствуют о фокусировке излучаемого акустического поля в двух взаимно перпендикулярных направлениях. По параметрам данных эллипсов были рассчитаны положения фокусов.

Метод НАГ обладает высокой разрешающей способностью, позволяя при выбранных параметрах сетки измерений разрешать даже промежутки между элементами, ширина которых приблизительно в 2 раза меньше длины волны излучения на основной частоте в воде. Показано, что метод НАГ позволяет обнаружить и исследовать тонкие особенности в пространственно временной структуре колебаний поверхности акустических преобразователей, используемых в медицинской диагностике.

В параграфе 1.3 приведены выводы к первой главе.

Во второй главе рассмотрена шлирен-визуализация акустических полей, излучаемых пьезокерамическими источниками мегагерцового диапазона.

В параграфе 2.1 приведена схема экспериментальной шлирен-установки, подробно описаны основные ее компоненты. Эксперименты по шлирен-визуализации акустических полей проводились для различных ультразвуковых источников. Использовались как простые одноэлементные преобразователи, так и многоэлементные диагностические датчики. Далее описаны типы и характеристики используемых преобразователей.

В параграфе 2.2 приведены экспериментальные результаты шлирен-визуализации ультразвуковых полей. В пункте 2.2.1 описаны результаты исследования акустического поля плоского одноэлементного преобразователя. Целью эксперимента являлось выявление дополнительных акустических возмущений, излучаемых непоршневыми упругими модами пьезопластины. Результатом эксперимента являлись теневые изображения, полученные в различные моменты времени после начала излучения.

Акустическое поле представлено в виде периодических неоднородностей, расстояние между которыми совпадает с длиной волны на основной частоте излучателя в воде. Заметно присутствие неоднородностей, являющихся результатом интерференции краевых волн и излучения поршневой моды. Были выявлены неоднородности, соответствующие излучению поверхностных мод Лэмба. По углу наклона фронтов неоднородности к оси преобразователя была рассчитана скорость поверхностной волны.

В пункте 2.2.2 описаны результаты исследования акустического поля сферически вогнутого одноэлементного преобразователя. Полученные изображения позволяют выделить излучение поршневой моды колебаний преобразователя, при этом периодические линии, соответствующие волновым фронтам, имеют криволинейный характер, что отражает фокусированность излучения. Также удается обнаружить область фокуса, неоднородности, являющиеся результатом интерференции краевых волн и излучения поршневой моды, неоднородности, соответствующие излучению поверхностных мод Лэмба. По полученным данным рассчитаны скорости поверхностных волн, выяснено, что скорости этих волн на частоте 1 МГц для данного типа керамики соответствуют фазовым скоростям асимметричных мод Лэмба а1 и а0.

В пункте 2.2.3 проводится исследование волн Лэмба, возникающих при возбуждении вогнутого одноэлементного преобразователя. Важность исследования связана с тем, что моды Лэмба являются паразитными и вносят значительные искажения в предполагаемое акустическое поле преобразователя, что может негативно сказаться на результатах диагностики и, что очень важно, терапии. Целью исследования являлась зависимость фазовой скорости различных мод волн Лэмба от частоты возбуждения пьезопластины.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»