WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Cферически вогнутый одноэлементный преобразователь с радиусом кривизны поверхности 92,1 мм возбуждался в квазинепрерывном режиме. Данный режим был выбран для того, чтобы колебания пьезопластины представляли собой только вынужденные колебания с частотой, заданной генератором, и чтобы возможно было наблюдать значительную часть создаваемого поля. Возбуждаемая в пластине волна Лэмба распространяется вдоль поверхности преобразователя с постоянной скоростью, излучая в жидкость волну, причем угол между фронтом излученной волны и касательной к поверхности в каждой точке является постоянным. Вследствие этого в среде появляются каустики, каждая из которых соответствует излучению определенной моды Лэмба. Структура каустики имеет простой cгеометрический вид: это дуга окружности радиуса F, центр которой совпадает с фокусом c излучателя. Здесь c0 - скорость звука в жидкости, c - фазовая скорость волны Лэмба, F - радиус кривизны поверхности излучателя. Указанное свойство позволяет использовать положение каустики для измерения скорости соответствующей волны Лэмба.

По полученным в ходе эксперимента изображениям были проведены расчеты, результаты которых приведены на рис. 3. На данном рисунке изображены дисперсионные кривые для шести различных мод Лэмба, рассчитанные теоретически по формулам РэлеяЛэмба, и построенные по полученным изображениям экспериментальные точки. При расчёте теоретических кривых использовалось значение скоростей ct = 1,94 мм/мкс и cl = 4,64 мм/мкс, найденные из измеренных частот отсечки моды a1 (0,45 МГц) и частоты толщинного резонанса (1,08 МГц), соответственно, с учётом известной толщины пластины (2,15 мм). Экспериментальная погрешность, показанная на рис. 3, соответствует характерной ширине тени каустики в самой тонкой её части. Как видно, точность измеренных значений скоростей в среднем высока, поэтому хорошее совпадение с теорией характеризует шлиренметод как весьма точный и эффективный применительно к данной задаче.

Подобные исследования могут быть проведены для преобразователей различной конфигурации и размеров. Не стоит также забывать, что временные затраты на подобного эксперимента в разы меньше, чем для стандартных методик исследования полей ssaasa00.511.f, МГц Рис. 3. Дисперсионные кривые для различных мод волн Лэмба в пьезокерамической пластине. Точки соответствуют экспериментальным теневым картинам. Теоретические кривые представляют решения уравнений Рэлея-Лэмба.

сканирующими гидрофонами. Таким образом, шлирен-метод является удобным и эффективным инструментом количественного исследования свойств акустических преобразователей.

В пункте 2.2.4 описаны результаты исследования акустического поля выпуклого многоэлементного диагностического преобразователя, который представлял собой многоэлементный ультразвуковой датчик, работающий на центральной частоте 3,5 МГц в ф с, мм / мкс импульсном режиме. Особенностью работы данного преобразователя было наличие многоканального управляющего устройства – ультразвукового диагностического прибора.

Благодаря управляемой задержке между электрическими сигналами, подаваемыми на элементы датчика, создаваемое им акустическое поле могло фокусироваться на различные расстояния, при этом поле было локализовано в некоторой пространственной области – пучке.

Часть экспериментов проводилась в присутствии поверхности, способной вызывать отражение ультразвукового импульса (пластины из дюралюминия, толщиной 6,5 мм). На полученных изображениях четко виден акустический импульс, создаваемый диагностическим датчиком, представленный в виде чередующихся темных и светлых полос, расстояние между которыми составляет около 0,44 мм, что соответствует длине волны излучения на частоте 3,5 МГц в воде. Удается четко различить четыре периода колебаний на основной частоте. Отчетливо виден импульс в пределах основного лепестка диаграммы излучения, а также более слабые возмущения, соответствующие боковому лепестку антенной решетки. Был исследован поперечный размер импульса и характер изменения этой величины из-за фокусировки при распространении волн в среде. На изображениях представлен процесс отражения импульса от пластины, причем показано, что угол падения волны равен углу отражения. Показано, что в отражающей пластине распространяется волна рэлеевского типа, излучающая в жидкость волну, фронт которой отчетливо регистрируется на изображениях. Исходя из угла наклона фронта головной волны, была проведена оценка скорости рэлеевской волны в алюминии. Полученная величина, в пределах погрешности измерений, совпала со справочным значением. При этом впервые подобная визуализация была проведена при работе излучателя в импульсном режиме.

Была проведена визуализация перпендикулярного падения акустического импульса, создаваемого диагностическим датчиком, на поверхность отражающей пластины. При этом наблюдались многочисленные импульсы, следующие за первым отраженным и вызванные переотражениями падающего импульса внутри пластины. При толщине пластины L=6,5 мм можно оценить скорость акустической волны в материале пластины. Расстояние между соседними импульсами соответствует двойному прохождению через алюминиевую пластину, т.е. соответствующий временной интервал можно записать как x / c0 = 2L / cl, где c0 - скорость звука в воде, cl - скорость продольных волн в алюминии. Отсюда cl = c0 2L / x =(6050±300) м/с, что в пределах погрешности совпадает с табличным значением 6260 м/с.

Для иллюстрации способности шлирен-метода визуализировать процесс рассеяния акустических волн, было проведено исследование отражения ультразвуковых импульсов от неплоских твердотельных объектов. В качестве отражающего объекта использовался стальной шарик диаметром 10 мм. Объект располагался в точке электронного фокуса преобразователя, при этом поперечный размер импульса в фокусе составляет значение, равное 2,8 мм. Результат отражения представляет собой расходящуюся волну со сферическим фронтом. Также были исследованы эхо-сигналы, порождаемые боковыми лепестками, рассеянными на объекте. Интенсивность ультразвука в боковом лепестке приблизительно в 20 раз меньше интенсивности в основном импульсе. Как и при зондировании основным лепестком, хорошо заметна отраженная сферическая волна. Таким образом, была продемонстрирована высокая чувствительность теневого метода, позволяющая визуализировать акустические поля с амплитудой порядка Па.

Для моделирования изменений, возникающих при взаимодействии акустических полей ультразвуковых диагностических преобразователей с биологическими тканями, была проведена серия экспериментов по теневой визуализации ультразвуковых полей с модельными объектами из гелевого материала. Обычно задача распространения ультразвука в средах с неоднородностями акустического импеданса решается при помощи численного моделирования, однако при сложном характере акустического поля и сильно неоднородных средах распространения ультразвука подобный расчет затруднителен. В работе использовались цилиндрический и клиновидный объекты, изготовленные из материала, близкого по акустическим свойствам к биологическим тканям. Было показано влияние присутствия цилиндрического объекта на акустическое поле преобразователя, в частности на поперечные размеры акустического импульса. Было отмечено возникновение вторичных возмущений с цилиндрически расходящимся фронтом. Было исследовано касательное падение ультразвукового импульса на боковую поверхность цилиндра. Было отмечено изменение формы импульса, разделение на две части с одновременным увеличением поперечного размера импульса. Отмечено также появление вторичных волн сложной формы в результате отражения и преломления импульса на границе вода-гель. Измерен угол между первоначальным направлением и направлением распространения преломленного импульса составляет около 3,5°, показано, что данное значение в пределах погрешности соотносится с результатом теоретического расчета. При падении акустического импульса на поверхность клина наблюдается изменение направления распространения импульса, прошедшего через клин, по сравнению с первоначальным. Исходя из геометрии эксперимента и измеренных значений углов распространения преломленных и непреломленных волн были сделаны оценки скорости звука в геле.

Таким образом, в ходе данного эксперимента было наглядно проиллюстрировано влияние простых преломляющих и рассеивающих объектов, имеющих акустические параметры, сходные с параметрами биологических тканей, на распространение диагностического ультразвукового импульса и структуру его акустического поля. Также было показано, что помимо очевидных изменений, вызванных простыми процессами преломления и рассеяния волн, имеются также более тонкие изменения акустического поля, вызванные конечными размерами импульса и неидеальной геометрической формой исследуемых объектов, что позволяет считать данный эксперимент близким к реальным процессам распространения подобного ультразвукового излучения в биологических средах.

В пункте 2.2.5 описаны эксперименты по теневой визуализации акустических полей в непрерывном режиме. В эксперименте использовался источник непрерывного белого света и оптический нож в виде градиентного спектрального светофильтра. Благодаря вышеописанной конструкции оптического ножа, было возможно получать шлиренизображения, зависящие от амплитуды ультразвукового поля. Были исследованы пьезокерамические преобразователи различных форм и частот. Проведенные эксперименты позволили выявить некоторые особенности структуры акустического поля исследованных излучателей, в частности отчетливо заметное боковое излучение, не присущее поршневой моде колебаний, которой обычно упрощенно описывают колебания пластины преобразователя.

Таким образом, было подтверждено, что шлирен-изображения позволяют выявлять особенности тонкой структуры поля, предсказание которых затруднительно без информации о реальном распределении колебательной скорости на поверхности колеблющегося излучателя.

В параграфе 2.3 приведены выводы ко второй главе.

Третья глава посвящена исследованию влияния дискретизации временной задержки в диаграммо-формирующих устройствах диагностических систем на структуру акустического поля, создаваемого многоэлементным диагностическим датчиком и качество фокусировки.

В параграфе 3.1 приводится теоретическое описание модельного эксперимента.

Решаемая задача имеет определенные специфические особенности, состоящие в следующем:

излучение имеет импульсный характер, излучатель имеет многоэлементную структуру, поверхность излучателя может иметь сложную конфигурацию, временная задержка в реальных системах может иметь не любое точное значение, а задаваться с точностью до определенного дискрета. При решении указанной задачи проводилось численное моделирование излучения ультразвуковых датчиков, использующихся в диагностических сканерах. Моделировалась геометрия антенной решетки и отдельных излучателей, вид возбуждающих импульсов, временная задержка возбуждающих импульсов на различных элементах решетки моделировалась с различной точностью. В ходе моделирования рассчитывалось двумерное пространственное распределение акустического поля многоэлементного датчика. Расчет производился методом импульсного отклика. При этом рассчитывалось акустическое давление в каждой точке пространства при заданном профиле скорости на поверхности каждого элемента и функции импульсного отклика излучающего элемента h(r,t). Распределение скорости вдоль поверхности элемента предполагается равномерным. Это приближение для пьезоизлучателей соответствует толщинной моде колебаний и обычно выполняется с хорошей точностью. Функция импульсного отклика задает потенциал при -образном (по скорости) возбуждении излучающего элемента и (t - r - r / c0 ) выражается, согласно интегралу Рэлея, следующим образом h(r,t) = dS, где 2 r - r c0 – скорость звука в среде, - поверхность излучающего элемента. Граничным условием являлось задание профиля колебательной скорости на поверхности каждого i – го элемента в t виде ui (t) = u0 (t - tзад ), где u0 (t) – форма сигнала, заданная как u0 (t) = U0e sin0t, а tзад – временная задержка, которая задается дискретно, т.е. с конечным шагом изменения.

В параграфе 3.2 приведены результаты расчетов. Были рассчитаны поперечные распределения акустического поля для различных многоэлементных датчиков в области фокуса в зависимости от величины дискрета временной задержки. Показано, что уменьшение шага дискретизации приводит к некоторому росту основного лепестка, а уровень бокового излучения изменяется в сторону уменьшения. Было замечено, что существует некоторое значение шага, которое уже не влияет существенно на уровень боковых лепестков. Так, для датчика конвексного типа частотой 3,5 МГц это значение составляет 7-8 нс, а для датчика линейного типа частотой 7,5 МГц – 4-5 нс. Это объясняется достижением адекватной точности фокусировки при заданной длине волны излучения.

Кроме этого, были получены двумерные распределения акустического поля датчика в плоскости сканирования. Затем рассчитывалась диаграмма приема сигнала от точечного рассеивателя, пропорциональная квадрату диаграммы излучения в соответствующую точку.

По этим данным при помощи логарифмирования были построены черно-белые изображения, аналогичные черно-белым картинам ультразвуковых сканеров. Показано, что с увеличением шага дискретизации временной задержки происходит увеличение общего уровня бокового излучения, появляются четко различимые побочные максимумы в виде ложных точек справа и слева от истинного изображения точечного рассеивателя. При нелинейной компрессии принимаемых сигналов (стандартная функция обработки сигналов в ультразвуковом диагностическом аппарате), соответствующий операции повышения контраста, присутствие данных паразитных сигналов грозит потерей полезного сигнала от слабого рассеивателя, если тот расположен близко к основному, или интерпретацией паразитного сигнала как истинного. Сделан вывод о том, что правильный выбор шага временной задержки наряду с аподизацией – умножением сигнала в каждом канале перед суммированием на свой весовой коэффициент, может значительно снизить уровень бокового излучения, тем самым, улучшая один из важнейших параметров диагностической системы – пространственное разрешение.

В параграфе 3.3 приведены выводы к третьей главе.

Основные результаты работы • Создана автоматизированная измерительная установка, на которой впервые реализован метод нестационарной акустической голографии применительно к исследованию колебаний ультразвуковых диагностических источников мегагерцового диапазона частот.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






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