Амплитудная и пространственная динамика параметрического обращения фронта ультразвуковых волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

ОД

1 -/, -мдй

На правах рукописи

БРУСЕВ АНДРЕИ ПЕГРОБИЧ

А1ЯШТГУДНАЯ И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ДИНАМИКА ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО ОБРАЩЕНИЯ ФРОНТА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

Специальность 01.04-.Об - акустика

- АВТОРЕФЕРАТ дассертащн на соискание ученой степвяи кандидата фсзвко-матвматаческвг наук

Москва 1995.

Рабс-тй выполняя» в Знс-тит.ута общ&й финики РАН

Научные руководителя - профессор, .доктор ©га.-мат. нау.ч,

академик Еункня. Ф.В. - кандидат фаз.-мат. наук , старший ЯВуЧННЙ СОТРУДНИК Отр&ДЪЦОВ В.К.

Официальный, оппоненты: - доктор фаз.-мад. назк Лямйвв Л.Ц.

- кан&ндат флг ■■ -мат . Бржкнэ Ю,А.

Зэдуаея организация: - фя&итеегяаг факультет МГУ.

Заари-а посгонгс« " /сР" 1995 г, в^Г чаоо»

на заседании Диесертацаонаого совете Д-ПО3.4Э-0Й в Жчститутв об^ай фа-элки; РАН, Москва, » 38.

О даоовргацкай можно ойавкомятьоя в биФзюгвке Института. Автореферат разослан " " СЫл^А&ЛЛ 1.995 г.

УчьныЗ: секретарь

(-> Г' (ЛТ'ИО^Л-Г^П'Г./ ^ О/.'Г <;

доктор фдг,- мат. нвук СадД/Д^У З.П. 5Н>-ОЕ

т. ОЖЯ ХА?А^7ЕГЙ"ТШг, РАБОТЫ. ____¿КТуЫЬйООТЬ ТЬМЫ.

"-учВ^ГЛ^ ЯГС-^Ч AfSye-^Haq :5.\ „ чт- ■'•"^•T.; s ,

T^.rç.ïffrïx диядиотя J VP ЙЧ»ИЧР«»Т ТЭВЖЯГМ» » ?"НрЭЧЕ>№Н?

H?'-'чнх :!}•• Ян^.ят^.'кчо'-!,

p-iV/r >осан::,внч'ь>А 'f ':B-î-, лл,*.---, •• ••

B&*sr«Gie> AMMJÄJUÖ к ¿той njioíkaÁMbSrféñ, ¿i4ic;-ícHK-tv/iíT;-{ и ^¡¡«.ль „ь

дг» г чаапл а

Актуальное» зс-лздовкяий лг> СШ' ь улг^тргакусуанн .чснч-.-с-,

лпш-нм фундймйнтпль'гшм -'i гфяклндянч эн8чй!«*&м гьау.гьтйт0»

изгугйдовяянй для дисциплин, доуаэдак фазачу пс;-зг.ьнх лр,ач&<ч.чгн ь я ¥«шэ яьрелактчняоетьх! m ярямвн?яия дая соадчнм ЯРВНХ улътрр2за?й£жвх мчтпдпв яоагэдовзння ssspame, -з^рз.-гцря ¿V.Mр.Ч--йу-ОВОЙ TOÎCHirr'rf Л ^Í'-'TO.. гЯСЪМлЬ 37'

¡/'¿Глчуягь-ухв ВС- МгЦ.-.С*ЧГ. ' "•'.УРЧ*. МО^Т дятч л^ГАМН* Трг1>ГЧ.иДА1-ГГ-О.у^^Ч^ЧИл» с. '¿SWfí ТЧЧ чМ ДОЛ' J - й"-

"1~ВЬМл СйоЯСТЯБЧй ~л ЧР7ВСТКЯМЙ.. РСЧ. Sí-? ^ f.' ь • Gif.- ?ÎBV4«

asM^BTSVfnSi« С-МЛстяйчи чгсл>ч-да О^Т-.

Г>р«:,~ -'-rro-AT- -а ^лчо"" •эг-.^ячгЗ • •••'¡•¿дг-'*

р8СЛрГ'0'3,рВК5Нй à фокуетровнй ОбрВ?4&ННТ)Й ВО.ЯЗЧ HS D-ßj-VCT^. рягш^ъ^янич Ч.-.ТС-'чикр п^рка^нпЯ п-. ттн Ъ ^дагродпеЗ, v,v ,-, т» нвпдяг,родяой прада, íb том чяг.та я в *ге.с--ТРЦЖ>аарной ср&дэ), что особэяяо вязло дач ирвдоя&ямй.

Второй одклквд&усъ» в точ, оудострг:-зт гйчйр tasH^eeKHP механизма реедизвцая ОРФ, который "отслышма*'' ïe as». hhhà яга^нрчзя ts"^®^"" фройгя •••лрацп^пк« чг-л" Й

ивсштава врэмзнгг, швволя&т раалгаоичта динамической 3Ï-. ■Такой тлп СВФ .-утЯслрч от яэ,т«т«тчя ^«^шв^ацпг^ я

нласоячваксй голографии, гда форшровеяие обращенной волчн воэдгаяо лишь nnc.í7ft прчшшия голограмм«,. .fea зржгжвдай pssaa

- г -

и то, что динамическое ОЗФ в лринцияв дозволяв; одасврвмвнно с обретением зроиаводить и уоияннив если.

Особу» актуальность имеют исслвдрвяния ло ОЗФ звушвнх водя, Т.К.. В вкусоткв ЛОК8 не. ДООТЛГНУТ ЯВКОЙ Ж6 ШООЯОЙ урПДОпл разработки атой пра&лмн как, яэпрямэр, я атсгичв. ХЬтя к нвс-тоящану врйМйяи яснсч- чалвна© CBJ- >тмййт- доои-аи-ляо

жарантвр л шачожно дач рей^-шул вздов ЭЛйКТргЖГНХхТННТ: И ЙКУ<ИК1?й«г?ИХ ВОСТ. Это О&ЯСНЯо'СЯ «Тй узяверойявнюс -^лйки&мио ОВФ Hbf, и поьгому арйцадс. C3-I дай гого ■32Z инпг-о коикрэетзто тпла вага я фа»мм*<зк»« уодгяктй экрвктэртау&'тч я ч&агдом ozy^s« оноьй ощ&д»лензоЗ сшцйфгкой.

3 ^вотаоетя, ярямш веямстеаэдшв А екуш^у охам и азтасобсв ОЗФ, которые ранее iftmc рявряботбнн и усшшо щямэяйш дня ?л&ктромвгштшх воля, особвнно д-йя световых, ЧИЦЭ всего HS справдеажз. Дело в том, чтг- в сшгячив от сшакя хьрайтарзии деа аяуотдч&окшг i;B&ftovB «кшйшнстаэ ¿зр&д явеявтся ■кгевтнза» отсутствия д-жзи&роаи скорости звука и в?;-*с?тн0й

кврдрв ти-иоЯ яб.гшвййнгнзти. Это приводят к практш»окой вввоа»е»ак>с®к. равлизоввть б зпос орйдах ащуста^втешб йнйдоги оититепких чахвнавшв. шроко штяьзувмнх дзш ОВФ, звпрамвр, HP ЗВУКЕ яда нногсфонзюго В&ззмодййствия, Дошняруэррн щацьосш в этих и других аяашзчгтаых случаях является нелинейное ьвтухеяиз дарах звуковых воет эвкрчки. -Таким образом, яоиок зовых я аффективных «тагобов ре&Еивбцаи. даяеязявского OBI доьурвезукр яштгся ваеьзда якзуашшм.

Другой нктувльной еедечвй, врйзщгазшгьвэв эавчаява дхя

асшгэдовачжч ЛО утагрйэв^кк,

вкшюртмйатвгьза? методов ¿фвюадорхьэтва и аьптк^^д^твькгой двнояотрвцяи «ущеотавения ии&яво ОШ в тех ш иных зрсуэсза;:.

- з -

Учитывая ттростряястванный аспект самого явления ОВФ, заранвэ ясно, что достаточно достоверными их можно считать только в том случае, если они опираются на результаты сравнительного анализе пространственных стуктур обращает® и обращенной волн, Кроме того, только на основе таких методов возможно определение условий, влгошрх на точность воспроизведения водной с обращенным

^ЛКЗЕиГл "СТГ,","'.".-" лмти пм. |-||Йллгл.и иии^«».",,

имеет вольтов значений.

Повшанная для акустики актуальность исследования этого круга вадач определяется также их малой исслвдованностьв двкр для известных махннизшв ОВФ ультразвука.

Цвль работа

- поиск и исследование аффективных способов ОВФ ультразвука, основанных на взаимодействии акустических волн о не акустическими коллективными модами твердого тела, параметры которых могут модулироваться внешними ялектромвгшгганми полями;

- экспериментальное и теоретическое исследование амплитудной и прострадсгванной динамики волн в рааличннх режимах параметрического ОВФ ультразвука.

Неучзвя новизна. В диссертации подучен ряд результатов, яаучнуэ новизну которых отражают следующие

Положения, выносимые на защиту:

1). Предложение, теоретическое и ркслеримантальное обоснование нового способа ОВФ ультразвука с усилением, реализуемого за порогом абсолютной параметрической неустойчивости обращающей среда.

2). Частные решения системы укороченных уравнений о дифракционными и арэмэнннмл поправками, аналитически описывающие

амплитудные искажения при ОВФ гауссовокого пучка в плоско-параллельном слов с однородно модулированной скоростью звука дам догорогового и слабозакратачвского значений аффективной длины параметрического взаимодействия.

3). Создание экспериментальных комплексов, позволивших впервые реализовать запороговый режим ОВФ ультразвука в подикриста лличвском феррите, исследовать основные характеристики а того режима, а такаа получить для обращенной ультразвуковой волны высокие значения интенсивности: и усиления*

4). Экспериментальная реализация в реальном масштабе времени автофокусировки ультразвука на объекты произвольной формы, в том числе .и случайно расположенные, осуществленной за счет звпорогового ОВФ ультразвука, рассвяного этими объектами.

5). Предложение и экспериментальная апробация способе сглаживания угловой неравномерности излучения в жидкость обращенной в цилиндрическом образце феррита ультразвуковой волны без уменьшения ее амплитуда за счет оптимизации кривизны его задней поверхности.

Практическая ценность Полученные в диссертации результаты могут быть полезными :

- как методическая основа для поиска и исследования новых физических механизмов ОВФ ультразвука;

- при создании принципиально новых методов, приборов и устройств, вкспцуатируящих преимущества, даваемые применением в них явления ОВФ ультразвуковых волн, при этом наибольший эффект может быть достигнут главным образом в системах и методах, основанных на измерениях скорости и затухания ультразвука в фазово-нэоднородеюй среда, таких например, как акустическая дефектоскопия и микроскопия, вклтая системы акустического изображения, или там,

где требуется точное новвдвяге""и локализация анергии ультразвука: в медицинской акустической диагностике, терапии, гипертермии и литотрипсии, в ультразвуковых технологических системах и др.;

- для сертификации ультразвуковых систем с ОМ;

- при моделировании процессов неакустического ОВФ.

Адгюбвция и публикации результатов работы я *до«м«1>гмаа* мм < » II

грряняувской конференции по акустике ( Лион, 1990 г.и Аркашон, 1992 г., соответственно ), на 12-ой Европейской конференции по квантовой электронике ( Древеден, 1989 г.)» 19 Всвс. конф. по физика магнитных явлений ( Ташкент, 1991г.), 15 Всес. конф. "Акустоэлэктроинка и физическая акустика твердого тала" (Ленинград, 1991); докладывались и обсуздэлись на семинарах отдела волновых явлений ЙОФРАН, МГУ, }ЖРЭА, ШФРА11, на конкурсе акспвриматналънкх конструкций ИОФРАН 1988г. (III место), на молодежном конкурсе научных работ ЙОФРАН 1985г. (II место); опубликованы в 9 пвчатных работах и одном авторском свидетельства на изобретение (список этих, печатных работ приведен в конца автореферата).

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трах глав и заключения, изложена на 108 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, таблицу и библиографию, включающую 112 наименований.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. Во введении изложены дали работы, обоснована ее актуальность и практическая ценность, дан тематический обаор литературы, представлена структура и краткое содержание диссертации, сформулированы полояеэния я результаты, выносимые на вящиту.

В первой глава излагаются результаты теоретического изучения амплитудных искажений, возникающих при ОВФ акустического пучка в плоско-параллельном слое длины I с пространственно однородной модуляцией р^2Ас(2ш)/сй скорости звука с на двойной звуковой частоте щ=ск. Для описания амплитудно-фазового профиля обращаемой волны использовалось гауссовсков распределение

и+(г1,!55=0)=ийелт5(-г®/аа), как одно из наиболее типичных для многих приложений. Поскольку характер искажений в таких параметрических ОВФ-систвмах, как оказалось, существенно определяется до- или вакритическим значением аффективной длины слоя 1Ц1к1, ати случаи рассмотрены в отдельно.

В §1,1, используя метод медленно меняющихся амплитуд, получена

система укороченных уравнений с дифракционными и временными

поправками, ошшыващая пространстванш-времещув аволщшэ

амплитуд В1 параметрически взаимодвйствущих прямой и+ и обратной

И- волн в рассматриваемом слов {г - продольная координата):

г 1 9 1 а* I д л +* г

-Д.+ — +---- ± --1Г £к+2-ИГ

А Ог 2Ск За2 с ) 8г )

Аналитические решения втой системы искались с граничными условиями, соответствующими отсутствии обратной волны при г-\.

Далее рассматривается нестационарный режим параметрического взаимодействия волн для небольших надкритических значений аффективной длины слоя 1^%/2+в, вгЩ1. В атом приближении, испольауя преобразования Лапласа по времени и Фурье по поперечным координатам, удается получить аналитическув зависимость амплитудных искажений в нарастащей во времени компоненте обращенного пучка от параметров слоя и исходного пучка:

* 1 ка *

- ! -

Видно, что в обращенном путай имеет место слабая временная дефокусировка при сохранения исходного гяуссозсшго профиля.

В §1.2 найдено стационарное решение получвикой в 51.1 системы уравнений, описывавшее связанное распространение гауесовского прямого и отраженного пучков в докржгачвском плоскопярэллвльном параметрическом ОВФ-слое. В аналитическом виде получена

з.а:з2С~;"ст1, вмпли-с у аыи. ° < лптмпт,»

дифракционных параметров ледащего пучка и ковффЕщквнтов усиления в система. Показано, что вдали от порога абсолютной параметрической неустойчивости ^^»Ъ-гёЬ искажения невелики. Вблизи пороге К*имеет место резкая - тангенциальная, зависимость амплитуд фурье-компонент от аффективной длины слоя Ь, вследствие чего в обращенном лучке возникают существенные искажения амплитудного профиля входного пучка. На Рис.1. построены нормированные: кривые для ашлитудного распределения Кк1Г (я-О^фгг /а)/ио в обращенной волне для различных значений аффективной длины Ь при значении дифракционного параметра (ка}а=100. Видно, что хотя с ростом Ь коэффициент преобразования К при СГ® возрастает, одновременно нарастают и вмшш'удаыа искажения в обращенной волне.

- В -

Таким образом показано, что использование систем рассмотренного здесь типа для стационарного обращения волнового фронта акустических пучков оказывается ограничении значением максимального коэффициента их усиления. Величина последнего определяется характерной шириной пространственного спектра пвдвпщего пучка и макисмально-допустимой величиной амплитудных искажений в обращенном пучке.

Вторая и третьи главы диссертации - экспериментальные. Во второй главе приведены результаты исследования амплитудной динамики обращенной волнн, генерируемой в результате эапорогового мвгнитоупругого взаимодействия в никель-кобальтовом феррите.

В . §2.1 описаны экспериментальная установке и ее функционирование в соответствии с эхо-импульсной методикой измерений 113. Установка состоит из трех функциональных частей. Первая часть - ато обычнвя эхо-импульсная схема излучения и регистрации ультразвуковых импульсов. Вторая - система формирования и управления временной задержкой импульсов накачки. Их несущая частота равнялась удвоенному значению частоты ультразвуковых волн. И наконец, третья часть - система формирования, управления и измерения напряженности постоянного магнитного шля подмагничивания Н. Она необходима для мрнодоменизации ферритового образца и управления его магнитозависимыми параметрами.

В §2.2 приведены характеризующие амплитудную динамику обращенной волны данные, полученные для продольных и сдвиговых ультразвуковых волн на описанной в §2.1 экспериментальной установке.

В чаотнооти, вввисимооти скорости с(Н) (Рис.2) и затухания а(Н) продольных (Ь) и сдвиговых (8) волн л (Рис.3) в

поликристаллическом- никель-кобальтовом феррите от напряженности продольного магнитного поля Н показывает, что область значений НгЗОО-бОО Э наиболее благоприятна для параметрической модуляции магнитным шлем упругих свойств среди: в ятой области большая крутизна зависимости с(Н) сочетается выходом зависимости а(Н) на минимальные значения. Рис. 2,3 демонстрирует такта, что

СЛкий'С^й 7-~ "^'"•«тогтоии пиши ^ииий^ -г--^--—^"»»О ТП-ТОЙ к

изменениям магнитного поля, чем продольные.

0.75

0,00

0 1С00 2000 8000 4000 600С

О 100С 2000 3000 4000

Рис.2. Рис.3.

Эта выводц качественно согласуются с полевыми зависимостями яшлитудн сбрзтг^нной тянн (Рис.4) и порога параметрической генерации (Ркс.5):

20

О 200 400 600 ЮО

Рис.4.

200 400 600

ЙГС.5.

Крома втого, на основе нормированных зависимостей амплитуды обращенной волны от длительности (Рис.Б) и амплитуда накачки (Рис.7):

Рис.6. Рис.7,

сделаны следувщав вывода: появление импульса обращенной волны в момент времени 1=1^+2^ (Рис.8) при подаче импульса накачки в момент времени экспоненциальное ( для неслишком больших

уровней накачки) нарастание амплитуда обратного ультразвукового импульса, что соответствует нестационарному решению линейной системы параметрически связанных одномерных уравнений Гй,33; ограничение роста амплитуды обращенного импульса, обусловленное ограниченность!) мощность® накачки и выражающееся в коррелированном с нарастанием амплитуда ультразвуковых волн уменьшении амплитуда импульса накачки (йас.8).

В §2.3 обсуадавтся значения динамических параметров ОВФ ультразвука в ферритах, имещих различия в составе и технологии приготовления.

—Для таких образцов бил провэдзн комплекс измерения слвдулщях характеристик: полевые зависимости затухания и перестройки скорости поперечных и продольных ультразвуковых волн; минимальный порог параметрической генерации; максимальный коэффициент усиления амплитуда обратной сдвиговой шлш; максимальная амплитуда импульса напряжения на нагрузке 50 Ом, соотве.тствущвго с~"™т*тттг —ттт-нпо тзлймя навастанля в

е раз амплитуда обращенной ультразвуковой ио.шы». Г^^^айтсл проявление достаточно общей закономерности в тон, что в ферритах с большей магнитоупругой связки амплитуда обрвтной волны ограничивается сильнее, чем в ферритах с меньшей магнитоупругой связью. Не основе анализа полученных: данных делается вывод о существовании принципиальной возможности синтеза

никель-кобальтовых ферритов с заданным в соответствии с далями ОВФ комплексом параметров, определяющих динамику реализуемого в них запорогового ОВФ ультразвука.

Третья глава содержит результаты исследований

пространственного распределения продольных а сдвиговых ультрпсвуковдх вопя при обращении их фронта в запороговом режима магнитоупругого взатпюдайствия в полукристаллическом никвль-кобальтовом феррите.

В §3.1 приведены экспериментальные результата, полученные с помощью визуализации сдвиговых ультразвуковых пучков в плавленном кварцв л двшнетрирущиэ существование ОВФ ультразвука при запороговом магнитоупругом взаимодействии в никель-кобальтовом феррите. Визуализация поля сдвиговых волн осуществлялась по поляризБЦионно-пптическому методу [41. В качества источника световых импульсов длительностью - 15 не использовалось излучение второй гармоники (V ==П.53 мкм) лазвра типа ЛТИ-ПЧ. Лазерный

пучок с помощыз телескопической систвш расширялся до я&бходнмых размеров. Запуск лазера осуществлялся чврвз генератор регулируемой задержки, дащий возможность в стробоскопическом режиме наблвдать все стадии распространения ультразвуковых импульсов.

Основная цель втого акспвримента состояла в прямой акспериментальной демонстрации того, что в обратной волне, возниквщей в результате запорогового параметрического ОВФ в феррите, наблюдается, как ато должно быть при рВФ, воспроизведение пространственной структуры исходной волны на всех стадиях ев распространения по звукопроводу. Форма звукопровода из плавленного кварца в виде неправильного сегмента диска была выбрана таким образом, чтобы пространственное распределение ультразвуковых пучков изменялось после отражения от цилиндрической (К=2б мм) боковой поверхности звукопровода. К одной из двух плоских граней звукопровода приклеивался пьезоэлектрический преобразователь, а к другой - образец (3.5*7*30 мм) полукристаллического феррита на основе М1Реа0<. Феррит с намотанной на него катушкой находился в условиях, соответствующих оптимальному режиму параметрического взаимодействия для сдвиговых волн, описанных в §2.2. Пьезопреобразователь возбуждал в звукопровода импульсы сдвиговых ультразвуковых волн на частоте 25 МГц в виде параллельного пучка. После отражения от цилиндрической поверхности пучок мвнял свои пространственную структуру, приобретая в плоскости звукопровода вид сначала сходящегося, а затем, после прохождения области фокусировки, расходящегося пучка. Расходящийся пучок до нормали падал на вторув плоскую грань звукопровода в месте, где был приклеен ферритовый образец. Импульс ультразвука, частично

отражаясь от границы, попадал в феррит. В момент вхождения импулься в область под кптузкоЯ, нп лея подавался имцульс накачки двойней звуковой частоты с амплитудой, лревышащей пороговую, в результате чего в феррите развивался параметрический процесс генерации гигантского обращенного ультразвукового импульса. Импульс обращенной волям входил в звукопровед и посла отрвжвлкя | от цилиндрической поверхности попадал на преобразователь, что ' фикоировйлкю». .«« , рзсзрсАрйЗюаля

ультразвуковых импульсов по ввукопроноду в стробоскопическом режиме нвблвдались на акранв визуально, а наиболее характерные изображении - фиксировались фотокамерой.

На основе опиевнной ваше методики была получена серия изображений пространственных распределений акустического пяля, соотва тс твуицях последовательным стадиям распространения в звукопроводе акустических импульсов исходной и обратной волн. Для зримарэ на Рис. 9. скомпонояяны фотографии, ьв которых во зрвмвнной последовательности зафиксирован процесс прохоадвния 'льтразвуковых импульсов через область фокуса: а - ладепщего ¡учка, Ь - обращенного пучка после выхода из феррита, с -овторше прохоаденне обращенного пучка области фокусировки после тражоння от плоской а цилиндрической граней звукопроводе. Видно, то сходящемуся пучку в исходной волне соответствует расходящийся учои в обращенной волне и наоборот. Отчетливо проявляется твкясв такая характерная для ОВФ особенность, как совпадение областей жуезровки дня прямой и обращенной волн, что легко ¡таяйвливается до взаимному расположению изображений звукового ля и неподвижных пятен световой интерференции.

Вместе с тем отмечается, что на полученных изображениях наряду обращенной волной, присутствуют составляющие, не наблщцевшиеся

в исходной водна и, естественно, не сходящиеся в фокус исходной водны. Обсувдается происхождение этих компонент. Учитывая, что для продольных ультразвуковых волн были получены аналогичные результаты, делается вывод о .,том, что в запороговом режиме магнитоупругого взаимодействия в никель-кобальтовом феррите реализуется ОВФ ультразвука со вполне удовлетворительным для пучков с достаточно широким пространственным спектром качеством.

В §3.2 существование ОВФ ультразвука в запороговом режиме магнитоупругого взаимодействия в поликристаллическом никель-кобальтовом феррите по аналогичной §3.1 экспериментальной методике показано на основе визуализации фронтов ультразвуковых пучков, распространяющихся в воде. Визуализация ультразвуковых фронтов осуществлялась теневым методом. Для визуализации ультразвуковых фронтов использовались ультразвуковые волны частотой существенно ниже, чем в §3.1 - 1=6.2 МГц. На Рис. 10,11 представлены соответственно изображения фронтов исходных (слева) и обращенных (справе) ультразвуковых пучков, имещих плоские (Рис.10) и цилиндрические (Рис.11) фронты.

Кроме визуализации фронтов при запороговом ОВФ ультразвука, в§3.2 приведены результаты измерения угловых зависимостей эффективности генерации в жидкость обращенных в цилиндрическом образце феррита ультразвуковых волн. На основе в тих зависимостей можно производить оценку качества зашрогового ОВФ ультразвука, реализуемого в даннном образце феррита для конкретных ультразвуковых пучков, источник которых расположен в вода и волновой фронт которых подлежит обращении. Отмечается, что вид этих кривых существенно определяется конкретной геометрией цилиндрического фврритового обравцв.

В $3.3 приввдвны пврвнв р&зулътатн по ¡экспериментальной демонстрации" возшасяоствй~'зкпоротово1»о~ гго ~ явтофочусировдо-ультразвука нр. рйзличннн об>?ктн, осуществляемой в рояльном масштабе прзменл, В связи с ввжяостьв результатов этих экспериментов для различных лрям&нняий ОВФ ультразвука, они проводились в таких часто встречающихся на практике условиях, когда формв объекта или другие условия отражения или рассеяния

УЛЬТрЯВВУКЯ T4WW4, »1" мЛпм.мячфий -пчГьЧго чиСтЦ 1г»-1,ИжмНпЫч.- Ai.A

рассэяного излучения. Там свмнм, ввранвв не оч&шдао, -.то в таких жестких условиях качественная фокусировки зе счет ORT' окажется возможной.

В качества объекта, ив который доджйз был фокусироваться ойращвнный ультразвуковой импульс, истгольвовелась стеклянная мишень в форме полусфер* радиуса В-.-.5 мм. Ультразвуковой импульс длительность» мкс излучался в ярпрявлент этого обьяч-та

ПЬВЭОКРрЕМИЧбСКИМ преобразователем диаметром мм.

Преобразоввтатгь а объект располагались в басс.ьйяе ян едином подвижном держателе. Поворот держателя вокруг оси позволяв: перемещать объект вместе о облучавшим его дъбэоирвобрэаоватвл&гл относительно нормали к торцевой поверхности лмряч-^трлчески активного элемента диаметром 36 мм и длиной 15" чм в определенных пределах. Частота накачки внбиралась равной удвоенному вввчанию несущей чястотн ?=5Т7 МГц ультразвуковых волн. Длительность накачки изменялась в пределах 7П-1ПП мчс. ймплитудв накачки более чем в 2,5 рааа ггрвввп'-яяй зчвчеше. сштввтствунцэв порогу абсолютной параметрической неустойчивости гагштоупругих волн в феррите. Визуализация звукового поля эоущвотвлялвоь в отробоокоптавоком режиме теяввнм методом. Зулввой порядок дифракции Рамвна-Ната специально перекрывался

точечным экраном не полностьш для того, чтобы прошедшие лучи сформировали изображение рассеивающего объекта. В атом случае его можно было легко наблюдать одновременна с изображениями ультразвуковых полей. Полученная картина визуально наблюдалась на плоском экране и регистрировалось о помощью видеокамеры. Приведенные далее фотографии сделаны с акрана видеомонитора в режиме стоп-кадра.

Результат визуализации ультразвукового импульса, излучаемого ферритом в воду вследствие эффекта ОЗФ части рассеяного излучения, приведен на Рис.12. Светлая область в форме полумесяца, расположенная справа на атом и последуищем изображениях, образовалась из-за неполного перекрытия нулевого порядка дифракции. Олвва эта светлая область ограничена зоной тени экрана, а справа - краем апертуры лазерного пучка. Таким образом, изображения объектов получались в вддв темных пятен на светлой области, а ультразвуковых полей - в виде светлых областей на фоне тени вкранв. На Рис. 12 отчетливо видна фокусировка обращенной волны на объект. В полном соответствии с динамическим характером используемого режима параметрического ОВФ сохранение эффекта фокусировки наблюдалось независимо от углового положения объекта в определенном объеме. Такое свойство фокусировки и дает основание для использования термина " автофокусировкв".

Еще более яркой и наглядной демонстрацией этого аффекта является реализация автофокусировки ультразвука на всплывапциа в водв пузыри воздуха. В атом случав условия постановки эксперимента, оказываясь еще более жесткими, в то же время является наиболее "чистыми", т.к. практически исключают возможность вмешательства оператора. Главное та этих условий -случайный характер пространственного распределения, движения и

рассеяния ультразвука такими динамичными объектами, как вспшвялщяе пузыря. Кроме- того, ~ эксперименты по эвтофокупировк?» на такие объекта принципиально отличаются от всех ранее выполненных там, что с помощью за достаточно короткое время и простыми средствами позволяв« убедиться в существовании обращения для широкого спектра всевозможных амплитудно-фазовых распределений ультразвуковых полей. Поатому и результаты

аЖ1А1ЬрйМЬН:1'0й ¿Ц> иииЫ]ЬН)и] чдлт ! г* мгаЛг» I

ультразвуковых полей обладают гораздо большей общностью я

ЦВННОСТЪЯ).

Схема проведенного эксперимента осталась прежней за исклговниэм того, что место стеклянной полусферы заняла воздушная форсунка, через которуэ в воду подавался поток воздуха. При включении поля накачки во время распространения по объему параметрически активной зоны феррита ультразвука, рассаяного пузырями, в пространственной области между потоком пуз^ф&й и гарцом феррита наблюдалось интенсивное излучение обращенных 1 льтразвуковых импульсов. Характерные изображения распределения ктвнсивноствй обращенных воли аокаааны яа Рис.13. Сл. наглядно эмонстрирует фокуоартвку нож на пузыри, ряссвяшн от ксторнт одверглось операции ОВФ. Видно твккй, что фокусировка вализувтся сразу на насколько пузырей, имеющих различное угловое радиальное положение, что подтверждает ее "автоматический" эрактвр. Таким образом, получение втях результатов обосновывает жнциотальнув возможность использования запороговпгп режима ОВФ ограниченных ферритовых образцах для ялтофокуснровки гьтрязвука в условиях, когда лишь малая -часть ряссеяного сектами излучения подвергается операции ОВФ. В §3.-4 рассмотрены различные способы повышения качества ОВФ вя

счет уменьшения неравномерности угловых зависимостей эффективности генерации в жидкость обращенных в цилиндрическом образце феррита ультразвуковых воли. Анализируются возможные причины большой величины указанной неравномерности; и предлагается основная идея ее уменьшения. Она состоит в том, чтобы до того, как выполнять операцию ОВФ, осуществить преобразование пространственного спектра подлежащей обращению ультразвуковой волны. Зад этого преобразования должен быть твким, чтобы угловая зависимость эффективности ОВФ преобразованного ультразвукового поля была более слабой, чем у паданцего поля. Рассматривается два характерных примера экспериментальной реализации этой идеи. В одном случав преобразование спектра осуществляется с помощь® фазовой пластины, помещенной на входной торец ферритового образца. На Рис. 14 построены соответствующие угловые зависимости для образца без фазовой пластины и с фазовой пластиной. Видно, что хотя вффект выравнивания достаточно сильный, однако, он сопровождается значительным уменьшением коэффициента преобразования при ОВФ.

Рис.14. Ряс.15.

Другой экспериментально реализованный вариант уменьпюии неравномерности угловой зависимости эффективности генерации

гздкость обращенных ультразвуковых волн состоит в реализации необходимого преобразования на »«днем торце"" цилиндрического ферритового образца. В атом случав могаитняя параметрическая накачка включается после того, как обряща&мэя волна отразилась от пндпото торца феррита. Результат представлен на Рис.15. Подъем ! угловой характеристики 03Ф-преобразования в области центрального минимума и одновременно его сужение произошло при сохранении максима «ыи;гй урхпл гтгтт^н. •сяк™ тлняпйч.

что достаточно аффективное выравнивание угловой зависимости коэффициента преобразования при ОВФ ультрвввуковых волн в жидкость возможно, а реализованные варианты такого выравнивания уже позволяют сделать наиболее адекватный для тех шея иных случаев выбор способа выравнивания.

в Заключении диссертации о^ормулироваш основные вывода, сделанные по материалам настоящей диссертации.

1). Аналитически иссладовнны амплитудные искажения пр-д ОВФ гауссовского пучка в плоско-параллельном слов с пространствекно-однородаой модуляцией скорости звуке. Покапяно, что характер амплитудных искажений в обращенной воляь качественно различен в стацконерлом допороговом я нестационарном слабозвкритачвском режимах обращения, -арячем только в последнем режиме малость искажений сочетается с заметным усилением обращенной волны.

2). Создана эксперименте льная установка, содержащая, в частности, два оригинальных влвментд: мощный импульсный ЗЧ-усшштель • и адарокоашртурвий лашфиствяличвсзей зикаль-кобальтовый феррит, что позволило не только ясодйдорять зсновшй характеристики ймшгатудаой ж пространственной динамики шпорогового ОВФ ультразвука, реализуемого в ф&рритовом образце»

но и получить рекордные для обращенной ультразвуковой волны значения усиления и интенсивности, превышающие соответственно 100 дБ и 100 Вт/см1.

3). Экспериментально продемонстрирована возможность реализации в реальном масштабе времени автофокусировки ультразвука на объекты, в том числе и случайно расположенные, осуществляемой за счет запорогового ОВФ ультразвука, рассеяного этими объектами.

4). Предложен и экспериментально реализован способ сглаживания угловой неравномерности излучения в жидкость обращенной в цилиндрическом образце феррита ультразвуковой волны без уменьшения ев амплитуда за счет оптимизации кривизна его задней поверхности.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Брысев А.П., Бувкин Ф.В., Власов Д.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л., Стаховский А.Д. Параметрическое обращение фронта ультразвуковой волны в феррите. Акуст.&урн., 1988, т.34, в.6, с.1120-1122.

2. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Власов Д.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л., Стаховский А.Д. Регенеративный режим усиления звуковых волн с обращением волнового фронта в феррита. Акуст.журн., 1988, Т.34, в.б, с.986-990.

3. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Власов Д.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л., Пылънов Ю.В., Стаховский А.Д., Экономов H.A. Оптическая регистрация шля параметрических фоношв в регенеративном режиме ОВФ звука в магнетике. Труды 12-ой Европейской конференции ш квантовой электроника. Дразеден, 1989, т.2, 0.241.

4.. Авт. СВЯД. Ä 1753S38 (ПССР). Способ обращения фронта ультразвуковых волн с усилением.- КОФ АН CCGP, ШРЭА, авт. Брысвв

A.ГГ., Бункин Ф.В., Власов Д.В., Крутянский Л.М.., Преображенский

B.Л., Пнльнов C.B., Статовпктй А.Д., Экономов H.A. Пвлвл. 1D.D1.90. % ¿780909/22, опубл. В Б Л. 1992, J529.

5. Брысвв А.П., Стрельцов В.Н. Амплитудные искажения обрящэттой волны при нестационарном еапорошвом распространении

1 ччVI'.(UiНе."î ь пучим H «»¿»(¡тя'чмитЫ tujua unw. ibùai'ziîin ииишиздлп 1 lu

физике, 1991, Jï1, с.9-12.

6. Брысвв А.П., Стрельцов В.Н. Стационарное распространение гауссовского пучка в параметрическом слое ОВФ. Краткие сообщения но физике, 1991, Я 5, с.33-36.

7. Втузе? А.P., Strel'tsav Т.К. The amplitude-phase distortion at the parametric, sound wave conjugation. Suppl. an Journ. de Physique 111. M, Colloque C1, v.2, Avril 1992, p. r.1-903, c1 -906.

8. Брысвв А.П., Вуякян Ф.В., Власов Д.В., Крутянский Л.«., Преображенский В.Л., Пнльиов Ю.В., Стаховсяий А.Д., Зксдамов H.A. Пространственное распределение поля продольной ультразвуковой волга при параметрическом обращении фронта в феррита. Акуст.яурн., 1990, т.ЗБ, в.1, с.166-160.

9. Вгуаеу А.Р., Burikin F.Y., Ekonomov N.A., RrtiîiansRy Б.M., Preohrazhensky V.L. , Pyl'nov II.Y. , Stachovalîy A.B. , Ylasov D.V. Giant regenerative amplification with sound wave phase conjugation in ferrite. Colloque de Physique, suppl. Л 2, v.51,

February 1990, p. c2-T3 - C2-76.

lO.Bryaev A.P., Bunfcin ?.V., Vlasov Б-V., Stafchovsfcy A.D., Strel'tsov Y.N., Krutianaky L.M., Preotoraztiensky V.L. , Pyl'nov V.Y.f Efconomov N.A. Some recent findings on acoustic phase conjugation in parametric media. Optic. & A const. Rev., 1990, y.1, JB1, p. 107-120.

П.Брысвв А.П., Бункин Ф.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л., Пыльшв Ю.В., Отаховский А. Д., Экономов Н.А. Параметрическое обращение фронта продольной ультразвуковой волны в феррите. В кн.: Таз. Докл. 15 Всес. конф. "Акустозлвктроника и физическая акустика твердого тела". Л., 1991, ч.1,е.47-48,

12.Брысвв А.П., Бункин Ф.В., Крутянский Д.М., Преображенский В.Л., Пшшнов D.B., Стаховский А.Д., Эконошв Н.А. Обращение фронта звуковых волн за порогом параметрической неустойчивости в феррите. В кн.: Тез. Докл. 19 Всес. конф. по физике магнитных явлений. Ташкент, 1991, ч.1,с.70.

13.Brysev ¿.P., Bunkin F.7., ERononiov N.A,, KrutianaKy b.lf., РгеоЬгагЬепзку V.b. , pyl'nov U.7. , StaMiovaky A.D. Observation of ultrasonic wavea in liquid under overthreshold parametric phase conjugation in ferrite. Physics Letters A, 1932, v.164, p. 196-200.

14-Вгузеу A.P., Bunkin ?.Y., Ekonomov N.A., Rrutianaky L.M., Preobrazbensky V.b. , Pyl'nov U.V. , StacXiovsky АЛЗ. Emitting of phase conjugate ultrasound wave into liquid by parametrically excited ierrite. Jorn.de Physique 17, Coll.01 , 1992, v.2, J64, p.CI-895 - 01-898.

'5.Врыс*й k.Z., Вуякнн ' Ф.В."7"~!Срутяягт!й—.7;Mrr- ТТрлпйрйжвнсяяа.

В.Л., иыдъаов D.H., Сгнхорпснй А.Д. Автгфпкусирпв.ч,- ультразвука не случайно распределенные рассеивающие объекты в жидкости с "ломсяцкэ параметрического обращения волнового фрахта. Письма в ?ЗТФ, T.Ci . в.G, о, tfj.i-4.5e.

1г. т?пнсав А.Л., Вуякли Ф.В., Крутянпчий Л.М., Преображенский Ь.л., Лн/тииа Г.П., ^^гл^^чл и.„. Глыл*«¿pnsr::-Франта ультразвуковой шяаы, раесеянай на твердом тадй в жадкости» йа». Российской »кед. наук. Сар. фяа.ДГрих".: Фийяти? колебаний. ( BRAS Pbjfsics/ Sappl. ?Uysics oi Viftratiom ), 1995, 7. 59, .41» С.4П-46.

Т^итярувмэя лггзрйтурв, ^. -Трузля Эльбаум И., Чшг В. УлчтрЕавукоша ч&тодн н фяяжге твердого теля. М. ,?.top, *?72, 3D7 г..

ВоЪго?? 3.L., Иаця Я.*. Ijnpilsft г^чр.>пай af hc.tIva couplf-fl vhv«? зузrercs. J. Appl. Pliys., 1967, v.3S, А "« p.^-iu?. ?. Гарбунсй Л.М. а теории яйоо.-латных параметрически? геуетойчивоети. ЖТФ, 1977, ».¿7, с.36-43, . Грегуш П. Звуковидйниь. ifep. г яягдг. М., «.»яр, <ае=>. с.

VN

he. 4L