Диагностика потоков жидкостей методом обращения волнового фронта ультразвуковых волн

Смагин, Николай Владимирович

Диагностика потоков жидкостей методом обращения волнового фронта ультразвуковых волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Смагин, Николай Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Диагностика потоков жидкостей методом обращения волнового фронта ультразвуковых волн»

Автореферат диссертации на тему "Диагностика потоков жидкостей методом обращения волнового фронта ультразвуковых волн"

На правах рукописи

СМАГИН НИКОЛАИ ВЛАДИМИРОВИЧ

ДИАГНОСТИКА ПОТОКОВ ЖИДКОСТЕЙ МЕТОДОМ ОБРАЩЕНИЯ ВОЛНОВОГО ФРОНТА УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН

Специальность 01.04.06 Акустика (физико-математические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

□0348940 1

Москва 2009

003489481

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат физико-математических наук Пыльнов Юрий Владиленович доктор физико-математических наук Быков Владимир Павлович кандидат физико-математических наук Хохлова Вера Александровна

Ведущая организация:

Институт радиотехники и электроники Российской академии наук (ИРЭ РАН)

Защита состоится " ли 'ЛМэ^лА 2010 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д-002.063.01 в Институте общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) по адресу: 119991, Москва, ул. Вавилова, 38. №>U£p£fUUy

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук.

Автореферат разослан "

2009 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д-002.063.01 доктор физико-математических наук

И. А. Маслов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Измерение скорости (велосиметрия) потока жидкости является актуальной задачей для приложений в медицине, промышленности и научных исследованиях, которая в большинстве случаев может быть решена при помощи ультразвуковых методов. Основными их достоинствами являются, прежде всего, неинвазивность по отношению к потокам (отсутствует необходимость помещать датчики или зонды непосредственно в жидкость) и высокая точность. Кроме этого, ультразвуковое излучение не является ионизирующим, что важно с точки зрения медицинских приложений.

Широкое использование ультразвуковых волн в велосиметрии потока жидкости началось в 1960-х г.г., тогда же были предложены основные методы измерения, успешно применяющиеся и в настоящее время. Так называемый времяимпульсный или фазово-импульсный метод основан на измерении разности временных задержек распространения ультразвуковой волны попутно и встречно потоку. В доплеровском методе скорость потока определяется по смещению частоты ультразвукового излучения, рассеиваемого захваченными движением среды частицами. В 1970-х г.г. был предложен корреляционный метод измерения скорости жидкой среды, содержащей рассеиватели. Он основывается на отслеживании перемещения участка эхо-сигнала от группы рассеивателей во временной области по максимуму корреляционной функции. Корреляционный метод обладает лучшими по сравнению с доплеровским методом быстродействием и точностью, а также рядом других важных преимуществ. По этой причине он применяется в большинстве создаваемых в настоящее время медицинских аппаратов ультразвуковой диагностики сердечно-сосудистой системы.

Как показывают исследования последнего времени, для измерения скорости потока жидкости может быть использован эффект обращения волнового фронта (ОВФ). Под ОВФ понимают такое преобразование волнового поля, при котором направление распространения волн меняется на противоположное с сохранением первоначального распределения амплитуд и фаз. Возможность его осуществления в недиссипативной среде обуславливается инвариантностью волнового поля по отношению к смене знака времени. В движущихся средах данная инвариантность нарушается, что приводит к появлению некомпенсированного фазового сдвига обращенной волны, величина которого зависит от скорости потока.

Этот эффект рассматривался, в частности, применительно к гидроакустике мелкого моря с использованием техники обращения времени. К достоинствам многоэлементных систем обращения времени следует отнести отсутствие ограничений на вид обрабатываемых акустических сигналов и возможность целенаправленного корректирования амплитудно-фазового распределения переизлучаемых акустических пучков. Рабочая частота созданных систем достигает 5 МГц, при этом дальнейшее её увеличение сопряжено со значительными техническими трудностями, следует также отметить, что такие устройства являются очень сложными и дорогостоящими.

Альтернативным методом, используемым на практике для получения эффекта ОВФ ультразвуковых пучков, является параметрическое фазовое сопряжение в активных магнитно-акустических материалах. Существование режима ОВФ за порогом абсолютной неустойчивости ультразвуковых волн в твердом теле позволило получить гигантское усиление обращенной волны (превосходящее 80 дБ для магнитострикционной керамики). Нижние рабочие частоты устройств ОВФ данного типа составляют от единиц до десятков мегагерц, при повышении частоты эффективность ОВФ-

преобразования повышается, что ограничивает верхний частотный диапазон факторами практической и технической целесообразности реализации систем в диапазоне сверхвысоких частот. Магнитоакустические системы ОВФ работают с квазимонохроматическими звуковыми пучками, их отличает простота и невысокая стоимость.

Возможности применения явления параметрического ОВФ в велоси-метрии и диагностике потоков в актуальном для приложений частотном диапазоне единиц и десятков мегагерц до настоящего времени оставались неисследованными. Этот метод позволяет задействовать преимущества, предоставляемые эффектом ОВФ, такие как компенсация фазовых искажений и восстановление исходного распределения акустического поля на источнике излучения, что делает возможным проведение измерений в сильно неоднородных средах. Высокая интенсивность обращенной волны при параметрическом фазовом сопряжении позволяет распространить методы ОВФ в область нелинейной акустики, возможность использования принципов которой в ультразвуковой велосиметрии потоков в настоящее время практически не реализована.

Таким образом, развитие современных эффективных методов обращения волнового фронта ультразвука и потребности в совершенствовании средств ультразвуковой велосиметрии потоков обуславливают актуальность исследования ультразвуковых волн с обращенным фронтом в движущихся средах и разработки методов диагностики потоков на основе ОВФ.

Цель работы

Изучение процессов распространения ультразвуковых волн с параметрически обращенным фронтом в движущихся нелинейных средах и демонстрация возможных применений обращенных ультразвуковых волн для

велосиметрии потоков жидкости. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

1) Разработка теоретической модели нелинейного распространения обращенных ультразвуковых волн в движущейся среде.

2) Создание экспериментальной установки и проведение экспериментов по измерению скорости потока жидкости с помощью параметрического обращения волнового фронта ультразвуковых пучков. Сравнение полученных данных и результатов численных расчетов, выполненных в соответствии с разработанной моделью.

3) Исследование нелинейных эффектов, возникающих при распространении и взаимодействиях обращенных волн в движущейся среде, таких как генерация высших гармоник и комбинационное рассеяние звука на звуке.

4) Исследование возможности применения нелинейных эффектов для повышения точностных характеристик акустических систем велосиметрии потоков жидкости.

5) Разработка демонстрационных макетов измерителей скорости потоков для технических и биомедицинских приложений.

Методы исследования

Для решения поставленных задач применялись аналитические методы нелинейной акустики на основе обобщенных уравнений Вестерфельда и Хохлова-Заболотской-Кузнецова, а также методы численного интегрирования систем дифференциальных уравнений нелинейной геометрической акустики.

Научная новизна работы. В работе впервые:

- экспериментально исследованы процессы распространения ультразвуковых волн с параметрически обращенным фронтом в движущихся средах;

- экспериментально и теоретически исследована генерация акустических гармоник параметрически усиленной обращенной волной в жидкости с неоднородно распределенными потоками;

- экспериментально реализовано комбинационное рассеяние акустических гармоник нелинейных фазово-сопряженных волн в движущейся жидкости;

- разработаны схемы и созданы лабораторные макеты систем велоси-метрии и диагностики потоков жидкости на основе параметрического обращения волнового фронта ультразвука.

Практическая ценность работы

1) Результаты исследования распространения волн с обращенным фронтом в движущихся средах могут служить основой для разработки методов ультразвуковой велосиметрии в технических и биомедицинских приложениях.

2) Уникальная способность обращенных волн восстанавливать первоначальное распределение фазы на источнике излучения может быть использована для создания многоотражательных схем промышленных расходомеров.

3) Разработанные алгоритмы численного моделирования распространения и генерации гармоник обращенной волной могут использоваться в диагностике и акустоскопии сред с неоднородно распределенными потоками.

4) Нелинейные режимы распространения обращенных волн могут использоваться для повышения чувствительности и разрешающей способности аппаратуры ультразвуковой диагностики потоков.

5) Разработанный метод одновременного измерения скорости потока и концентрации смеси двух жидкостей может найти применение в промышленности для оценки содержания жидких примесей в трубопроводах.

Положения, выносимые на защиту

1) Теоретическая модель распространения ультразвуковых волн с обращенным волновым фронтом в неоднородно движущихся средах, основанная на обобщенных уравнениях Вестервельта и Хохлова-Заболотской-Кузнецова, позволяет рассчитывать амплитудно-фазовые распределения основной и второй гармоник обращенной волны, распространяющейся в среде, содержащей потоки.

2) Данные экспериментальных измерений некомпенсируемого фазового сдвига гармоник параметрически обращенной волны, распространяющейся в жидкости в присутствии ламинарных и вихревых потоков и затопленной струи позволяют восстанавливать распределение скорости жидкости в потоке и получать изображения поля скоростей в потоках.

3) Результаты экспериментальной регистрации фазовых сдвигов второй гармоники обращенной волны и низкочастотной компоненты комбинационного рассеяния фазово-сопряженных волн в движущейся среде демонстрируют повышение чувствительности измерений к скорости движения среды с ростом номера гармоники и увеличение отношения сигнал/шум при анализе фазы низкочастотной компоненты.

4) Применение техники параметрического ОВФ в ультразвуковой вело-симегрии позволяет создавать многопроходные схемы расходомеров жидкости с повышенной точностью измерений.

5) Результаты экспериментальной регистрации фазового сдвига обращенной волны и измерения скорости тока жидкости в биологической ткани «in vitro» демонстрируют принципиальную возможность измерения скорости кровотока с помощью ОВФ без использования рассеяния ультразвука на глобулах крови.

6) С использованием техники ОВФ реализуем метод одновременного измерения скорости потока жидкости и относительной концентрации взвешенной примеси в потоке.

Апробация результатов работы

Результаты работы по теме диссертации докладывались на Международной научно-технической конференция «Молодые ученые - 2005», (Москва, сентябрь 2005), Международном симпозиуме по ультразвуку IEEE UFFC 2005 (Роттердам, сентябрь 2005), Международном конгрессе по ультразвуку Ultrasonics 2007 (Вена, апрель 2007), 19-м Международном акустическом конгрессе 19th ICA (Мадрид, сентябрь 2007), Международной конференции «Функциональные материалы» (Партенит, октябрь 2007), Международной конференции Acoustics'08 (Париж, июль 2008), Международном симпозиуме по нелинейной акустике ISNA 2008 (Стокгольм, июль 2008).

Публикации

Результаты, составляющие основу диссертации, представлены в 20 публикациях, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из 5 глав, каждая из которых включает краткое введение и выводы. Общий объем диссертации составляет 136 страниц, включая 64 рисунка и 4 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 105 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава носит обзорный характер, в ней проводится анализ современного состояния ультразвуковой велосиметрии (измерения скорости) потоков жидкости, обсуждаются основные достоинства и недостатки ультразвуковых измерительных методов, а также границы их применимости. Рассматривается эффект обращения волнового фронта в акустике, различные способы его реализации и практические приложения. Показана актуальность применения метода обращения волнового фронта ультразвука для велосиметрии потока жидкости и перспективность разработок измерительных устройств на его основе.

Вторая глава посвящена теоретическим исследованиям распространения обращенных волн в движущейся нелинейной среде. В параграфах 2.1 и 2.2 в рамках нелинейной геометрической акустики (НГА) проводится построение математической модели распространения обращенных волн в движущейся среде. Для параксиальных пучков нелинейные уравнения гидродинамики в среде, движущейся со скоростью V, относительно медленной по сравнению со скоростью звука с, могут быть сведены к уравнению типа Хохлова-Заболотской-Кузнецова:

дт

др_ _ у^ар дг сг дт

с 8г дт 2 1 2р0с3 дт2 р0с4 дтъ ' ^ ;

где Р - акустическое давление, /?, р0 и Ь - соответственно нелинейный параметр, плотность и вязкость среды, т=1 +г!с, = с^/дх2 + д2/ду2 - Лапласиан в плоскости, перпендикулярной направлению распространения звукового пучка. Верхний и нижний знаки соответствуют прямому и обратному распространению волн.

Рис. 1. Схема проведения диагностики потоков при помощи ультразвуковых волн с обращенным волновым фронтом.

Уравнение (1), может быть сведено к замкнутой системе обыкновенных дифференциальных уравнений НГА. Для велосиметрии потоков представляют интерес сфокусированные звуковые пучки, т.к. с их помощью возможно проводить локальную диагностику распределения скоростей (рис. 1). Для моделирования сфокусированного зондирующего пучка система уравнений НГА была дополнена граничными условиями, моделирующими ОВФ-преобразование падающей волны. В такой постановке созданная математическая модель позволила проводить численное моделирование фазовых изображений потоков, получаемых в экспериментах.

В параграфе 2.3 обсуждаются нелинейные эффекты, возникающие при распространении обращенных волн высокой интенсивности в движущейся среде.

В пункте 2.3.1 рассмотрен эффект генерации высших гармоник обращенной волны. Как известно, в случае неподвижных сред каскадная генерация высших гармоник обусловлена фазовой синхронизацией, при которой фаза высшей гармоники кратна фазе основной с коэффициентом, равным номеру рассматриваемой гармоники. На основе уравнения (1) было показано, что данный принцип остается справедливым в случае движу-

щейся среды. Таким образом, регистрация некомпенсированного фазового сдвига высшей гармоники обращенной волны позволяет увеличить чувствительность измерения пропорционально номеру используемой гармоники.

В пункте 2.3.2 рассмотрено применение эффекта генерации волн комбинационных частот. Показано, что фазовый сдвиг волны разностной частоты (стоксовой компоненты) <р, генерируемой при комбинационном рассеянии попутно распространяющихся высокочастотных обращенной и опорной волн, содержит в себе фазовый сдвиг обращенной волны:

V V

Ф = (р]-<р2=А<М-1Жг~АМ--2к1с1-> (2)

где 0)1 и ш2 - соответственно частоты обращенной и опорной волн, к\,к2-их волновые векторы, Д со-со\- со г, Ак-к\-к2- частота и волновой вектор волны стоксовой компоненты.

Точность цифровой регистрации сигналов и, соответственно, точность измерения их фазы возрастает с понижением частоты. Помимо этого, волны низших частот имеют меньшее поглощение при распространении в вязкой теплопроводной среде. Таким образом, использование низкочастотного изучения, генерируемого при нелинейном взаимодействии фазово-сопряженных волн, может позволить повысить отношение сигнал/шум при измерении скорости потока и глубину зондирования движущейся среды.

Эффект низкочастотной генерации может быть использован и для высших гармоник взаимодействующих волн, что позволит дополнительно увеличить чувствительность измерений пропорционально номеру используемой гармоники.

В заключительном параграфе приведены выводы к главе 2.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований потоков различных видов. Измерения проводились на эксперимен-

тальной установке, описанию которой посвящен параграф 3.1. В параграфе описана функциональная схема установки, приведены основные метрологические характеристики и параметры используемых приборов. Исследования потоков проводились в емкости с водой, в которую была помещена конфокальная система, образованная ультразвуковым преобразователем и устройством ОВФ (рис. 1). Анализ потока жидкости проводился в фокальной области системы. Конструкции, содержащие поток жидкости (трубки) или создающие его (вращающийся диск, форсунка) устанавливались на двухкоординатной системе позиционирования, что дало возможность получать акустические изображения потоков.

В параграфе 3.2 приведена методика измерения скорости потока жидкости по величине ее расхода в единицу времени. Данная методика использовалась для проверки достоверности результатов измерений, получаемых методом ОВФ.

Параграф 3.3 объединяет в себе результаты экспериментальных исследований потоков различных видов, а также результаты численного моделирования фазовых портретов, получаемых при пространственном сканировании рассматриваемых потоков.

В пункте 3.3.1 приведены результаты регистрации фазового сдвига в изогнутой трубке, содержащей встречные потоки. В трубках с противоположными направлениями течения фазовый сдвиг обращенной волны меняет знак, что свидетельствует о способности рассматриваемого метода детектировать направление потока.

В пункте 3.3.2 рассматривается случай ламинарного течения жидкости в трубке, экспериментально получен профиль распределения некомпенсированного фазового сдвига обращенной волны в поперечном сечении трубки (показан при помощи точек на рис. 2), осуществлено численное моделирование фазового портрета, получаемого при сканировании лами-

нарного потока с параболически распределенным профилем скоростей в условиях, аналогичных экспериментальным. Полученные результаты расчета согласуются с экспериментальными данными (сплошная линия на рис. 2) и позволяют сделать вывод о достоверности теоретической модели распространения фазово-сопряженных волн, представленной в параграфах 2.1 и 2.2.

0,20 0,150,10 0,05 0,00 -0,05

;

х (см)

-0,4 -0,2 0 0,2 0,4 Рис. 2. Зависимость фазового сдвига обращенной волны (А<р) от смещения трубки (х).

В пункте 3.3.3 исследуется поток жидкости в трубке, содержащей сужение. Исследование подобных течений актуально в медицинской диагностике сосудистого стеноза. На полученных двумерных изображениях наблюдается ускорение потока в области сужения, что согласуется с гидродинамическим принципом неразрывности струи.

В пунктах 3.3.4. 3.3.5 приведены результаты экспериментальных исследований в трубках, содержащих сужения различных видов. Рассматриваются различные особенности потоков, вызванные специфическими граничными условиями протекания жидкости, в частности, появление зон инверсного течения в трубке с резким сужением, которое обсуждается в пункте 3.3.4.

В пункте 3.3.6 описаны результаты экспериментальных исследований вихревых потоков, создаваемых вращающимся диском. На основе течений данного вида показано, что созданная теоретическая модель распространения фазово-сопряженных волн в движущейся среде позволяет проводить моделирование поля скоростей в потоках, для которых на настоящее время не существует точных аналитических методов расчета.

В пункте 3.3.7 приведены результаты исследования затопленной струи. Проводится сравнительный анализ фазовых изображений потоков, полученных экспериментально и при помощи численного моделирования распространения обращенной волны. При проведении численного моделирования использовалось рассчитанное методом конечных элементов распределение скоростей потока в струе. Отмечено некоторое отличие данных, полученных различными способами, что объясняется значительной турбулентностью потока.

В заключительном параграфе сформулированы выводы к главе 3.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям нелинейных эффектов, возникающих при распространении обращенных волн в движущейся среде.

В параграфе 4.1 исследуются особенности генерации второй гармоники обращенной волны в движущейся среде, обусловленные рефракцией звука в области потока. Аналитически, численно и экспериментально показано, что движение среды оказывает влияние на фокусировку ультразвуковых пучков и приводит к измерению отношения амплитуды второй гармоники к амплитуде первой. В экспериментальных условиях данный эффект проявился несущественно (не более 1 %). Проведению измерений при скоростях потока, превосходящих 1-2 м/с, препятствовало образование турбулентного движения среды, при котором течение жидкости становится

нестационарным, что делает невозможным сравнение экспериментальных данных с расчетом в рамках стационарной модели.

Параграф 4.2 посвящен экспериментальной проверке теоретических выводов параграфа 2.3. Объектом исследований являлась затопленная струя. На рис. За точками представлены результаты измерения фазового сдвига обращенной волны частотой 10 МГц. На том же рисунке линией представлен результат аналогичного измерения фазы низкочастотного излучения частотой 1 МГц, полученного при взаимодействии обращенной волны с опорной волной частотой 11 МГц. Зафиксировано уменьшение уровня шума примерно в 2 раза.

Рис. 3. Распределение фазового сдвига различных ультразвуковых волн в поперечном сечении струи: линии - измерения на разностной частоте; точки - измерения на высокой частоте.

Как следует из данных измерений фазового сдвига второй гармоники обращенной волны, представленных на рис. 36 точками, чувствительность измерений по сравнению с предыдущим случаем возросла вдвое. Сплошная линия на рис. 36 отражает результат совместного использования эффектов генерации высших гармоник и волн комбинационных частот. Сто-ксова компонента частотой 1 МГц была получена при взаимодействии

вспомогательной волны частотой 19 МГц со второй гармоникой обращенной волны (20 МГц). В данном случае, в соответствии с соотношением (2), фазовая чувствительность стоксовой компоненты к изменениям скорости потока в 21 раз выше, чем у обращенной волны той же частоты.

В заключительном параграфе сформулированы выводы к главе 4.

Глава 5 посвящена практическим аспектам реализации систем вело-симетрии потока жидкости на основе параметрического ОВФ ультразвука.

В параграфе 5.1 рассмотрено использование эффекта ОВФ применительно к ультразвуковым расходомерам жидкости.

В пункте 5.1.1 рассмотрена методика измерения скорости потока жидкости при помощи плоских обращенных волн, используемых в расходомерах.

В пункте 5.1.2 рассмотрена схема расходомера с прямым прохождением УЗ луча. Описано устройство расходомера, методика определения его метрологических характеристик. Диапазон измеряемых скоростей для данного макета составил 0,08-5,0 м/с, расходов - 0,07-3,5 л/с, значение относительной погрешности составило 2 %.

В пункте 5.1.3 рассмотрена схема расходомера с множественными отражениями. Практический интерес создания таких схем заключается в повышении чувствительности измерений благодаря увеличившейся длине пробега ультразвукового луча в движущейся среде. Основной трудностью при создании таких схем являются искажения фронта ультразвуковых пучков, возникающие при отражениях. Благодаря свойству эффекта ОВФ восстанавливать исходное распределение акустического поля на излучателе данные искажения могут быть частично скомпенсированы. Рассмотрена схема с тремя отражениями. Диапазон измеряемых скоростей составил 0,02-1,25 м/с, измеряемых расходов - 0,02-1,5 л/с, относительная погрешность измерения 1 %.

В пункте 5.1.4 описана модель расходомера, основанная на нелинейном взаимодействии фазово-сопряженных волн. Схема расходомера основывается на принципе измерения, описанном в параграфе 4.2. В рассмотренном случае конфигурация расходомера не позволила оптимально использовать характеристику направленности УЗ преобразователя и реализовать преимущества, связанные с использованием нелинейных эффектов. В заключительной части пункта приводятся предложения по улучшению метрологических характеристик расходомера данного типа.

Параграф 5.2 посвящен моделированию измерения скорости кровотока в венах in vitro. Исследования проводились в мышечных тканях и кровеносных сосудах свиньи, пульсирующий поток создавался при помощи перистальтического насоса. Зарегистрированный характер пульсаций фазового сдвига подобен пульсациям скорости кровотока.

В параграфе 5.3 представлена методика одновременного измерения скорости потока и концентрации примесей в жидкости. При помощи аналитических расчетов показано, что чувствительность фазы обращенной волны к изменению относительной концентрации смеси двух жидкостей пропорциональна соответствующей чувствительности фазы обращенной волны с коэффициентом с/2v = 103, т.е. примерно на три порядка превосходит её. Напротив, фазовая чувствительность обращенной волны к изменению скорости потока на три порядка превосходит соответствующую фазовую чувствительность отраженной волны. Таким образом, при одновременной регистрации фаз обращенной и отраженной волны, возможно создать расходомер, осуществляющий параллельное измерение концентрации и скорости потока смеси жидкостей.

200-,

? 0. &

-400-

у<РС

¡4 15 ¡6

200

400

600

800

1000

1200

'(С)

Рис. 4. Зависимость фазы обращенной (<рс) и отраженной (<рн) волны от времени при различных скоростях потока и концентрациях взвеси.

На рис. 4 представлены экспериментальные данные, полученные для ситуации, когда в водном потоке присутствует взвесь пузырьков технического масла. В моменты времени /) и /7 происходят соответственно запуск и остановка потока, моменты времени соответствуют различным режимам подачи и вывода масла из трубки расходомера. Чувствительность фазы отраженной волны к изменению концентрации взвеси составила Лрд/Дп ~ 45 град/(%).

В заключительном параграфе сформулированы выводы к главе 5.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1) На основе обобщенных уравнений Вестервельта и Хохлова-Заболотской-Кузнецова построена модель распространения обращенных акустических волн в движущейся нелинейной среде, учитывающая фазовые искажения, обусловленные нарушением временной инвариантности волнового уравнения. Проведено моделирование акустических изображений потоков в жидкости, его результаты хорошо согласуются с экспериментальными.

2) Показано, что эффект синхронизации фаз высших гармоник, каскадно генерируемых обращенной волной в нелинейной среде, имеет место и в движущихся средах. Сдвиг фазы высшей гармоники обращенной волны пропорционален ее номеру, поэтому анализ фазовых сдвигов высших гармоник увеличивает чувствительность измерения параметров потока.

3) Показано, что фазовый сдвиг стоксовой компоненты, генерируемой при комбинационном рассеянии в движущейся среде высокочастотных обращенной и опорной волн, содержит фазовый сдвиг обращенной волны. Следовательно, фазовый анализ излучения на разностной частоте может быть использован для повышения чувствительности и точности измерения скорости потока.

4) На основе разработанной модели рассчитан эффект рефрактивного воздействия движущейся среды, приводящего к изменению фокусного расстояния конфокальной системы в процессе генерации второй гармоники. Изменение механизма фокусировки приводит к изменению и амплитуды основной гармоники ультразвуковой волны в фокусе и отношения амплитуд первых двух гармоник обращенной волны. Экспериментальные зависимости амплитуды второй гармоники от скорости потока согласуются с результатами модельных расчетов.

5) Продемонстрированы возможные приложения параметрического акустического ОВФ для велосиметрии потоков жидкости. Проведены эксперименты по измерению скоростей пульсирующего потока в биологической ткани «in vitro». Разработана серия расходомеров с использованием техники параметрического ОВФ. Свойство обращенных волн восстанавливать первоначальное распределение акустического поля на источнике использовано для создания многоотражательной схемы расходомера, увеличивающей чувствительность измерений при возрастании числа отражений ультразвукового луча.

6) Разработана ОВФ-методика одновременного определения относительной концентрации и скорости потока смеси жидкостей в реальном масштабе времени.

Основные публикации по теме диссертации

1) Pyl'nov Yu.V., Preobrazhensky V.L., Pernod Ph. and Smagin N.V. Flow Velocity Measurements by Means of Nonlinear Interaction of Phase Conjugate Ultrasonic Waves // Proc. IEEE Int. UFFC Conf., Rotterdam. - 2005. -P. 1612-1615.

2) Preobrazhensky V.L., Pernod Ph., Pyl'nov Yu.V., Krutyansky L.M., Smagin N.V., Preobrazhensky S.V. Nonlinear Acoustic Imaging of Isoechogenic Objects and Flows Using Ultrasound Wave Phase Conjugation // Acta Acústica united with Acústica. - 2009. - Vol. 95. - № 1. - P. 36-42.

3) Смагин H.B., Пыльнов Ю.В., Преображенский B.JL, Перно Ф. Диагностика и доплерография потоков жидкости с помощью обращения волнового фронта ультразвука // Акустический журнал. - 2009. - том 55. -№4-5.-С. 653-661.

4) Pyl'nov Yu.V., Smagin N.V., Preobrazhenskii V.L. and Pernod Ph. Wave phase conjugation of the stokes component of Brillouin scattering of ultra-

sound // Physics of Wave Phenomena. - 2007. - Vol. 15. - №2. - P. 111115.

5) Пыльнов Ю.В., Смагин H.B. Восстановление распределения акустического поля по функции отклика неоднородного пространства // МТК «Молодые ученые-2002». - 2002 - М.: МИРЭА. - С. 47-50.

6) Пыльнов Ю.В., Смагин Н.В. Восстановление распределения акустического поля на объектах по пространственной функции отклика // сборник трудов 52-ой НТК МИРЭА, 2003. - М.: МИРЭА.- С. 58-60.

7) Pyl'nov Yu.V., Smagin N.V. Reconstruction of acoustical field distribution by response function of inhomogeneous space // Thesis of ISNA 17. - 2003. -P. 1325.

8) Смагин H.B., Пыльнов Ю.В. Измерение скоростей потоков жидкостей с помощью ультразвуковых волн с обращенным волновым фронтом // МНТК «Молодые ученые-2005», 2005. - М.: МИРЭА. - С. 48-50.

9) Смагин Н.В., Пыльнов Ю.В. Лабораторный практикум по курсу «Методы и средства измерений» - «Измерение скорости потока жидкости методом доплеровской ультразвуковой велосиметрии» // Междунардн. конф. ИТО, 2005. - С. 1225.

10) Pyl'nov Yu.V., Preobrazhensky V.L., Pernod Ph., Krutyansky L.M., Ivanov M.S., Smagin N.V. Application of ferrite spinel for velocimetry of flows in liquids by means of phase conjugation of ultrasonic waves // ICFM. - 2005. -P. 149.

11) Смагин H.B., Пыльнов Ю.В., Обращение волнового фронта стоксовой компоненты комбинационного рассеяния ультразвука // МНТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения». - 2006. -М.: МИРЭА.-С. 43-48.

12) Preobrazhensky V.L., Pernod Ph., Pyl'nov Yu.V., Smagin N.V. Phase conjugate ultrasound waves in moving nonlinear media // Proc. of World Conf.

Ultrason. - 2007. - Vienna, (on CD).

13) Pyl'nov Yu, Smagin N., Preobrazhensky V., Pernod P, Liquid flowmeters by using phase conjugate ultrasonic waves // International Congress on Ultrasonics, 2007. - Vienna.

14) Pyl'nov Yu, Smagin N., Preobrazhensky V., Pernod P. Phase conjugation of anti-stokes component of Brillouin scattering of ultrasonic waves // International Congress on Ultrsonics, 2007. - Vienna.

15) Pyl'nov Yu.V., Smagin N.V., Preobrazhensky V., Pernod Ph. Liquid flowmeters by using phase conjugated ultrasonic waves // ICFM. - 2007. - P. 259.

16) Pyl'nov Yu. V., Smagin N.V., Preobrazhensky V., Pernod P. Wave phase conjugation of the anti-Stokes component of Brillouin scattering of ultrasonic waves // ICFM-2007,2007. - Ukraine, Partenit. - P. 258.

17)Preobrazhensky V.L., Pernod Ph., Pyl'nov Yu.V., Krutyansky L.M., Smagin N.V., Preobrazhensky S.V. Nonlinear acoustic imaging of isoechogenic objects and flows using ultrasound wave phase conjugation // 19th Int. Cong, on Acoust. - 2007. - Madrid.

18) Preobrazhensky V., Pernod P., Pyl'nov Yu., Smagin N. Nonlinear acoustics of phase conjugate waves in moving liquid // Int. Symp. On Nonlinear Acoustics ISNA 2008,2008. - Stockholm.

19) Pyl'nov Yu., Smagin N., Pernod P., Preobrazhensky V. Doppler ultrasonography using wave phase conjugation // Acta Acust. - 2008. - Vol. 94. -Suppl. 1.-P.461.

20) Preobrazhensky V., Pernod P., Pyl'nov Yu., Smagin N. Nonlinear phase conjugate ultrasonic waves in moving media // Acta Acust. - 2008. - Vol. 94.-Suppl. l.-P. 867.

Напечатано с готового оригинал-макета

Издательство ООО "МАКС Пресс" Лицензия ИД N00510 ot01.12.99 г. Подписано к печати 12.11.2009 г. Формат 60x90 1/16. Усл.печл. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 622. Тел. 939-3890. Тел./факс 939-3891. 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2-й учебный корпус, 627 к.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Смагин, Николай Владимирович

Введение

Глава 1. Ультразвуковая велосиметрия потока жидкости и обращение волнового фронта в акустике. Обзор литературы.

1.1. Ультразвуковая велосиметрия потока жидкости.

1.1.1. Измерение скорости потока жидкости при помощи эффекта Доплера.

1.1.2. Метод измерения скорости течения жидкости по разности времени прохода движущейся среды.

1.1.3. Корреляционный метод измерения скорости течения жидкости.

1.2. Границы применимости ультразвуковых методов измерения скорости потока жидкости.

1.3. Обращение волнового фронта в акустике.

1.3.1. Параметрическое обращение волнового фронта в твердых телах.

1.3.2. Обращение времени.

1.3.3. Основные приложения эффекта ОВФ в неподвижных средах. .45 Выводы к главе 1.

Глава 2. Распространение фазово-сопряженных волн в движущейся среде.

2.1. Нелинейное распространение акустических волн в движущейся среде. Основные уравнения.

2.2. Генерация второй гармоники обращенной волны.

2.3. Нелинейные эффекты при распространении обращенных волн в движущейся среде.

2.3.1. Синхронизация фаз гармоник в присутствии потоков.

2.3.2. Фазовый сдвиг стоксовой компоненты комбинационного рассеяния фазово-сопряженных волн в движущейся среде.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Измерение скорости потока жидкости при помощи фазово-сопряженных УЗ волн.

3.1. Экспериментальная установка.

3.2. Методика расчета скорости течения жидкости по расходу.

3.3. Изменение скоростей потоков различных типов методом обращения волнового фронта ультразвуковых волн.

3.3.1. Трубка, содержащая встречные потоки.

3.3.2. Ламинарный поток жидкости.

3.3.3. Регистрация двумерного пространственного распределения скоростей потока в трубке, содержащей сужение.

3.3.4. Трубка, содержащая резкое сужение.

3.3.5. Трубка, содержащая плавное сужение.

3.3.6. Вихревой поток под вращающимся диском.

3.3.7. Затопленная струя.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Нелинейные эффекты при распространении и взаимодействии фазово-сопряженных волн в движущейся среде.8

4.1. Генерация второй гармоники обращенной волны в движущейся среде.

4.2. Экспериментальная регистрация фазового сдвига стоксовой компоненты комбинационного рассеяния ультразвука в движущейся среде.

Выводы к главе 4.

Глава 5. Примеры реализаций систем измерения расхода и скорости потока жидкости на основе параметрического ОВФ ультразвука.

5.1. Ультразвуковые расходомеры, основанные на использовании эффекта параметрического ОВФ.

5.1.1. Сдвиг фазы, приобретаемый плоской обращенной волной в движущейся среде.

5.1.2. Схема расходомера с прямым прохождением ультразвукового луча.

5.1.3. Схема расходомера с множественными отражениями.

5.1.3. Расходомер, основанный на нелинейном взаимодействии фазово-сопряженных волн.110 '

5.2. Моделирование измерения скорости кровотока в венах (in vitro).

5.3. Параллельное измерение скорости потока и концентрации примесей в жидкости.

Выводы к главе 5.

Введение диссертация по физике, на тему "Диагностика потоков жидкостей методом обращения волнового фронта ультразвуковых волн"

Измерение скорости потока жидкости является актуальной задачей для многих приложений в областях медицины, промышленности и научных исследований. Наиболее распространенными методами измерения, применяющимися для этой цели, являются ультразвуковые. Основными их достоинствами являются прежде всего их неинвазивность по отношению к потокам (отсутствует необходимость помещать датчики или зонды непосредственно в поток) и высокая точность. Кроме этого, ультразвуковое излучение не является ионизирующим, что важно с точки зрения медицинских приложений. Благодаря данным преимуществам во многих практических ситуациях измерение скорости потока жидкости является возможным только с использованием ультразвуковых волн.

Широкое использование ультразвука для велосиметрии (измерения скорости) потоков жидкости началось в 1960-х г.г. с появлением пьезоэлектрических излучателей. В эти годы были предложены основные успешно применяющиеся и в настоящее время методы измерения. Один из этих методов основан на измерении скорости по разности временных задержек распространения ультразвуковой волны попутно и встречно потоку (так называемый время-импульсный или фазово-импульсный метод). В другом случае скорость потока определяется по доплеровскому смещению частоты ультразвукового излучения, рассеиваемого захваченными движением среды частицами (доплеровский метод). Первый из упомянутых методов обычно используется в промышленности, где имеют дело с измерением скорости течения одноI родных жидкостей, не содержащих рассеивателей. В медицине, напротив, стоит задача определения скорости кровотока - жидкой среды, обильно содержащей рассеиватели ультразвукового излучения, - эритроциты. По этой причине при исследованиях сердечнососудистой системы в основном применялся доплеровский метод.

В 1970-х г.г. был предложен корреляционный метод измерения скорости жидкой среды, содержащей рассеиватели. Он основывается на отслеживании смещения участка эхо-сигнала от группы рассеивателей во временной области по максимуму корреляционной функции между двумя последовательно зарегистрированными эхо-сигналами. Эта информация позволяет определить изменение положения группы рассеивателей за некоторый интервал времени. Корреляционный метод обладает рядом преимуществ по сравнению с допле-ровским: он нечувствителен к частотным искажениям, вносимым неподвижными биологическими тканями, позволяет проводить измерения в более глубоко расположенных кровеносных сосудах и обладает большими быстродействием и точностью. Большинство создаваемых в настоящее время медицинских аппаратов ультразвуковой диагностики сердечнососудистой системы основаны на этом методе.

Как показывают исследования последнего времени, для измерения скорости потока жидкости может быть использован эффект обращения волнового фронта (ОВФ). Обращением волнового фронта является преобразование волнового поля, при котором направление распространения волн меняется на противоположное при сохранении первоначального распределения амплитуд и фаз. Возможность его осуществления в недиссипативной среде обуславливается инвариантностью волнового уравнения по отношению к замене знака времени. В движущихся средах данная инвариантность нарушается, что приводит к появлению некомпенсированного фазового сдвига обращенной волны, величина которого зависит от скорости потока.

Впервые этот эффект обнаружили при проведении гидроакустических исследований в мелком море с использованием техники обращения времени, которая также позволяет получать ОВФ звуковых волн. Методика обращения времени состоит в регистрации распределения акустического поля в некоторой области пространства при помощи решетки приемно-излучающих пьезо-преобразователей, последующей инверсии записанных сигналов во времени и их переизлучении в пространство. Рабочая частота созданных систем составляет величину около 5 МГц, при этом дальнейшее её увеличение сопряжено со значительными техническими трудностями. К достоинствам таких устройств следует отнести отсутствие ограничений на вид обрабатываемых акустических сигналов и возможность целенаправленного корректирования амплитудно-фазового распределения переизлучаемых акустических пучков. Следует отметить, что многоэлементные системы обращения времени являются очень сложными и дорогостоящими.

Альтернативным методом, используемым на практике для получения эффекта ОВФ ультразвуковых пучков, является параметрическое фазовое сопряжение в активных магнито-акустических материалах. Существование режима ОВФ за порогом абсолютной неустойчивости ультразвуковых волн в твердом теле позволило получить гигантское усиление обращенной волны (превосходящее 80 дБ при использовании магнитострикционной керамики). Нижние рабочие частоты данных устройств составляют от единиц до десятков мегагерц, при повышении частоты эффективность ОВФ-преобразования повышается, по этой причине верхний диапазон частот ограничивается факторами практической и технической целесообразности реализации систем в диапазоне сверхвысоких частот. Магнитоакустические системы ОВФ работают с квази-монохроматическими звуковыми пучками, их отличает простота, невысокая стоимость, а также возможность работы в частотном диапазоне от единиц до нескольких десятков мегагерц, представляющим наибольший интерес для практических приложений.

Применение методов параметрического фазового сопряжения и обращения времени позволяет значительно улучшить характеристики ультразвуковых систем и реализовать принципиально новые возможности, к числу которых относятся автоматическая компенсация фазовых искажений, вносимых средой распространения, и автофокусировка звуковых пучков на источники излучения и рассеивающие объекты. Явление автоматической компенсации фазовых искажений находит применение в подводных коммуникациях, не-разрушающем контроле и системах ОВФ-акустоскопии. Автофокусировка обращенных акустических пучков применяется в медицинской терапии и не-разрушающем контроле, где позволяет решать задачи фокусировки акустического излучения и детектирования объектов в сильно неоднородных средах. Гигантское усиление обращенной волны делает возможным использование в ОВФ-акустоскопии нелинейных акустических эффектов, таких как генерация высших гармоник и комбинационное рассеяние звука на звуке, что дает возможность увеличения разрешающей способности и чувствительности акустических систем формирования изображений.

Возможности использования явления параметрического ОВФ в велоси-метрии и диагностике потоков в актуальном для приложений частотном диапазоне единиц и десятков мегагерц до настоящего времени оставались неисследованными.

Этот метод, также как и время-импульсный и фазово-импульсный методы, применим для измерения скорости изоэхогенных жидкостей, т.е. не предполагает наличие в движущейся среде рассеивателей ультразвука. Помимо этого, он позволяет задействовать преимущества, предоставляемые эффектом ОВФ, такие как компенсация фазовых искажений и восстановление исходного распределения акустического поля на источнике излучения, что делает возможным его применение в сильно неоднородных средах. Высокая интенсивность обращенной волны при параметрическом фазовом сопряжении дает возможность применения методов нелинейной акустики, которые в настоящее время практически не используются в ультразвуковой ве-лосиметрии потоков.

Целью работы является изучение процессов распространения ультразвуковых волн с параметрически обращенным фронтом в движущихся нелинейных средах и демонстрация возможных применений обращенных ультразвуковых волн для велосиметрии потоков жидкости. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследования:

2) Создание экспериментальной установки и проведение экспериментов по измерению скоростей потоков жидкостей с помощью параметрического обращения волнового фронта ультразвуковых пучков. Сравнение полученных данных и результатов численных расчетов, выполненных в соответствии с разработанной моделью.

4) Исследование возможности применения нелинейных эффектов для улучшения точностных характеристик акустических систем велосиметрии потоков жидкости.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись аналитические методы нелинейной акустики на основе обобщенных уравнений Вестервельта и Хохлова-Заболотской-Кузнецова а также методы численного интегрирования систем дифференциальных уравнений нелинейной геометрической акустики. При проведении экспериментов использовались методы автоматизации, основанные на концепции виртуальных измерительных приборов.

Научная новизна исследования. В работе впервые:

- экспериментально реализовано комбинационное рассеяние акустических гармоник нелинейных фазосопряженных волн в движущейся жидкости;

- разработаны схемы и созданы лабораторные макеты систем велосимет-рии и диагностики потоков жидкости на основе параметрического обращения волнового фронта ультразвука.

Практическая значимость работы. Результаты исследования распространения волн с обращенным фронтом в движущихся средах составляют основу для разработки новых эффективных методов ультразвуковой велоси-метрии в технических и биомедицинских приложениях.

Разработанные алгоритмы численного моделирования распространения и генерации гармоник обращенной волной могут использоваться в диагностике и акустоскопии сред с неоднородно распределенными потоками.

Использование нелинейных режимов распространения обращенных волн, исследованных в работе, позволяте повысить чувствительность и разрешающую способност аппаратуры ультразвуковой диагностики потоков на основе ОВФ.

Предложенный метод диагностики потоков на основе комбинационного рассеяния фазосопряженных волн может обеспечить существенное увеличение отношения сигнал/шум и глубины зондирования для ультразвуковых измерителей скорости потока.

Уникальная способность обращенных волн восстанавливать первоначальное распределения фазы на источнике излучения может быть использована для создания многоотражательных схем промышленных расходомеров и медицинских систем измерения скорости кровотока.

Разработанный метод одновременного измерения в реальном масштабе времени скорости потока и концентрации смеси двух жидкостей может найти-применение в промышленности для оценки содержания жидких примесей в < трубопроводах.

Личный вклад автора. Все результаты получены лично автором или при его активном участии. Выполнены экспериментальные исследования по измерению скорости течения жидкости, создано программное обеспечение для проведения экспериментов, а также выполнено численное моделирование получаемых акустических изображений потоков. Изготовлены модели жидкостных расходомеров, основанных на применении обращенных ультразвуковых волн.

Положения, выносимые на защиту

3) Результаты экспериментальной регистрации фазовых сдвигов второй гармоники обращенной волны и низкочастотной компоненты комбинационного рассеяния фазосопряженных волн в движущейся среде демонстрируют повышение чувствительности измерений к скорости движения: среды с ростом номера гармоники и увеличение отношения сигнал/шум при анализе фазы низкочастотной компоненты.

4) Применение техники параметрического ОВФ в ультразвуковой велоси-метрии позволяет создавать многопроходные схемы расходомеров жидкости с повышенной точностью измерений.

5) Результаты экспериментальной регистрации фазового сдвига обращенной волны и измерения скорости тока жидкости в биологической ткани in vitro демонстрируют принципиальную возможность измерения скорости кровотока с помощью ОВФ без использования рассеяния ультразвука на глобулах крови.

Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации докладывались на Международной научно-технической конференция «Молодые ученые

2005», (Москва, сентябрь 2005), Международном симпозиуме по ультразвуку

IEEE UFFC 2005 (Роттердам, сентябрь 2005), Международном конгрессе по ультразвуку Ultrasonics 2007 (Вена, апрель 2007), 19-м Международном акуth стическом конгрессе (19 1С А, Мадрид, сентябрь 2007), Международной конференции «Функциональные материалы» (Партенит, октябрь 2007), Международной конференции Acoustics'08 (Париж, июль 2008), Международном симпозиуме по нелинейной акустике ISNA 2008 (Стокгольм, июль 2008).

Публикации. Результаты, составляющие основу диссертации, представлены в 20 публикациях, список которых приводится ниже.

3) Смагин H.B., Пыльнов Ю.В., Преображенский B.JI., Перно Ф. Диагностика и доплерография потоков жидкости с помощью обращения волнового фронта ультразвука // Акустический журнал. - 2009. - том 55. -№4-5.-С. 653-661.

4) Pyl'nov Yu.V., Smagin N.V., Preobrazhenskii V.L. and Pernod Ph. Wave phase conjugation of the stokes component of Brillouin scattering of ultrasound I I Physics of Wave Phenomena. - 2007. - Vol. 15. - №2. - P. 111115.

Пыльнов Ю.В., Смагин H.B. Восстановление распределения акустического поля по функции отклика неоднородного пространства // МТК «Молодые ученые-2002». - 2002 - М.: МИРЭА. - С. 47-50. Пыльнов Ю.В., Смагин Н.В. Восстановление распределения акустического поля на объектах по пространственной функции отклика // сборник трудов 52-ой НТК МИРЭА, 2003. - М.: МИРЭА.- С. 58-60. Pyl'nov Yu.V., Smagin N.V. Reconstruction of acoustical field distribution by response function of inhomogeneous space // Thesis of ISNA 17. - 2003. -P. 1325.

Смагин H.B., Пыльнов Ю.В. Измерение скоростей потоков жидкостей с помощью ультразвуковых волн с обращенным волновым фронтом // МНТК «Молодые ученые-2005», 2005. - М.: МИРЭА. - С. 48-50. Смагин Н.В., Пыльнов Ю.В. Лабораторный практикум по курсу «Методы и средства измерений» - «Измерение скорости потока жидкости методом доплеровской ультразвуковой велосиметрии» // Междунардн. конф. ИТО, 2005. - С. 1225.

Pyl'nov Yu.V., Preobrazhensky V.L., Pernod Ph., Krutyansky L.M., Ivanov M.S., Smagin N.V. Application of ferrite spinel for velocimetry of flows in liquids by means of phase conjugation of ultrasonic waves // ICFM. - 2005. -P. 149.

Смагин H.B., Пыльнов Ю.В., Обращение волнового фронта стоксовой компоненты комбинационного рассеяния ультразвука // МНТК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения». - 2006. -М.: МИРЭА.-С. 43-48.

Preobrazhensky V.L., Pernod Ph., Pyl'nov Yu.V., Smagin N.V. Phase conjugate ultrasound waves in moving nonlinear media // Proc. of World Conf. Ultrason. - 2007. - Vienna, (on CD).

13) Pyl'nov Yu, Smagin N., Preobrazhensky V., Pernod P. Liquid flowmeters by using phase conjugate ultrasonic waves // International Congress on Ultrasonics, 2007. - Vienna.

14) Pyl'nov Yu, Smagin N., Preobrazhensky V., Pernod P. Phase conjugation of anti-stokes component of Brillouin scattering of ultrasonic waves // International Congress on Ultrsonics, 2007. - Vienna.

15) Pyl'nov Yu.V., Smagin N.V., Preobrazhensky V., Pernod Ph. Liquid flowmeters by using phase conjugated ultrasonic waves // ICFM. - 2007. - P. 259.

17) Preobrazhensky V.L., Pernod Ph., Pyl'nov Yu.V., Krutyansky L.M., Smagin N.V., Preobrazhensky S.V. Nonlinear acoustic imaging of isoechogenic objects and flows using ultrasound wave phase conjugation // 19th Int. Cong, on Acoust. - 2007. - Madrid.

18) Preobrazhensky V., Pernod P., Pyl'nov Yu., Smagin N. Nonlinear acoustics of phase conjugate waves in moving liquid // Int. Symp. On Nonlinear Acoustics ISNA 2008, 2008. - Stockholm.

19) Pyl'nov Yu., Smagin N., Pernod P., Preobrazhensky V. Doppler ultrasonography using wave phase conjugation // Acta Acust. - 2008. - Vol. 94. -Suppl. 1.-P.461.

20) Preobrazhensky V., Pernod P., Pyl'nov Yu., Smagin N. Nonlinear phase conjugate ultrasonic waves in moving media // Acta Acust. - 2008. - Vol. 94. - Suppl. 1.-P. 867.

Структура и содержание диссертации

Диссертация состоит из 5 глав, каждая из которых содержит краткое введение и выводы. Общий объем диссертации составляет 136 страниц,

Заключение диссертации по теме "Акустика"

Общие выводы по работе

3) Показано, что фазовый сдвиг стоксовой компоненты, генерируемой при комбинационном рассеянии обращенной и опорной волн в движущейся среде, включает фазовый сдвиг высокочастотной обращенной волны. Следовательно, фазовый анализ излучения на разностной частоте может быть использован для повышения чувствительности и точности измерения скорости потока.

5) Продемонстрированы возможные приложения параметрического акустического ОВФ для велосиметрии потоков жидкости. Проведены эксперименты по измерению скоростей пульсирующего потока в биологической ткани «in vitro». Разработана серия расходомеров с использованием техники параметрического ОВФ. Свойство обращенных волн восстанавливать первоначальное распределение акустического поля на источнике использовано для создания многоотражательной схемы расходомера, увеличивающей чувствительность измерений пропорционально числу отражений ультразвукового луча.

6) Разработана ОВФ-методика одновременного определения относительной концентрации смесей и скорости потоков жидкостей в реальном масштабе времени.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Смагин, Николай Владимирович, Москва

1. Kalmus Н., Hedrick A. and Pardue D. The acoustic flowmeter using electronic switching // I.R.E. Trans. On Ultrasonic Eng. 1954. - UE-I. - P. 4962.

2. Haugen M., Farrall W., Herrick J. and Blades E. An ultrasonic flowmeter // Proc. Nat Electronic Conf. 1955. - Vol. 11. - P. 465-475.

3. Franklin D., Baker D., Ellis R. and Rushmer R. A Pulsed Ultrasonic flowmeter // I.R.E. Trans, on Med. Electronics ME-6:4. 1959. - P. 204-206.

4. Franklin D., Schlegel W. and Rushmer R. Blood flow measured by Doppler frequency shift of back scattered ultrasound // Science. 1961. - Vol. 132. -P. 564-565.

5. Baker D., Pulsed ultrasonic doppler flowmeter biological and engineering applications // IEEE Ultrasonic Symposium. - 1969.

6. Peronneau P.A. and Leger F., Doppler ultrasonic pulsed blood flowmeter // 8th Internat. Conf. on Med. and Biol. Eng. 1969.

7. Coulthard J. Ultrasonic cross-correlation flowmeters // Ultrason. 1973.'-Vol. 11, №.2. - P. 83-88.

8. Dotti D., Gatti E., Svelto V., Ugge A. and Vidali P. Blood flow measurements by ultrasound correlation techniques // Energia Nucleare. 1976. -Vol. 23, №11.-P. 571-575.

9. Jong M., Arts Т., Hoeks A. and Reneman R. Determination of tissue motion velocity by correlation interpolation of pulsed ultrasonic signals // Ultrason. Imaging. 1990. - Vol. 12. - P. 88-98.

10. Tortoli P., Guidi G., Guidi F. and Atzeni C. A Review of Experimental Transverse Doppler Studies // IEEE Trans. On UFFC. 1994. - Vol. 41, №1. -P. 84-89.

11. Tortoli P., Bambi G., Ricci S. A novel dual beam approach for removing Doppler angle ambiguity // IEEE Trans. On UFFC. 2005. - Vol. 21, №4. -P. 128-131.

12. Poulsen J.K., Kim W. Y. Measurement of volumetric flow with no angle correction using multiplanar pulsed Doppler ultrasound // IEEE Trans. On Bio-med. Eng. 1996. - Vol. 43, №6. - P. 589-599.

13. Dupriez F., Flodrons J.-P. Mesures locales de vitesse dans un fluide // Technique de l'ingénieur. 1980. - R 2 110.

14. Mitchell D.G. Color Doppler imaging: Principles, limitations and artefacts // Radiology. 1990. - P. 177.

15. Censor D., Newhouse V.L., Vontz T. and Ortega H.V. Theory of Ultrasound Doppler Spectra Velocimetry for Arbitrary Beam and Flow Configurations // IEEE Trans. On Biomed. Eng. 1988. - BME-35, №9. - P. 740-751.

16. Bjaxum S., Torp H., Kristoffersen K. Clutter filter design for ultrasound color flow imaging // IEEE Tans. UFFC. 2002. - Vol. 79. - №2. - P. 204216.

17. Kadir В., Mesure de débit par ultrasons, mesure en conduite pleine // Techniques de l'Ingénieur. 2002. - R 2 265.

18. Pavlovic V., Dimitrijevic В., Stojcev M., Golubovic Lj., Zivkovic M., Stamenkovic Lj. Realization of the ultrasonic liquid flowmeter based on the pulse phase method // Ultrasonics. - 1997. - Vol. 35. - P. 87-102.

19. Бобровников C.H., Новозилов B.H., Серафанов В.Г. Безконтактные расходомеры-M.: Машиностроение, 1985.

20. Hein A., O'Brien W. Current Time-Domain Methods for Assessing Tissiie Motion by Analysis from Reflected Ultrasound Echoes A Review // IEEE Transact, on UFFC. - 1993. - Vol. 40, №2. -P. 84-102.

21. Embree P.M. and O'Brien W.D. Pulsed Doppler accuracy assessment due to frequency-dependent attenuation and Rayleigh scattering error sources // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1990. - Vol. 37. - P. 322-326.

22. Ferrara K., Algazi V.R. and Liu J. The effect of frequency dependent scattering and attenuation on the estimation of blood velocity using ultrasound. // IEEE Trans. Ultrason., Ferroelec., Freq. Contr. 1992. - Vol. 22, №3. - P. 754-767.

23. Gill R.W. Measurement of blood flow by ultrasound: Accuracy and sources of error // Ultrasound Med. Biol. 1985. - Vol. 11. - P. 625-641.

24. Hein I.A. Measurement of volumetric blood flow using ultrasound timedomain correlation // Ph.D. dissertation, Dept. Elec. Comput. Eng., Univ. 111. at Urbana-Champaign. -1991.

25. Dauzat M. Ultrasonographic vasculaire diagnostique (Théorie et pratique) // Ed. Vigot. -1991.

26. Holland S.K., Orphanoudakis S.C. and Jaffe C.C. Frequency dependent attenuation effects in pulsed Doppler ultrasound: Experimental results // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1984. - Vol. 31. - P. 626-631.

27. Dowling D., Darrell R. Narrow-band performance of phase-conjugate arrays in dynamic random media// J. Acoust. Soc. Am. 1992. - Vol.91. - P. 3257.

28. Dowling R. Phase-conjugate array focusing in a moving medium // J. Acoust. Soc. Am. 1993. - Vol. 94. - P. 1716.

29. Sabra G. and Dowling R. Broadband performance of a moving time reversing array // J. Acoust. Soc. Am. 2003. - Vol. 114. - P. 1395.

30. Sabra G. and Dowling R. Broadband performance of a time reversing array with a moving source // J. Acoust. Soc. Am. 2004. - Vol. 115. - P. 2807.

31. Sabra G. and Dowling R. Effect of ocean currents on the performance of a time-reversing array in shallow water // J. Acoust. Soc. Am. 2003. - Vol. 114.-P. 3125.

32. Sabra G. and Dowling R. Influence of shallow water currents on the performance of a broadband time-reversing array // J. Acoust. Soc. Am. 2003. -Vol. 112.-P. 2393.

33. Кузькин В. М., Пересёлков С. А. Об эффективности фокусировки звукового поля в океаническом волноводе в присутствии фоновых внутренних волн // Акуст. журнал. 2007 - Т. 53, №2. - С. 241-248.

34. Godin О.А. and Mikhin D.Yu. Simulations of acoustic tomography of ocean currents in a coastal region // J. Acoust. Soc. Am. 1995. - Vol. 98. - P. 2914.

35. Roux P., Fink M. Experimental evidence in acoustics of the violation of time reversal invariance induced by vorticity // Europhys. Lett. 1995. - Vol. 32. — P. 25-29.

36. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта М.: Наука, 1985. - 240 с.

37. Fink М., Prada С., Wu F. et al. Self-focusing with time reversal mirror in in-homogeneous media // Proc. IEEE Ultrason. Symp. Montreal.: 1989. - Vol. 2.-P. 681-686.

38. Зельдович Б.Я., Поповичев В.И., Рагульский B.B., Файзуллов Ф.С. О связи между волновыми фронтами отраженного и возбуждающего светаIпри вынужденном рассеянии Манделынтама-Бриллюэна // Письма в ЖЭТФ. — 1972. Т. 15. - Вып. 3.-С. 160-164.

39. Блащук В.Н., Зельдович Б.Я., Мельников Н.А., Пилипецкий Н.Ф., Поповичев В.И., Рагульский В.В. Обращение волнового фронта при вынужденном рассеянии сфокусированных звуковых пучков // письма в ЖТФ. 1977. - Т. 3. - Вып. 5. - С. 211-217.

40. Зельдович Б.Я., Мельников Н.А., Пилипецкий Н.Ф., Рагульский В.В. Наблюдение эффекта обращения волнового фронта при вынужденном комбинационном рассеянии // Письма в ЖЭТФ. 1977. - Т. 25. - Вып. 1.-С.41.

41. Зельдович Б.Я., Шкунов В.В. О воспроизведении волнового фронта при ВКР света // Квантовая электроника. 1977. - Т. 4. - №5. - С. 1090.

42. Avisonis P.V., Hopf F.A., Bomberger W.D. et al. Optical phase conjugation in lithium formate crystal // Appl. Phys. Lett. 1977. - Vol. 31. - №7. - P. 435.

43. Yarif A., Pepper D.M. Amplified reflection, phase conjugation, and oscillation in degenerate four-wave mixing // Op. Lett. 1977. - Vol. 1. - №1. - P. 16.

44. Bloom D., Djorklund G.C. Conjugate wave front generation and image reconstruction by four-wave mixing // AppL. Phys. Lett. 1977. - Vol. 31. -№9.-P. 592.

45. Pepper D.M. Nonlinear optical phase conjugation // Opt. Engineering. -1982.-Vol.21.-P. 155.

46. Дмитриев В.Г. Нелинейная оптика и обращение волнового фронта М.: Физматлит, 2001. - 256 с.

47. Бункин Ф.В., Власов Д.В., Кравцов Ю.А. Обращение волнового фронта излучения в нелинейных средах // сб. научных трудов. ИПФ АН СССР. Горький: ИПФ АН СССР, 1982. - С. 63-90.

48. Руденко О.В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики -М.: Наука, 1975.-235 с.

49. Бункин, Ф.В., Власов Д.В., Кравцов Ю.А. Обращение волнового фронта и самофокусировка звука за счет нелинейного взаимодействия с поверхностью жидкости // Письма в ЖТФ. 1981 - Т. 7 - С. 325.

50. Бункин Ф.В. и др. Температурный и пузырьковый механизм четырех-фононного обращения волнового фронта звуковых пучков // Письма в ЖТФ.-1981.-Т. 7.-С. 560.

51. Sato Т., Kataoka Н., Yamakoshi Y. Ultrasonic phase conjugator using micro particle suspended liquid cell // Proc. Of XI Intern. Symp. on Nonlinear Acoustisc. -Novosib. :1987. P. 478-482.t

52. Бункин Ф.В., Власов Д.В., Кравцов Ю.А. К вопросу об обращении волнового фронта звука с усилением обращенной волны // Квантовая электроника. 1981.-Т. 8.-С. 1144.

53. Thomson R., Quate С. Nonlinear interaction of microwave electric fields and sound in LiNb03 // J. Appl. Phys. -1971.- Vol. 42. №3. - P. 907-919.

54. Fossheim K., Holt M. Two-pulse phonon echoes in solid-state acoustics // New York: Academic Press Inc. 1982. - P. 221. - (Physical Acoustics: Principles and Methods, Eds. W.P. Mason, R.N. Thurston: in 24 v. / K. Fossheim, v. 14).

55. Van de Vaart H., Lyons D., Damon R. Parametric excitation and amplification of magnetoelastic waves // J. Appl. Phys. 1967. - Vol. 36. - №1. - P. 360-374.

56. Bobroff D., Haus H. Impulse response of coupled wave // J. Appl. Phys. -1967. Vol. 38. -№1. - P. 390-403.

57. Bou Matar 0., Preobrazhensky V., Pernod P. Two-dimensional axisymmetric numerical simulation of supercritical phase conjugation of ultrasound in active solid media. J. Acoust. Soc. of Am. - 2005. - Vol. 118. - №5. - P. 2880.

58. Брысев А.П., Бункин В.Ф., Власов Д.В., Крутянский JI.M. Регенеративный режим усиления звуковых волн с обращением волнового фронта в феррите // Акустический журнал. 1988. - Т. 34. - Вып. 6. - С. 986-990.

59. Preobrazhensky V.L. Overthreshold Nonlinearity of Parametric Sound Wave Phase Conjugation in Solids // Jpn. J. Appl. Phys. 1993. - Vol. 32. - № 1. -P. 2247.

60. Brysev A.P., Krutyansky L.M., Preobrazhensky V.L. Modern problems of the parametric ultrasonic wave phase conjugation // Physics of Vibrations. -2001. Vol. 9. - №1. - P. 52-70.

61. Брысев А.П, Бункин Ф.В., Власов Д.В., Казаров Ю.Е. Экспериментальная реализация модели параметрического обращающего фазу усилителя звука (ПОФУЗ) на ниобате лития // Письма в ЖТФ. 1982. - Т. 8. - С. 554.

62. Yamamoto К, Ohno М., Kokubo A., Sakai К. and Takagi К. Acoustic phase conjugation by nonlinear piezoelectricity. Principle and basic experiments // J. Acoust. Soc. Am. 1999. - Vol. 106, №3. - P. 1330-1338.

63. Ohno M., Takagi K., Enhancement of the acoustic phase conjugate reflectivity in nonlinear piezoelectric ceramics by applying static electric or static stress fields // Appl. Phys. Lett. 1996. - Vol. 69, №23. - P. 3483-3485.

64. Андреева И.Н. и др. // Электронная техника. 1983. - Т. 179. - С. 7.

65. Белов К.П. и др. Гигантская магнитострикция // УФН. 1983. - Т. 140. -С. 271.

66. Clark А.Е. Magnetostrictive Rare Earth-Fe2 Compounds in Ferromagnetic Materials // North-Holland Pub. Co. 1980. - P. 531-589.

67. Savage H.T., Adler С.J. Magnetoelastic bifurcation in an amorphous ribbon // J. Magn. Magn. Mater. 1986. - Vol. 58. - P. 320.

68. Красильников B.A., Маматова T.A., Прокошев В.Г. Параметрическое усиление при обращении волнового фронта магнитоупругой волны в гематите // ФТТ. 1986. - Т. 28, №2. - С. 615-617.

69. Брысев А.П., Бункин В.Ф., Власов Д.В., Крутянский JI.M., Преображенский B.JI., Стаховский А.Д. Параметрическое обращение фронта ультразвуковой волны в феррите // Акустический журнал. 1988. - Т. 34 -Вып. 6.-С. 1120-1122.

70. Brysev A., Pernod P., Preobrazhensky V. Magneto-acoustic ceramics for parametric sound wave phase conjugators // Ultrasonics. 2000. - Vol. 38. - P. 834-837.

71. Fink M. Time reversal of ultrasonic fields Part I: basic principles // IEEE Trans. UFFC. - 1992. - Vol. 39, №5. - P. 555-566.

72. Chakroun N., Fink M., Wu F. Time reversal processing in ultrasonic nondestructive testing // IEEE Trans. UFFC. 1995. - Vol. 42, №6. - P. 10871098.

73. Prada C., Manneville S., Spoliansly D. and Fink M. Decomposition of the time reversal operator: detection and focusing on two scatterers // J. Acoust. Soc. Am. 1996. - Vol. 99. - P. 2067.

74. Mordant N., Prada C. and Fink M. Highly resolved detection and selective focusing in a waveguide using the DORT method // J. Acoust. Soc. Am. —1999. Vol. 105. - P. 2634-2642.

75. Brysev A., Krutyansky L., Pernod P., Preobrazhensky V. Acoustic microscope based on magnetoelastic wave phase conjugators // Appl. Phys. Lett.2000. Vol. 76, №21. -P. 3133.

76. Pyl'nov Yu., Pernod P., Preobrazhensky V. Acoustic imaging by second harmonic of phase-conjugate wave in inhomogeneous medium // Appl. Phys. Letts. 2001. - Vol. 78, №4. - P. 553-555.

77. Yamamoto K., Pernod P., Preobrazhensky V. Visualization of phase conjugate ultrasound waves passed through inhomogeneous layer // Ultrasonics. -2004.-Vol. 42.-P. 1049-1052.

78. Kevin В., Antonio A.M. and Andres L. Examination of time-reversal acoustics in shallow water and applications to noncoherent underwater communications // J. Acoust. Soc. Am. 2003. - Vol. 113. - P. 3095.

79. Flynn J.A, Ritcey J.A, Rouseff D. and Fox W. Multichannel equalization by decision directed passive phase conjugation // IEEE J. Oceanic Eng. 2004. -Vol. 29.-P. 824-836.

80. Heinemann M., Larraza A. and Smith K.B. Experimental studies of applications of time-reversal acoustics to noncoherent underwater communications // J. Acoust. Soc. Am. 2003. - Vol. 113, №6. - P. 3111-3116.

81. Darrel J.R., Dowling D.K. Phase conjugation in underwater acoustics // J. Acoust. Soc. Amer.-1991.-Vol. 89, №1.-P. 171-181.

82. Kuperman W.A., Hodgkiss W.S., Song H.C., Akal T., Ferla С. and Jackson D.R. Phase conjugation in the ocean: Experimental demonstration of an acoustic time-reversal mirror // J. Acoust. Soc. Am. 1998. - Vol. 103. - P. 25-40.

83. Thomas J.-L., Wu F., Fink M. Time Reversal Focusing Applied to Lithotripsy // Ultrasonic Imaging. 1996. - Vol. 18. - P. 106-121.

84. Tanter M. Application du retournement temporel à l'hyperthermie ultrasonore de cerveau // Thèse de doctorat de l'université Paris 7. 1999.

85. Fink M., Cassereau D., Derode A., Prada C., Roux Ph., Tanter M., Thom.as J.-L. and Wu F. Time-reversed acoustics // Rep. Prog. Phys. 2000. - Vol. 63.-P. 1933-1995.

86. Fink M., Theret M. Time reversed method to improve ultrasonic inspection of titanium alloy //NDT & E International. 1994. - Vol. 27, №3. - P.159.

87. Brysev A., Krutyansky L., Pernod P. et al. Ultrasonic testing of steel tubes by supercritical parametric wave phase conjugation // IEEE Ultrasonics Symposium. 2004. - Vol. 3. - P. 2295-2297.

88. Годин О.А. Волновое уравнение распространения звука в среде с медленными течениями // Докл. акад. наук СССР. 1987. - Т. 293, №1. - С. 63-67.

89. Khokhlova V.A., Averianov M.V., Blanc-Benon Ph., Cleveland R.O. Propagation of nonlinear acoustic signals through inhomogeneous moving media // Proc. of IEEE Int. UFFC Conf. 2004. -P. 533-536.

90. Brysev A.P., Bunkin F.V., Hamilton M.F., Klopotov R.V., Krutyanskii L.M. and Yan K. Parametric Phase Conjugation for the Second Harmonic of a Nonlinear Ultrasonic Beam // Acoustical Physics. 2003. - Vol. 49, №1. -P. 19-23.

91. Brysev A.P., Krutyansky L.M., Preobrazhensky V.L., Pyl'nov Yu.V., Cunningham K.B. and Hamilton M.F. Nonlinear propagation of phase-conjugate focused sound beams in water // ISNA15. 2000. - P. 183-186.

92. Preobrazhensky V.L., Pernod Ph. Phase conjugation of second acoustic harmonics. Retro-focusing in nonlinear inhomogeneous medium // Physics of wave phenomena. 2003. - Vol. 11, №2. - P. 63-67.

93. Pyl'nov Yu.V., Smagin N.V., Preobrazhenskii V.L. and Pernod Ph. Wave phase conjugation of the stokes component of Brillouin scattering of ultrasound // Physics of Wave Phenomena. 2007. - Vol. 15, №2. - P. 111-115.

94. Pylnov Yu.V., Pernod Ph., Preobrazhensky V.L. Low frequency emission by means of nonlinear interaction of phase conjugate ultrasound waves in water // IEEE Ultrasonics Symposium. 2001. - Vol. 1. - P. 397-399.

95. Pyl'nov Yu.V., Pernod Ph., Preobrazhensky V.L. Low Frequency Emission by Nonlinear Interaction of Phase Conjugate Ultrasound Waves // Acta Acústica united with Acústica. 2003. - Vol. 89, №6. - P. 942-947.

96. Christopher Т., Parker K. New approaches to nonlinear diffractive field propagation // J. Acoust. Soc. Am. 1991. - Vol. 90, №1. - p. 488-499.

97. Averkiou M. Tissue Harmonic Ultrasound Imaging // C.R. Acad. Science Paris.-2001.-Vol. 2, Series IV.-P. 1139-1151.

98. Fenlon F.H. On the performance of a dual frequency parametric source via matched asymptotic solutions of Burgers' equation // J. Acoust. Soc. Am. -1974.-Vol. 55.-P. 35-46.

99. Зарембо JI.К. Акустическая излучающая параметрическая антенна // УФН. 1979. - Т. 128, №4. - С. 713-720.

100. Pyl'nov Yu.V., Preobrazhensky V.L., Pernod Ph. and Smagin N.V. Flow Velocity Measurements by Means of Nonlinear Interaction of Phase Conjugate Ultrasonic Waves // IEEE Int. UFFC. 2005. - P. 1612-1615.

101. Krutiansky L.M., Preobrazhensky V.L., Pyl'nov Yu.V., Brysev A.P., Bunkin F.V. and Stakhovsky A.D. Observation of ultrasonic waves in liquid under overthershold parametric phase conjugation in ferrite // Physics Letters A. -1992.-Vol. 164.-P. 196-200.

102. Landwehr P. Extremity arteries. In: Wolf KJ, Fobbe F eds. Color duplex sonography // NY: Thieme. 1995.

103. Розанов H.H., Сочилин Г.Б. Звуковые каналы и линзы в среде с неоднородностью скорости движения // Письма в ЖТФ. 2004. - Т. 30, №11.,-С. 85-88.м ^ Н Ц&>, Щ -WJL,