Фокусированные пучки акустических импульсов в условиях проявления саморефракции и нелинейного поглощения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

/л. •

, МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М. В. ЛОМОНОСОВА

Физический факультет

На правах рукописи

МУСАТОВ Алексей Георгиевич

УДК 534.222

ФОКУСИРОВАННЫЕ ПУЧКИ АКУСТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ В УСЛОВИЯХ ПРОЯВЛЕНИЯ САМОРЕФРАКЦИИ И НЕЛИНЕЙНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ

(01.04.06 — акустика)

АВТО РЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 1993

Работа выполнена на кафедре акустики физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор О. В. РУДЕНКО, кандидат физико-математических наук, О. А. САПОЖНИКОВ.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор К. А. НАУГОЛЬНЫХ, кандидат физико-математических наук, доцент А. А. КАРАБУТОВ.

Ведущая организация: Институт прикладной физики РАН,

г. Нижний Новгород.

Защита состоится « * 1993 г. в Щ часов

в ауд.ч на заседании Специализированного Ученого Совета К.053.05.92 отделения радиофизики физического факультета Московского Государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Адрес: 119899, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан « % » _1993 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета К.053.05.92 И. В. ЛЕБЕДЕВА

Тип. «Нефтяник». 1993. Зак. 1546—100

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы . Проблема получения акустических полей большой интенсивности, локализованных в малой области пространства, решается с помощью фокусирующих устройств. Описание процесса Фокусировки в таких задачах требует учета нелинейных эффектов. Нелинейная акустика сходящихся сферических и цилиндрических волн, а также пространственно-ограниченных пучков периодических возмущений -хорошо исследованная область. • развитие которой в Р^-е - 60-о годы стимулировалось приложениями к ультрззвукоьой технологии.

В 80-х годах на первый план выдвигаются задачи фокусировки мощных одиночных импульсов, связанные, ь первую очередь, с введением п клиническую практику экстракорпоральных ударноволновых литотриптеров.

Литотрипсия сегодня - бурно развивающееся направление в медииине. име. лее дело с бесконтактным удалением почечных и желчных камней из организма человека С этим заболеванием страдает около 4 % населения Земли). Мощные звуковые импульсы генерируются вне тела ..ациента. фокусируется на область расположения камня и дробят его до песка, выходящего затем естественным путем.

Фокусировка имеет безусловные преимущества перед альтернативном методом - прямым подведением мощного ультразвука к камню - так как. во-первых, исключает хирургическог вмешательство в организм и. во-вторых, обе( :ечивает локализаций силового воздействия на камне, не затрагивая при этом окружающие ткани.

Кроме того. малье фокусированные импульсы находят применение во многих других задачах ультразвуковой техн'"<и и технологии, оптоакустики, медицины.

По сравнению со слабыми возмущениями фокусировка мощного ультразвука происходит принципиально по-ичому: среда начинает проявлять своп нелинейность. Таких проявлений в основном два. Это, во-первых, саморефрлкния, то есть искривление акустических лучей из-за того, что каждая точка ударного фронта имеет свою скорость распространения, определяемую величиной давления гч

$ролтом. Во-вторых, принципиальным становится нелинейное поглощение, суть которого - интенсивная диссипация энергии волны на ударном фронте, приводящая к уменьшению амплитуды волны. 0каз1 дается, что во многих случаях именно эти проявления нелинейности определяют процесс фокусировки ударных волн, в то время как дифракция уже не оказывает решающего воздействия. Нелинейность приводит к резкому падению усиления при фокусировке, значительному увеличению размеров фокальной о<5..&~ти и ряду других эффектов. Процесс сильно усложняется.

Теоретическое описание фокусировки интенсивных возмущений может б* ть проведено на основе анализа нелинейного эволюционного уравнения Хохло\ 1-Заболотской-Кузнецова. Но это уравнение не имеет аналитического решения. поэтому теоретическое исследование нелинейных процессов, как правило, сводится к их численному моделированию. Кроме того численньй анализ многомерных нелинейных задач требует большого количества машинного времени и связан со значительны«! математическими трудностями. Результаты, полученные в каждом проведенном численном эксгэрименте. конкретны, и априорно их нельзя обобщать или переносить на другие решения с иными начальным и граничными условиями. Поэтому исследование и выявление основных закономерностей воздействия нелинейности среды на фокусировку мощного ультразвука требуют развития специальной теории такой фокусировки, позволяющей провести комплексной анализ процесса и упростить численное моделирование.

Имевшиеся к моменту начала работы над диссертацией, экспериментальные исследования указывали на доминирующую роль' нелинейных эф^ктов и необходимость их более глубокого и пол..ого исследования. Эксперименты носили достаточно частньй характер, причем некоторые эффекты (например насыцение амплитуды импульсов в фокальной области) четко регистрировались, но не были объяснены. Также не было ясности относительно механизмов разрушения почечных камней и других твердотельных образований. Считалось, что разрушение есть преимуществе..но следствие кавитации. Лля понимания роли и вклада каждого воздействия. ч также для оптимизации деструктивного процесса представляются особо важными поиск и

исследования механизмов разрушения , альтернативных кавитационному.

Настоящая диссертационная работа направлена на исследование отмеченных нерешенных проблем фокусировки мощных акустических импульсов в условиях проявления нелинейных эффекто..

Целью работы являлось:

1. Теоретическое описание фокусировки мощных акустических импульсов с учетом саморефракции и нелинейного поглощения.

2. Экспериментальное исследование нелинейных эффектов саморефракции и поглощения в фокусированных импульснь-х звуковых пучках.

Научная новизна работы определяется следующим:

1. Развита теория, описывающая фокусированные пучки мощных акустических импульсов. Выведена упрощенная самосогласованная система уравнений, позволившая провести численный анализ фокусировки в широком диапазоне изменений исходных параметров звукового пучк Показано, что проявления нелинейных эффектов -саморефракции и нелинейного поглощения - принципиально изменяют процесс фокусировки, в то время как во многих случаях влияние дифракции оказывается несущественным.

2. Определены основные закономерности нелинейной эволюции фокусированных импульсов треугольной формы для различных соотношений между длиной образования разрыва, длиной дифракционной расходимости и радиусом фокусировки.

3. Впервые предсказано явление насыиения пикового давления мощного сходящегося импульса в фокусе звукового пучка! Показано, что увеличение интенсивности исходного сигнала или изменение его длительности не позволяют получить в Фокусе давление..большее некс-орой предельной величины.

4. Уровень насняения акустического давления в ф~чусе определяется только внутренним давлением среды и углом схохдения пучка. Насщение для коротких импульсов наступает при меньших исходных пиковых давлениях на излучателе, чем для импульсов большей длительности. В любой конкретной среде достигаемый уровень может быть повьшен только увеличением угла схохдения акустического пучка.

5. Проведено комплексное экспериментальное изучение влияние

!е;:.;!'.ейного поглощения и саморефракции на процесс фокусировки мощных импульсов. Результаты демонстрируют соответствие порученных данных расчетам на основе построенной теории. Усиление давления в фокусе резко . падает с ростом влияния нелинейных эффектов, причем для достаточно мощных импульсов усиления может не бьггь вовсе; происходят "размывание" фокальной области и сглс ,;иьание поперечного распределения пикового давления в пучке. Г,

5. Установлено, что при деструктивном воздействии мощных импульсов С в том числе фокусированных) на твердотельные образцы наравне с. чавитационной эрозией необходимо учитывать откольный механизм разрушения. Реализованы условия эксперимента, в которых кавитационный механизм разрушения был подавлен. В качестве обоазцов предложено использовать материалы типа канифоли. Показано, что разрушение возникает на тыльной стороне обр^ца и усиливается при увеличении разности импедансов образца и окр^ лающей среды. .

Научно-практическая ценность. проведенным/ экспериментальными исследованиями доказано, что эффекты саморефракции и нелинейного поглощения являются определяющими в процессе фокусировки мощных звуковых импульсов. В определенных условиях указанные . нелинейные эффекты ограничивают максимально достижимое значение давления в фокальной области, которое невозможно увеличить путем повыиения исходного пикового давления на излучателе.

Этот результат является принципиально важным для понимания физики процесса фокусировки импульсных возмущений с урчрным фронтом и описания работы акустических фокусирующих устройств.

Гредложенная нелинейная модель фокусировки и алгоритм ее численного расчета могут быть использованы для количественных оценок ■ основных характеристик акустического поля экстракорпоральных ударноволновых литотриптеров и решения задачи оптимизации режимов работы фокусирующих блоков этих систем. Найденные закономерности будут полезны при конструирова! т устройств, функцией которых является усиление' акустического давления путем фокусировки.

Возможно применение полученных результатов при моделировании

распространения звукового удара от объектов, движущихся н атмосфере со сверхзвуковой скоростью, эволюции взрывных и сейсмических волн в океане, а также в нелинейной акустической диагностике. при планировании экспериментов с мощным ультразвуковым излучением и т. д. - во всех тех с учаях. когда происходит нелинейное искажение мощных импульсных возмущений.

Результаты экспериментов продемонстрировали возможность использования оптоакустического источника для целей разрушения твердотельных образцов ударными импульсами. Практически важным результатом этих исследований является обнаружение откольного механизма разрушения в условиях. когда деструктивное воздействие кавитации существенно ослаблено. Эти данные могут быть положены в основу поиска принципиально новых способов разрушения и удаления конкрементов в организме человека Спочечных. желчных камней, тромбов и т.д.). а также для исследования свойств твердых тел.

Д п р о б а ч и я работы. Основны? результаты

диссертации докладывались на XI Всесоюзной акустической конференции (Москва. 1091) . на Международной конференции по передовым и лазерным технологиям СМосква, 1992) , на 3-м Всероссийском научном семинаре "Динамика волновых явлений и солитонн" (Красновидоьо, 1992) . на XIII Международном симпозиуме по нелинейной акустике С Берген. Норвегия. 1593), на семинарах кафедры физики МГГЛ. Акустического института имени Н. Н. Андреева, Института прикладной физики РАН и неоднократно обсуждались на семинарах кафедры ак ~тики физического фзкультета МГУ имени М.В.Ломоносова.

Публикации. Пи теме диссертации опубликованы четыре статьи в науч"чх журналах и четыре доклада в трудах Всесоюзных и Международных конференций.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Общий объем диссертации составляет ... страниц машинописного текста, из них основного текста - ... страж.д. рисунков - ... страниц. список цитируемой литературы содержит 124 наименования.

г- hie

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, приводится краткий обзор литературы, отражающей современное состояние проблемы, излагается содержание работы.

В первой главе развита теория, описывающая фокусировку импульсных акус-.лческих пучков. Когда нелинейность .среды оказывает несущественное влияние на распространение волны (§1.л), предлагаемый анализ базируется на инвариантности линеаризованного уравнения Хохлова-Заболотской относительно определенк го преобразования, позволяющего привести задачу описания фокусировки к известно / решению для нефокусированного пучка. Показано, что акустическое поле монет быть рассчитано на основе фунничи Грина;. получено его аналитическое описание в случае исходного гауссовского пучка.

Результаты численного расчета фокусировки импульсов экспоненциальной формы показали, что по мере распространения сигнала существенно меняется его форма - из монополярного он становится в ф кальной плоскости симметричным биполярным, а затем приобретает форму импульса разрежения. Основную роль в г граничении амплитуды импульса в фокусе играет дифракция. Коэфф'-чиент усиления пикового давления в "жусе постоянен и не зависит от исходной амплитуды импульса. Изобарические поверхности амплитуд фаз сжатия и разрежения импульса имеют грушевидную форму.

Проводилась также оценка влияния слабой нелинейности на процесс фокусировки импульсов, основанная ча поэт ином рассмотрении явления. Слабая нелинейность приводит к укручению переднего фронта импульса и некоторому увеличению коэффициента концентрации волны в фокусе. Получена оценка границ применимости линейной модели при конечной амплитуде описываемых волн.

Фокусировка импульсов с ударным фронтом, протекающая в условиях сильного проявления нелинейности среды. , рассматривается в §1.2. Особенностями распространения таких импульсов являются нелинейное поглощение и саморефракция. Действительно. ' из-за диссипации энергии импульса на ударном

фронте его амплитуда уменьшается, то есть происходит нелинейное поглощение импульса. Кроме того реальные акустические пучки часто имеют неоднородное поперечное распределение амплитуды. Чем больше значение пикового давления за ударным фронтом, тем выие скорость движения фронта. Следовательно, уч^тки фронта с большей амплитудой смещаются по отношении к областям с меньшей амплитудой. Такая деформация волнового фронта есть проявление саморефракции. В фокусированных пучках, где пиковое давление максимально на оси и уменьшается к краям, фронт успевает вьпрямиться до того, как импульс достигнет Фоку i и пучок дефокусируется.

Если рассматривать слабосфокусированные пучки, то в качестве базового уравнения можно использовать уравнение Хохлова-Заболотской:

а г ар e_.n.ap 1 с .. 0 m

ffxL P^fР Эх J - 2°m

где Р - акустическое давление. с,ро.с0- нелинейный параметр, плотность и скорость звука среды. х - продольная координата. т= t-x/c0 - время в сопровождающей системе координат. Ax=Cl/rDC3/3rDCr3/3rD - лапласиан по поперечной координате г.

Прямое численное интегрирование уравнения CID с использованием современных алгоритм з позволило бы рассчитать фокусировку импульсов. Однако реализация такого подход затруднена из-за большого объема вычислений.

С другой стороны, можно выявить основные закономерности явления, используя дополнительные упрощения уравнения CID:

aD одним из допущений, которое разумно сделать, является отсутствие дифракции, хотя в линейном случае именно она ограничивает максимальное давление в фокусе. При фокусировке импульсов конечной амплитуды появляется другой механизм ограничения - саморефракция. Она приводит к увеличению размеров фокальной области, и поэтому дифракия. как показано в диссертации, оказывается несущественной не только вне фокальной области, но и внутри нее.

б) другое предположение, являющееся также естественным ю.л

.«милых волн - малость линейного поглощения, то есть учет диссипации лишь на ударном фронте.

в) в силу приближений (а) и (б) оправдано и следующее: временной профиль волны после образования разрыва является треугольным. Это асимптотическая форма однополярного импульса при отсутствии дифракции и малости линейного поглощения.

г) Ударный фронт можно считать сферическим. . Такое ».безаберрационное) приближение существенно упрощает расчет. В ре:л_ном пучке нелинейная линза, обусловленная эффектом саморефракции, создает аберрации. В результате форма волнового фронта мо"эт быть очень сложной, однако для анализа приосевой области это приближение оправд; э.

Перечисленные выие допущения позволяют существенно упростить описание акустического поля. В частности, для гауссовского пучка пиковое давление импульса представляется в виде:

г'"-™ * ■ ч -(I.- * Г ]

Здесь КСг) - вспомогательная функция, являющаяся решением обыкновенного дифференциального уравнения 3-го порядка

бг8 (¡г3 * I бг •» 2 I <Ь ^ ^ 4 * 1 2 ■»

с граничными условиями при г = 0 : |

Н - 0 ; бН/бг - ехр(1/№ ; б9Нл&а= ехр(2/Ы) , !

где введены безразмерные параметры :

N = И/х . х» р сЧ ЛсР ) р р О 0 0 о

О = . х = а®/С2с т )

А Д О О О

'л обозначе ия :

1

И - радиус фокусировки. а0- исходный радиус пучка, г = х/й -безразмерная продольная координата.

Параметр N имеет смысл безразмерной амплитуды импульса И| характеризует влияние нелинейности. Параметр 0 совпадает с безразмерным радиусом линейной дифракционной перетяжки пучка и отражает влияние дивакцин.

РИС.1. Безразмерная амплитуда импульса на оси А, в зависимости от продольной координаты г при 0 = 0.01. Кривые 1-3 соответствуют значениям N = 10, 50« 100; штриховая / кривая проведена по линейной теории С N <<

Численное .интегрирование С 2) было проведено в широкой области изменения параметров N и Б в интервале 0^2=2. Основные результаты расчетов представлены в §1.3. Проиллюстрируем их на примере зависимости амплитуды импульса А на оси. нормированной на свое исходное значение Ро. от безразмерного расстояния т. Срис.1). Штриховая кривая проведена по линейной теории и соответствует случаю N << 1. При этом максимум амплитуды Ата1 достигается при г= 1 и составляет Атах = 1/0 = 100 . Кривые 1-3 относятся к нелинейному режиму фокусировки. Они содержат четыре характерных участка. Участок аЬ (кривая 13 является частью штриховой кривой и соответствует сферическому схождению волны до образования ударного фронта. В точке Ь образуется разрыв в профиле волны, и начинается ее нелинейное поглечение. Из-за этого амплитуда волны, несмотря на фокусировку, на некотором участке Ьс может даже уменьшаться с увеличением т.. По мере приближения к фокусу амплитуда импульса растет и в некоторой точке с1 становится максимальной. Нелинейная рефракция

ограничивает усиление волны вблизи фокуса. Максимальное значение амплитуды достигается при z>l. Далее (участок de ) импульс ослабляется как из-за расходимости, так и в силу нелинейного поглощения. При увеличении исходной амплитуды Ро. то есть с ростом N. ударный фронт образуется быстрее и участок ab сокращается. Спад на участке be становится круче и глубже, что обусловлено сильным нелинейным поглощением. Важной характерной особенностью, вызванной нелинейными эффектами, является уменьшение величины Атлх с ростом Ро. Для кривой 3 А » 1. При достаточно больших исходных амплитудах А < 1 ,

ma* ' J таI

т.е. усиления нет вообще. При N>>1 участок be занимает всю' область : амплитуда волны с ростом z монотонно спадает.

Нелинейные эффекты размывают фокальную область. С ростом N продольна! размер фокальной области и поперечный размер перетяжки пучка значительно увеличиваются и становятся много больие размера линейной дифракционной перетяжки (нелинейн л рефракция сильно дефокусирует пучок). Кроме .того поперечное распределение амплитуды импульса из-за нелинейного . -актера поглощения вблизи оси становится более однородным, io есть имеет место эффект изотропизации. Происходит удаление фокуса по сравнению с положением точки прицела, которое может составить порядка нескольких процентов от фокального расстояния.

Численный анализ нелинейной модели приводит к выводу о наличии в фокусированных импульсных пучках • эффекта насыцения абсолютного скяового давления в фокусе Pabs (§1.4). Доказано, что увеличением исходной амплитуды, так же как и изменением длительности импульса, невозможно получить в фокусе давление больше некоторой величины, определяемой только характерным внутренним давлением среды Pw и углом схождения акустического пучка 2а. Величина Pabs представима в виде

Pabs = GCN,D>Pwa2 . Pw = р с2/(2е) . a = а /R .

о о о

Поведение функции GCN.D) в зависимости от безразмерной начальной амплигудьг (параметра N) пр;; различных значениях параметра D иллюстрирует рис.2. Видно, что с увеличением N величина G сначала растет, при N а 10 достигает максимума и далее медленно спадает. Таким образом, имеет место нелинейное

РИС.2. Безразмерная амплитуда импульса в фокусе в а зависимости от

логарифма параметра N. Для кривых 1 -3 соответственно Б 1. 8*10-2, 5.6-10-3, 1.8-10"3.

ограничение РаЬэ. Напомним, что для монополярного, импульса с увеличением Ро одно только нелинейное поглощение уменьшает лишь темпы роста давления в фокусе, но не приводит к его ограничению в отличие от пилообразных волн. Именно .саморефракция обуславливает указанный эффект. Спад Э с ростом N означает. что РаЬэ уменьшается с увеличением Ро. Это, несколько необычно, но вполне объяснимо: саморефракция сильно дефокусирует пучок.

Важным результатом, вытекающим из нашей модели, является с. мбое изменение РаЬз в зависимости от N.и В. Расчет показал, что при вариации этих- параметров на три порядка : 10^104. 10"450210_1 величина ССЫ.Ю находится в,пределах 1.305&£1.75. Поэтому можно для оценок записать:

РаЬв ='1.5*Рм««а

Следовательно, в данной среде существует предел максимально достижимого пикового давления в фокусе, зависящий только от свойств этой среды и угла схождения звукового пучка.

В конце каждой главы диссертации имеется раздел "ВывоййГ;. где кратко формулируются основные результаты изложенного.

Во второй главе описана созданная экспериментальна^ установка, позволяющая исследовать нелинейные эффекты в мощных импульсных пучках С§2.1). Она состоит из оптоакустическсто концентратора импульсов, широкополосного гидрофона и сист-егЙ синхронизации и регистрации.

Оптоакустический концентратор С§2.2) основан иа термй-

оптическом механизме возбуждения звука, использует излучение моцного импульсного лазера на неодимовом стекле и позволяет генерировать в жидкостях импульсы с амплитудой до Ю^а.

Спрокополосный гидрофон сконструирован на основе пьезоэлектрической ПВДФ-пленки. имеет диаметр чувствительной области 2мм и предназначен для работы в звуковых пучках с произвольной формой волнового фронта. Оригинальное и простое дистанционное управление поворотом плоскости чувствительной области гидрофона обеспечивает возможность ориентировать эту

ПЛОСКОСТЬ ЬДОЛЬ ВОЛНОВОГО фрОНТа С ТОЧНОСТЬ!) до 2°.

Калибровка гидрофона проводилась по нелинейному поглощению акустических импульсов. •

Для синхронизации оптоакустического генератора и системы регистра..ии с целью исключения электрических помех был использован волоконный световод, помещаемый в лазерный луч.

Третья глава посвящена экспериментальному исследован-ю воздействия нелинейных эффектов на фокусировку акустических импульсов конечной амплитуды. Наблюдения, относящиеся к Фокусировке слабых импульсов, представлены в §3.1. Результаты эксперимента находятся в хорошем соответствии с линейной теоретической моделью, учитывающей только влияние дифракции на распространение пучка. Показано, что созданный оптоакустический концентратор позволяет получить заметное усиление амплитуды ьолны ь фокусе в случае фокусировки слабых импульсов. Коэффициент усиления давления в фокусе не зависит от исходного пикового давления при низких уровнях амплитуды волны.

В §3.2 подробно обсуждаются основные механизмы проявления акустической нелинейности - нелинейное поглощение и .саморефракция. Изложение иллюстрируется осциллограммами импульсов в экспериментах с нефокусироьанньм пучком.

Параграф 3.3 представляет наиболее важные результаты трех серий экспериментов по распространению мощных пучков фокусированных импульсов в условиях проявления саморефракиии и нелинейного поглощения. Рассматривается эволюция импульсного пучка вдоль оси, поперечное распределение амплитуды давления и форма импульса в фокальной плоскости, а также абсолютное давление в фокусе. В рамках каждой сепии экспериментов

исследовано влияние начальных пикового давления импульса и угла раскрьггия волнового фронта на соответствующий параметр пучка.

Так, заметное усиление пикового давления в фокальной области наблюдается лишь при низких уровнях исходной амплитуды. С ростом амплитуды коэффициент усиления падает, причем для достаточно мощных импульсов усиления нет вовсе. •

Как продольный, так и поперечный размеры фокальной облети увеличиваются в несколько раз с ростом амплитуды волны. Форма поперечного распределения пикового давления в фокальной области становится уплощенной. то есть имеет место эф1>-кт изотропизации. Абсолютное давление в фокусе испытывает сильное нелинейное ограничение.

Уменьшение угла схождения приводит к снижению коэффициента усиления давления в фокусе и увеличению фокальной области.

Исследования временной формы импульса показали, что по мере распространения возмущения за фазой сжатия появляется "хьост" разрежения. Однако амплитуда фазы разрежения, имеющая максимум в фокусе, на всем пути остается намного меньше фазы сжатия. При удалении от оси пучка длительность обеих фаз увеличивается.

В конце главы С§3.4) на примере образцов из канифоли исследовано деструктивное воздействие на твердотельные образцы ударных акустических импульсов различной амплитуды. Основными механизмами разрушения принято считать прямое воздействие, тыльный откол и кавитацию. Особое внимание уделено тыльному отколу, который происходит на задней стенке образца и вызывается отраженным от нее импульсом. При определенном соотношении импедансов твердого материала и окружающей его жидкости отраженный импульс является импульсом разрежения и может превысить порог разрушения материала на растяжение.

В условиях, когда кавитация незначительна либо существенно подавлена, главным деструктивным механизмом будет являться именно тыльный откол. К такому заключению приводит анализ разрушенных образцов. иллюстрированный фотографиями при различных режимах воздействия. Изменялись как амплитуда и количество воздействующих на образцы импульсов, так и окружающие образец среды. В Заключении сформулированы основные результаты диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Развита теория, описывающая ■фокусированные пучки мощных акустических импульсов. Показано, что основной причиной ограничения пикового давления для мощных импульсов с ударньм Фронтом является акустическая нелинейность, а дифракция не оказывает существенного влияния. Нелинейность проявляется в виде двух эффектов - нелинейного поглощения, связанного с диссипацией энергии на ударном Фронте, и саморефракции, обусловленной зависимостью скорости ударного фронта от величины скачка давления.

2. Создана программа численного моделирования фокусировки мощных импульсов. позволяющая рассчитать амплитуду и длительность треугольного импульса в любой точке пучка.

3. Обнаружено явление насыцения абсолютного пикового давления в Фокусе. Показано, что увеличение интенсивности исходного сигнала или изменение его длительности не позволяют получить в фокусе давление, большее некоторой предельной величины; она определяется только внутренним . давлением среды, и углом схождения акустического пучка. Чем короче исходньй импульс, тем при меньших пиковых давлениях происходит насыдение. Повышение уровня насыцения достигается лишь увеличением угла схождения волнового Фронта.

4. Показано, что вследствие дефокусирующего влияния нелинейной •редакции ' поперечный размер перетяжки с ростом исходной амплитуды волны увеличивается и может значительно превысить размеры линейной дифракционной фокальной области. Происходит удаление фикуса от положения точки при ела, которое может достигать нескольких процентов от фокального расстояния.

5. Создана экспериментальная установка, позволяющая исследовать нелинейные эффекты в мощных импульсных пучках. Сконструирован широкополосный гидрофон, позволяющий регистрировать короткие фокусированные акустические импульсы с пространственным разрешением около 1 мм; проведена его калибровка по нелинейному затуханию амплитуды ударного импульса. Генерация »ударных импульсов осуществлялась с помощью специаль,,ого оптоакустического генератора, позволяющего возбуждать акустические импульсы с пиковым давлением до 10& Па при длительности импульса порядка 10"^ сек.

.8. Эксперименты показали, что заметное усиление пикового давления в фокальной области наблюдается лишь при низких уровнях исходной амплитуды. С ростом амплитуды коэффициент усиления падает, причем для достаточно мощных импульсов усиления может не быть вовсе. Усиление увеличивается с увеличением угла схождения исходного волнового фронта. Возрастание интенсивности исходного сигнала, а также уменьшение угла схождения увеличивают размеры фокальной области. Форма поперечного распределения пикового давления в фокальной области обновится уплощенной. то есть имеет место эф«$ект изотропизации. Указанные закономерности находятся в полном соответствии с теоретической моделью С § 1.2 ).

7." Для исследования деструктивного воздействия мощных импульсов на твердотельные образцы реализованы условия эксперимента, в которых влияние кавитационного механизма разрушения существенно ослаблено. Обнаружено, что в этих условиях механизмом разрушения образцов является тыльный откол. Показано, что разрушение происходит под действием отрицательной динамической нагрузки.. Последняя создается при отражении импульса сжатия внутри образца от его тыльной грани и возрастает г увеличением разности импедансов образца и окружающей среды. Таким образом, откольное воздействие следует рассматривать наряду с известным кавитационным воздействием как один из главных механизмов деструкции твердотельных образований ударными импульсами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СШУШХ РАБОТАХ

1. Мусатов А. Г., Руденко О.В. , Сапожников О.А. Учет нелинейной рефракции и нелинейного поглощения при фокусировке мощных импульсов. - Акуст.ж. , 1992. т.33. N3. с.002-510.

2. Мусатов А. Г.. Сапожников 0. А. «Фокусировка мощных акустических импульсов при различных углах раскрытия волнового Фронта. - Акуст.ж., 1S93, т. 39, N2, с. 315-320.

3. Мусатов А. Г. . Сапожников 0. А. Нелинейные эффекты при фикусировке акустических импульсов с ударным фронтом.-Акуст.ж., 1993, т. 39. N3,-с. 0x0-516.'

4. Мусс'ов А. Г. . Сапожников 0.А- Фокусировка слабых акустических импульсов. - Вестник Моск. ун-та. сер.З. физ.-астр. . 1-993. т.34. N4, с.94-97.

0 Мусатоь А.Г.. Сапожников О.А. Описание фокусировки им.чульсов большой амплитуды - Сб. докладов XI Всес. акуст. конф. . секц.Б. . М.: изд-во Акуст. ин-та, 1991, с. 7-10.

П. DubrovsV у A.N. . Musatov A.G. . Rudenko O.V. , Sapozhnikov 0. A. Nonlinear pulsed acoustic fields excited by optoacoustic /j!*"jt) iOiJ and Hxtrdcorpoi eal shock wave lithotripsy. - Internet. Coiif. on Advanced and Laser Technologies (8-11 September 1992, Moscow). Book of Summaries, part 0. p. 112-115.

7. Мусатов А. Г. . Сапожников 0. А. Экспериментальное исследование фокусировки мощных акустических импульсов. -Труды 3-го Всероссийского научного семинара "Динамика волновых явлений и солитоны". М: иэд-во МГУ, 1592, с. 87-90.

8. Musatov A.G., Rudenko O.V., ?ap'»/.lniikov О.А. Nonlinear mechanisms .of peak pressure limitation at pulse focusing.-Proo. of Kill International Symposium ^n Wtilinear Acoustics СГ.З June - 2*.July 1993. P^igen. N"! * Я - In book: Advances in ii'iilinenr A' oustics. Edited by H ¡¡ob-Vr. Published by W.-.гId Scientific Pnl,} idling Co. . Giii'j■>{».•! «•. 1^33, p. 321-32G.