Нелинейные эффекты при параметрическом обращении волнового фронта ультразвуковых пучков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

На правах рукописи

КЛОПОТОВ Роман Владимирович

Нелинейные эффекты при параметрическом обращении волнового фронта ультразвуковых пучков

Специальность: 01.04.06 - Акустика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2010

1 АПР 2010

004600245

Работа выполнена в Научном центре волновых исследований Учреждения Российской академии наук Института общей физики им. А.М.Прохорова (филиал).

Научные руководители: Кандидат физико-математических наук

Брысев Андрей Петрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Проклов Валерий Владимирович

кандидат физико-математических наук, доцент Андреев Валерий Георгиевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)

Защита состоится « 14 апреля 2010 г.» в 15.00 на заседании диссертационного совета Д-002.063.01 в Институте общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) по адресу. 119991, г. Москва, ул. Вавилова, 38, 3 корпус, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук.

Автореферат разослан «¿? 3 » 2010 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д-002.063.01 доктор физико-математических наук

И. А. Маслов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Методы ультразвуковой визуализации широко используются в современных медицинских диагностических исследованиях и неразрушающем контроле. В последние годы развитие ультразвуковых методов включает в себя не только совершенствование соответствующей приборной базы, но и разработку новых методик. Одним из перспективных направлений является использование нелинейных волновых эффектов, проявляющихся при распространении интенсивных ультразвуковых пучков. Такое «нелинейное звуковидение» среды, основанное на анализе высших гармоник исходной ультразвуковой волны, зачастую имеет преимущества перед традиционными линейными режимами. Так, например, эхо-импульсные изображения структуры биоткани, получаемые в современных устройствах медицинской ультразвуковой диагностики с использованием второй гармоники, отличаются повышенным разрешением, обусловленным обужением фокальной области второй гармоники, понижением уровня боковых лепестков и подавлением реверберационных шумов по сравнению с волной основной частоты. При этом, важно, что анализ гармоник нелинейно распространяющейся волны легко адаптируется к существующим диагностическим системам.

Одной из проблем современных систем построения акустических изображений является визуализация объектов, находящихся в неоднородных средах или, что часто случается, за пространственно локализованным неоднородным слоем. В этом случае высокую эффективность демонстрирует системы обращение волнового фронта (ОВФ), использующие способность обращенной волны компенсировать фазовые искажения, вносимые средой распространения. Одним из важных следствий указанного свойства обращенной волны является возможность автофокусировки, или «самонацеливания», ультразвуковых пучков на рассеивающие объекты как в

однородных, так и в неоднородных средах, например, скрытых за фазовым экраном. Исследования в области ОВФ ультразвуковых пучков, в последние годы, активно ведутся как в России, так и за рубежом.

Под обращением волнового фронта понимается такое преобразование волнового поля, при котором направление распространения волн меняется на противоположное с сохранением первоначального пространственного распределения амплитуд и фаз. Это преобразование представляет собой инверсию времени, возможность которой обеспечивается инвариантностью волнового уравнения в среде без поглощения относительно изменения знака времени (в некоторых публикациях подобное преобразование называется «обращением времени»). В случае нелинейного распространения акустической волны возможность применения техники ОВФ для нелинейной акустоскопии неочевидна по нескольким причинам: из-за появления сильной диссипации при образовании ударных участков в профиле волны, несовпадения амплитуд падающей и обращенной волн при ОВФ с усилением и неполного воспроизведения спектра подающей волны при параметрическом ОВФ.

Для создания обращенной акустической волны в ультразвуковом диапазоне частот используются несколько способов: топографический, параметрический и цифровой с применением многоэлементных преобразователей и ЭВМ. На сегодняшний день наибольшее развитие получили два последних метода обращения. И тот, и другой позволяют не только осуществлять ОВФ падающей волны, но и значительно ее усиливать.

Одним из наиболее эффективных на сегодняшний день методов создания обращенной акустической волны на ультразвуковых частотах является параметрическое ОВФ за порогом абсолютной неустойчивости фононов в магнито-акустически активных средах. Данный метод позволяет производить ОВФ в реальном времени и работать в режиме гигантского (свыше 80 дБ) усиления. Подобные свойства сделали запороговые ОВФ-усилители на основе магнитострикционной керамики основным

инструментом в экспериментальных исследованиях нелинейных эффектов при распространении ультразвуковых пучков с ОВФ. Дальнейшее улучшение характеристик соответствующих устройств может быть достигнуто путем повышения интенсивности обращенной ультразвуковой волны за счет улучшения качества и эффективности преобразований при параметрическом ОВФ.

Развитие ОВФ акустических пучков конечной амплитуды соответствует основной тенденции развития современной ультразвуковой акустики. На момент, когда автор приступил к исследованиям ОВФ ультразвуковых волн, были проведены первые эксперименты по формированию интенсивных ультразвуковых пучков с ОВФ. При этом, исследования структуры акустического поля интенсивных обращенных пучков, их свойств в однородных и неоднородных средах, а также способов их практического применения только начинались. Данная диссертационная работа посвящена экспериментальным исследованиям нелинейных эффектов при параметрическом обращении волнового фронта ультразвуковых пучков.

Основные цели и задачи работы

1. Экспериментально исследовать физические особенности ОВФ ультразвуковых пучков при нелинейном распространении падающей и обращенной волн в однородной и неоднородной водной среде.

а. Для экспериментальных исследований свойств интенсивных ультразвуковых пучков с ОВФ в неоднородной среде создать модель фазово-неоднородного слоя со стабильными характеристиками неоднородностей и сильной деструкцией пространственного спектра сфокусированных акустических пучков в частотном диапазоне 1—10 МГц.

b. Экспериментально исследовать структуру поля обращенной ультразвуковой волны в условиях ее нелинейного распространении через фазово-неоднородный слой.

c. Разработать методику ОВФ гармонической компоненты интенсивного ультразвукового пучка при запороговом параметрическом ОВФ и исследовать структуру акустического поля в процессах компенсации фазовых искажений и автофокусировки обращенной гармоники в однородной среде и через фазово-неоднородный слой.

2. Построить экспериментальную модель ультразвукового акустоскопа с использованием параметрического ОВФ гармонической компоненты интенсивного ультразвукового пучка в среде с фазовой неоднородностью.

3. Повысить интенсивность обращенной ультразвуковой волны при параметрическом ОВФ, за счет улучшения акустического согласования магнитострикционной никель-кобальтовой керамики с водой и усиления магнитоакустической связи за счет оптимизации выбора температуры и поля подмагничивания активного ОВФ-элемента.

Научная новизна работы

1. Экспериментально доказана возможность компенсации фазовых искажений при нелинейном распространении ультразвуковой волны с ОВФ в фазово-неоднородной среде.

2. Реализовано селективное обращение фронта гармоник нелинейных волн за счет выбора частоты накачки в схеме запорогового параметрического ОВФ на магнитострикционной никель-кобальтовой керамике. Экспериментально реализовано ОВФ высшей (пятой) гармоники нелинейной волны и продемонстрирована автофокусировка обращенной гармоники в однородной и фазово-неоднородной среде.

3. Впервые экспериментально получено акустическое изображение объекта за фазовым экраном на пятой гармонике волны с ОВФ. Визуализация объекта реализована в условиях, при которых использование зондирующей волны той же частоты не позволяло получить изображение объекта, а построение изображения на основной гармонике не обеспечивало необходимого разрешения.

4. Предложена и использована в обработке экспериментальных данных новая методика количественной оценки качества запорогового параметрического ОВФ ультразвука с использованием фазово-неоднородного слоя.

5. Экспериментально исследована запороговая динамика твердотельного параметрического ОВФ-усилителя ультразвука с согласующим слоем на границе «активная среда — жидкость».

6. Экспериментально обнаружено усиление магнитоупругой связи в магнитострикционной керамике на основе №Ре204 при оптимальном выборе рабочего температурно-полевого режима.

Практическая ценность работы

Представленные результаты экспериментальных исследований интенсивных ультразвуковых пучков с ОВФ показывают, что, несмотря на заметные нелинейные искажения, в процессе обращения сохраняются важные для практических задач свойства компенсации фазовых искажений и автофокусировки пучка на рассеивающие объекты. Результаты могут быть использованы для создания систем акустоскопии, совмещающих известные методы вторичной тканевой гармоники с техникой ОВФ.

Представленные результаты экспериментальных исследований демонстрируют возможность селективного ОВФ гармонических составляющих падающего интенсивного ультразвукового пучка. Здесь обращенная волна обеспечивает компенсацию фазовых искажений при ее

обратном распространении в фазово-неоднородной водной среде. Полученные результаты могут служить физической основой разработки и создания систем нелинейной ОВФ-акустоскопии высокого разрешения, предназначенных для визуализации объектов, расположенных за экранирующей фазовой неоднородностью.

Показано, что применение согласующего четвертьволнового слоя из полимерного материала позволяет повысить амплитуду звукового давления в фокусе обращенной волны и динамический диапазон параметрического магнитострикционного ОВФ-преобразователя, что может быть использовано в медицинских приложениях акустических пучков высокой интенсивности, в частности, в гипертермии.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Данные экспериментальных исследований процессов нелинейного распространения интенсивных ультразвуковых волн с параметрически обращенным фронтом сквозь аберрирующий слой демонстрируют эффекты автофокусировки и компенсации фазовых искажений в бездисперсионной водной среде.

2. Разработанный экспериментальный метод позволяет количественно оценить эффективность работы ультразвуковых ОВФ-систем. Показано, что качество ОВФ в линейном режиме ОВФ-усилителя выше, чем в режиме насыщения.

3. Автофокусировка обращенной гармоники нелинейной ультразвуковой волны при параметрическом ОВФ реализуема, как в однородной, так и в фазово-неоднородной бездисперсионной водной среде.

4. Селективное фазовое сопряжение высших гармоник нелинейных волн позволяет повысить разрешение и устранить фазовые аберрации в системах нелинейной акустоскопии на основе ОВФ.

Публикации и апробация

Основные положения диссертации изложены в 17 печатных работах, список которых приводится в конце автореферата.

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодая наука — XXI веку» (2001, Иваново), VII Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых ВКНСФ-7 (2001, Екатеринбург), 17-й Международный конгресс по акустике (17th International Congress on Acoustics, 2001, Рим), Международный симпозиум по ультразвуку (Ultrasonics International, 2001, Delft), 16-й Международный симпозиум по нелинейной акустике (16th International Symposium on Nonlinear Acoustics, 2002, Москва), Международная научно-техническая конференция «Молодые ученые — науке, технологиям и профессиональному образованию» (2002, Москва, МИРЭА), Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2003» (2003, Москва, МГУ), XIII сессия Российского акустического общества (2003, Москва), 5-й Международный конгресс по ультразвуку (5th World Congress on Ultrasonics, 2003, Париж), 146-я сессия Американского акустического общества (146th Meeting of Acoustical Society of America, 2003, Техас), 8-я французская акустическая конференция (8th French Acoustic Conference, 2006, Tours).

Работа выполнена в рамках грантов, выделенных Российским фондом фундаментальных исследований (проекты № 98-02-17318, № 00-15-96636, № 01-02-16610, № 02-02-06417, № 02-02-16916, № 02-02-22002, № 03-02-06441), Фондом международных программ научного сотрудничества Франции PICS (1573), российско-французской программы PAI-RUSSIER Dossier № 04585ТК, гранта Минпромнауки PAI-T 4585, Американским фондом гражданских

исследований и развития для независимых государств бывшего Советского Союза (СЮТ) № Ш>2-2367-М0-02.

Выступления автора на конференциях: Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодая наука — XXI веку» (2001, Иваново), «Молодые ученые — науке, технологиям и профессиональному образованию» (2002, Москва, МИРЭА), были награждены дипломами.

Личный вклад автора

Все результаты, изложенные в диссертации, выполнены лично автором или при его непосредственном участии.

Структура и содержание диссертационной работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем работы 143 страницы, включающих 56 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 152 наименования.

Краткое содержание диссертации

Ведение

В главе 1 представлен обзор современных методов обращения волнового фронта в акустике. Рассмотрены достоинства и недостатки основных из них: голографического, параметрического и цифрового с использованием многоэлементных преобразователей и ЭВМ.

В главе 2 экспериментально исследуются основные свойства волн с обращенным фронтом: способность компенсировать фазовые набеги при обратном распространении и автофокусировка, в случае работы системы параметрического ОВФ в режиме усиления, когда при распространении интенсивной обращенной ультразвуковой волны происходит генерация высших гармоник с образованием ударного фронта. Также проводится

сравнение качества ОВФ-фокусировки в случае линейного режима параметрической ОВФ-системы и режима насыщения.

В §2.1 приведены результаты прямых измерений структуры поля сфокусированной обращенной ультразвуковой волны, распространяющейся в фазово-неоднородной среде в условиях развитой нелинейности. В качестве неоднородной среды использовался специально изготовленный слой из силиконового полимера, подробно описанный в Приложении 2.

Одна сторона слоя была плоской, а на второй хаотически располагались неровности неправильной пирамидальной формы. Размеры их основания и высоты находились в пределах от 2 до 5 мм. Таким образом, разность набега фазы в воде и в слое, например, на дистанции 3 мм составляла более 4 ж Акустический импеданс слоя обеспечивал достаточно хорошее акустическое согласование с водой. Учитывая сравнительно небольшую толщину слоя, можно считать, что искажения, вносимые в акустический пучок, носили в основном фазовый характер, а амплитудные потери были несущественны.

Способность слоя вносить в проходящую волну искажения хорошо видна на рис. 1, где представлены фокальные распределения в падающей волне, прошедшей через слой, установленный на расстоянии 20 мм от фокуса, и в отсутствие слоя. Хорошо видно сильное разрушение фокусировки в пучке, прошедшем через слой. При проведении экспериментов с обращенной волной фазовый слой переносился симметрично относительно фокуса (за него) и устанавливался перед обращающей системой, при этом фазовые искажения в падающую волну вносились после прохождения области фокуса.

Для обращенной волны были проведены измерения фокального и осевого распределения поля звукового давления и сделано их сравнение с

1.0

0.8

| 0.6 а.

0.4 0.2 0

Л Лл

■ 1 1

^1-..:. "Л ,

-4 0 4 8 X (тт)

Рис. 1. Фокальное распределение нормированной амплитуды давления в падающей волне. 1 - в отсутствие фазового слоя, 2 - в присутствии слоя. X - расстояние от оси пучка.

падающим пучком. На рис. 2 показано измеренное на оси нормированное значение давления обращенного и падающего пучка, а на рис. 3 — поперечное распределение среднеквадратичного давления в фокальной плоскости источника.

По фокальному и осевому распределению хорошо видно, что, несмотря на увеличение относительного уровня боковых максимумов, поле интенсивной обращенной волны, прошедшей через фазово-неоднородный слой, демонстрирует высокое качество ОВФ-фокусировки УЗ-пучка как по положению, так и по ширине главного максимума.

Полученный результат показывает, что, несмотря на то, что в нелинейном волновом уравнении, описывающем нелинейное распространение ультразвуковых пучков, инвариантность относительно знака времени нарушена, как из-за усиления обращенной волны, так и из-за нелинейного затухания, важнейшие свойства обращенной волны, компенсация фазовых искажений и автофокусировка, сохраняются. Это происходит из-за корреляции фазы всех гармоник при бездисперсионном

Рис. 3. Поперечное распределение нормированного звукового давления в фокусе. Сплошная линия -обращенная волна, штриховая - падающая волна. Вверху справа - временная форма обращенной волны в точке Х=0.

80 90 -V (шш)

Рис. 2. Осевое распределение нормированного звукового давления. Сплошная линия - обращенная волна, штриховая - падающая волна. Пунктир -положение фазового слоя Л. X - расстояние от излучателя. Внизу справа - временная форма обращенной волны на оси пучка в точке Х=97 мм.

распространении акустической волны. Указанная особенность ОВФ акустических пучков важна для практических применений в нелинейных системах построения акустических изображений и в физике мощного ультразвука, поскольку обеспечивает эффективную фокусировку интенсивной обращенной волны.

В §2.2 вводится критерий качества ОВФ для акустической волны и приводится его сравнение для линейного и нелинейного режимов работы запороговой параметрической ОВФ-системы в режиме усиления.

Методика измерения качества обращенной волны была разработана ранее для оптических систем, но ее прямой перенос в системы ОВФ ультразвуковых пучков не представляется возможным, поскольку она основана на применении пучков с плоским волновым фронтом и измерении их мощности на больших расстояниях от ОВФ-зеркала. Измерения на больших расстояниях («на бесконечности»), невозможные в ультразвуковых устройствах, можно заменить измерением параметров волны в фокальной плоскости сфокусированного пучка.

При проведении эксперимента сферически сфокусированный излучатель с фокусным расстоянием 84 мм располагается на двойном фокусном расстоянии с ОВФ-элементом в заполненном водой бассейне. Несущая частота ультразвукового акустического импульса составляла 5 МГц. На пути распространения акустического пучка установлен фазово-неоднородный слой, такой же, как и в предыдущем эксперименте. Распространяющаяся в обратном направлении обращенная волна сходится в фокусе. В процессе этого внесенные в падающий пучок фазовые искажения компенсируются в фундаментальной компоненте обращенной волны, и обращенный пучок сходится в точку фокуса, являющуюся для него источником. В этом случае необращенные компоненты излучения ОВФ-зеркала в фокусе не сходятся. Фазовая пластина при этом играет роль согласовывающего пространственного фазового фильтра, подходящего исключительно для обращенной компоненты.

Таким же образом, как в оптике, вводится параметр «качество

обращения»: ~

(Л

со/у

V соп1 у

1 .

ТТ^г I , где, — акустическая мощность,

Ч тс J

сосредоточенная в центральном фокальном максимуме обращенного пучка, ^ — общая мощность обратного пучка, — мощность в центральном

максимуме поля падающего пучка, — общая мощность падающего пучка.

На основе оценки двумерного распределения давления в фокальной плоскости обращенного пучка в случае, когда его амплитуда достаточна для генерации при обратном распространении высших гармоник (см. рис. 4), были вычислены значения Qrms=(},S6 и @/=0,49 для среднеквадратичного

II

Г

-10 .5 о

X

I Ра IV

_ -10

-5 " 0 5 У

10 тпгп

Рис. 4. Двумерное рг&пределение амплитуды давления первых четырех гармоник обращенной волны в фокальной плоскости, (а)—(г) -1—IV гармоники соответственно.

давления и для первой гармоники соответственно. При максимальной фокальной интенсивности - 470 Вт/см2 и мощности пучка 3,3 Вт.

Эксперименты показали, что выбранной области двумерного сканирования не хватает для корректной оценки общей мощности рассеянных компонент обращенной волны. Поэтому, опираясь на осевую симметрию обращенного пучка, было решено использовать одномерное сканирования поля по прямой фокальной плоскости пучка с максимально необходимым удалением от оси. Критерием достаточной удаленности от оси служила невозможность регистрации акустического сигнала на фоне электрических шумов измерительного тракта. При использовании этого подхода для качества обращения были получены следующие значения: для

линейного режима Qrm=0,56, (2;=0,54; для нелинейного режима 2™=0,31, &=0,24.

Таким образом, в серии экспериментов были измерены акустическая мощность и качество ОВФ запороговой параметрической ОВФ-системы на основе магнитострикционной никель-кобальтовой керамики. Показано, что в нелинейном режиме насыщения ОВФ-системы качество обращения ниже, чем при работе в линейном режиме, что может быть важно при работе с приложениями.

В главе 3 исследуется возможность осуществления селективного ОВФ с обращением гармонической составляющей сфокусированных интенсивных ультразвуковых пучков в однородной и фазово-неоднородной средах. Экспериментальные результаты сравниваются с численным моделированием в случае ОВФ второй гармоники интенсивной ультразвуковой волны в однородной среде и приводятся экспериментальные результаты сохранения эффектов автофокусировки и компенсации фазовых искажений при обращении второй гармоники интенсивного ультразвукового пучка, прошедшего через фазово-неоднородный слой. Также представлена экспериментальная реализация акустической визуализации объекта, в случае расположении фазового экрана перед излучателем зондирующего сигнала, что аналогично схеме акустоскопа «на отражение», в случае невозможности использования стандартных методов ОВФ из-за сильного разрушения зондирующего ультразвукового пучка. Показывается, что в этом случае акустическое изображение можно получить, используя в качестве зондирующего интенсивный ультразвуковой пучок более низкой основной частоты с построением изображения с использованием ОВФ пятой гармоники.

В §3.1 исследуется возможность селективного ОВФ второй гармоники падающей интенсивной ультразвуковой волны. Экспериментальные данные сравниваются с численным расчетом на основе уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова (ХЗК).

Описанные выше эксперименты показали, что механизм фазового синхронизма гармонических составляющих интенсивной ультразвуковой волны при бездисперсионном распространении в воде приводит к компенсации фазовых искажений у гармонических составляющих волны с ОВФ. Вместе с тем априори не ясно, что будет представлять собой волна, полученная в результате ОВФ одной из гармонических составляющих падающей волны, поскольку в этом случае ее источник не имеет четкой локализации, являясь распределенным.

Экспериментальная проверка возможности ОВФ гармонических

составляющих ультразвуковой волны достаточно просто реализуется при

параметрическом ОВФ за счет резонансной природы взаимодействия

звуковых волн и параметрической электромагнитной накачки в активной

Обращающей Среде. ДЛЯ СелеКЦИИ Относительная амплитуда

1.0

нужной гармоники достаточно установить между частотой накачки /р и частотой компоненты / обращаемой волны соотношение о.4

В эксперименте

сфокусированный преобразователь

излучает в воду ультразвуковой

радиоимпульс с несущей частотой

/=3 МГц. Соосно с ним

располагается ОВФ-элемент, на о.4

который в момент прихода

звукового импульса подается

импульс электромагнитной накачки

С несущей частотой 2^=12 МГц. Рис. 5. Относительное распределение давления

основной гармоники обращенной волны и второй Акустическое поле падающего и гармоники падающей волны: а) вдоль оси пучка, 6)

поперек оси в точке Ъ =82 мм. Сплошная линия -обращенного ультразвуковых обращенная волна, пунктир-вторая гармоника

г ' г ' падающей волны.

пучков измеряется широкополосным звукопрозрачным РУБР-гидрофоном с диаметром чувствительного элемента 0,5 мм.

На рис. 5 представлены результаты сравнения измеренных полей основной гармоники обращенной волны и второй гармоники падающей волны. Видно, что в целом обращенная волна воспроизводит поле второй гармоники падающей волны. При этом обращенный пучок является сфокусированным, а ширина фокального максимума фундаментальной компоненты обращенного пучка и его осевое положение практически не отличаются от того, что имеется во второй гармонике падающего пучка. Полученный экспериментальный результат хорошо согласуется с расчетом на основе уравнения ХЗК.

Таким образом, экспериментально показана возможность использования запорогового параметрического ОВФ для селективного обращения гармонических составляющих интенсивной ультразвуковой волны с сохранением эффекта автофокусировки обращенного пучка.

В §3.2 продолжено изложение экспериментальных исследований свойств «неполного» ОВФ второй гармоники падающего ультразвукового пучка, но уже в фазово-неоднородной среде.

Для этого в схему эксперимента, изложенного в §3.1, был добавлен фазово-неоднородный слой, располагавшийся на расстоянии 20 мм от фокуса, между фокусом и ОВФ-системой. Измеренные амплитуды первой и

Рис. 6. Нормированные распределения значения звукового давления в обращенном пучке (сплошная линия) и второй гармоники падающей волны (штриховая линия): слева - на оси пучков (Я - положение фазового слоя); справа - в фокальной плоскости.

второй гармоник падающей волны в фокусе составляли 0,65 МПа и 0,085 МПа соответственно при пиковом перепаде 1,45 МПа. На границе слоя амплитуды гармоник составляли 0,38 МПа и 0,043 МПа соответственно. Результаты измерений осевого и фокального распределения акустического давления в основной гармонике обращенного пучка в сравнении со второй гармоникой падающего пучка представлены на рис. 6. Хорошо видно сохранение фокального максимума как по осевой, так и по поперечной координатам, однако наличие фазово-неоднородного слоя внесло некоторые искажения в данные распределения по сравнению со случаем ОВФ в однородной среде. Пиковый перепад давления в фокусе обращенной волны составил 3,4 МПа при значениях амплитуд первых двух гармоник 1,23 МПа и 0,5 МПа.

Таким образом, проведенные измерения показывают, что наличие в среде распространения фазовых неоднородностей не препятствует автофокусировке при селективном фазовом сопряжении второй гармоники интенсивного ультразвукового пучка.

Следующий раздел (§3.3) посвящен экспериментальной реализации нелинейной ОВФ-акустоскопии на обращении пятой гармоники зондирующего сигнала в случае, когда образец скрыт за фазовым экраном, что характерно для схемы акустоскопа «на отражение». При характеристиках фазово-неоднородного слоя, исключающего возможность использования стандартных ОВФ-методов из-за сильного пространственного разрушения зондирующего ультразвукового пучка.

В эксперименте (рис. 7) использовалась схема «на прохождение» расположения источника S и системы ОВФ С. В ее фокусе располагался объект О из перекрещенных медных проволочек

в о L S

С X 0

7

Рис. 7. Упрощенная схема экспериментальной установки. Б - двухчастотный пьезопреобразователь. Ь - фокусирующая линза. Я - фазово-неоднородный слой. О - тестовый объект. С - параметрическая система ОВФ ультразвука. В - бассейн с водой.

диаметром 0,2 мм, который при сканировании перемещался по фокальной плоскости при помощи позиционирующей системы. Для эксперимента использовался двучастотный преобразователь, склеенный из двух пьезокерамических элементов с частотами 1,3 и 6,6 МГц. Их резонансные частоты были подобраны таким образом, чтобы пятая гармоника низкочастотной волны была близка к резонансу высокочастотного преобразователя. Фокусировка излучения осуществлялась линзой Ь из оргстекла с фокусным расстоянием 50 мм. Между объектом и излучателем на расстоянии 15 мм от фокуса располагался фазово-неоднородный слой И.

Опишем один цикл построения акустического изображения на основе волны с ОВФ. Синхронизированный ультразвуковой радиоимпульс излучается одним из элементов преобразователя в зависимости от того, на какой частоте производится сканирование. Сфокусированный импульс распространяется через фазово-неоднородный слой в сторону объекта и отражается от него, после чего попадает в параметрическую систему ОВФ. Обращенная волна распространяется в обратном направлении и принимается НЧ- или ВЧ-преобразователем. Построение акустического изображения осуществляется за счет смещений объекта в фокальной плоскости системы.

На рис. 8 представлены акустические изображения исследуемого объекта при различных схемах эксперимента. Рисунки 8а и 86 показывают

изображение перекрестья проволочек в традиционной схеме «на отражение» при частоте зондирующего импульса 6,6 МГц в однородной среде и при наличии фазово-

неоднородного слоя

соответственно. На рис. 8с представлено изображение

а б в г д

Рис. 8. Акустические изображения объекта: а - традиционная

схема «на отражение» в однородной среде, 6,6 МГц, б -традиционная схема «на отражение» с аберрирующим слоем,

6,6 МГц, б - традиционная схема «на отражение» с аберрирующим слоем, 1,3 МГц. г - схема «на отражение» с ОВФ основной гармоники, 6,6 МГц, с аберрирующим слоем, д - схема «на отражение» с ОВФ пятой гармоники от 1,3 МГц, при наличии аберрирующего слоя.

проволочек, полученное на низкой частоте зондирующего сигнала 1,3 МГц при наличии аберрирующего слоя. Нужно отметить, что оно практически идентично изображению, полученному в однородной среде. Использование низкочастотного сигнала позволило «преодолеть» фазово-неоднородный слой, но полученное таким образом разрешение системы не позволяет однозначно идентифицировать объект. Введение в схему акустоскопа ОВФ-системы, работающей на основной частоте зондирующего сигнала 6,6 МГц, не позволило компенсировать фазовые искажения, что хорошо видно на рис. 8г. При этом акустическое изображение, построенное на основе обращенной пятой гармоники зондирующего низкочастотного сигнала 1,3 МГц, даже при наличии фазово-неоднородного слоя можно считать удовлетворительным (рис. 8д).

Представленные результаты наглядно демонстрируют преимущества нелинейной ОВФ-акустоскопии с усилением, основанной на обращении гармонической составляющей интенсивного зондирующего пучка, по сравнению с традиционным методом.

Глава 4 посвящена экспериментальным исследованиям методов повышения интенсивности пучков с ОВФ в запороговом параметрическом ОВФ-преобразователем на основе магнитострикционной никель-кобальтовой керамики и повышению эффективности магнитоупругого взаимодействия акустической волны с электромагнитной накачкой.

В §4.1 приводятся экспериментальные результаты двукратного повышения амплитуды давления волны с ОВФ и увеличения динамического диапазона параметрического ОВФ-усилителя за счет использования четвертьволнового согласующего слоя на границе «вода—феррит» в ультразвуковом диапазоне частот. Слой изготовлен из полимерного материала, используемого в стоматологии, акустическое сопротивление которого Z=6000 кг/с-м2 близко к теоретическому среднегеометрическому импедансу согласуемых сред (-7500 кг/с-м2). Немаловажно, что материал обладает хорошей адгезией к керамике, что позволяет наносить его на

рабочие поверхности без склейки и даже механически обрабатывать после этого.

Для проверки эффективности согласования на одну из сторон двух активных элементов был нанесен согласующий слой. Методом шлифовки их толщина была доведена до 120 ±12 и 60±3мкм для работы на частотах 5 МГц и 10 МГц соответственно. На рис. 9 представлен временной профиль ультразвуковой волны в фокусе обращенного пучка. Перепад давления для согласованного элемента составил 8,3 МПа, без него 4,1 МПа, а форма волны стала более нелинейной. При этом распределение давления в фокальной плоскости пучка с ОВФ хорошо воспроизводит падающий пучок. Проведенные измерения зависимости амплитуды давления обращенной волны от длительности импульса накачки показали, что для получения заданной амплитуды давления волны с ОВФ требуется в несколько раз меньшая длительность импульса накачки или в несколько раз меньшая амплитуда падающей волны.

Таким образом, показано, что предложенный метод можно эффективно использовать для увеличения интенсивности сфокусированных обращенных ультразвуковых пучков, излучаемых в жидкость, без существенного ущерба для качества ОВФ.

В §4.2 изложены результаты экспериментальных исследований магнитоупругого взаимодействия в поликристаллической магнитострикционной керамике на основе феррита никеля в области высоких температур в диапазоне 300—740 К. В качестве исследуемого объекта был взят образец

МРа

Рис. 9. Волновой профиль обращенной волны в точке фокуса: сплошная линия - для акустики согласованного ОВФ-элемента, пунктир - для акустически несогласованного ОВФ-элемента.

магнитострикционной керамики на 4

О.Н

основе №Ре2С>4 с примесями меди, 0,г самария и кобальта (в молярных

0 0«

процентах Ре203 — 48,6%, СоО —

0.0«

1,28%, СиО — 1,34%, ЭтА — 1,49%,

I

остальное — №0), аналогичный по

Рис. 10. Температурная зависимость составу активному элементу коэффициента магнитоупругой связи при трех

значениях магнитного поля:

устройства запорогового 1)300Э,2)653 Э,3)969Э.

параметрического ОВФ.

При проведении эксперимента образец вместе с измерительной катушкой располагался внутри нагревателя, который вместе с образцом помещался в зазор электромагнита таким образом, чтобы ось измерительной катушки была перпендикулярна внешнему магнитному полю. Исследования магнитоупругой связи проводились методом резонанса-антирезонанса.

Измерения частоты резонанса сдвиговых волн от температуры образца проводилось для трех значений напряженности поля подмагничивания: 300, 653 и 969 Э в температурном диапазоне 300—740 К. В области температур от 570 до 640 К наблюдается особенность в виде минимума резонансной частоты.

Зависимость коэффициента магнитоупругой связи от температуры

определялся из соотношения £ = г'" , где и /„„, — частоты

V /т!

резонанса и антирезонанса соответственно (см. рис. 10). В температурной области 570—640 К, где амплитуда и частота резонанса имеют минимум, коэффициент магнитоупругой связи имеет максимум. Причем при значении поля подмагничивания 300 Э коэффициент связи при температуре 633 К на 27% выше, чем при комнатной температуре.

Представленные в данном разделе экспериментальные результаты демонстрируют возможность усиления магнитоупругой связи в активном материале на основе феррита никеля при соответствующем выборе рабочего

4, ■у

>

'•»к»-" Ш:

~ \..

температурно-полевого режима. Полученные данные могут быть использованы для оптимизации параметров запорогового магнитоакустического устройства ОВФ ультразвукового диапазона частот.

Основные результаты работы

В работе представлен цикл экспериментальных исследований свойств интенсивных ультразвуковых пучков с ОВФ в однородных и фазово-неоднородных средах, продемонстрировано использование полученных результатов для построения акустических изображений, а также исследован ряд методов повышения интенсивности ОВФ-пучков, генерируемых ОВФ-элементом на магнитострикционной керамике.

1. Создан фазово-неоднородный слой (фазовый экран), имеющий хорошее акустическое согласование с жидкой средой распространения, позволивший моделировать распространение и исследовать свойства обращенных ультразвуковых пучков в фазово-неоднородной среде.

2. Экспериментально реализованы эффекты компенсации фазовых искажений и автофокусировки при распространении интенсивной ультразвуковой волны с обращенным фронтом сквозь аберрирующий фазово-неоднородный слой.

3. Экспериментально показано, что в среде, содержащей аберрирующий слой, селективное параметрическое фазовое сопряжение отдельной гармонической компоненты интенсивной волны обеспечивает автофокусировку сопряженных пучков и компенсацию фазовых искажений волнового поля.

4. Экспериментально доказана эффективность использования ОВФ высших гармонических компонент зондирующей ультразвуковой волны для повышения разрешения и устранения фазовых искажений при построении акустического изображения объектов, расположенных за аберрирующим слоем.

5. Предложена методика оценки качества ОВФ ультразвука и выполнены количественные измерения коэффициента качества для запорогового магнитоакустического параметрического ОВФ- усилителя ультразвука. Коэффициент качества достигал в линейном режиме усиления значений Qrms=0,56, 0/=О,54, а в режиме насыщения Qrms=0,31, 0;=О,24 для среднеквадратичного давления и для первой гармоники соответственно.

6. Экспериментально показана возможность повышения эффективности твердотельного ОВФ-усилителя, нагруженного на воду, за счет использования согласующего слоя из полимерного материала. Амплитуда давления в обращенном ультразвуковом пучке повышена в два раза за счет полимерного согласующего слоя на границе «твердое тело — жидкость».

7. Получены экспериментальные результаты, демонстрирующие возможность усиления магнитоупругой связи в активном материале ОВФ-системы на основе никель-кобальтового феррита при оптимальном выборе рабочего температурно-полевого режима.

Публикации автора по материалам диссертации:

1. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Клопотов Р.В., Крутянский JI.M., Преображенский B.JI. Распространение нелинейной сфокусированной обращенной волны в среде с фазовой неоднородностью // Тезисы докладов международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодая наука — XXI веку» (Иваново, 2001). —N., 0000. С. 7.

2. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Клопотов Р.В., Крутянский Л.М., Преображенский B.JI. Фокусировка нелинейной ультразвуковой волны с обращенным фронтом, прошедшей через фазово-неоднородный слой // Письма в ЖЭТФ. Т. 73. № 8. 2001. С. 434—437.

3. Брысев А.П., Клопотов Р.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л. Параметрическое обращение второй гармоники сфокусированного нелинейного ультразвукового пучка // Сб. тезисов ВКНСФ-7. — СПб., 2001. С. 708—709.

4. Krutyansky L., Brysev A., Klopotov R., Preobrazhensky V., Bunkin F. Propagation of Nonlinear Phase Conjugate Wave Through a Random Phase Layer.

— Proc. of the 17th International Congress on Acoustics (ICA17), Rome, 2001, CD.

5. Krutyansky L., Brysev A., Klopotov R. Parametric Phase Conjugation of the Second Harmonic of a Nonlinear Ultrasound Beam. —■ Рос. of the 17th International Congress on Acoustics (ICA17), Rome, 2001, CD.

6. Brysev A., Bunkin F., Klopotov R., Krutyansky L. A quality of parametric wave phase conjugation of ultrasound. — Ultrasonics, 2002, v. 40. P. 329—332.

7. Klopotov R.V., Krutiansky L.M., Preobrazhensky V.L. High temperature magneto-acoustic anomalies in active material for parametric phase conjugation.

— Nonlinear Acoustics at the Beginning of the 21st Century. 16th Int. Symp. on Nonlinear acoustics, Moscow, MSU, 2002, v. 1. P. 503—506.

8. Брысев А.П., Клопотов P.B., Крутянский JIM., Преображенский B.JI. Автофокусировка нелинейных ультразвуковых пучков с обращенным волновым фронтом // Сб. тезисов междунар. научно-техн. конференции «Молодые ученые — науке, технологиям и профессиональному образованию». — М., 2002. С. 29—32.

9. Brysev А.Р., Klopotov R.V., Krutyansky L.M., Pernod P., Preobrazhensky V.L. Dynamics of solid-state parametric WPC amplifier of ultrasound with matching layer at interface of active medium — liquid. — Physics of Vibrations, 2002, v. 10, № 3. P.121—124.

10. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Гамильтон М.Ф., Клопотов P.B., Крутянский JIM., Ян К. Параметрическое обращение фронта второй гармоники нелинейного ультразвукового пучка // Акустический журнал. 2003. Т. 49. № 1.С. 18—23.

11. Брысев А.П., Клопотов Р.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л. Фокусировка нелинейных ультразвуковых пучков с обращенным волновым фронтом в неоднородной среде // Сб. тр. конференции «Ломоносов-2003». — М„ 2003. С. 133—135.

12. Брысев А.П., Клопотов Р.В., Крутянский JI.M., Преображенский B.JI. ОВФ-фокусировка нелинейной волны в среде с неоднородностью при обращении фронта второй гармоники падающего ультразвукового пучка // Сб. тр. XIII сессии Российского акустического общества. Т. 1. — М., 2003. С. 121—123.

13. Brysev А.Р., Klopotov R.V., Krutyansky L.M., Preobrazhensky V.L. Phase conjugation of second harmonic of nonlinear wave and retrofocusing in inhomogeneous medium. — Physics of Wave Phenomena, 2003, v. 11, № 1, P. 10—14.

14. Brysev A.P., Hamilton M.F., Klopotov R.V., Krutyansky L.M., Preobrazhensky V.L., Yan X. Refocusing of ultrasound by means of phase conjugation of the second harmonic of a focused nonlinear beam. — Proceedings of WCU, Paris, 2003, CD.

15. Brysev A., Krutyansky L., Klopotov R., Preobrazhensky V., Pernod P., Hamilton M., Yan X. Phase conjugation of the second harmonic of a focused ultrasound beam as a method for improving C-scan acoustic imaging in nonlinear inhomogeneous media. — J. Acoust. Soc. Am., v. 114, № 4, Pt. 2, October, 2003, 146th Meeting Acoustical Society of America. P. 2436.

16. Brysev A.P., Bunkin F.V., Klopotov R.V., Krutyansky L.M. Acoustic imaging of object in phase-inhomogeneous medium using phase conjugation of higher harmonic of ultrasonic beam. — Physics of Wave Phenomena, 2005, v.13, №2. P. 81—86.

17. Brysev A.P., Bunkin F.V., Krutyansky L.M., Klopotov R.V. Wave phase conjugation of high order harmonics for acoustic imaging in nonhomogeneous media. — Proc. of the 8th French acoustic conference (on CD), France, Tours, 2006. P. 685—688.

Напечатано с готового оригинал-макета

Издательство ООО "МАКС Пресс" Лицензия ИД N 00510 от 01.12.99 г. Подписано к печати 24.02.2010 г. Формат 60x901/16. Усл.печл. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 068. Тел. 939-3890. ТелУФакс 939-3891 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2-й учебный корпус, 627 к.

ВВЕДЕНИЕ5 стр.

Глава 1. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ОБРАЩЕНИЕ ВОЛНОВОГО

ФРОНТА В АКУСТИКЕ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ18 стр.

§1.1. Принципы формирования волны с обращенным волновым фронтом в акустике19 стр.

1.1.1. Радиоэлектронные методы ОВФ е акустике20 стр.

1.1.2. Физические принципы ОВФ в акустике22 стр.

1.1.3. Голографические механизмы ОВФ в акустике23 стр.

1.1.4. Параметрическое ОВФ звука е твердом теле25 стр.

§1.2. Обращение волнового фронта за порогом абсолютной параметрической неустойчивости30 стр.

1.2.1. Обращенная волна при запороговом ОВФ31 стр.

1.2.1 Исследование свойств ультразвуковых волн с ОВФ35 стр.

§1.3. Выводы36 стр.

Глава 2. НЕЛИНЕЙНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКИ ОБРАЩЕННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПУЧКОВ

ЧЕРЕЗ ФАЗОВО-НЕОДНОРОДНЫЕ СРЕДЫ;38 стр.

§2.1. Компенсация фазовых аберраций и автофокусировка нелинейной волны при обращении волнового фронта с усилением40 стр.

2.1.1. Схема эксперимента41 стр.

2.1.2. Акустические поля падающей и обращенной волны42 стр.

2.1.3. Обсуждение результатов48 стр.

§2.2. Оценка качества запорогового параметрического

ОВФ ультразвука49 стр.

2.2.1. Схема эксперимента50 стр.

2.2.2. Методика оценки качества ОВФ;52 стр.

2.2.3. Ог(енка качества ОВФ на основе двумерного сканирования54 стр.

2.2.4. Оценка качества ОВФ на основе одномерного сканирования56 стр.

2.2.5. Обсуждение результатов59 стр.

§2.3. Выводы61 стр.

Глава 3. СЕЛЕКТИВНОЕ ОВФ ГАРМОНИК ИНТЕНСИВНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ В ОДНОРОДНЫХ И

ФАЗОВО-НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ62 стр.

§3.1. ОВФ второй гармоники интенсивной падающей волны в однородной среде65 стр.

3.1.1. Численная модель на основе уравнения ХЗК65 стр.

3.1.2. Схема эксперимента67 стр.

3.1.3. Результаты измерений и расчетов69 стр.

3.1.4. Обсуждение результатов74 стр.

§3.2. Компенсация фазовых искажений и автофокусировка при ОВФ второй гармоники падающей волны в фазово-неоднородной среде75 стр.

3.2.1. Схема эксперимента75 стр.

3.2.2. Акустические поля падающей и обращенной волны77 стр.

3.2.3. Обсуждение результатов83 стр.

§3.3. Ультразвуковая акустоскопия в фазово-неоднородных средах на высших гармониках83 стр.

3.3.1. Схема эксперимента85 стр.

3.3.2. Акустические изображения объекта90 стр.

3.3.3. Обсуждение результатов93 стр.

§3.4. Выводы94 стр.

Глава 4. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ОБРАЩЕННОЙ ВОЛНЫ В ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ОВФ-УСИЛИТЕЛЯХ НА МАГНИТОСТРИКЦИОННОЙ

НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТОВОЙ KEPАМИКЕ96 стр.

§4.1. Акустическое согласование активного элемента параметрического ОВФ-усилителя на основе магнитострикционной керамики с водой в ультразвуковом диапазоне частот99 стр.

4.1.1. Требования к согласующему слою100 стр.

4.1.2. Условия эксперимента101 стр.

4.1.3. Акустические поля падающей и обращенной волны102 стр.

4.1.4. Динамика параметрической ОВФ-системы105 стр.

4.1.5. Обсуждение результатов107 стр.

§4.2. Возможность повышения эффективности магнитоупругого взаимодействия в ОВФ-элементе на основе NiFe204 за счет выбора температурно-полевого режима108 стр.

4.2.1. Схема эксперимента108 стр.

4.2.2. Экспериментальные результаты110 стр.

4.2.3. Обсуждение результатов113 стр.

§4.3. Выводы114 стр.

Методы ультразвуковой визуализации широко используются в современных медицинских диагностических исследованиях и неразрушающем контроле. В последние годы развитие ультразвуковых методов включает в себя не только совершенствование соответствующей приборной базы, но и разработку новых методик. Одним из перспективных направлений является использование нелинейных волновых эффектов, проявляющихся при распространении интенсивных ультразвуковых пучков. Такое «нелинейное звуковидение» среды, основанное на анализе высших гармоник исходной ультразвуковой волны, зачастую имеет преимущества перед традиционными линейными режимами [1-3]. Так, например, эхо-импульсные изображения структуры биоткани, получаемые в современных устройствах медицинской ультразвуковой диагностики с использованием второй гармоники, отличаются повышенным разрешением, обусловленным обужением фокальной области второй гармоники, понижением уровня боковых лепестков и подавлением реверберационных шумов по сравнению с волной основной частоты [4-6]. При этом, важно, что анализ гармоник нелинейно распространяющейся волны легко адаптируется к существующим диагностическим системам.

Одной из проблем современных систем построения акустических изображений является визуализация объектов, находящихся в неоднородных средах или, что часто случается, за пространственно локализованным неоднородным слоем. В этом случае высокую эффективность демонстрирует системы обращение волнового фронта (ОВФ) [7-12], использующие способность обращенной волны компенсировать фазовые искажения, вносимые средой распространения. Одним из важных следствий указанного свойства обращенной волны является возможность автофокусировки, или «самонацеливания», ультразвуковых пучков на рассеивающие объекты как в однородных, так и в неоднородных средах, например, скрытых за фазовым экраном. Исследования в области ОВФ ультразвуковых пучков, в последние годы, активно ведутся как в России, так и за рубежом.

Под обращением волнового фронта понимается такое преобразование волнового поля, при котором направление распространения волн меняется на противоположное с сохранением первоначального пространственного распределения амплитуд и фаз [12]. Это преобразование представляет собой инверсию времени, возможность которой обеспечивается инвариантностью волнового уравнения в среде без поглощения относительно изменения знака времени (в некоторых публикациях подобное преобразование называется «обращением времени»), В случае нелинейного распространения акустической волны возможность применения техники ОВФ для нелинейной акустоскопии неочевидна по нескольким причинам: из-за появления сильной диссипации при образовании ударных участков в профиле волны [13], несовпадения амплитуд падающей и обращенной волн при ОВФ с усилением и неполного воспроизведения спектра подающей волны при параметрическом ОВФ.

Для создания обращенной акустической волны в ультразвуковом диапазоне частот используются несколько способов: голографический, параметрический и цифровой с применением многоэлементных преобразователей и ЭВМ [38]. На сегодняшний день наибольшее развитие получили два последних метода обращения[8]. И тот, и другой позволяют не только осуществлять ОВФ падающей волны, но и значительно ее усиливать.

Одним из наиболее эффективных на сегодняшний день методов создания обращенной акустической волны на ультразвуковых частотах является параметрическое ОВФ за порогом абсолютной неустойчивости фононов в магнито-акустически активных средах [14, 15]. Данный метод позволяет производить ОВФ в реальном времени и работать в режиме гигантского (свыше 80 дБ) усиления. Подобные свойства сделали запороговые ОВФ-усилители на основе магнитострикционной керамики основным инструментом в экспериментальных исследованиях нелинейных эффектов при распространении ультразвуковых пучков с ОВФ. Дальнейшее улучшение характеристик соответствующих устройств может быть достигнуто путем повышения интенсивности обращенной ультразвуковой волны за счет улучшения качества и эффективности преобразований при параметрическом ОВФ.

Развитие ОВФ акустических пучков конечной амплитуды соответствует основной тенденции развития современной ультразвуковой акустики. На момент, когда автор приступил к исследованиям ОВФ ультразвуковых волн, были проведены первые эксперименты по формированию интенсивных ультразвуковых пучков с ОВФ. При этом, исследования структуры акустического поля интенсивных обращенных пучков, их свойств в однородных и неоднородных средах, а также способов их практического применения только начинались. Данная диссертационная работа посвящена экспериментальным исследованиям нелинейных эффектов при параметрическом обращении волнового фронта ультразвуковых пучков.

ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1. Экспериментально исследовать физические особенности ОВФ ультразвуковых пучков при нелинейном распространении падающей и обращенной волн в однородной и неоднородной водной среде. a. Для экспериментальных исследований свойств интенсивных ультразвуковых пучков с ОВФ в неоднородной среде создать модель фазово-неоднородного слоя со стабильными характеристиками неоднородностей и сильной деструкцией пространственного спектра сфокусированных акустических пучков в частотном диапазоне 1—10 МГц. b. Экспериментально исследовать структуру поля обращенной ультразвуковой волны в условиях ее нелинейного распространении через фазово-неоднородный слой. с. Разработать методику ОВФ гармонической компоненты интенсивного ультразвукового пучка при запороговом параметрическом ОВФ и исследовать структуру акустического поля в процессах компенсации фазовых искажений и автофокусировки обращенной гармоники в однородной среде и через фазово-неоднородный слой.

2. Построить экспериментальную модель ультразвукового акустоскопа с использованием параметрического ОВФ гармонической компоненты интенсивного ультразвукового пучка в среде с фазовой неоднородностью.

3. Повысить интенсивность обращенной ультразвуковой волны при параметрическом ОВФ, за счет улучшения акустического согласования магнитострикционной никель-кобальтовой керамики с водой и усиления магнитоакустической связи за счет оптимизации выбора температуры и поля подмагничивания активного ОВФ-элемента.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Экспериментально доказана возможность компенсаци фазовых искажений при нелинейном распространении ультразвуковой волны с ОВФ в фазово-неоднородной среде.

2. Реализовано селективное обращение фронта гармоник нелинейных волн за счет выбора частоты накачки в схеме запорогового параметрического ОВФ на магнитострикционной никель-кобальтовой керамике. Экспериментально реализовано ОВФ высшей (пятой) гармоники нелинейной волны и продемонстрирована автофокусировка обращенной гармоники в однородной и фазово-неоднородной среде.

3. Впервые экспериментально получено акустическое изображение объекта за фазовым экраном на пятой гармонике волны с ОВФ. Визуализация объекта реализована в условиях, при которых использование зондирующей волны той же частоты не позволяло получить изображение объекта, а построение изображения на основной гармонике не обеспечивало необходимого разрешения.

4. Предложена и использована в обработке экспериментальных данных новая методика количественной оценки качества запорогового параметрического ОВФ ультразвука с использованием фазово-неоднородного слоя.

5. Экспериментально исследована запороговая динамика твердотельного параметрического ОВФ-усилителя ультразвука с согласующим слоем на границе «активная среда — жидкость».

6. Экспериментально обнаружено усиление магнитоупругой связи в магнитострикционной керамике на основе №Ре204 при оптимальном выборе рабочего температурно-полевого режима.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ

Представленные результаты экспериментальных исследований интенсивных ультразвуковых пучков с ОВФ показывают, что, несмотря на заметные нелинейные искажения, в процессе обращения сохраняются важные для практических задач свойства компенсации фазовых искажений и автофокусировки пучка на рассеивающие объекты. Результаты могут быть использованы для создания систем акустоскопии, совмещающих известные методы вторичной тканевой гармоники с техникой ОВФ.

Представленные результаты экспериментальных исследований демонстрируют возможность селективного ОВФ гармонических составляющих падающего интенсивного ультразвукового пучка. Здесь обращенная волна обеспечивает компенсацию фазовых искажений при ее обратном распространении в фазово-неоднородной водной среде. Полученные результаты могут служить физической основой разработки и создания систем нелинейной ОВФ-акустоскопии высокого разрешения, предназначенных для визуализации объектов, расположенных за экранирующей фазовой неоднородностью.

Показано, что применение согласующего четвертьволнового слоя из полимерного материала позволяет повысить амплитуду звукового давления в фокусе обращенной волны и динамический диапазон параметрического магнитострикционного ОВФ-преобразователя, что может быть использовано в медицинских приложениях акустических пучков высокой интенсивности, в частности, в гипертермии.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Данные экспериментальных исследований процессов нелинейного распространения интенсивных ультразвуковых волн с параметрически обращенным фронтом сквозь аберрирующий слой демонстрируют эффекты автофокусировки и компенсации фазовых искажений в бездисперсионной водной среде.

2. Разработанный экспериментальный метод позволяет количественно оценить эффективность работы ультразвуковых ОВФ-систем. Показано, что качество ОВФ в линейном режиме ОВФ-усилителя выше, чем в режиме насыщения.

3. Автофокусировка обращенной гармоники нелинейной ультразвуковой волны при параметрическом ОВФ реализуема, как в однородной, так и в фазово-неоднородной бездисперсионной водной среде.

4. Селективное фазовое сопряжение высших гармоник нелинейных волн позволяет повысить разрешение и устранить фазовые аберрации в системах нелинейной акустоскопии на основе ОВФ.

СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В главе 1 представлен обзор механизмов и методов обращения волнового фронта в акустике. В §1.1 описаны принципы формирования акустической волны с ОВФ. Рассмотрены достоинства и недостатки основных из них: голографического, параметрического и цифрового с использованием многоэлементных преобразователей и ЭВМ. §1.2 посвящен параметрическому обращению волнового фронта в твердом теле за порогом абсолютной параметрической неустойчивости фононов.

В главе 2 экспериментально исследуются основные свойства волн с обращенным фронтом: компенсация фазовых искажений и автофокусировка , в случае работы системы параметрического ОВФ в режиме усиления, когда при распространении интенсивной обращенной ультразвуковой волны происходит генерация высших гармоник с образованием ударного фронта. Также проводится сравнение качества ОВФ-фокусировки в случае линейного режима параметрической ОВФ-системы и режима насыщения.

В §2.1 приведены результаты прямых измерений структуры поля сфокусированной обращенной ультразвуковой волны, распространяющейся в фазово-неоднородной среде в условиях развитой нелинейности. Приведены результаты измерений фокального и осевого распределения поля звукового давления обращенной волны и сделано их сравнение с падающим пучком. Показано, что свойства компенсации фазовых искажений и автофокусировка волны с ОВФ сохраняются.

В §2.2 вводится критерий качества ОВФ для акустической волны. Приводятся данные его расчетов на основе экспериментальных измерения поля акустического давления двумя способами: двумерным и одномерным сканированием. Проводится сравнение критерия качества для случая линейного и для нелинейного режима работы запороговой параметрической ОВФ-системы в режиме усиления.

В главе 3 исследуется возможность осуществления селективного

ОВФ гармонической составляющей сфокусированных интенсивных ультразвуковых пучков в однородной и фазово-неоднородной средах. Сравниваются экспериментальные результаты с численным моделированием в случае ОВФ второй гармоники ультразвуковой волны в однородной среде и приводятся экспериментальные результаты сохранения автофокусировки и компенсации фазовых искажений при обращении второй гармоники интенсивного ультразвукового пучка, прошедшего через фазово-неоднородный слой. Также представлена экспериментальная реализация акустической визуализации объекта в случае расположении фазового экрана перед излучателем зондирующего сигнала, что аналогично схеме акустоскопа «на отражение», в случае невозможности использования стандартных методов ОВФ из-за сильного разрушения зондирующего ультразвукового пучка. Показывается, что в этом случае акустическое изображение можно получить, используя в качестве зондирующего интенсивного ультразвуковой пучок низкой основной частоты с построением изображения с использованием ОВФ пятой гармоники.

В §3.1 исследуется возможность селективного ОВФ второй гармоники падающей интенсивной ультразвуковой волны. Данные измерений осевого и фокального распределений акустического давления обращенной волны сравниваются с численным расчетом на основе уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова. Экспериментально показывается возможность использования запорогового параметрического ОВФ для селективного обращения гармонических составляющих ультразвуковой волны с сохранением эффекта автофокусировки обращенного пучка

В §3.2 продолжено изложение экспериментальных исследований свойств «неполного» ОВФ второй гармоники интенсивного падающего ультразвукового пучка, но уже в фазово-неоднородной среде. Приводятся осевые и фокальные распределения акустического давления второй гармоники падающей и обращенной волны. Проведенные измерения показали, что наличие в среде распространения фазовых неоднородностей не препятствует самофокусировке при селективном фазовом сопряжении второй гармоники сфокусированного пучка

§3.3 посвящен экспериментальной реализации нелинейной ОВФ-акустоскопии на обращении пятой гармоники зондирующего сигнала в случае, когда образец скрыт за фазовым экраном, что характерно для схемы акустоскопа «на отражение». При характеристиках фазово-неоднородного слоя, исключащих возможность использования стандартных ОВФ-методов из-за сильного пространственного разрушения зондирующего ультразвукового пучка. Представлены изображения тестового объекта в различных режимах работы ультразвукового акустоскопа.

Глава 4 посвящена экспериментальным исследованиям методов повышения интенсивности пучков с ОВФ в запороговом параметрическом ОВФ-преобразователе на основе магнитострикционной никель-кобальтовой керамики и повышению эффективности магнитоупругого взаимодействия акустической волны с магнитной накачкой.

В §4.1 приводятся экспериментальные результаты, демонстрирующие двукратное повышение амплитуды давления волны ультразвуковой волны с ОВФ и увеличения динамического диапазона параметрического ОВФ-усилителя за счет использования четвертьволнового согласующего слоя на границе «вода—феррит».

В §4.2 изложены результаты экспериментальных исследований магнитоупругого взаимодействия в поликристаллической магнитострикционной керамике на основе феррита никеля в области высоких температур в диапазоне 300—740 К, демонстрируют возможность усиления магнитоупругой связи при соответствующем выборе рабочего температурно-полевого режима.

ПУБЛИКАЦИИ И АПРОБАЦИЯ

Основные положения диссертации изложены в 17 печатных работах, список которых приводится в конце введения.

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодая наука — XXI веку» (2001, Иваново), VII Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых ВКНСФ-7 (2001, Екатеринбург), 17-й Международный конгресс по акустике (17th International Congress on Acoustics, 2001, Рим), Международный симпозиум по ультразвуку (Ultrasonics International, 2001, Delft), 16-й Международный симпозиум по нелинейной акустике (16th International Symposium on Nonlinear Acoustics, 2002, Москва), Международная научно-техническая конференция «Молодые ученые — науке, технологиям и профессиональному образованию» (2002, Москва, МИРЭА), Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2003» (2003, Москва, МГУ), XIII сессия Российского акустического общества (2003, Москва), 5-й Международный конгресс по ультразвуку (5th World Congress on Ultrasonics, 2003, Париж), 146-я сессия Американского акустического общества (146th Meeting of Acoustical Society of America, 2003, Техас), 8-я французская акустическая конференция (8th French Acoustic Conference, 2006, Tours).

Работа выполнена в рамках грантов, выделенных Российским фондом фундаментальных исследований (проекты № 98-02-17318, № 00-15-96636, № 01-02-16610, № 02-02-06417, № 02-02-16916, № 02-02-22002, № 03-02-06441), Фондом международных программ научного сотрудничества Франции PICS (1573), российско-французской программы PAI-RUSSIER Dossier № 04585ТК, гранта Минпромнауки PAI-T 4585, Американским фондом гражданских исследований и развития для независимых государств бывшего Советского Союза (CRDF) № RP2-2367-M002.

Выступления автора на конференциях: Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодая наука — XXI веку» (2001, Иваново), «Молодые ученые — науке, технологиям и профессиональному образованию» (2002, Москва, МИРЭА), были награждены дипломами.

Публикации автора по материалам диссертации:

1. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Клопотов Р.В., Крутянский JI.M., Преображенский B.JI. Распространение нелинейной сфокусированной обращенной волны в среде с фазовой неоднородностью // Тезисы докладов международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодая наука — XXI веку» (Иваново, 2001). — N., 0000. С. 7.

2. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Клопотов Р.В., Крутянский Л.М., Преображенский B.JL Фокусировка нелинейной ультразвуковой волны с обращенным фронтом, прошедшей через фазово-неоднородный слой // Письма в ЖЭТФ. Т. 73. № 8. 2001. С. 434^37.

3. Брысев А.П., Клопотов Р.В., Крутянский JI.M., Преображенский B.JI. Параметрическое обращение второй гармоники сфокусированного нелинейного ультразвукового пучка // Сб. тезисов ВКНСФ-7. — СПб., 2001. С. 708—709.

4. Krutyansky L., Brysev A., Klopotov R., Preobrazhensky V., Bunkin F. Propagation of Nonlinear Phase Conjugate Wave Through a Random Phase Layer.

Proc. of the 17th International Congress on Acoustics (ICA17), Rome, 2001, CD.

5. Krutyansky L., Brysev A., Klopotov R. Parametric Phase Conjugation of the Second Harmonic of a Nonlinear Ultrasound Beam. — Рос. of the 17th International Congress on Acoustics (ICA17), Rome, 2001, CD.

6. Brysev A., Bunkin F., Klopotov R., Krutyansky L. A quality of parametric wave phase conjugation of ultrasound. — Ultrasonics, 2002, v. 40. P. 329—332.

7. Klopotov R.V., Krutiansky L.M., Preobrazhensky V.L. High temperature magneto-acoustic anomalies in active material for parametric phase conjugation.

Nonlinear Acoustics at the Beginning of the 21st Century. 16th Int. Symp. on Nonlinear acoustics, Moscow, MSU, 2002, v. 1. P. 503—506.

8. Брысев А.П., Клопотов Р.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л. Автофокусировка нелинейных ультразвуковых пучков с обращенным волновым фронтом // Сб. тезисов междунар. научно-техн. конференции «Молодые ученые — науке, технологиям и профессиональному образованию». — М., 2002. С. 29—32.

9. Brysev А.Р., Klopotov R.V., Krutyansky L.M., Pernod P., Preobrazhensky V.L. Dynamics of solid-state parametric WPC amplifier of ultrasound with matching layer at interface of active medium — liquid. — Physics of Vibrations,

2002, v. 10, № 3. P.121—124.

10. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Гамильтон М.Ф., Клопотов Р.В., Крутянский Л.М., Ян К. Параметрическое обращение фронта второй гармоники нелинейного ультразвукового пучка // Акустический журнал.

2003. Т. 49. № 1.С. 18—23.

11. Брысев А.П., Клопотов Р.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л. Фокусировка нелинейных ультразвуковых пучков с обращенным волновым фронтом в неоднородной среде // Сб. тр. конференции «Ломоносов-2003». — М., 2003. С. 133—135.

12. Брысев А.П., Клопотов Р.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л. ОВФ-фокусировка нелинейной волны в среде с неоднородностью при обращении фронта второй гармоники падающего ультразвукового пучка // Сб. тр. XIII сессии Российского акустического общества. Т. 1. — М., 2003. С. 121—123.

13. Brysev А.Р., Klopotov R.V., Krutyansky L.M., Preobrazhensky V.L. Phase conjugation of second harmonic of nonlinear wave and retrofocusing in inhomogeneous medium. — Physics of Wave Phenomena, 2003, v. 11, № 1, P. 10—14.

14. Brysev A.P., Hamilton M.F., Klopotov R.V., Krutyansky L.M., Preobrazhensky V.L., Yan X. Refocusing of ultrasound by means of phase conjugation of the second harmonic of a focused nonlinear beam. — Proceedings of WCU, Paris, 2003, CD.

15. Brysev A., Krutyansky L., Klopotov R., Preobrazhensky V., Pernod P., Hamilton M., Yan X. Phase conjugation of the second harmonic of a focused ultrasound beam as a method for improving C-scan acoustic imaging in nonlinear inhomogeneous media. — J. Acoust. Soc. Am., v. 114, № 4, Pt. 2, October, 2003, 146th Meeting Acoustical Society of America. P. 2436.

16. Brysev A.P., Bunkin F.V., Klopotov R.V., Krutyansky L.M. Acoustic imaging of object in phase-inhomogeneous medium using phase conjugation of higher harmonic of ultrasonic beam. — Physics of Wave Phenomena, 2005, v. 13, №2. P. 81—86.

17. Brysev A.P., Bunkin F.V., Krutyansky L.M., Klopotov R.V. Wave phase conjugation of high order harmonics for acoustic imaging in nonhomogeneous media. — Proc. of the 8th French acoustic conference (on CD), France, Tours, 2006. P. 685—688.

§4.3. Выводы

Применение просветляющего четвертьволнового слоя из полимерного материала позволило в два раза повысить амплитуду звукового давления в фокусе обращенной волны и повысить динамический диапазон параметрического магнитострикционного ОВФ-преобразователя без существенного ущерба для качества ОВФ. Достигнутое повышение эффективности ОВФ важно для медицинских приложений акустических пучков высокой интенсивности — таких, как гипертермия и литотрипсия.

Получены экспериментальные результаты, демонстрирующие возможность усиления магнитоупругой связи в активном материале ОВФ-системы на основе никель-кобальтового феррита №Ре204 при соответствующем выборе рабочего температурно-полевого режима.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлен цикл экспериментальных исследований свойств интенсивных ультразвуковых пучков с ОВФ в однородных и фазово-неоднородных средах, продемонстрировано использование полученных результатов для построения акустических изображений, а также исследован ряд методов повышения интенсивности ОВФ-пучков, генерируемых ОВФ-элементом на магнитострикционной керамике.

1. Создан фазово-неоднородный слой (фазовый экран), имеющий хорошее акустическое согласование с жидкой средой распространения, позволивший моделировать распространение и исследовать свойства обращенных ультразвуковых пучков в фазово-неоднородной среде.

2. Экспериментально реализованы эффекты компенсации фазовых искажений и автофокусировки при распространении интенсивной ультразвуковой волны с обращенным фронтом сквозь аберрирующий фазово-неоднородный слой.

3. Экспериментально показано, что в среде, содержащей аберрирующий слой, селективное параметрическое фазовое сопряжение отдельной гармонической компоненты интенсивной волны обеспечивает автофокусировку сопряженных пучков и компенсацию фазовых искажений волнового поля.

4. Экспериментально доказана эффективность использования ОВФ высших гармонических компонент зондирующей ультразвуковой волны для повышения разрешения и устранения фазовых искажений при построении акустического изображения объектов, расположенных за аберрирующим слоем.

5. Предложена методика оценки качества ОВФ ультразвука и выполнены количественные измерения коэффициента качества для запорогового магнитоакустического параметрического ОВФ- усилителя ультразвука. Коэффициент качества достигал в линейном режиме усиления значений £^=0,56, Q¡=Q,5Л, а в режиме насыщения 0^=0,31, £^=0,24 для среднеквадратичного давления и для первой гармоники соответственно.

6. Экспериментально показана возможность повышения эффективности твердотельного ОВФ-усилителя, нагруженного на воду, за счет использования согласующего слоя из полимерного материала. Амплитуда давления в обращенном ультразвуковом пучке повышена в два раза за счет полимерного согласующего слоя на границе «твердое тело — жидкость».

7. Получены экспериментальные результаты, демонстрирующие возможность усиления магнитоупругой связи в активном материале ОВФ-системы на основе никель-кобальтового феррита при оптимальном выборе рабочего температурно-полевого режима.

1. Christopher Т. Finite amplitude distortion-based inho-mogeneous pulse echo ultrasonic imaging // 1.EE UFFC, 1997. V. 44. P. 125-139.

2. Ward В., Baker A.C, Humphrey V.F. Nonlinear propagation applied to the improvement of resolution in diagnostic medical ultrasound // J. Acoust. Soc. Amer. 1997. V. 101. P. 143-154.

3. Averkiou M. Tissue harmonic imaging. Proc // IEEE Ultrason. Symp., 2000. V. 2. P. 1563-1572.

4. Kompfner R., Lemons R A. Nonlinear acoustic microscopy. Appl. Phys. Lett., 1976. V. 28. P. 295.

5. Брысев А.П., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л. Обращение волнового фронта ультра-звуковых пучков // УФН. 1998. Т. 168. № 8. С. 877-890.

6. Fink М., Prada С, Wu F. Self-focusing in inhomoge-neous media with time reversal acoustic mirrors. // Proc. IEEE Ultrason. Symp., 1989. V. 2. P. 681686.

7. Yamamoto K., Ohno M., Kokubo A., Sakai K., Takagi K. Acoustic phase conjugation by nonlinear piezoelectricity. I. Principle and basic experiments. //J. Acoust. Soc. Amer. 1999. V. 106 № 3. P. 1. P. 1330-1338.

8. К. Yamamoto, М. Ohno, A. Kokubo, К. Sakai, К. Takagi. Acoustic phase conjugation by nonlinear piezoelectricity. II. Visualization and application to imaging systems. // J. Acoust. Soc. Amer. 1999. V. 106. № 3. P. 1339-1345.

9. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов B.B. Обращение волнового фронта. // М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. литер., 1985, -240 с, ил.

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

11. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Власов Д.В., Крутянский JI.M., Преображенский В JL, Стаховский А Д. Регенеративный режим усиления звуковых волн с обращением волнового фронта в феррите // Акуст., журн. 1988. Т. 34. № 6. л. 986-990.

12. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Власов Д.В., Крутянский JI.M., Преображенский B.JL, Стаховский А.Д. Параметрическое обращение фронта ультразвуковой волны в феррите. // Акуст., журн., 1988, т.34, №6, с.1120-1122.

13. Зельдович Б.Я., Потавичев В.М., Рагульский В.В., Фзйзуллов Ф.С. О связи между волновыми фронтами отраженного и возбуждающего света при вынужденном рассеянии Мандельштамма-Бриллюэна. // Письма ф ЖЭТФ, 1972, т. 15, в.З, с. 160 164.

14. 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 ЖГФ, 1977, т.З, в. 5, с. 211.

15. Зельдович Б.Я., Мельников Н.А., Пилипецкий Н.Ф., Рагульский В.В. Наблюдение эффекта обращения волнового фронта при вынужденном комбинационном рассеянии. // Письма в ЮТФ, 1977, т.25, в.1, с.41.

16. Зельдович Б.Я., Шкунов В.В. О воспроизведении волнового фронта при ВКР света. // Квантовая электроника, 1977, т.4, №5, с. 1090.

17. Aylsonls P.V., Hopi Р.А., Bomberger W.D.,et al. Optical phase conjugation in lithium formate crystal. // Appl. Phys. Lett., 1977, v.31, №7, p.435.

18. Yariv A., Pepper D.M., Amplified reflection, phase conjugation, and oscillation in degenerate four-wave mixing. // Opt. Lett., 1977, v.l, № 1, p. 16.

19. Bloom D., DJorklund G.O. Conjugate wave-front generation and image reconstruction by four-wave mixing. // Appl. Phys. Lett., 1977, v. 31, № 9, p. 592.

20. Pepper D.M. Nonlinear optical phase conjugation. // Opt. Engineering, 1982, v. 21, p.155.

21. Обращение волнового фронта оптического излучения в нелинейных средах: Сборник / под ред. В.И. Беспалова, // М.: Наука, 1979, 213 с. № 6, с. 323-329.

22. 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, № 5, с.1144-1145.

23. Бункин Ф.В., Власов Д.В., Кравцов Ю.А. Обращение волнового фронта в акустике: нелинейные механизмы и возможные применения. // Препр. ФИАН №90, М. 1982, 71 с.

24. Бункин Ф.В., Власов Д.В., Кравцов Ю.А. Обращение волнового фронта в акустике. В сб.: Обращение волнового фронта излучения в нелинейных средах. // Горький: Изд. ИПФ АН СССР, 1982, с.63-90.

25. Адаптивные антенны. В кн.: Антенны: современное состояние и проблемы. // под ред. Л.Д. Бахраха М.: Сов. радио, 1979, в. 16.

26. Special Issue on Active and Adapted Antennas. // IEEE Trans., Antennas and Propagation, 1964, v. AP-12, №2.

27. Маляровский A.M., Пыльнов Ю.В., Многоэлементные антенные решетки в системах визуализации изображений. // Тр. ИОФАН, т. 22, М.: Наука, 1990, с.53-77.

28. Nikoonakad М., Pusateri T.L. Real-time ultrasonic phase conjugation. // IEEE Ultrason. Symp., Montreal, 1989, Proc. V.2- N.Y. 1989, p.677-679.

29. Barrel J.R., Dowling D.K. Phase conjugation in underwater acoustics. // J. Acoust. Soc. Amer., 1991, v. 89, №1, p.171-181.

30. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Сударкин A.H., Шкунов В.В., // ДАН СССР, 1980. т. 252, с. 92.

31. Лямшев JI.M., Саков П.В. Обращение волнового фронта при нелинейном рассеянии звука на пульсирующей сфере. Акуст. журн., 1988, т.34, в.1, с.127-134.

32. Брысев А.П., Бункин Н.Ф., Власов Д.В., Гервиц Л.Л. Плоское параметрическое зеркало, обращающее волновой фронт. // Письма в ЖТФ, 1982, т.8, в.9, с. 554-559.

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

34. Fink M., IEEE Trans. On Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 1996, V.39, p. 555.

35. Wu F., Thomas J.-L., Fink M., // IEEE Trans. On Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 1995, V. 42, p. 1087.

36. Бункин Ф.В., Власов Д.В., Обращение волнового фронта в акустике // Вестник АН СССР, 1982. № 11 с. 52.

37. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Власов Д.В., Кравцов Ю.А. ПОФУЗ -параметрический обращающий фазу усилитель звука. // Труды ФИАН, 1984, т. 156, с. 19-30.41. "Optical phase conjugation", Ed. R. Fisher, N.Y.: Acad. Press, 1983.

38. Андреева Н.П., Бункин Ф.В., Власов Д.В., Каршиев Е. Экспериментальное наблюдение явления обращения волнового фронта звука на поверхности жидкости. // Письма в ЖТФ, 1982, т.8, № 2, с. 104-108.

39. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Власов Д.В., Кравцов Ю.А. Плоское параметрическое зеркало ОВФ. // Письма в ЖТФ, 1982, т.8, № 9, с. 554559.

40. Бункин Ф.В., Власов Д.В. Возможности гашения поля излучения заданного распределения источников посредством зеркала, обращающего волновой фронт. Докл. АН СССР, 1983, т.272, №4, с.839-842.

41. Бункин Ф.В., Власов Д.В., Заболотская Е.А., Кравцов Ю.А. Обращение волнового фронта звука в воде с пузырьками. Акуст. журн., 1983, т.29, в.1, с.118-120.

42. Кустов JI.M., Назаров В.Е., Сутин A.M. Обращение волнового фронта акустической волны на пузырьковом слое. Акуст. журн., 1985, т.31, в.6, с.837-838.

43. Бункин Ф.В., Власов Д.В., Заболотская Е.А., Кравцов Ю.А. Температурный и пузырьковый механизмы четырехволнового обращения фронта звуковых пучков. Письма ЖТФ, 1981, т.7, № 9, с.560-563.

44. Sato T., Kataoka H, Yamakoshi Y., в "Сб. тр. XI Междунар. Симп. по нелинейной акустике", (ред. В.К.Кедринский) Новосибирск, ГПНТБ СО АН СССР, 1987, т.1, с.478.

45. 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, №6, с.323-329.

46. Бункин Ф.В., Власов Д.В., Каршиев К., Стаховский А.Д. Экспериментальное наблюдение гашения волнового поля с помощью зеркала ОВФ. Акуст. журн., 1985, т.31, с. 137.

47. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Власов Д.В., Кравцов Ю.А. Нелинейные механизмы обращения волнового фронта в акустике. // В сб.: Проблемы акустики океана. М., Наука, 1984, с. 102-108.

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

49. Барышникова Л.Ф. Четырехфононные взаимодействия объемных волн в кристаллах. // Акустический журнал, 1982, т.28, в.2, с. 157-162.

50. Kroll N.M., Excitation of hypersonic vibrations by means of photoelastic coupling of high-intensity light waves to elastic waves. — J. Appl. Phys., 1965, v. 36, N l,p.34-43.

51. Корпел А., Чаттерджи M. Нелинейное эхо, фазовое сопряжение, обращение времени и электронная голография. // ТММЭР, 1981, т. 69, №12, с. 22-43.57. «Физика сегнетоэлектрических явлений» под ред. Г.А. Смоленского // Л.: Наука, 1985. с. 263-279.

52. Копвиллем У.Х., Пранц С.В., Поляризационное эхо. // М.: Наука, 1985. с. 97-113.

53. Fossheim К., Holt R.M., in Physical Acoustics: Principles and Methods., Ed. W.P. Mason and Thurston R.N. // N.Y.: Acad. Press Inc., 1982. V. 16. p.221-251.

54. Shiren N.Si, Melcher R.L. Polarization echoes in piezoelectric semiconductors. J. Electron. Mater., 1975, v.4, № 5, p. 1143-1157.

55. Billmann A., Frenois Ch., // Joffrin J., J. Phys. France, 1973. v. 34. p. 453.

56. Смоленский Г.А. Электроакустическое фононное эхо. // УФН, 1978, т. 126, в. 2, с. 338-340.

57. Кайно Г. Акустические волны. Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов: Перевод с англ. // М.: Мир, 1990, 656 с. ил.

58. Bert A.G., Epstein В., Kantorowics G. Signal processing by electron-beam Interaction with piezoelectric surface waves. // IEEE Trans., Sonics and Ultrasonics 1973, v. SU-20, № 2 p.173-181.

59. Брысев А.П., Стрельцов В.Н., Оптоакустическое взаимодействие, и обращение волнового фронта звуковых пучков в пьезополупроводниках. // Акустический журнал, 1986, т.32, в.4, с.564-566.

60. Hakagawa Y., Kawanago S. Surface acoustic wave parametric generation with pumping of light. //J. Appl. Phys., 1987, v.61, n 4, p.1415-1421.

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

62. Чабан A.A. Неустойчивость упругих колебаний в пьезоэлектриках. // Письма в ЖЭТФ, 1967, т.6, в.П, с. 967-970.

63. Агишев Б.А., Леманов В.В., Юшин Н.К., // ФТТ, 1974, т. 16 с. 2789.

64. Агишев Б.А., Дерюгин И.А., Леманов В.В., Юшин Н.К. // ФТТ, 1976, т. 18 с. 1117.

65. Shiren N.S., Melcher R.L., Garrod D.K., Kazjaka T.G., // Phys. Rev. Lett., 1973. v. 31. p. 819.

66. Nakagava Y., in "Multi-wave mixing and phase conjugation in ultrasonics", Ed. K.Takagi // Tokyo: University of Tokyo, 1992. p. 16.

67. Жабитенко H.K., Кучеров И.Я., // Украинский физический журнал, 1978. v. 23. р. 263.

68. Романов B.C., Башков В.И., Березов В.М., Корепанов В.Д., // ФТТ, 1978. v. 20. р. 466.

69. Березов В.М., Романов В.М.,// ЖЭТФ, 1981, т. 81, с. 2111.

70. Ohno М. Generation of acoustic phase conjugate waves using nonlinear electroacoustic interaction in LINb03. // Appl. Phys. Lett., 1989, v. 54., N 20, p. 1979-1980.

71. Frenois Ch., Joffrin J., Levelut A., // France, J. de Phys., 1976. v. 37. p. 275.

72. Туров E.A., Ирхин Ю.П. О спектре колебаний ферромагнитной упругой среды, ФММ, 1956, т.З, с. 15.

73. Ахиезер А.И., Барьяхтар В.Г., Пелетлинский С.В. "Спиновые волны" II Москва: Наука, 1967.

74. Kittel С. Interaction of spin waves and ultrasonic waves in ferromagnetic crystals Phys. Rev., 1958, v.l 10, p.836.

75. Дикштейн И.Е., Тарасенко B.B., Шавров В.Г. Влияние давления на спектры одноосных ферро- и антиферромагнетиков. ФТТ, 1974, т. 16, с.2192.

76. Дикштейн И.Е., Тарасенко В.В. Параметрическое возбуждение звука в ферро-, ферри- и антиферромагнетиках в окрестности точек фазовых переходов. // ФТТ, 1978, т. 20, в. 10, с. 2942-2948.

77. Туров Е.А., Шавров В.Г. Нарушение симметрии и магнитоакустические в ферромагнетиках и антиферромагнетиках. УФН, 1983, т. 140, №.3, с.429-462.

78. Ozhogin, V.I., Preobrazhensky, V.L. Nonlinear dynamics of coupled systems near magnetic phase transitions of the "order-order" type. // Journ. Magn.&Magn. Materials., 1991. v. 100. p. 544.

79. Ожогин В.И., Преображенский В.JT. Ангармонизм смешанных мод и гигантская акустическая нелинейность антиферромагнетиков. // УФН, 1988, т. 155, в. 4, с. 593-621.

80. Савченко М.А. Связанные магнитоупругие волны в антиферромагнетиках, ФТТ, 1964, т.З, с.864.

81. Боровик-Романов А.С., Рудашевский Е.Г. О влиянии спонтанной стрикции на ферромагнитный резонанс в гематите. ЖЭТФ, 1964, т.47, с.2095.

82. Ожогин В.И Обменное усиление магнитоупругости в антиферромагнетиках. // Изв. АН СССР, сер. физическая, 1978, т. 42, в. 8, с. 1625-1637.

83. Андреева И.Н., Бондаренко B.C., Закгейм Е.Л., Обухов А.А., Панкратов В.Г., Поваренко А.Д., Сохар М.М., Токарев А.И., // Электронная техника, 1983. т. 179. с. 7.

84. Белов К.П., Катаев Г.И., Левитин Р.З. Никитин С.А., Соколов В.И. Гигантская магнитострикция. УФН, 1983, т. 140, в.6, с.271.

85. Clark A.E., "Ferromagnetic Materials", II Amsterdam: North-Holland, 1990. p. 531.

86. Savage H.T., Adler C.J. Magnetoelastic bifurcation in an amorphous ribbon. J. Magn. Magn. Mater., 1986, v.58, p.320.

87. Чабан A.A. Об одном нелинейном эффекте в пьезоэлектрических полупроводниках. // ФТТ, 1967, т. 9, в. II, с. 3334-3335.

88. Каекина Т.М. Генерация дополнительного сигнала ультразвуковой волной в кристалле CdS в переменном электрическом поле. ФТТ, 1968, т. 10, №7, с.2244.

89. Левин В.М., Чернозатонский Л.А. Параметрическое усиление акустических волн в пьезополупроводниках. ФТТ, 1969, т.11, с.3308.

90. Левин В.М., Чернозатонский Л.А. Распространение акустических волн в пьезополупроводнике, помещенном в переменное электрическое поле. ЖЭТФ, 1970, т.59, с. 142.

91. Стрельцов В.Н. Оптико-акустическое взаимодействие в полупроводниках и обращение волнового фронта звуковых пучков. Квант, эл-ка, 1986, т.13, № 10, с.2144-2146.

92. Strel'tsov V.N. Phase conjugation of a sound wave in photo-acoustic interaction in an electroacoustic amplifier. BRAS. Physics/supplement physics of vibrations, 1995, v.59, № 2, p.78-82.

93. Брысев А.П., Стрельцов В.Н. ОВФ звуковых пучков в пьезополупроводниках при модуляции подвижности электронов внешним электрическим полем. // Краткие сообщения по физике, 1987, №9, с. 9-11.

94. Стрельцов В.Н. Фонон-плазмонное взаимодействие при временной модуляции подвижности электронов и ОВФ звуковых пучков. Акуст. журн., 1988, т.34, в.2, с.371-373.

95. Евтихиев Н.Н., Преображенский В.Л., Савченко М.А., Экономов Н.А. Нелинейное электроакустическое преобразование информации ввысокотемпературном антиферромагнетике. // Вопросы радиоэлектроники, сер. общетехническая, 1978, в. 2, с. 124-136.

96. Лебедев А.Ю., Ожогин В.И., Якубовский А.Ю. Вынужденное комбинационное рассеяние звука в антиферромагнетике. // Письма Б ЖЭТФ, 1981, т.34, B.I, с.22-24.

97. Ожогин В.И., Преображенский B.JT. Эффективный ангармонизм упругой подсистемы антиферромагнетиков. //ЖЭТФ, 1977, т.73, в. 39, с. 988-1000.

98. Красильников В.А., Маматова Т.А., Прокошев В.Г. Параметрическое усиление при обращении волнового фронта магнитоупругой волны в гематите // ФТТ. 1986. т. 28, №2. с. 615-617.

99. Ohno М., Takagi К., Acoustic phase conjugation in highly nonlinear PZT piezoelectric ceramics. // Appl. Phys Lett., 1994. v. 64. p. 1620.

100. 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. v. 69. p. 3483.

101. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Крутянский JI.M., Стаховский А.Д. Экспериментальная реализация обращения волнового фронта ультразвука с усилением. // Изв. РАН, сер. физ., 1996, т. 60, №12, с.117-128.

102. Pernod P., Preobrazhensky V., Parametric phase conjugation of a wide band acoustic pulse in supercritical mode. // Appl. Phys. Letts. 2000. Y.76. N3. P.387-389.

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

104. Преображенский В.Л. О мощности излучения при параметрическом обращении волнового фронта ультразвука в магнетике. // Акустический журнал, 2000, т.46, №6, с.847-849.

105. Брысев А.П., Стрельцов В.Н. О параметрической неустойчивости звукового пучка в отражающем слое. // Краткие сообщения по физике, 1988, № 12, с.15-17.

106. Strel'tsov V.N., // BRAS Physics/ Suppl. Physics of Vibrations, 1996. v. 60. p. 224.

107. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Крутянский В.Л., Преображенский В.Л., Пыльнов Ю.В., Стаховский А.Д., Параметрическое обращение фронта ультразвуковых волн в воде в широком угловом диапазоне // Акустический журнал. 1997. т. 43. № 2. с. 244—247.

108. Wu F., Thomas G.L., Fink М. Time reversal of ultrasonic fields Part II: Experimental results. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Contr. 1992, v.39, No 5, p.567.

109. Strel'tsov V.N., // Jörn, de Physique IV, Colloque Cl, 1992. v. 2. p. 899.

110. Ohno M., // Jap. J. of Appl. Phys., 1990. v. 29. suppl.29-1 p. 299.

111. Yamamoto K., Ohno M., Kokubo A., Sakai K., Takagi K. Acoustic phase conjugation by nonlinear piezoelectricity. 1. Principle and basic experiments. //J. Acoust. Soc. Amer. 1999. V. 106 (3). p. 1330-1338.

112. Brysev A., Krutyansky L., Pernod P., Preobrazhensky V. Acoustic microscope based on magnetoelastic wave phase conjugators // Appl. Phys. Lett. 2000. - Vol. 76, №21. - P. 3133-3135.

113. Fink M., Cassereau D., Derode A., Prada C., Roux Ph., Tanter M., Thomas J.-L. and Wu F. Time-reversed acoustics // Rep. Prog. Phys. 2000. v. 63. p. 1933-1995.

114. Thomas J.-L., Wu F., Fink M. Time Reversal Focusing Applied to Lithotripsy//Ultrasonic Imaging. 1996. V. 18. p. 106-121.

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

116. Tanter M., J.-L. Thomas, Fink M., in "Proc. of the 4th French Congr. on Acoustics", Ed. G.Canevet//Marseille: Teknea, 1997. v.l. p. 149.

117. Tanter M. Application du retournement temporel a l'hyperthermie ultrasonore de cerveau // These de doctorat de l'université Paris 7. 1999.

118. Krutiansky L.M., Preobrazhensky V.L., Pylnov Yu.V. Overthreshold processes of parametrical sound waye phase conjugation in magnetic media.- Int. Gonf. on Magnetism 1991, London, PD 5.28, P.589.

119. Solodov, I. Ultrasonics of nonlinear contacts: Propagation, reflection and NDE-applications. Ultrasonics, 1998, v.36, p.383-390.

120. Averkiou M. Tissue Harmonic Ultrasound Imaging // C.R. Acad. Science Paris. 2001. v. 2, Series IV. p. 1139-1151.

121. Wu P., Stepinslci Т. Ultrasonic harmonic imaging in nondestructive evaluation: preliminary experimental study. Proc. IEEE Ultrason. Symp., 2000, v.l,p.801-804.

122. Ультразвук в медицине. Физические основы применения. — М.: Физматлит, 2008. С. 160—170, 286—288.

123. Brysev, А.Р., Rrutyansky, L.M., Preobrazhensky, V.L., Pyl'nov, Yu.V., Cunningham, K.B., Hamilton, M.F. // In Nonlinear Acoustics at the Turn of the Millennium: ISNA 15, American Institute of Physics. 2000. v. 1. p. 183—186.

124. Брысев А.П., Крутянский Jl.M. Улучшение качества фокусировки при параметрическом обращении фронта ультразвуковых пучков в элементе с рельефной рабочей поверхностью // Акустический журнал. 2000. Т. 46. № 4. С. 447—450.

125. Болынов Л.А., Власов Д.В., Дыхне М.А., Коробкин В.В., Саидов Х.Ш., Старостин А.Н. О возможности полной компенсации нелинейных искажений светового пучка с помощью обращения его волнового фронта. // Письма в ЖЭТФ, 1980. v. 31. р. 311.

126. Руденко О.В., Сухорукова А.К. Нелинейные пилообразные волны в неоднородной среде. // Акустический журнал. 1991. № 37. т.4 с. 753.

127. Pylnov Yu., Pernod P., Preobrazhensky V., Acoustic imaging by second harmonic of phase-conjugate wave in inhomogeneous medium. // Appl. Phys. Lett., 2001, v. 78, N4, pp.553-555.

128. Cunningham K.B., Hamilton, M. F., Brysev A.P., and Krutyansky L.M. Time-reversed sound beams of finite amplitude. // J. Acoust. Soc. Am., 2001. v.109, p. 2668-2674.

129. Brysev A.P., Bunkin F.V., Krutyansky L.M., Yan Xiang, Hamilton M.F. Focused nonlinear phase-conjugate waves generated by a solid parametric amplifier. //J. Acoust. Soc. Am., 2005, v.118,N6, p.p.3733-3736

130. Preobrazhensky V., Pernod P. Retro-focusing of phase conjugate acoustic beams in nonlinear and inhomogeneous media. // Proc. 17 Intern. Congress on Acoustics. Rome. 2001. V. 1. Phys. Acoust., part A. P. 25-26.

131. Brysev A., Bunkin F., Krutyansky L., Pernod P., Preobrazhensky V. Supercritical parametric wave phase conjugation as an instrument for narrow band analysis in ultrasonic harmonic imaging. // IEEE TUFFC, 2002, v. 49, N4, pp.409-414.

132. V. Preobrazhensky, P. Pernod. Retro-focusing of phase conjugate acoustic beams in nonlinear and inhomogeneous media. // Proc.17 Intern. Congress on Acoustics, Rome, 2001, v. 1, Phys. Acoust., part A, pp. 25-26.

133. Крутянский JT.M. Магнитострикционные активные элементы твердотельных ультразвуковых устройств на основе параметрических запороговых процессов. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, МИРЭА, М., 1992

134. Брысев А.П. Амплитудная и пространственная динамика параметрического обращения фронта ультразвуковых волн. // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, ИОФ РАН, М., 1995

135. Бергман Л., Ультразвук и его применение в науке и технике. // М., Иностранная литература, 1957

136. Акустические кристаллы / Под. ред. М.П. Шаскольской. — М., Наука, 1982

137. Preobrazhensky, V. Overthreshold nonlinearity of parametric sound wave phase conjugation in solids. // Jpn. J. Appl. Phys. 1993 v. 32. № 513. p. 2247—2251.

138. Preobrazhensky, V., Pernod, P. Compression and decompression of ultrasonic echoes by means of parametric wave phase cpnjugation. // IEEE Ultrasonic symposium. Sendai, 1998. p. 889—891.

139. Брухатов H.JT. и д.p. Магнитострикционные Fe-Ne ферриты и магнитоупругие взаимодействия в ферро- и ферримагнитных материалах. // Высшая школа, Москва, 1967, с. 86-90

140. Brysev A., Krutyansky L. Improvement of the focusing quality in parametric phase conjugation of ultrasonic beams in a ferrite cylinder with grooved working surface. // Acoust. Phys., 2000, v. 46, N.4, p. 382-364.