Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
УДК 534.222.
БРЫСЕВ
Андрей Петрович ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ И НЕЛИНЕЙНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ФАЗОСОПРЯЖЕННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПУЧКОВ
Специальность 01.04.06 - акустика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Москва - 2009
Работа выполнена в Научном центре волновых исследований Учреждения Российской академии наук Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН (филиал)
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук Олег Анатольевич Сапожников доцент кафедры акустики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова доктор физико-математических наук Вениамин Евгеньевич Назаров ведущий научный сотрудник Учреждения Российской академии наук Институт прикладной физики РАН доктор физико-математических наук, профессор Игорь Борисович Есипов профессор Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина
Ведущая организация: ГОУ ВПО Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет) (МИРЭА)
Защита диссертации состоится У Ф 2010 г. в У_15_Ф часов на заседании Диссертационного совета Д-002.063.01 в Институте общей физики РАН по адресу:
119991, Москва, ул. Вавилова, 38.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики РАН по адресу: 119991, Москва, ул. Вавилова, 38.
Автореферат разослан У_____Ф ________________ 2009 года.
Ученый секретарь Диссертационного совета Д-002.063.доктор физико-математических наук И.А. Маслов
Общая характеристика работы
В настоящей диссертационной работе представлены результаты комплексных исследований по проблеме обращения волнового фронта (ОВФ) ультразвуковых пучков, выполненных автором в период 1982-2008 г.г. в Научном центре волновых исследований Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, а также, начиная с 1998 г., в Институте электроники, микроэлектроники и нанотехнологий (IEMN, Лилль, Франция).
Актуальность темы Проблема концентрации энергии в заданной области пространства в заданное время является одной из актуальных в физике распространения электромагнитных и акустических волн. Методы фокусировки излучения в однородных средах хорошо известны и разработаны. Если же на пути волнового пучка имеется фазовонеоднородная среда, то сфокусировать излучение обычными системами, например линзовыми, уже не удается. Традиционные алгоритмы управления многоэлементными приемно-излучающими решетками, предназначенными для фокусировки излучения, также оказываются неэффективными, особенно в случайно-неоднородных средах. В большинстве случаев это происходит из-за отсутствия априорной информации о том, какие именно фазовые сдвиги вносятся в волновой пучок неоднородностями среды.
Примеры такого рода случайно-неоднородных сред хорошо известны - это атмосфера и недра Земли, океан, биологические ткани, многие промышленные изделия и т.п. В основе одного из наиболее эффективных и красивых физических методов, позволяющих реализовать фокусировку волн в средах со случайными фазовыми неоднородностями, лежит открытое первоначально в оптике в середине 70-х годов ХХ века явление обращения волнового фронта (ОВФ). С тех пор эта тематика привлекает к себе внимание своеобразием физических свойств обращенных волновых пучков и теми уникальными возможностями, которые открывает применение техники ОВФ в физических исследованиях, неразрушающем контроле, технологии и медицине.
Обращение волнового фронта - это такое преобразование волнового поля, при котором направление распространения волны меняется на противоположное с сохранением первоначального пространственного распределения амплитуд и фаз [см.
напр. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов В.В., УОбращение волнового фронтаФ, М., Наука, 1985]. Основное свойство обращенной волны состоит в компенсации фазовых набегов, возникающих при распространении первичной волны.
Благодаря этому волна с обращенным фронтом может фокусироваться на источник не только в однородной среде, но и в неоднородной и, более того, в случайнонеоднородной среде. Автофокусировка или самонацеливание волновых пучков на рассеивающие объекты, в том числе и через фазово-неоднородную среду, схематически проиллюстрировано на Рис.1. Важно, что устройства ОВФ осуществляют обращение автоматически и в реальном времени для произвольных реализаций первичной волны, т.е. они автоматически согласованы в смысле фокусировки на источник с любыми искажениями фазового фронта. Именно поэтому устройства, обращающие волновой фронт, наряду с фундаментальным, представляют и большой практический интерес. Устройства ОВФ получили широкую Рис.1. Схема автофокусировки или УсамонацеливанияФ ультразвуковых пучков известность после того, как в 80-х годах ХХ с использованием эффекта ОВФ.
века они были реализованы в оптике, хотя в 1 - источник ультразвуковых волн, 2 - объект, 3 - фазово-неоднородная среда, радиотехнических системах их уже 4 - ОВФ-зеркало.
использовали, начиная с 60-х годов.
Принципиальная возможность существования волны с ОВФ основывается на инвариантности волнового уравнения в прозрачной среде по отношению к смене знака времени. Преобразованию инверсии времени соответствует так называемое ~ * U (r) =U (r) фазовое сопряжение спектральных компонент поля:, или для фаз ~(r ) = - (r ). В свою очередь, фазовое сопряжение соответствует смене знака волновых векторов в пространственном спектре поля: если U (r) = ()eikr, а Ak k ~ U (r) = ()e-ikr, тогда Bk () = A-* (). Преобразование ОВФ в линейной и Bk k k стационарной среде может включать в себя пространственно однородное изменение амплитуды волнового поля и постоянную временную задержку (фазовый набег). В зависимости от того, каким способом достигается эффект ОВФ в различных конкретных условиях, о нем говорят или как о преобразовании обращения времени (ОВ) или как об обращении волнового фронта.
При всей общности идеи обращения фронта реализация ОВФ для волн различной физической природы отличается друг от друга. Так, бурное развитие исследований по ОВФ в оптике, хотя и стимулировало изучение ОВФ в акустике, тем не менее, не позволило напрямую перенести в нее оптические методы обращения. Специфика ОВФ в физической акустике обусловлена спецификой волновых, в частности, дисперсионных свойств акустических сред, взаимодействиями, обеспечивающими реализацию ОВФ, пространственно-временной структурой акустических пучков, подлежащих обращению, и, наконец, практическими потребностями, в решении которых перспективно использование явления ОВФ. Среди методов ОВФ ультразвука особый интерес представляет параметрическое фазовое сопряжение волн за порогом абсолютной неустойчивости в твердом теле, находящемся во внешнем переменном электрическом или магнитном поле. В этом случае возможна эффективная перекачка энергии поля, модулирующего скорость звука в среде, в энергию акустических волн, что обеспечивает их усиление в реальном времени. В известных реализациях такого способа ОВФ ультразвука в качестве обращающей среды применялись монокристаллы, а частота обращенных УЗ волн находилась, как правило, в диапазоне сотен мегагерц и выше. Однако монокристаллы, как известно, характеризуются сильной анизотропией параметрического взаимодействия, поэтому они пригодны только для ОВФ коллимированных УЗ пучков. В тоже время для приложений ОВФ ультразвука основной интерес представляют УЗ пучки с частотой порядка единиц мегагерц и с широким пространственным спектром. По этим причинам потребовался поиск других твердотельных сред, которые обладают минимальной анизотропией параметрического взаимодействия при гораздо более высокой чувствительности скорости звука к изменениям внешнего модулирующего поля, чем в монокристаллах, что необходимо для компенсации падения эффективности параметрического ОВФ, возникающей при понижении частоты на два-три порядка. Другой нерешенной, но принципиальной в исследованиях по ОВФ проблемой являлось отсутствие прямых экспериментальных исследований пространственной структуры акустических полей обращаемого и обращенного пучков. Ранее утверждения об ОВФ основывались лишь на косвенном экспериментальном факте обращения времени в параметрических эхоимпульсных последовательностях. Наконец, реализация параметрического ОВФ с усилением дает основание предполагать, что начальная интенсивность обращенных пучков может быть достаточно велика для проявления нелинейных эффектов при распространении. Такой характер распространения обращенных УЗ пучков также необходимо изучать, т.к. при этом, очевидно, нарушается временная инвариантность волнового уравнения.
Несмотря на то, что использование ОВФ целесообразно и дает наибольший эффект в средах с неоднородностями, но и в однородных средах применение ОВФ ультразвука может быть оправданно, например, для создания автоконфокальных систем, не требующих точной юстировки, или при разработке методов безлинзового построения акустических изображений. Благодаря обнаруженной нами возможности обращения фронта отдельных гармонических составляющих нелинейной УЗ волны с помощью параметрического метода, и тому, что и сама обращенная волна также может быть нелинейна, можно с успехом одновременно использовать преимущества, предоставляемые как техникой ОВФ, так и современными достижениями нелинейной акустики.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена, с одной стороны, потребностями, существующими в научной и практической деятельности, по компенсации фазовых искажений, возникающих при распространении УЗ пучков в неоднородных средах, а также по точной фокусировке ультразвука на различные объекты, а с другой - возможностями, предоставляемыми при решении подобных задач применением явления ОВФ. Результаты, получаемые при изучении ОВФ ультразвука - это физическая основа для создания принципиально новых УЗ методов исследования сред, образцов УЗ техники и технологии, повышения возможностей существующих методов и устройств.
Основные цели диссертационной работы - создание параметрического обращающего фазу усилителя звука - ПОФУЗа (аббревиатура, введенная Ф.В. Бункиным), который на частотах 1-10 МГц являлся бы источником интенсивных УЗ пучков с ОВФ;
- на основе прямых методов исследования акустических полей и численного моделирования выявление характерных физических особенностей линейного и нелинейного режимов распространения УЗ пучков с ОВФ в жидких средах, включая среды с фазовыми неоднородностями;
- экспериментальная демонстрация преимуществ и прикладных возможностей запорогового параметрического ОВФ ультразвука.
Научная новизна результатов, представленных в диссертации, состоит:
- в использовании поликристаллических никель-кобальтовых ферритов специального состава и оригинального усилителя мощности накачки таких ферритов, что впервые позволило реализовать запороговое параметрическое ОВФ в реальном времени в диапазоне 1-10 МГц с высоким, свыше 100 дБ, усилением для УЗ пучков с широким пространственным спектром;
- в применении светоотверждаемого полимера для акустического согласования твердотельного обращающего элемента с жидкой средой, что позволяет существенно:
в несколько раз, повысить чувствительность и выходную мощность твердотельных параметрических ОВФ-усилителей ультразвука, нагруженных на жидкую среду, при удовлетворительном качестве ОВФ;
- в экспериментальном обнаружении и исследовании характерных особенностей нелинейного распространения фазосопряженных ультразвуковых пучков различной геометрии;
- в реализации эффекта самонаведения УЗ пучков на случайно расположенные в жидкости стационарные и хаотически движущиеся объекты различной формы;
- в предложении, разработке и экспериментальной реализации метода спектральной селекции гармоник нелинейного УЗ пучка с одновременным ОВФ и усилением выделенной гармоники;
- в прямой экспериментальной демонстрации ретрофокусировки УЗ пучков с обращенным фронтом при их нелинейном распространении в жидкой среде, содержащей слой, вносящий фазовые искажения;
- в экспериментальной демонстрации возможностей применения и преимуществ запорогового ОВФ ультразвука в акустоскопии и неразрушающем контроле.
Совокупность полученных в диссертации результатов представляет собой новое крупное научное достижение в исследованиях проблемы ОВФ ультразвука, что позволяет говорить о формировании и развитии нового направления в физической акустике - нелинейной акустики параметрически обращенных ультразвуковых пучков.
Практическая ценность работы - Создан новый инструмент для ультразвуковых исследований - параметрический обращающий фазу усилитель звука. Использование в качестве параметрически активной среды поликристаллического материала с профилированной рабочей поверхностью обеспечило хорошее качество ОВФ для УЗ пучков с широким пространственным спектром, простоту изготовления, надежность. Оригинальный усилитель мощности импульсов параметрической накачки, входящий в состав ОВФусилителя, по сравнению с известными аналогами обладает существенно лучшими массо-габаритными характеристиками и более низкой потребляемой мощностью, обеспечивая при этом необходимые амплитуды поля накачки. Разработанный параметрический ОВФ-усилитель уже используется в научных лабораториях России и Франции и служит прототипом специализированных приборов, перспективных в таких областях, как медицина, неразрушающий контроль, системы акустической диагностики.
- Экспериментально обоснован ряд методов и принципов практического использования ОВФ ультразвука, среди которых: автоматическая безлинзовая фокусировка УЗ пучков на случайно расположенные статические и движущиеся объекты, линейная и нелинейная акустоскопия объектов, находящихся в среде с фазовыми неоднородностями, ультразвуковая диагностика дефектов изделий сложной формы.
- Найден новый для физики ультразвука материал - светоотверждаемый полимер, акустический импеданс которого близок к теоретически оптимальному значению для согласования феррита с водой. Это позволило реализовать акустическое согласование твердых и жидких сред без использования каких-либо склеек для фиксации четвертьволнового слоя из этого материала и экспериментально подтвердить его высокую эффективность.
Таким образом, на основе запорогового параметрического ОВФ ультразвука можно создавать новые образцы ультразвуковой техники и технологии, что существенно расширяет возможности и области применения ультразвука и позволяет решать задачи, недоступные для традиционных методов и подходов.
Защищаемые положения:
1. Поликристаллические ферриты специального состава и оригинальный усилитель мощности импульсов накачки таких ферритов обеспечивают в диапазоне 1-10 МГц запороговый режим параметрического ОВФ ультразвуковых пучков с широким пространственным спектром с высоким, более 100 дБ, динамическим диапазоном усиления в реальном времени.
2. Самонаведение ультразвуковых пучков на случайно расположенные стационарные и хаотически движущиеся объекты реализуемо за счет запорогового параметрического ОВФ ультразвука.
3. Ретрофокусировка фазосопряженных ультразвуковых пучков при их нелинейном распространении возможна не только в однородных средах, но и в средах с фазовыми неоднородностями.
4. Запороговое параметрическое ОВФ обеспечивает обращение фронта с усилением для отдельной гармоники нелинейного ультразвукового пучка.
5. Использование самонаведения ультразвуковых пучков с ОВФ на отражающие дефекты позволяет получить существенный выигрыш в скорости их диагностики в стальных трубах с достаточной в условиях производства информативностью.
Апробация результатов. Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих научных форумах:
International Symposium on Nonlinear Acoustics, Novosibirsk, 1987; 2-nd Europeen Conference on Quantum Electronics, Dresden 1989; 1-er Congres Francais dТAcoustique, Lyon, France, 1990; 15-ая Всесоюзная конференция "Акустоэлектроника и физическая акустика твердого тела", Ленинград, 1991; 2-nd France Conference on Acoustics, Arcachon, France, 1992; Memorial R. Khohlov's Conference "Nonlinear waves in nonhomogeneous media", Moscow, MSU, 1996; World Congress on Ultrasonics, Yokohama 1997, Japan; Joint meeting of the Acoustical Society of America and the European Acoustics Association, Berlin, Germany, 1999; Third International Conference On Optical Signal and Data Processing, Moscow, 1999; УNonlinear Acoustics at the Turn of the Millennium: ISNA 15Ф, Goettigen, Germany, 1999; 17th International Congress on Acoustics - ICA17, Rome, Italy, 2001; Ultrasonics International, Delft, Netherlands, 2001; Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодая наука - ХХI веку", Иваново, 2001; ВКНСФ-7, Санкт-Петербург, 2001; 142nd Meeting: The Acoustical Society of America; 16th International Symposium on Nonlinear Acoustics, Moscow, MSU, 2002; международная научно-техническая конференция Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию Москва, МИРЭА, 2002; 6th Frenche Conference on Acoustics, Lille, France, 2002; Конференция "Ломоносов 2003", Москва, МГУ, 2003; XIII-ая сессия РАО, Москва, 2003; 146th Meeting: The Acoustical Society of America; 2nd International conference УFrontiers of nonlinear physicsФ, Nigny Novgorod - St.-Petersburg, Russia, 2004; Joint workshop of RAS and SFA: УHigh intensity acoustic waves in modern technological and medical applicationsФ, Moscow, 2005; 8th French Acoustic Conference, Tours, France, 2006; International conference УFunctional Materials - ICFMФ, Partenit, Crimea, Ukraine, 2007.
Кроме того, материалы диссертации неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах НЦВИ ИОФ РАН, ИОФ РАН, ФИАН, кафедры акустики физического факультета МГУ, Акустического института, Института электроники, микроэлектроники и нанотехнологий (IEMN, Лилль, Франция), МИРЭА, Лаборатории акустики Университета дю Мэн (LAUM, Ле Ман, Франция), Совете Директоров совместной Европейской ассоциированной лаборатории нелинейной магнитоакустики (LEMAC), сессиях Американского Акустического Общества.
Результаты, вошедшие в диссертацию, были также отмечены присуждением автору премии Ленинского комсомола (1987 г.), премии Института общей физики РАН за лучшую экспериментальную установку (1988 г.), премии Института общей физики РАН для молодых ученых (1989 г.), премии издательства МАИК за лучшую публикацию года в Акустическом журнале (2000 г.), премии РАН по радиофизике им.
.И. Мандельштама (2006 г.).
Выполнение работ по тематике диссертации было поддержано РФФИ (с 1993 г.
по настоящее время), Международным научным фондом - International Science Foundation (ISF) (1994-1995 г.г.), Американским фондом гражданских исследований - US Civilian Research and Development Foundation (CRDF) (1996-1997 г.г. и 2003-20г.г.), Национальным центром научных исследований (Франция) - Centre National de la Recherhe Scientifique (CNRS) (с 1998 г. по настоящее время, а с 2004 г. в рамках LEMAC), посольством Франции в Москве (2006, 2007 г.г.), фондом поддержки ведущих научных школ Президента РФ (с 2004 г. по н/вр.).
Публикации. Результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в одном Авторском Свидетельстве СССР и 33 статьях, 27 из которых входят в список ВАК, в ведущих отечественных и зарубежных научных журналах, таких как Успехи физических наук, Акустический журнал, Известия РАН, серия физическая, Письма в ЖЭТФ, Письма в ЖТФ, Труды ФИАН, Physics Letters, The Journal of the Acoustical Society of America, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Ultrasonics и других. Кроме того, по материалам диссертационной работы имеется более 30 публикаций и тезисов докладов в трудах всесоюзных, российских и международных конференций.
ичный вклад автора. Все оригинальные результаты, включенные в диссертацию, получены лично автором или при его непосредственном участии. Автор производил выбор направлений исследований, определял цели и методы работы, осуществлял постановку задач, выполнение работ, обработку, анализ результатов и их подготовку к публикациям.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 287 страницах и содержит 1рисунок. Список литературы включает 201 наименование.
Краткое содержание диссертации.
Диссертация имеет следующую структуру:
Введение. Обращение волнового фронта в акустике (обзор).
Глава I. Параметрический обращающий фазу усилитель ультразвука с активным элементом на основе поликристаллического никель-кобальтового феррита Глава II. Визуализация акустических полей и волновых фронтов при запороговом параметрическом ОВФ ультразвуковых пучков Глава III. Особенности распространения в однородной среде ультразвуковых пучков конечной амплитуды с параметрически обращенным волновым фронтом Глава IV. Параметрическая селекция и ОВФ гармоник сфокусированных ультразвуковых пучков конечной амплитуды и их ретрофокусировка в среде с фазовыми неоднородностями Глава V. Экспериментальная демонстрация возможностей практического использования ультразвуковых пучков с параметрически обращенным волновым фронтом Основные выводы и заключение Список литературы Введение состоит из трех частей. В первой из них обосновывается актуальность тематики и цели диссертационной работы, формулируются новизна и практическая ценность полученных результатов, защищаемые положения. Во второй части Введения на основе обзора литературы обсуждаются основные принципы формирования акустических волн с обращенным фронтом. В качестве одного из способов такой репродукции поля известен алгоритм обращения времени с помощью цифрового анализа и синтеза сигнала на ЭВМ. Поканальный анализ временной формы принимаемого сигнала (или амплитуды и фазы для гармонических волн) позволяет создать на приемно-излучающей решетке амплитудно-фазовое распределение, соответствующее падающей волне. Современная микропроцессорная техника и технология матричных пьезопреобразователей дают возможность реализовать ОВФ системы с сотнями элементов решетки и рабочей частотой порядка 5 МГц. Такой подход стал одним из основных, получив наиболее развитое воплощение в работах, выполненных в лаборатории, возглавляемой профессором М. Финком из университета Париж-7. Достоинства такого метода состоят в достаточно широких возможностях при обработке импульсных сигналов и возможности целенаправленного корректирования синтезируемого амплитудно-фазового распределения. Однако системы такого типа продолжают оставаться исключительно сложными в управлении, громоздкими и дорогостоящими.
Далее анализируются физические принципы ОВФ. В оптике ОВФ чаще всего реализуется в нелинейной среде за счет трех- и четырехволновых взаимодействий. В акустике реализации подобных схем ОВФ на гидродинамической нелинейности препятствует отсутствие дисперсии звука в большинстве сред в очень широком - вплоть до гигагерцовых частот, диапазоне. По этой причине при интенсивностях акустических волн накачки, необходимых для реализации ОВФ, параллельно и, эффективнее всего, в них развивается процесс образования пилообразных волн, подавляющий генерацию обращенной волны. Это обстоятельство заставляет искать и развивать специфические именно для акустики методы и способы обращения.
Наиболее перспективными являются механизмы голографического и параметрического типа, причем в обоих случаях принципиально возможна генерация обращенной волны, усиленной по отношению к падающей.
Голографический механизм ОВФ в акустике может быть реализован в жидкостях, за счет содержащихся в ней взвешенных частиц или пузырьков газа, упорядочивающихся под действием акустических пондеромоторных сил, или за счет нелинейности радиационного давления звука на поверхность раздела жидкость-газ.
Также были предложены и рассчитаны тепловой, диффузионный и другие механизмы акустической голографии в реальном масштабе времени. Однако на практике реализовать ОВФ с усилением в реальном времени, используя акустическую голограмму, оказалось затруднительно.
Кардинальное изменение в подходе к проблеме ОВФ ультразвука было связано с публикацией работ Ф.В. Бункина с соавторами [см. напр. Кв. эл-ка, 8 1144 (1981)]. В них было предложено отказаться от использования акустической накачки для параметрической модуляции параметров среды, и было указано на перспективность создания параметрических ОВФ-усилителей, использующих пространственнооднородную модуляцию скорости звука в среде переменными электрическими или магнитными полями. Однако до настоящего времени желаемый практический результат в реальных жидкостях не достигнут. Это стимулировало поиск механизмов динамического управления модулем упругости твердых тел с целью реализации эффективного параметрического ОВФ ультразвука. Различие на пять порядков скоростей акустических и электромагнитных волн позволяет создать электромагнитную накачку, практически однородно распределенную в активной области среды и захватывающую большое число длин волн звука. Генерацию обратной волны при этом можно интерпретировать как результат распада фотона с частотой и волновым вектором k~0 на два фонона с противоположными p волновыми векторами k2=-k1 и частотами 1=2= /2. О первых наблюдениях такого p типа генерации обращенных звуковых волн в монокристалле железо-иттриевого граната сообщалось более сорока лет назад [Van de Vaart H., Lyons D.H., Damon R.W., J. Appl. Phys., 38 360 (1967)]. В дальнейшем на эффекты акустического ОВФ в кристаллах и кристаллических порошках неоднократно указывалось, главным образом, в связи с исследованиями явлений фононного эха. В пьезоэлектриках основным механизмом необходимой модуляции является нелинейный пьезоэффект, однако в реальных экспериментальных условиях максимальная перестройка скорости звука переменным электрическим полем не превосходит долей процента.
Коэффициенты нелинейного пьезоэффекта могут заметно возрастать вблизи сегнетоэлектрических фазовых переходов благодаря взаимодействию звука с критической мягкой модой. Использование взаимодействия звука с мягкими модами коллективных возбуждений иной физической природы значительно расширяет возможности применения твердых тел для целей акустического ОВФ. Так в магнетиках взаимодействие переменного магнитного поля с кристаллической решеткой опосредовано спиновыми возбуждениями. Акустические волны при этом существуют в форме в той или иной мере связанных магнитоупругих волн. Глубина модуляции скорости звука магнитным полем определяется величиной магнитострикции и динамическими особенностями спиновой подсистемы. На практике она может достигать долей и даже единиц процентов.
При заданной глубине модуляции скорости звука эффективность параметрического ОВФ растет с ростом отношения длины области взаимодействия к длине акустической волны, а при фиксированном размере активной области, с ростом частоты. В упомянутой работе Ван де Ваарта с соавторами параметрическое обращение бегущей акустической волны наблюдалось на гиперзвуковых частотах в условиях магнито-акустического резонанса в монокристалле железо-иттриевого граната. При этом было зарегистрировано значительное, более 55 дБ, усиление обратной волны. В пьезоэлектриках генерация обратной волны с ее усилением до дБ была детально исследована на монокристалле ниобата лития также в гиперзвуковом диапазоне [Thompson R.R., Quate C.F., J. Appl. Phys., 42 907 (1971)]). В дальнейшем генерация объемных и поверхностных обратных волн наблюдалась и в других пьезокристаллах. Во всех случаях, когда экспериментально наблюдалось существенное усиление обратной бегущей волны в твердом теле, уровни накачки превышали порог абсолютной параметрической неустойчивости. Поэтому именно запороговый режим параметрического ОВФ является наиболее привлекательным.
Вместе с тем, существенное снижение частоты до ультразвукового диапазона (f<МГц), представляющего основной интерес для приложений ОВФ, сопровождается в указанных взаимодействиях и средах существенным снижением эффективности преобразования. Отмечается и такая особенность упомянутых и подобных им работ, как интерес, прежде всего, к временным особенностям динамики параметрического взаимодействия УЗ волн в поле электромагнитной накачки, которые важны для целей функциональной обработки сигнальной информации. По этой причине сильная анизотропия взаимодействия в монокристаллах, накладывающая существенные ограничения на пространственный спектр обращаемых УЗ пучков, не имела существенного значения. Как следствие, задача проведения сравнительного анализа пространственной структуры прямой и обратной волн не ставилась, что, безусловно, необходимо делать в исследованиях по ОВФ. Учет этих факторов приводит к насущной необходимости поиска среды и взаимодействия, приводящего к эффективному параметрическому ОВФ для УЗ пучков с широким пространственным спектром в диапазоне 1-10 МГц и в последующем проведении сравнительных исследований пространственной структуры УЗ первичного и обращенного пучков. В конце данной части кратко перечислены основные приложения явления обращения волнового фронта в акустике.
В третьей части Введения приведены теоретические результаты, характеризующие основные физические свойства параметрического обращающего фазу усилителя звука. Рассмотрены динамика усиления и качество воспроизведения амплитудного распределения поля исходной волны в допороговом и запороговом режимах его работы. Показано, что важным управляющим параметром задачи является произведение относительной величины модуляции скорости звука в среде, волнового числа k и длины взаимодействия L. В частности, значение kL=/определяет порог, при превышении которого система переходит из режима конвективной в режим абсолютной параметрической неустойчивости. Коэффициент параметрического преобразования К в допороговом и запороговом режимах так же определяется значением kL. В пренебрежении затуханием и расстройкой стационарное значение К в допороговом режиме равно К=tg(kL). В запороговом режиме усиление нестационарно. Сначала, при t>2L/c0 оно определяется формулой K=exp(pt), где инкремент p - неаналитическая монотонно возрастающая функция kL, t - время взаимодействия, с0 - невозмущенное значение скорости звука. Затем, при достаточно длинной накачке экспоненциальный рост амплитуды УЗ волн сменяется насыщением усиления на определенном уровне. Далее проанализированы приемнопередающая диаграмма направленности ПОФУЗа, возможность фокусировки его излучения, генерация звукового поля в объемном резонаторе ПОФУЗЧ рассеивающий объект. При рассмотрении запороговой динамики параметрического ОВФ ультразвука особое внимание уделено таким вопросам, как ограничение усиления амплитуды взаимодействующих волн, обусловленное эффектом истощения накачки, роль процессов параметрического усиления тепловых фононов, протекающих одновременно с усилением полезного сигнала, и связанной с этим конкуренцией мод в условиях истощения накачки, влияние конечности поперечных размеров параметрически активной зоны и отражений усиленных волн от границ образца.
В последнем разделе третьей части Введения для пучка с гауссовским распределением амплитуды рассмотрены искажения, возникающие при параметрическом ОВФ ультразвука. Показано, что при небольшой надкритичности обращенная волна сохраняет гауссовский профиль с радиусом перетяжки, монотонно растущим во времени. Внутри гауссова контура обращенной волны возникают дополнительные (изменяющиеся во времени) полиномиальные искажения второго порядка малости по дифракционному параметру. Делается вывод о том, что использование параметрических систем для ОВФ УЗ пучков в стационарном режиме при высоких коэффициентах усиления оправданно лишь при достаточно узком пространственном спектре этих пучков. В противном случае при толщине слоя, близкой к критической, внутри пространственного спектра падающего пучка возникает резкая зависимость амплитуд фурье-компонент обращенной волны от их угла наклона, что приводит к сильной деформации амплитудно-фазового профиля обращенной волны. Это обстоятельство является еще одним фактором в пользу реализации именно запорогового режима параметрического ОВФ ультразвука. Далее отмечается, что параметрическая модуляция акустических параметров среды может служить не только физической основой для реализации эффекта ОВФ УЗ волн, но также и других эффектов, не менее интересных как с научной, так и с практической точек зрения. Например, проблема управления временной структурой звуковых пучков, а также генерация полей контролируемого временного профиля имеет в акустике не меньшую актуальность, чем в оптике. Параметрически активные нестационарные акустические среды позволяют по-новому подойти к решению указанной задачи, используя, как и в оптике, полевую динамику звукового пучка. При этом управление временными характеристиками пучка осуществляется за счет контролируемой с помощью внешних силовых полей (магнитных, электрических или оптических) модуляции акустических параметров среды.
В Главе 1 изложены результаты, полученные в ходе реализации параметрического обращающего фазу усилителя звука на основе никель-кобальтовых ферритов. Приведены основные динамические характеристики ОВФ-усилителя, описаны меры, направленные на адаптацию твердотельных систем ОВФ для работы с ультразвуковыми пучками, распространяющимися в жидкости и обладающими широким пространственным спектром.
В з1.1 приведены экспериментальные результаты, характеризующие основной режим работы реализованного ПОФУЗа - запороговое параметрическое магнитоупругое взаимодействие в поликристаллических никель-кобальтовых ферритах специального состава. Здесь же представлена блок-схема установки для измерений динамических характеристик ПОФУЗа. Измерения проводились более чем на 15-ти ферритовых образцах, поэтому сначала, во избежание громоздкости, на примере одного образца демонстрируются основные особенности динамики указанного взаимодействия, а затем приводятся характерные отличия, обусловленные разным составом феррита. Установлено, что оптимальная для целей ОВФ геометрия такова, что волновой вектор k УЗ волны параллелен вектору магнитного поля H. При этом в исследованных ферритах в области 0-800 Э чувствительность сдвиговых волн к изменениям статического магнитного поля H гораздо выше, чем у продольных.
Затухание ультразвука невелико по абсолютной величине и падает почти вдвое с ростом H. Полученная на ней полевая зависимость порога параметрической генерации имеет минимум в области Н~150-250 Э. Зависимости амплитуды обратного УЗ импульса Uобр от длительности накачки p, построенные в логарифмическом масштабе, показали, что Uобр сначала растет по экспоненциальному закону. При достаточно длинной накачке наступает эффект насыщения усиления. На Рис.2 видно, что сигнал обратной волны появляется через двойной интервал между моментом излучения звука и началом импульса накачки, как это и должно быть при параметрическом ОВФ. Также наблюдался экспоненциальный рост амплитуды обратной волны и насыщение усиления на уровне Umax=18В, намного превышающем амплитуду возбуждающего радиоимпульса на преобразователе. Аналогичные Рис.2. Импульсы: возбуждения преобразователя 1, усиленной обратной волны 2 (нижний луч), особенности имеет зависимость Uобр от накачки 3 (верхний и нижний лучи).
амплитуды накачки. Зависимости Uобр от подмагничивающего поля Н при фиксированной накачке имеют максимум в той же области Н, где минимален порог параметрической генерации. Для сдвиговых волн было зафиксировано рекордное значение К =116 дБ амплитудного коэффициента преобразования в обратную УЗ волну, при этом качественная оценка ее интенсивности в феррите дала значение ~ 100 Вт/см2. Характерные различия в свойствах параметрических ОВФ-усилителей, построенных на основе двух ферритовых элементов с разными составами примесей, демонстрируются в,Tl-№ образца mmax = lnV B Bopt, Tl rel, мкс p, мкс-1 Umax, В L, мГн Q 1 1,40 0,07 35 0,6 9 2 3 0,27 0,27 150 0,2 43 2 приводимой таблице. Здесь mmax = lnV B - максимальное значение чувствительности скорости сдвиговых УЗ волн к изменению магнитного поля В;
Bopt- значение магнитного поля, при котором достигается mmax; rel - время релаксации, характеризующее величину затухания магнитоупругих мод, ответственных за эффект параметрического ОВФ звука в активной среде ОВФ-усилителя (rel вычислялось по зависимости Uобр от времени задержки импульса параметрической накачки);
p- инкремент запорогового усиления, определяемый по линейным участкам зависимостей Uобр от p; L и Q - соответственно индуктивность катушки накачки и добротность контура, в который она входит, при B=Bopt. Характерно, что меньшим значениям инкремента усиления отвечают большие значения максимальной амплитуды обращенной волны. Таким образом, вплоть до настоящего времени поликристаллические никель-кобальтовые ферриты специального состава являются наилучшими материалами для создания в диапазоне 3 - 30 МГц запороговых параметрических ОВФ-усилителей ультразвука. Оптимизация их параметров представляет собой сложную задачу подбора состава и параметров технологии изготовления феррита с оптимальным для данного приложения сочетанием значений коэффициента магнитоакустической связи, магнитных потерь и проницаемости, времени релаксации магнитоупругих колебаний. Ферриты, близкие по параметрам к образцу №1, лучше всего подходят для использования ОВФ ультразвука в приложениях, связанных с неразрушающим контролем, обработкой сигналов, акустоскопии, т.е. там, где необходимо формирование короткого ОВФ-отклика. Для ОВФ-усилителей, предназначенных для работы с высокоинтенсивными пучками, например, в гипертермии или литотрипсии, требуется оптимизация магнитоупругой связи в соответствии со значением выходной мощности источника параметрической накачки. Наиболее близки к этому случаю параметры образца №3. В заключение параграфа приведена достаточно простая процедура тестирования ферритовых образцов на примере конкретного ОВФ-усилителя. Используя два ферритовых образца различных составов, демонстрируется возможность получать корректные значения динамических параметров такого усилителя на основе данных измерений в статическом магнитном поле.
В з1.2 рассмотрена разработанная и изготовленная автором радиотехническая система параметрической накачки ОВФ-усилителей. Необходимость ее изготовления была вызвана недостаточной (~ 1 кВт) мощностью имеющегося промышленного источника для накачки ферритов больших размеров, а также недоступностью коммерческих усилителей с требуемой мощностью, как по цене, так и по массогабаритным показателям. Система состоит из усилителя мощности и устройства согласования. Усилитель мощности трехкаскадный. Первый каскад - широкополосный, с выходной мощностью 50 Вт, выполнен на полевых транзисторах.
Второй каскад узкополосный, построен на лампе ГУ-74Б и имеет мощность 600 Вт.
Требования по мощностным и массо-габаритным показателям усилителя были выполнены за счет построения оконечного каскада на двух включенных параллельно модуляторных лампах ГМИ-83В, работающих в режиме УCФ усиления радиоимпульсов. Такое нестандартное использование этих модуляторных ламп позволило обеспечить в диапазоне 2-20 МГц выходную мощность до 20 кВт в импульсе длительностью до 300 мкс при средней мощности не более 200 Вт.
Устройство согласования линии передачи с катушкой накачки выполнено в виде Пконтура. Успешный опыт разработки и эксплуатации системы накачки в НЦВИ ИОФ РАН позволил автору изготовить ее второй экземпляр для лаборатории нелинейной магнитоакустики Института электроники, микроэлектроники и нанотехнологий (IEMN), г. Лилль, Франция. Это обеспечило развертывание и успешное развитие экспериментальных работ по ОВФ ультразвука в этой лаборатории - французском партнере НЦВИ ИОФ РАН по Европейской ассоциированной лаборатории Нелинейной магнитоакустики (LEMAC), где в рамках совместных исследований был выполнен ряд работ прикладного характера, результаты которых описаны в 5-ой главе настоящей диссертации.
з1.3 посвящен акустическому согласованию ферритового ОВФ-элемента с жидкостью с целью уменьшения потерь акустической энергии на границе этих сред.
Для этого был найден новый для ультраакустики материал - светоотверждаемый полимер, импеданс которого (6000 кг/см2) весьма близок к оптимальному значению (7500 кг/см2) для согласования феррита и воды. Важным достоинством разработанной технологии нанесения полимера на поверхность ферритового ОВФ-элемента в виде четвертьволнового слоя является отсутствие каких-либо дополнительных клеящих слоёв. Работоспособность метода была проверена на двух ферритовых ОВФэлементах, на одну из поверхностей которых был нанесен согласующий слой. Для частоты 5 МГц толщина одного из слоев составила 120 12 мкм, для частоты 10 МГц - 60 3 мкм. Проверялась не только эффективность согласования, но и качество ОВФ, поэтому в измерениях использовался сфокусированный УЗ пучок. В результате согласования перепад акустического давления в фокусе вырос более, чем вдвое - с 4.1 МПа до 8.3 МПа, а форма волны стала гораздо более нелинейной. При этом главный максимум воспроизводится в обращенном пучке практически без искажений, а боковые максимумы выросли не слишком сильно. Кроме этого, применение согласования дает почти двойное увеличение декремента затухания звука в ОВФэлементе, а также возможность использовать импульсы накачки меньшей длительности, что снижает уровень генерации тепловых шумов без потерь в уровне полезного сигнала.
В з1.4 описана оптимизация угловой зависимости коэффициента ОВФ-преобразования К(), которая у твердотельных ОВФ-элементов с плоской рабочей поверхностью при работе на жидкую среду существенно неравномерна, что отрицательно влияет на качество ОВФ. Так, для ОВФ-усилителя с активным ферритовым элементом в виде цилиндра диаметром 28 мм и длиной 100 мм эта зависимость симметрична относительно 0, где она имеет минимум, а при 14 в ней имеются максимумы шириной ~ 7, причем отношение K(14)/K(0)~10. Для решения этой проблемы было предложено создать более унифицированные условия прохождения границы вода-феррит для различных пространственных компонент УЗ пучка. С этой целью на рабочей поверхности феррита была выгравирована система концентрических углублений полукруглого сечения с размерами много большими длины УЗ волны в воде. При этом восстановление структуры падающего поля в воде происходит при обратном проходе обращенных компонент через рельефную границу феррит-вода. В результате в зависимостях К() указанные выше экстремумы исчезли, а сама зависимость стала гладкой и более широкой, плавно спадая от максимума при 0 до уровня 0.7 при 16 в линейном режиме ОВФ и при 25 - в нелинейном. Важно, что уменьшения максимальной амплитуды обращенной волны по сравнению со случаем плоской поверхности не происходит. Для элемента с профилированной поверхностью наблюдается заметное улучшение качества ОВФ за счет существенного подавления боковых максимумов при незначительном уширении центрального.
В Главе 2 приведены результаты сравнительного исследования пространственной структуры прямого (т.е. обращаемого) и параметрически обращенного в ферритовом элементе УЗ пучков, что принципиально важно и необходимо при решении подобного рода задач. Были использованы информативные и одновременно наиболее наглядные оптические методы стробоскопической визуализации акустических полей (з2.1) и волновых фронтов (з2.2) УЗ пучков1. Из представленных здесь примеров изображений полей прямого (a) и обратного (b) сфокусированных УЗ пучков в плавленом кварце (Рис.3) и волновых фронтов также прямого (a) и обратного (b) УЗ пучков в воде (Рис.4) видно, что при запороговом параметрическом магнитоупругом взаимодействии в Рис.3. Полученные поляризационно-оптическим феррите действительно имеет место методом изображения полей прямого (а) и ОВФ ультразвука с усилением. Так, обращенного (b) сфокусированных УЗ пучков в плавленом кварце.
сходящемуся пучку (вогнутому Визуализация осуществлялась в пассивной оптически прозрачной среде распространения ультразвуковых волн фронту) в прямой волне соответствует расходящийся пучок с выгнутым фронтом в обратной волне и наоборот, а область фокусировки обратной волны совпадает с областью фокусировки F прямой волны.
Важно при этом, что эффект ОВФ наблюдается в широкой апертуре ~ 30.
Усиление при ОВФ проявляется в том, что яркость изображения обращенных пучков заметно выше, чем прямых при одинаковой интенсивности лазерной засветки. Оценка интенсивности обращенного пучка в кварце дала значение ~ 100 Вт/см2. При достаточно длинной накачке и в отсутствие прямого Рис.4. Теневые изображения волновых фронтов сфокусированных прямого (а) и пучка были впервые визуализированы обращенного (b) УЗ пучков.
потоки параметрических фононов, генерируемых электромагнитной накачкой в твердом теле.
Благодаря возможности высокого усиления при параметрическом ОВФ интенсивность обращенных УЗ пучков может быть достаточной для генерации гармоник при их распространении в пассивной среде. Возникающее при этом нарушение инвариантности волнового уравнения относительно смены знака времени, обуславливает необходимость выяснения того, как нелинейные искажения сказываются на свойствах обращенного пучка. С этой целью в Главе 3 исследуется нелинейный режим распространения квазиплоских и сферически сфокусированных УЗ пучков с обращенным фронтом.
В з3.1 приведены результаты первых наблюдений нелинейной эволюции временной формы квазиплоской УЗ волны конечной амплитуды с обращенным фронтом, распространяющейся в воде. Для получения волнового профиля использовалась дифракция света на ультразвуке, как невозмущающий метод измерения. Его особенностью являлись помещенные на пути дифрагировавших лучей света полупрозрачное и глухое зеркала, что для каждого порядка дифракции давало вертикальный ряд световых пятен со спадающей по известной геометрической прогрессии яркостью.
Получающаяся при этом на экране Рис.5. Характерный спектр дифракции света двумерная картина (Рис.5) позволяла за на УЗ пучке конечной амплитуды с обращенным фронтом (белый маркер - один импульс света (и~15 нс), источником положение нулевого порядка дифракции).
которого служила 2-ая гармоника АИГ-Nd лазера, регистрировать и спектр дифракции и передаточную характеристику цифровой камеры для каждого порядка дифракции. Дифракционные спектры регистрировались в точках A и B, удаленных на 124 мм и 14 мм соответственно от диафрагмы с окном 2,5х4,0 мм. Она формировала квазиплоский пучок из поля пьезопреобразователя, возбуждаемого радиоимпульсом длительностью 30 мкс и несущей частотой f=5.МГц. ОВФ этого импульса происходило в ферритовом элементе диаметром 36 мм и длиной 150 мм, удаленном от диафрагмы на 184 мм. Распространение УЗ пучка конечной амплитуды моделировалось с помощью численного решения уравнения ХЗК. Анализ экспериментальных данных проводился в приближении Рамана-Ната.
Временной профиль ультразвуковой волны определялся по предложенным в работе Кука [JASA, 1960, p.336] соотношениям между интенсивностями дифракционных порядков и пространственно-временной зависимостью параметра модуляции фазы света звуком. Методом нелинейной регрессии отыскивалась в виде конечного ряда гармоник функция профиля волны, расчет дифракции на котором наилучшим образом соответствовал измеренным значениям интенсивности дифракционных порядков. На Рис.6 представлены рассчитанные численно и полученные из эксперимента профили давления на оси обращенного пучка в точках A и B. Видно, что в точке А, где нелинейность временного профиля обращенной волны еще невелика, эксперимент и Рис.6. Профиль волны на оси обращенного пучка при z = 124 расчет согласуются удовлетвомм (а), и при z= 14 мм (b). Сплошная линия - численный рительно. В точке В, где расчет, штриховая - экспериментальные данные.
существует уже развитая нелинейность, несмотря на близость значений общего перепада давления, восстановленная по экспериментальным данным форма волны заметно отличается от рассчитанной численно. Крутизна восстановленного профиля оказалась заниженной из-за конечности числа регистрируемых порядков дифракции, а одномерность модели при восстановлении дала симметричный профиль волны. В численном моделировании учитывались и ограниченность пучка, давшая несимметричный профиль волны, и большее число гармоник, обусловивших образование фронта, близкого к ударному.
Кроме нелинейных искажений в обращенном УЗ пучке (с оценкой интенсивности в Вт/см2) наблюдался эффект нелинейного затухания. Результаты моделирования и теневые изображения полей падающего и обращенного УЗ пучков показали, что в условиях этих экспериментов нелинейность распространения обращенного УЗ пучка не препятствует удовлетворительному воспроизведению им пространственной структуры падающего пучка. Отмечается, что дифракция, возникающая из-за ограниченности апертуры ОВФ-элемента, также может давать существенный вклад в искажения при ОВФ-репродукции.
В з3.2 такого рода искажения исследуются как совместное проявление эффектов дифракции и нелинейности распространения в параметрически обращенных и усиленных сфокусированных УЗ пучках. Для выяснения влияния конечности апертуры ОВФ-элемента на качество воспроизведения исходного поля на рабочий торец обращающего ферритового элемента помещались поглощающая звук диафрагма с отверстиями различного диаметра. Изменение усиления при ОВФ позволяло управлять интенсивностью обращенного УЗ пучка, и таким образом, изучать влияние нелинейности. Акустическое поле в воде измерялось с помощью сканирования мембранным PVDF гидрофоном с диаметром чувствительного элемента 0.5 мм и полосой до 25 МГц. Численное моделирование УЗ пучков выполнялось на основе уравнения ХЗК, при этом для падающего пучка предполагался линейный режим распространения при излучении круглым поршневым источником с равномерным Рис.7. Фокальное распределение распределением амплитуды возбуждения по его давления в падающем пучке (сплошная линия - эксперимент, пунктир - сферической поверхности. На Рис.7 показано численный расчет).
нормированное фокальное распределение давления в падающем УЗ пучке. Фокальные распределения давления в нелинейно распространяющемся обращенном пучке измерялись 36 mm 20 mm при разных диаметрах отверстия диафрагмы. На Рис.8 они показаны для диафрагм с отверстиями мм и 20 мм. Из Рис.7-а b видно, что в целом имеется Рис.8. Фокальное распределение давления в первых 4-х хорошее согласие между гармониках нелинейно распространяющегося обращенного расчетными и эксперименпучка (сплошная линия - эксперимент, пунктир - численный расчет) без диафрагмы (а) и с диафрагмой 36 мм.
тальными результатами.
Воспроизведение падающего поля на частоте источника (Рис.8a) гораздо лучше в случае обращающей системы с апертурой 36 мм даже несмотря на сильные нелинейные искажения в обращенном пучке. Более критическим фактором в отношении искажений пространственной структуры исходного поля оказывается дифракция, обусловленная малостью апертуры обращающего элемента (Рис.8b).
В з3.3 подробно изложены результаты численного моделирования распространения УЗ пучков конечной амплитуды с обращенным фронтом в однородной жидкости. Мотивацией для этого является необходимость и возможность, основанная на согласии расчетов и измерений (см.зз3.1,3.2), узнать о поведении обращенных ультразвуковых пучков при таких высоких значениях их начальной амплитуды, которые в экспериментах пока не достигнуты, но важны, например, для оценок возможностей использования параметрического ОФВ с усилением в гипертермии и литотрипсии. Моделирование основано на численном решении уравнения ХЗК, учитывающего нелинейность среды, термовзякое поглощение, дифракцию, а также конечность размеров обращающей системы, т.к. в реальных условиях все поле обращаемого пучка часто может не захватываться. Расчеты проводились для сфокусированных и плоских УЗ пучков. Однако, здесь приведены наиболее показательные результаты лишь для последних, имея в виду их большую наглядность и качественно схожий характер полученных результатов и выводов для обоих типов пучков. Поскольку применение ОВФ часто связано с возможностью концентрации энергии на некоторой поверхности или источнике, целесообразно ввести количественную меру для качества ОВФ-фокусировки. Одним из возможных такого рода критериев может быть отношение части общей энергии обращенного поля, рефокусировавшейся на заданную поверхность, к части общей энергии исходного поля, приходящуюся на ту же самую поверхность. Применительно к рассмотренному осесимметричному случаю коэффициент Q качества ОВФ Wrev () /Wrev () Q = определяется тогда формулой:, где W - безразмерная энергия Winc () /Winc () Рис.9а. Волновые профили на Рис.9b. Поперечные профили Рис.9с. Зависимость параметра оси обращенного пучка, давления гармоник качества ОВФ Q от: (a) - прошедшего 2/3 расстояния обращенного пучка в плоскости параметра нелинейности N, (b) между источником и системой источника при малой (сверху) и - безразмерного радиуса ОВФ, при малой (сверху) и сильной (снизу) нелинейности.
обращающего элемента m.
сильной (снизу) нелинейности.
W () = d , а область интегрирования - это круг безразмерного радиуса . Из rms P общих соображений понятно, что чем больше Q отличается от единицы, тем хуже качество ОВФ. На Рис.9а,b показаны примеры расчетов временного и поперечного профилей обращенного пучка при геометрии, близкой к условиям экспериментов, описанных в з3.1,3.2. Параметр нелинейности варьировался от N=0 (линейный случай), до N=1, когда уже существенно формирование ударного фронта. Видно, что рост N приводит к ухудшению качества воспроизведения исходного ступенчатого профиля. Количественно это выражается в том, что параметр Q при N>1 линейно убывает (Рис.9с-а), однако примечательно, что даже при N=4 только 12% энергии обращенного пучка оказывается вне области источника. Используя параметр Q, было так же прослежено негативное влияние конечного размера обращающей системы:
такая зависимость представлена на Рис.9с-b. Видно, что для рассматриваемой геометрии Q быстро уменьшается для m 20. Установлено, что для существования плато на Рис.9с-b нужно, чтобы апертура обращающей системы охватывала, как минимум, первые два боковых максимума в поперечном распределении падающего пучка. Таким образом, основные выводы по результатам проведенного моделирования формулируются следующим образом. Когда ударный фронт не формируется, эффекты нелинейного распространения не сильно искажают воспроизведение поля падающего пучка в обращенном. В противном случае качество ОВФ-репродукции существенно ухудшается, однако, даже в этих условиях способность обращенного пучка концентрировать энергию в области источника остается на высоком уровне.
Конечность апертуры обращающей системы, и, как следствие, дифракция может вносить основной вклад в формирование сильных искажений в обращенном пучке.
В Главе 4 исследуются возможности ретрофокусировки обращенной УЗ волны конечной амплитуды в аберрирующей среде, в том числе и в условиях, когда обращаемая волна не является чисто монохроматической, как это предполагалось в предыдущей главе. При этом рассмотрены оба варианта обращения нелинейной УЗ волны, предоставляемые параметрическим методом. Первый - это неполное ОВФ в виде обращения фронта отдельных спектральных компонент негармонической падающей волны. Второй - обращение, понимаемое как воспроизведение пространственно-временного распределения акустического поля на источнике, предусматривающее синхронизованное ОВФ всех (в идеале) гармоник, формируемых в процессе распространения в среде падающей волны конечной амплитуды.
В з4.1 приведены результаты прямых измерений структуры поля сфокусированной обращенной ультразвуковой волны, распространяющейся в фазовонеоднородной среде в условиях развитой нелинейности. В качестве неоднородного участка среды использовался специально изготовленный слой из силиконового полимера. Акустический импеданс слоя обеспечивал его достаточно хорошее акустическое согласование с водой. Одна сторона слоя была плоской, а на второй хаотически располагались неровности пирамидальной формы. Размеры их основания и высоты были от 2 мм до 5 мм, так что разность набега фазы в воде и в слое, например, на дистанции 3 мм составляла более 4. Учитывая сравнительно небольшую толщину слоя, можно было считать, что искажения, вносимые в акустический пучок, носили, в основном, фазовый характер. Способность слоя вносить в проходящую волну искажения демонстрирует Рис.10, на котором показаны фокальные распределения падающей 1 1.волны без слоя и в его присутствии на P/Pмаx 0.8 0.расстоянии 20 мм от фокуса. Видно, что 0.0.слой достаточно сильно разрушает фокусировку. В экспериментах с 0.4 0.обращенной волной фазовый слой 0.2 0.располагался между фокусом УЗ пучка и 10 8 6 4 2 0 2 4 6 8 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 обращающей системой, т.е. аберрации в X, (мм) падающую волну вносились после Рис.10. Фокальное распределение прохождения ею области фокуса. На Рис.нормированной амплитуды давления в падающей волне. 1 - в отсутствие фазового показано измеренное на оси распределение слоя, 2 - в присутствии слоя.
давления амплитуд гармоник обращенного X - расстояние от оси пучка.
Рис.11. Осевое распределение амплитуды Рис.12. Фокальное распределение давления гармоник обращенного пучка. Пунктир нормированного среднедействующего звукового - положение фазового слоя R. 1-4 - номер давления. Сплошная линия - обращенная волна, гармоники, Z - расстояние от излучателя. На штриховая - падающая волна. Вверху справа - врезке справа временной профиль обращенной временной профиль обращенной волны в точке волны на оси пучка в точке Z=97 мм. X=0.
пучка, а на Рис.12 - поперечное распределение среднеквадратичного давления в фокальной плоскости источника. Результаты показывают, что, несмотря на увеличение относительного уровня боковых максимумов, поле нелинейно распространяющейся обращенной волны, прошедшей через фазово-неоднородный слой, демонстрирует высокое качество ОВФ-фокусировки УЗ пучка, как по положению, так и по ширине главного максимума. Таким образом, даже в условиях нарушения, в строгом смысле, инвариантности волнового уравнения по отношению к обращению времени возможна компенсация фазовых искажений и пространственная локализация гармоник обращенной волны в области фокуса исходной волны. Тем самым, параметрическое ОВФ с усилением позволяет осуществлять в бездисперсной неоднородной среде эффективную фокусировку нелинейно распространяющейся обращенной волны. Указанная особенность ОВФ акустических пучков может найти разнообразные практические применения в нелинейных системах построения акустических изображений и в физике мощного ультразвука.
В з4.2 рассмотрена уникальная с физической и практической точек зрения ситуация, когда источник обращаемой волны, в отличие от ранее рассмотренных случаев, не имея четкой локализации, является распределенным. Примером могут служить гармоники, возникающие при распространении интенсивных звуковых волн в нелинейной среде. Обращение фронта отдельных гармонических компонент таких волн возможно с помощью параметрического метода за счет выбора обычного и в этом случае соотношения между частотой накачки fp и частотой компоненты f обращаемой волны: fp = 2f. Особенность ОВФ в данном случае состоит в том, что поле обращенной гармоники даже в идеальном случае уже не может воспроизводить поле той же гармоники в падающей волне. Естественной причиной тому является отсутствие в обращенной волне компоненты, частота которой равна частоте основной гармоники падающей волны, и взаимодействие с которой необходимо для преобразования обращения времени. Однако можно говорить о неполном ОВФ и рассчитывать при этом на сохранение основных свойств эффекта акустического ОВФ.
Экспериментальная проверка такой возможности была впервые выполнена при параметрическом ОВФ второй гармоники интенсивного сфокусированного УЗ пучка, излучаемого в воду. Параллельно велось соответствующие моделирование на основе численного решения уравнения ХЗК. Преобразователь "Panametrics M307" возбуждался радиоимпульсом на частоте f=3 МГц и имел фокусное расстояние 84 мм.
Соосно с излучателем на расстоянии 206 мм от него через отверстие в стенке бассейна был установлен ОВФ-элемент из феррита с профилированной рабочей поверхностью, на который в соответствующий момент подавался импульс магнитного поля параметрической накачки c несущей частотой 22f =12 МГц. Акустические поля падающего и обращенного пучков измерялись широкополосным звукопрозрачным PVDF гидрофоном (диаметр чувствительного элемента 0.5 мм), перемещаемым позиционирующей системой Velmex. На Рис.13 показаны результаты измерений и расчетов полей основной гармоники обращенной волны и второй гармоники падающей волны. Видно, что в главном обращенная волна воспроизводит поле второй гармоники падающей волны: обращенный пучок является сфокусированным, ширина фокального максимума основной компоненты обращенного пучка и его осевое положение практически не отличаются от того, что имеется во второй гармонике падающего пучка. Вблизи источника поле обращенного пучка отличается от пучка-оригинала, амплитуда которого на источнике равна нулю. Таким образом, запороговое параметрическое ОВФ ультразвука может с успехом использоваться для обращения отдельных гармонических компонент нелинейного Рис.13. Поля основной гармоники обращенной волны и второй гармоники сфокусированного пучка.
падающей волны. Сверху - вдоль оси пучка, снизу - поперек оси в точке z=82 мм. В з4.3, как логическое продолжение Сплошная линия - обращенная волна, результатов з4.1,4.2, продолжено изложение пунктир - II гармоника падающей волны.
специфики обращения, связанной с нарушением инвариантности волнового уравнения относительно смены знака времени, а именно в нем исследуется возможность ОВФ-ретрофокусировки в условиях, когда преобразованию обращения фазы подвергается вторая гармоника сфокусированной волны конечной амплитуды, распространяющаяся в фазовонеоднородной среде. С этой целью в схему эксперимента, описанного в з4.2, между фокусом и обращающим элементом на расстоянии 20 мм от фокуса был введен Рис.14. Нормированные распределения среднедействующего значения звукового давления в обращенном пучке (сплошная линия) и второй гармоники падающей волны (штриховая линия):
слева - на оси пучков (R - положение фазового слоя); справа - в фокальной плоскости.
случайный фазово-неоднородный слой со свойствами, подобными тем, что описаны в з4.1. Амплитуды первой и второй гармоник падающей волны в фокусе составляли 0.65 МПа и 0.085 МПа при пиковом перепаде 1.45 МПа. На границе слоя амплитуды гармоник составляли соответственно 0.38 МПа и 0.043 МПа. На Рис.14 приведены результаты измерений осевого и фокальных распределений давления в обращенном пучке в сравнении с падающим. Видно, что фазово-неоднородный слой, внося определенные количественные отличия по сравнению со случаем однородной среды (см. Рис.13), не препятствует фокусировке обращенного пучка в область фокусировки второй гармоники падающего пучка. При этом пиковый перепад давления в фокусе обращенной волны составил 3.4 МПа при значениях амплитуд первых двух гармоник 1.23 МПа и 0.5 МПа. Генерируемые при распространении обращенной волны высшие гармоники, следуя за основной компонентой, также демонстрируют хорошую фокусировку в плоскости z=82 mm. Такое поведение гармоник обращенного пучка качественно согласуется с теорией, развитой В.Л. Преображенским с соавторами (Appl. Phys. Lett., 553, 2001). Таким образом, в отличие от нелинейной оптики, запороговое ОВФ ультразвука может с успехом использоваться для обращения выделенных гармонических компонент падающего излучения. Амплитуда обращенной волны при запороговом ОВФ с усилением может быть достаточно высокой, чтобы при ее распространении она претерпевала нелинейную эволюцию.
При этом вносимые средой распространения фазовые аберрации компенсируются как за счет общих свойств эффекта ОВФ, так и вследствие синхронизации фаз гармоник в нелинейной акустической волне.
з4.4 посвящен теоретическому исследованию возможности реализации обращения нелинейной ультразвуковой волны, понимаемого как восстановление пространственно-временного распределения ее акустического поля на источнике. Это (в идеале) предусматривает синхронизованное ОВФ всех гармоник, формируемых в процессе распространения в нелинейной среде интенсивной ультразвуковой волны.
Технические возможности многоканальных аналогово-цифровых систем в настоящее время недостаточны для такого преобразования, а использование физических механизмов параметрического типа требует, очевидно, применения источников когерентной широкополосной накачки. По этой причине источники переменного магнитного или электрического поля, будучи узкополосными, также непригодны для этой цели. В тоже время, например, лазерная параметрическая накачка полупроводников представляется перспективной для решения этой задачи, т.к. в этом случае широкополосность накачки может быть обеспечена современными методами модуляции оптического излучения. Имея это в виду, рассмотрение параметрического обращения УЗ поля монохроматического излучателя, помещенного в нелинейную среду, в качестве модельного примера проведено на основе фонон-плазмонного взаимодействия в пьезополупроводниках с высокой концентрацией электронных ловушек при облучении образца периодической (с периодом T=/, где - частота возбуждения обращаемой волны конечной амплитуды) последовательностью коротких лазерных импульсов длительностью i. При таком выборе частоты следования лазерных импульсов обеспечивается фазовое сопряжение для гармоник нелинейной УЗ волны за счет автоматического частотного согласования ее гармоник и частот накачки. Исследован спектр выходного сигнала и, соответственно, временной профиль обращенной волны в зависимости от интенсивности и длительности импульсов лазерной накачки. Показано, что за счет подбора параметров лазерной накачки можно осуществлять управление спектром обращенной волны и, в частности, добиваться высокой степени репродуцирования пространственно-временной структуры исходной волны. Для иллюстрации на Рис.15 показаны три характерных профиля обращенной волны на входе в нелинейную пассивную среду. Из Рис.15а видно, что за счет роста коэффициента преобразова 0 2 4 6 0 2 4 6 0 2 4 (рад) ния с частотой удельРис.15. Нормированные волновые профили падающей (сплошная) и обращенной волны (кружки) при различной безразмерной ный вклад высших длительности лазерного импульса: a - i<1, b - i~0.9, c - i~/2.
гармоник возрастает, поэтому обращенная волна оказывается искажена сильнее, чем падающая. Увеличение длительности лазерных импульсов при сохранении уровня накачки приводит к снижению коэффициента преобразования амплитуды для высших гармоник и, тем самым, к выравниванию коэффициентов преобразования гармоник акустического поля с соответствующим повышением уровня воспроизведения временного профиля падающей волны. С помощью численного решения трансцендентного уравнения для амплитуд гармоник обращенной волны найдено значение параметра i=0.9, при котором достигается наилучшее воспроизведение исходного нелинейного профиля в широком диапазоне его возможных вариаций (см. Рис.15b). При заданном уровне накачки коэффициент преобразования гармоник регулируется длиной активной зоны преобразования. На Рис.15с приведен случай, когда i /2, при котором происходит преобразование гармоник только с четными номерами, что приводит к представленной деформации волнового профиля.
Глава 5 посвящена экспериментам, демонстрирующим возможности прикладного использования УЗ пучков с параметрически обращенным волновым фронтом и возникающие при этом преимущества перед известными ранее аналогами.
В з5.1 рассмотрено одно из наиболее ярких проявлений эффекта ОВФ - самонаведение обращенных УЗ пучков на рассеивающие первичную волну объекты (см. Рис.1). Такой способ фокусировки УЗ энергии имеет множество преимуществ перед уже известными. Например, нет необходимости в каких-либо линзах или иных фокусирующих системах, юстировка УЗ систем автоматически сохраняется при изменении формы или положения объекта фокусировки. С помощью одной системы ОВФ возможна одновременная фокусировка ультразвука сразу на несколько объектов. Если объект, на который необходимо сфокусировать ультразвуковой пучок, окружен неоднородной средой, то проще и точнее всего это можно сделать с помощью ОВФ (см. Рис.1). В сочетании с возможностью гигантского параметрического усиления обращенных пучков, самонацеливание позволяет оказывать необходимое пространственно селективное воздействие ультразвука на рассеивающие объекты. Большой динамический диапазон запороговой параметрической обращающей системы позволяет работать со слабыми рассеянными или отраженными объектом волнами. На практике часто встречаются случаи, когда форма объекта или другие условия отражения или рассеяния ультразвука таковы, что обращению подвергается только часть отраженного или рассеянного излучения. Тем самым, заранее не очевидно, что в таких условиях возможна качественная ОВФфокусировка. Поэтому, в отличие от рассмотренных ранее, в данном случае это важное для приложений ОВФ ультразвука обстоятельство было специально смоделировано соответствующим выбором размеров и формы объектов. В качестве объектов фокусировки обращенного УЗ пучка, использовалась стеклянная мишень в форме полусферы радиуса R=5 мм и пузырьки воздуха. УЗ импульс длительностью ~50 мкс и несущей частотой 5.7 МГц излучался в воду плоским пьезопреобразователем диаметром 24 мм в направлении объектов фокусировки.
Эффект самофокусировки наблюдался с помощью визуализации УЗ полей теневым методом в стробоскопическом режиме. Источником света служил короткий (~15 нс) импульс второй гармоники неодимового лазера. Эффект самофокусировки ультразвука наблюдался для обоих типов указанных объектов, но наиболее зрелищны результаты, полученные именно с пузырьками. На Рис.16 слева представлено изображение УЗ пучка, облучающего поток всплывающих пузырьков. Светлая область в форме полумесяца, расположенная справа на изображениях, есть результат намеренно установленного неполного перекрытия нулевого порядка дифракции с тем, чтобы изображения пузырьков Рис.16. Изображения УЗ пучка 1, направленного на поток получались в виде темных пятен пузырей 2 (слева) и сфокусированных с помощью ОВФ на пузыри 2 УЗ пучков 1 (справа). Стрелками указано на светлой области, а УЗ полей - направление распространения УЗ пучка и движения в виде светлых областей на фоне пузырьков.
тени экрана. Правый снимок на Рис.16 наглядно демонстрирует автофокусировку обращенных УЗ пучков на пузырьки, которая наблюдается при произвольном количестве, расположении и форме пузырьков и в условиях, когда обращению подвергается только часть рассеянного пузырьками излучения. Отметим, что эксперименты с такими случайными объектами, как пузырьки воздуха, это еще простой и быстрый способ оценки качества системы ОВФ и ее возможностей по автофокусировке для широкого спектра всевозможных амплитудно-фазовых распределений УЗ полей.
В з5.2 приведены экспериментальные результаты, демонстрирующие возможность компенсации фазовых искажений в акустических изображениях с помощью ОВФ в условиях, когда в акустическом тракте присутствует фазовонеоднородный слой. Отметим, что акустоскопия объектов, находящихся в фазовонеоднородной среде, - одна из первых областей, обратившая на себя внимание с точки зрения возможных приложений параметрического ОВФ ультразвука. В качестве объекта визуализации была использована внутренняя структура электронной микросхемы. Ее изображения были получены в линейном режиме распространения УЗ пучков в макете акустоскопа, в основе которого лежала стандартная автоконфокальная схема на проход, однако при этом один из сфокусированных преобразователей можно было заменять на запороговый параметрический ОВФусилитель. В последнем случае оставшийся преобразователь работал как на излучение, так и на прием. За счет сканирования объекта позиционирующей системой в фокальной плоскости и оцифровки принятого импульсного сигнала в каждом из положений объекта его изображения строились в компьютере поточечно. Для демонстрации преимуществ использования ОВФ изображения объекта в присутствии и отсутствии слоя были получены как в схеме с ОВФ, так и в традиционной схеме.
a b c d Рис.17. a - фотография микросхемы с нанесенным на нее сверху аберрационным слоем случайной формы и структуры из канифоли; b - изображение внутренней структуры микросхемы без слоя, полученное в классической схеме на проход с двумя автоконфокальными преобразователями;
c - изображение той же области микросхемы, искаженное за счет аберраций, внесенных слоем;
d - изображение, полученное с использованием запорогового параметрического ОВФ для тех же условий, что и в случае с.
На Рис.17а представлена фотография микросхемы с аберрационным слоем случайной формы и структуры из канифоли, а на Рис.17b-d - акустические изображения внутренней структуры микросхемы, полученные в различных условиях. Из сравнения Рис.17b-d видно, что, хотя изображения b и d нетождественны по качеству, тем не менее, изображение d, полученное с использованием ОВФ, демонстрирует компенсацию фазовых искажений и за счет этого - повышение качества воспроизведения даже мелких деталей по сравнению с изображением, полученным обычным методом.
В з5.3 продолжено изложение экспериментальных результатов по применению запорогового параметрического ОВФ ультразвука в акустоскопии объектов, находящихся в фазово-неоднородной среде. Однако теперь, наряду с возможностью компенсации фазовых искажений в получаемых акустических изображениях благодаря использованию ОВФ, в рассмотрение включены и возможности, следующие из результатов по нелинейному распространению обращенных УЗ пучков и селективному параметрическому обращению фронта отдельных гармоник нелинейной волны, изложенных в Главах 3 и 4. В работе (Yu. Pylnov et al., Appl. Phys. Lett., 2001, v.78, p.553) было впервые показано, что с помощью второй гармоники обращенной волны конечной амплитуды можно получать акустическое изображение с компенсацией фазовых искажений и соответствующим повышением разрешения. ОВФ отдельных высших гармоник может давать преимущество по сравнению с ОВФ основной компоненты за счет уменьшения реверберации при распространении, из-за пониженного уровня боковых максимумов в обращаемой гармонике зондирующей волны и их ослабления в обращенной волне.
Схема макета акустоскопа, в котором реализованы указанные особенности, сходна с той, что использовалась в з5.2. Основные отличия состояли в следующем.
Применялся сфокусированный УЗ преобразователь Imasonic, который возбуждался на частоте 5 МГц с амплитудой, достаточной для генерации гармоник при распространении зондирующего пучка. Объект представлял собой две скрещенные проволочки диаметром 0.12 мм, что достаточно просто позволяло по полученному изображению определять разрешающую способность схемы в том или ином конкретном случае. На первом этапе были получены изображения объекта в однородной среде (воде) на частотах 5 МГц, 10 МГц и 20 МГц в традиционной a b c d f e g Рис.18. Акустические изображения проволочек: а - традиционная схема на проход, 5 МГц;
b,с - тоже, что а), но на частотах 10 МГц и 20 МГц соответственно; d - тоже, что b), но в присутствии аберрирующего слоя; f,e - схема на проход с ОВФ 2-ой гармоники зондирующего пучка в присутствии аберрирующего слоя, f - 10 МГц, e - 20 МГц, g - распределение амплитуды сигнала вдоль 137-ой строки изображений f и e.
автоконфокальной схеме на проход с приемным преобразователем, аналогичным излучающему (Рис.18a,b,c). Наличие аберрирующего слоя на всех частотах вызывает практически полную маскировку объекта (для примера на Рис.18d показано такое изображение на частоте 10 МГц). На втором этапе на место приемного преобразователя помещался ферритовый обращающий элемент, и были получены изображения с использованием ОВФ второй гармоники (10 МГц) падающей волны в отсутствие и при наличии слоя. При этом регистрировались первая (Рис.18f) и вторая (Рис.18e) гармоники обращенной волны (10 МГц и 20 МГц соответственно). Как видно, оба изображения, полученные с помощью ОВФ, демонстрируют эффект компенсации искажений. График на Рис.18g с распределением амплитуды сигнала вдоль 137-ой строки изображений, показанных на Рис.18f,e, демонстрирует эффект повышения разрешающей способности системы. В рассматриваемом эксперименте разрешение системы составило 600 мкм и 300 мкм на частотах, соответственно 10 МГц и 20 МГц, что близко к значениям, полученным в однородной среде. Качество всех изображений, когда слой отсутствует, мало отличается друг от друга. Если же в акустический тракт вносятся аберрации, то в изображения, полученные традиционным методом, слой вносит настолько сильные искажения, что изображение перекрестья оказывается полностью искаженным. В то же время, на изображениях, полученных с помощью ОВФ, перекрестье видно достаточно четко на обеих гармониках. В соответствии с результатами глав 3,4 привязка фазы второй гармоники волны, излучаемой ОВФ-элементом, к фазе основной компоненты обеспечивает ретрофокусировку и для второй гармоники. Это, с учетом соответствующего повышения частоты, позволяет использовать нелинейный характер распространения падающей и обращенной волн для получения акустических изображений в фазовонеоднородной среде с повышенным по сравнению с линейным случаем разрешением.
В тоже время, широкая распространенность схемы на отражение обуславливает большой интерес и к такой конфигурации, когда фазово-неоднородный слой находится между преобразователем и объектом. Однако в этом случае использование обычного режима ОВФ для компенсации искажений становятся неэффективным, т.к. фокусировка зондирующего пучка нарушается из-за действия слоя. Тем не менее, использование сфокусированного зондирующего пучка конечной амплитуды и последующее ОВФ одной из его высших гармоник, как показывают полученные нами результаты, при определенных условиях может дать положительный результат. При этом важно, чтобы на основной гармонике аберрирующий слой вносил малые искажения. Таким образом, описываемые далее эксперименты принципиально отличает от предыдущих то, что фазово-неоднородный слой располагался между преобразователем и объектом (на расстоянии 15мм от последнего), а обращению подвергалась 5-ая гармоника зондирующего излучения.
Чтобы иметь возможность излучать на низкой частоте, а принимать сигнал на частоте в пять раз большей, был изготовлен двухчастотный преобразователь. Он состоял из двух пьезокерамических элементов, соосно склеенных сололом так, что обеспечивался электрический контакт между ними. Для излучения НЧ-волны служил пьезоэлемент диаметром 36 мм и резонансной частотой 1.3 МГц, а для излучения и приема ВЧ-волны - пьезоэлемент диаметром 18 мм и резонансной частотой 6.6 МГц.
Фокусировка излучения такого комбинированного преобразователя осуществлялась линзой из оргстекла с фокусным расстоянием в воде 50 мм. Визуализируемый объект представлял собой две перекрещенные медные проволочки диаметром 0.2 мм. На Рис.19a представлены акустические изображения области перекрестья проволочек, полученные на частоте 6,6 МГц в традиционной схеме на отражение в отсутствие слоя и в присутствии слоя (Рис.19b). На Рис.19c,d представлены аналогичные изображения, но полученные на частоте 1,3 МГц.
a b c d f Видно, что двукратное Рис.19. Акустические изображения проволочек: а - 6,МГц, традиционная схема на отражение в однородной прохождение ВЧ-пучка через среде, b - тоже, что а) в присутствии аберрирующего слоя, c - тоже, что а) на частоте 1,3 МГц, d - тоже, что b) на фазовый слой приводит к частоте 1,3 МГц, f - ОВФ 5-ой гармоники при наличии практически полному аберрирующего слоя.
разрушению изображения, в то время как на НЧ-пучок слой практически не оказывает влияния, приводя лишь к незначительному уширению изображения проволочек. Однако разрешение системы на низкой частоте неудовлетворительно для адекватного восприятия объекта. В условиях же, когда излучалась и обращалась ВЧ-волна с частотой, равной частоте 5-ой гармоники, компенсации фазовых искажений не наблюдалось. И лишь когда обращался фронт пятой гармоники зондирующего пучка, удовлетворительное распознавание объекта было возможно и при наличии слоя, что демонстрирует Рис.19f.
В з5.4 приводятся результаты, демонстрирующие возможность и преимущества применения запорогового параметрического ОВФ ультразвука в неразрушающем контроле промышленных изделий. На примере стальных труб, предоставленных французской компанией Vallorec, разработан и апробирован метод ускоренной УЗ диагностики дефектов в таких трубах. В настоящее время такая диагностика осуществляется эхо-импульсным методом: УЗ преобразователь, находясь в акустическом контакте с внешней поверхностью трубы, посылает в нее короткий импульс и затем принимает отраженные от дефектов и/или внутренней стенки трубы импульсы. Для контроля всего объема наряду с поступательным движением труба совершает также вращение вокруг своей оси, что существенно замедляет процесс диагностики. Отказаться от вращения трубы в таком методе нельзя, т.к. если дефект не находится строго под преобразователем, то полезный сигнал невозможно выделить на шумообразном фоне многочисленных отражений от стенок трубы, возникающего из-за сложной геометрии траектории зондирующего и отраженных импульсов. По этим причинам непрерывный 100%-ный контроль продукции оказывается невозможен, и осуществляется лишь ее выборочный контроль. В то же время, использование ОВФ излучения, рассеянного дефектами, для автофокусировки ультразвука на преобразователь (см.з5.1), позволяет отказаться от вращения трубы и за счет этого существенно повысить скорость ее УЗ диагностики. В одной из лабораторных реализаций предложенного метода УЗ преобразователь и ферритовый обращающий элемент находились в акустическом контакте с внешней стенкой трубы по одну ее сторону на линии, параллельной ее оси. Время задержки и длительность импульса накачки подбирались таким образом, чтобы отраженное от дефекта излучение попадало в систему ОВФ в ее параметрически активном состоянии. В этом случае происходила автофокусировка обращенного пучка на дефект и далее - на преобразователь. Амплитуда сигнала обращенной волны на преобразователе заметно превышала уровень паразитного фона благодаря возможности большого усиления при запороговом параметрическом ОВФ. При продольном смещении трубы вдоль ее оси наличие дефектов давало максимумы сигнала ОВФ, а их отсутствие - минимумы, что иллюстрируют кривые на Рис.20. Показательно, что положение зарегистрированных экстремумов хорошо коррелирует с распределением дефектов в тех же трубах, полученным традиционным методом. Характер получаемых данных интегрален по сечению трубы, однако, по заявлению производителей в большинстве случаев этого оказывается достаточно в условиях производства.
Upc, V L, см области с дефектами Рис.20. Зависимости амплитуды сигнала обращенной волны от перемещения трубы вдоль ее оси для трубы с дефектами (сплошная линия) и без дефектов (пунктир).
В Заключении сформулированы основные научные результаты, представленные в диссертации. В ходе комплексных исследований решен ряд актуальных и принципиальных проблем фундаментального характера, начиная от реализации параметрического ОВФ ультразвука с усилением с последующим выявлением основных особенностей распространения фазосопряженных УЗ пучков конечной амплитуды в однородных и неоднородных средах, и заканчивая экспериментальной демонстрацией возможностей и выгод применения этих пучков в ряде практических приложений:
1. За счет использования специальных поликристаллических никель-кобальтовых ферритов и разработанного автором импульсного усилителя мощности накачки таких ферритов реализован запороговый режим параметрического ОВФ в реальном времени, обладающий высоким, свыше 100 дБ, динамическим диапазоном усиления на частотах 1-10 МГц. На этой основе создан новый ультразвуковой инструмент - параметрический обращающий фазу усилитель ультразвука.
2. Проведена адаптация ферритовых обращающих элементов для работы с жидкой средой распространения и для ультразвуковых пучков с широким пространственным спектром.
3. На основе прямых измерений акустических полей показано, что ретрофокусировка фазосопряженных УЗ пучков при нелинейном режиме их распространения возможна не только в однородных средах, но и в средах с фазовыми неоднородностями.
4. Реализован эффект самонаведения ультразвуковых пучков на случайно расположенные стационарные и хаотически движущиеся объекты случайной формы с помощью параметрического ОВФ излучения, отраженного от этих объектов.
5. Предложен и экспериментально реализован режим параметрического обращения фронта для отдельной гармоники нелинейного УЗ пучка с одновременным усилением обращенной компоненты. Показано, что для сфокусированных пучков такой режим обеспечивает пропорциональное номеру обращаемой гармоники уменьшение поперечного размера фокальной перетяжки обращенного пучка.
6. Экспериментально продемонстрированы возможности применения параметрического ОВФ ультразвука в акустоскопии и неразрушающем контроле и возникающие при этом преимущества по сравнению с известными аналогами, не использующими эффект ОВФ.
Основные публикации по материалам диссертации:
1. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Власов Д.В., Казаров Ю.Е. Экспериментальная реализация модели ПОФУЗа на ниобате лития. Письма в ЖТФ, 1982, т.8, в.9, c.546549.
2. 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.
3. 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.
4. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Власов Д.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л., Стаховский А.Д. Параметрическое обращение фронта ультразвуковой волны в феррите. Акуст. журн., 1988, т.34, №6, с.1120-1122.
5. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Власов Д.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л., Стаховский А.Д. Регенеративный режим усиления звуковых волн с обращением волнового фронта в феррите. Акуст. журн., 1988, т.34, №6, с.986-990.
6. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Власов Д.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л., Пыльнов Ю.В., Стаховский А.Д., Экономов Н.А. Пространственное распределение поля продольной ультразвуковой волны при параметрическом обращении фронта в феррите. Акуст. журн., 1990, т.36, №1, с.166-167.
7. Brysev A.P., Bunkin F.V., Vlasov D.V., Stakhovsky A.D., Streltsov V.N., Krutiansky L.M., Preobrazhensky V.L., Pylnov Yu.V., Ekonomov N.A. Some recent findings on acoustic phase conjugation in parametric media. Optical and Acoustical Review, 1990. v.1, N1, p.107-120.
8. Brysev, A.P. Bunkin F.V., Ekonomov N.A., Krutiansky L.M., Preobrazhensky V.L., Pylnov Yu.V., Stakhovsky A.D., Vlasov D.V. Giant regenerative amplification with sound wave phase conjugation in ferrite. Collogue de Physique, Colloque C2, Supplement N2, v.51, Fevrier, 1990, p.C2-73 - C2-76.
9. Brysev A.P., Bunkin F.V., Stakhovsky A.D., Krutyansky L.M., Preobrazhensky V.L.,.
Pylnov Yu.V. Emitting of phase conjugate ultrasound wave into liquid by parametrically excited ferrite. Journal de Physique IV, Colloque C1, v.2, avril 1992, p.C1-895-C1-898.
10. Авт. свид. N 1753838 (CCCР). Способ обращения фронта ультразвуковых волн с усилением. ИОФ АН СССР, МИРЭА, авт. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Власов Д.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л., Пыльнов Ю.В., Стаховский А.Д., Экономов Н.А. Заявл. 10.01.90. N 4780909/22, опубл. в Б.И. 1992, №29.
11. Brysev A.P., Bunkin F.V., Krutyansky L.M., Preobrazhensky V.L., Pyl'nov Yu.V., Stakhovsky A.D. Observation of ultrasound waves in liquid under overthreshold parametric phase conjugation in ferrite. Physics Letters A, 1992, v.164, p. 196-200.
12. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л., Пыльнов Ю.В., Стаховский А.Д. Автофокусировка ультразвука на случайно распределенные рассеивающие объекты в жидкости с помощью параметрического обращения волнового фронта. Письма в ЖЭТФ, 1995, т.61, в.6, c.454-458.
13. Brysev A.P., Bunkin F.V., Stakhovsky A.D., Krutyansky L.M., Preobrazhensky V.L., Pylnov Yu.V. Parametric phase conjugation of an ultrasonic wave scattered from a solid into liquid. Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics/ Supplement Physics of Vibrations, 1995, v.59, N1, p.40-46.
14. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Крутянский Л.М., Стаховский А.Д. Экспериментальная реализация обращения волнового фронта ультразвука с усилением. Изв. РАН, сер.
физ., 1996, т.60, №12, с.117-128.
15. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л., Пыльнов Ю.В., Стаховский А.Д. Параметрическое обращение фронта ультразвуковых волн в воде в широком угловом диапазоне. Акуст., журн., 1997, т.43, №2, с.244-247.
16. Брысев А.П., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л. Обращение волнового фронта ультразвуковых пучков. УФН, 1998, т.168, №8, с.877-890.
17. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Гамильтон М.Ф., Крутянский Л.М., Кэннигхэм К.Б., Преображенский В.Л., Пыльнов Ю.В., Стаховский А.Д., Янгхаус С.Дж. Нелинейное распространение квазиплоского ультразвукового пучка с обращенным волновым фронтом. Акуст. журн., 1998, т.44, №6, с.738-748.
18. Брысев А.П., Крутянский Л.М. Улучшение качества фокусировки при параметрическом обращении фронта ультразвуковых пучков в элементе с рельефной рабочей поверхностью. Акуст. журн., 2000, т.46, N.4, c.447-450.
19. Brysev A., Krutyansky L., Pernod P., Preobrazhensky V. Acoustic microscope based on magneto-elastic wave phase conjugator. Appl. Phys. Lett., 2000, v.76, p.3133-3135.
20. Brysev A., Pernod P., Preobrazhensky V. Magneto-acoustic ceramics for parametric wave phase conjugators, Ultrasonics, 2000, v.38, p.834-837.
21. Brysev A.P., Krutyansky L.M., Preobrazhensky V.L., Pylnov Yu.V., Cunningham K.B., Hamilton M.F. Nonlinear Propagation of Phase-Conjugate Focused Sound Beams in Water.
In Nonlinear Acoustics at the Turn of the Millennium: ISNA 15, American Institute of Physics, 2000, v.1, p.183-186.
22. Cunningham K.B., Hamilton M.F., Brysev A.P., Krutyansky L.M. Time-reversed sound beams of finite amplitude. J. Acoust. Soc. Am., 2001, v.109, p.2668-2674.
23. Брысев А.П., Бункин Ф.В., Клопотов Р.В., Крутянский Л.М., Преображенский В.Л.. Фокусировка нелинейной ультразвуковой волны с обращенным фронтом, прошедшей через фазово-неоднородный слой. Письма в ЖЭТФ, 2001, т.73, в.8, c.434437.
24. Brysev A.P., Krutyansky L.M., Preobrazhensky V.L. Modern Problems of the Parametric Ultrasonic Wave Phase Conjugation. Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics/ Supplement Physics of Vibrations, 2001, v.9. N1, p.52 - 70.
25. 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, p.409-414.
26. Brysev A.P., 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. Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics/ Supplement Physics of Vibrations, 2002, v.10, №3, p.121-124.
27. 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, Акуст. журн., 2003, т.49, N.1, c.18-23.
28. Brysev A.P., 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, N1, p.10-14.
29. Брысев А.П., Крутянский Л.М., Перно Ф., Преображенский В.Л. Нелинейные ультразвуковые пучки с обращенным фронтом и их применение в акустоскопии.
Акуст. журн., 2004, т.50, №6, с.1-19.
30. Brysev A., Krutyansky L., Bou Matar O., Preobrazhensky V., Pernod P. Ultrasonic testing of steel tubes by supercritical parametric wave phase conjugation, 2004 IEEE International Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, p.2295-2297.
31. 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.3733-3736.
32. 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, N2, p.81-86.
33. Брысев А.П., Михалевич В.Г., Стрельцов В.Н. Управление временной структурой акустических импульсов при параметрическом обращении фронта акустических пучков. Акуст. журн., 2007, т.53, № 5, с.728-730.
34. Brysev A., Pernod P., Preobrazhensky V. Estimation of Dynamic Parameters of Overthreshold Parametric Phase Conjugation of Ultrasound in Magnetostrictive Ferrites According to Data of Quasi-Static Measurements. Physics of Wave Phenomena, 2008, v.16, N2, p.1-6.