Исследование процессов фокусировки субмикросекундных импульсов давления в жидкости, возбуждаемых лазерным излучением

• Автор: Иванов, Эдуард Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 135 с. : ил.

Оглавление.
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Фокусировка упругих волн в жидкости
1.1. Дифракционная теория процессов фокусировки
1.1.1. Интегралы Рэлея-Зоммерфельда
1.1.2. Квазиоптическое приближение
1.2. Учет нелинейных и диссипативных эффектов
1.2.1. Уравнение Хохлова-Заболотской-Кузнецова
1.2.2. Другие модели
1.3. Методы возбуждения, фокусировки и регистрации 36 упругих волн.
1.3.1. Генерация звука
1.3.2. Фокусировка упругих волн
1.3.3. Регистрация акустических сигналов
Выводы
ГЛАВА 2. Фокусировка акустических видеоимпульсов
субмикросекундной длительности.
2.1. Термооптическая генерация звука
2.2. Фокусировка импульсов давления, возбуждаемых 55 лазерным излучением.
Выводы
ГЛАВА 3. Теоретический анализ процессов фокусировки
импульсных волн давления в зависимости от распределения начальной амплитуды.
Введение

3.1. Анализ задачи в рамках дифракционной теории 63 Кирхгофа.
3.1.1. Интеграл Френеля-Кирхгофа
3.1.2. Эффективный угол сходимости
3.2. Исследование процессов фокусировки в прибли- 71 женин квазиоптики.
3.2.1. Результаты анализа и их обсуждение
3.2.2. Влияние диссипации и нелинейности
Выводы
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования процессов
генерации и фокусировки субмикросекундных импульсов давления.
Введение
Экспериментальная установка
4.1. Методика возбуждения и регистрации импульсных 91 упругих волн.
4.1.1. Разработка оптико-акустического концентрато- 91 ра.
4.1.2. Разработка и калибровка датчиков давления
4.2. Исследование процессов фокусировки субмикро- 105 секундных импульсов давления в зависимости от распределения начальной амплитуды.
4.2.1. Результаты экспериментов и их обсуждение
4.2.2. Разрушение твердых тел сфокусированными 117 импульсами давления.
Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ.
Акустические фокусирующие системы находят широкое применение во многих областях науки, техники и медицины [34, 45, 61, 68, 84, 139, 140, 143]. Сфокусированные упругие волны используются для технологической обработки материалов и неразрушающего контроля, в хирургии и медицинской диагностике, в терапии, офтальмологии и т.д. Соответственно, важное значение имеет проблема оптимизации различных параметров ультразвуковых фокусирующих систем, одним из которых является распределение амплитуды на поверхности излучателя.
В акустике традиционно рассматривается колоколообразный профиль начальной амплитуды, другие же случаи практически не изучены [39, 102, 158, 160, 161]. Между тем, влияние данного фактора должно быть весьма значительным, особенно в условиях проявления акустических нелинейных эффектов, наличие которых характерно для большинства современных ультразвуковых приборов.
Проблема формирования волновых полей с заданными пространственно-временными характеристиками может рассматриваться как обобщенная оптическая задача для волн различной физической природы. Так например, принято использовать термин “электронная (ионная) оптика”, когда изображение формируется потоком заряженных частиц [14]. В случае электромагнитных волн радиодиапазона существует аналогичное понятие - “радиооптика” [25] и т.д. В этом же смысле можно говорить об “акустической оптике”, когда мы имеем дело с упругими волнами [34].
С точки зрения линейной теории, учитывающей лишь дифракцию [14], эффективность фокусировки акустического видеоимпульса должна возрастать при уменьшении его длительности. Однако в случае достаточно коротких возмущений и больших амплитуд необходим учет нелинейных явлений [15, 71], совокупное влияние которых на эффективность фокусировки может быть качественно различным и до конца еще не изучено. Поэтому исследование нелинейных процессов фокусировки коротких импульсов давления представляет большой интерес.
Традиционные источники сфокусированного ультразвука позволили освоить широкий диапазон длительностей импульса: от сотен до единиц микросекунд [63]. При этом субмикросекундный диапазон исследован еще очень слабо. Основная проблема здесь связана с теми трудностями, которые возникают при работе электроакустических преобразователей и соответствующих электронных систем в случае генерации упругих волн субмикросекундной длительности

ровским и Сутиным [62, 81] для учета дифракционных и нелинейных явлений. В частности, при анализе фокусировки путь, проходимый волной от источника до фокуса, разбивался на два этапа. На первом из них предлагалось пренебречь влиянием дифракции и рассматривать только нелинейные процессы [67, 71]. На втором этапе, наоборот, учитывались лишь дифракционные эффекты.
Данный подход, конечно, является слишком грубым, чтобы обеспечить количественное описание исследуемых процессов. Более того, он основан на неверном предположении о том, что нелинейные искажения, приобретаемые волной в окрестности фокуса, много меньше тех, что возникают в процессе ее распространения до границы фокальной области. Тем не менее, в рамках поэтапного подхода удалось качественно описать несимметричные искажения профиля волны, наблюдаемые в фокусе. Кроме того, было предсказано повышение эффективности фокусировки в слабонелинейном режиме по сравнению с линейным случаем (см. раздел 1.2.1).
Методы разделения физических факторов были использованы в работах [97, 128, 157] для расчета акустических полей, создаваемых монохроматическими источниками, имеющими как плоскую, так и фокусирующую геометрию.
Кристофер и Паркер [97] рассматривали аксиально симметричную волновую задачу. Учет дифракции обеспечивался с помощью интеграла Рэлея-Зоммерфельда (1.1.3), для вычисления которого применялся алгоритм дискретного преобразования Ганкеля. Уменьшение амплитуды волны вследствие диссипации описывалось посредством экспоненциального множителя. Нелинейные эффекты вводились в рассмотрение в рамках уравнения простых волн, которое численно решалось в частотной области. С целью повышения точности расчетов Кристофер и Паркер учитывали также угол между волновым вектором основной гармоники (ко) и осью пучка (Ог) в каждой точке пространства.
В модели Вечио и Левина [157] дифракционные процессы описывались с помощью метода углового спектра. Диссипативные и нелинейные эффекты учитывались так же, как и в предыдущем случае, однако при этом угол между вектором ко и осью Ог в расчет не принимался.
В работе [128] на дифракционном подшаге использовались интегралы Рэлея-Зоммерфельда (1.1.3) и (1.1.4) (более подробно этот вопрос рассматривался в разделе 1.1.1). В отличие от предыдущих методов, диссипация и нелинейность учитывались совместно с помощью уравнения Бюргерса.