Диагностика потоков жидкостей методом обращения волнового фронта ультразвуковых волн

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна исследования. В работе впервые:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Положения, выносимые на защиту.

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

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

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

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

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

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

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

2005″, (Москва, сентябрь 2005), Международном симпозиуме по ультразвуку.

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

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

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

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

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

4) Pyl’nov Yu.V., Smagin N.V., Preobrazhenskii V.L. and Pernod Ph. Wave phase conjugation of the stokes component of Brillouin scattering of ultrasound I I Physics of Wave Phenomena. — 2007. — Vol. 15. — № 2. — P. 111 115.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Структура и содержание диссертации.

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

Общие выводы по работе.

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

2) Показано, что эффект синхронизации фаз высших гармоник, каскадно генерируемых обращенной волной в нелинейной среде, имеет место и в движущихся средах. Сдвиг фазы высшей гармоники обращенной волны пропорционален ее номеру, поэтому анализ фазовых сдвигов высших гармоник увеличивает чувствительность измерения параметров потока.1.

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

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

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

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