АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2007, том 53, № 2, с. 157-167
^=ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА =
УДК 534.222
КОМПРЕССИЯ И УСИЛЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИМПУЛЬСА, ОТРАЖЕННОГО ОТ ОДНОМЕРНОЙ СЛОИСТОЙ СТРУКТУРЫ
© 2007 г. А. Е. Пономарев, С. И. Булатицкий, О. А. Сапожников
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119992 Москва, Ленинские горы E-mail: oleg@acs366.phys.msu .ru Поступила в редакцию 06.02.06 г.
Исследована компрессия ультразвуковых импульсов при их отражении от слоистой структуры. Короткий импульс излучался в воду и направлялся на структуру, состоящую из плоских твердотельных пластинок, за которыми находился воздушный слой. Из-за переотражений в структуре сигнал существенно удлинялся. Отраженный сигнал принимался тем же преобразователем и оцифровывался. Далее производилось обращение волны во времени, ее повторное излучение на слоистую структуру и прием отраженного сигнала. Из-за инвариантности процессов относительно изменения знака времени в структуре происходила компрессия импульса: отраженный сигнал укорачивался и приобретал форму исходного сигнала. Экспериментально продемонстрирована возможность эффективной компрессии сигналов. Численное моделирование показало, что, используя более сложные структуры, можно существенно увеличить степень сжатия и получить короткие сигналы намного большей амплитуды, чем в волне, излучаемой преобразователем. Предложен алгоритм построения эффективных систем компрессии.
PACS: 43.60.Tj
ВВЕДЕНИЕ
В технологических и медицинских приложениях ультразвука часто требуется создать волны большой амплитуды. Поскольку максимально достижимое акустическое давление на поверхности реальных акустических источников ограничено, для получения высокоинтенсивных полей обычно используется пространственная фокусировка. При этом за счет вогнутой формы излучателя или путем применения акустических линз либо зеркал создаются такие условия, когда энергия ультразвука собирается с большой площади в небольшую (фокальную) область. При этом происходит усиление волны, в том смысле, что ее амплитуда заметно возрастает. Конечно же, полная энергия волны при этом не изменяется, происходит лишь ее перераспределение в пространстве. Фокусировка волн используется с древних времен и в акустике, и в оптике, и ее эффективность очевидна. Однако возможности (пассивного) усиления волны не ограничиваются пространственной фокусировкой. Чисто формально, четырехмерное пространство-время, в котором рассматривается волновой процесс, допускает фокусировку не только по пространственным компонентам, но и во времени. По аналогии с фокусировкой в пространстве, когда энергия волны собирается с большой области в малую, при фокусировке во времени энергия может собираться с длинного временного интервала в короткий. Иначе говоря, требуется каким-либо способом обеспечить вре-
менную компрессию волнового сигнала. Работы в этом направлении начались относительно недавно. Наибольшее развитие такой подход получил в оптике, где укорочение лазерных импульсов достигается путем пропускания частотно-модулированных сигналов через среду с дисперсией, в качестве которой используется оптическое волокно или дифракционная решетка [1]. В акустике исследований в этом направлении пока немного. Заметим, что укорочение сигнала может быть использовано не только для его усиления, но и для того, чтобы улучшить разрешение диагностических систем.
Возможность временной компрессии акустических сигналов тесно связана с новым направлением в акустике - временным обращением волн (ВОВ) [2, 3, 4]. Прогресс в этом направлении достигнут, в основном, благодаря работам М. Финка с учениками, которые предложили и экспериментально реализовали "обращающее время зеркало" (time-reversal mirror) [2]. В качестве такого зеркала в настоящее время используется многоэлементная двумерная решетка широкополосных преобразователей, работающая в приемо-переда-ющем режиме. Преобразователи управляются электронным блоком, который записывает полную временную форму принимаемых преобразователями сигналов, обращает эти сигналы во времени и, после усиления, вновь подает на те же преобразователи для излучения. Как видно, такое обращающее время зеркало отражает волну с
определенной задержкой, связанной с необходимостью записи сигнала в течение определенного интервала времени. Электронный блок является важной компонентой систем обращения волн. Создать обращающее время зеркало на основе других принципов, например, посредством нелинейных волновых эффектов в материале зеркала, пока удалось только для синусоидальных волн [5], хотя ведутся исследования и по обращению во времени и негармонических волн [6]. В случае синусоидальных волн ВОВ тождественно обращению волнового фронта (ОВФ), подробно исследованному в оптике [7, 8].
Системы, работающие на принципе ВОВ, позволяют компенсировать искажения волны во времени и пространстве при ее прохождении через неоднородную среду без поглощения. Соответствующие приложения многочисленны: сюда входят задачи подводной акустики [9, 10], нераз-рушающего контроля [11], ультразвуковой хирургии [12, 13]. Однако нас здесь будет больше интересовать другой аспект ВОВ - возможность компрессии и усиления сигналов. Идея компрессии путем ВОВ достаточно проста. Пусть короткий акустический импульс проходит через слой неоднородной среды. Из-за многократного рассеяния он приобретает не только пространственные искажения, но и растягивается во времени. Если зарегистрировать получившийся длинный сигнал, обратить его во времени и излучить обратно в среду, то после прохождения через исходный неоднородный слой сигнал должен укоротиться и принять форму исходного импульса. Как видно, сжимающим устройством здесь является пассивный неоднородный слой. Заметим однако, что таким слоем сжимается не всякий сигнал, а лишь специальным образом подобранный. Интересная иллюстрация этого принципа приведена в работе [14], где описана "ультразвуковая базука" -устройство, позволяющее создать интенсивный фокусированный импульс в заданной точке путем пропускания излучения многоэлементного источника волны через трубу, от стенок которой происходит многократное рассеяние.
Использование произвольной неоднородной среды позволяет добиться укорочения сигнала, но такая система может оказаться неоптимальной. Эффективная система компрессии требует использования специально подобранной неоднородности. Настоящая работа посвящена исследованию этого аспекта систем с ВОВ.
ПЛОСКОСЛОИСТАЯ СРЕДА ДЛЯ ЗАДАЧ КОМПРЕССИИ ИМПУЛЬСОВ
Использование многоэлементных датчиков сильно усложняет и удорожает системы с ВОВ. В то же время многие эффекты, в том числе компрессия импульсов, могут быть реализованы на
основе одного преобразователя, если обеспечить условие одномерного распространения волн. (Компрессия одним преобразователем, в принципе, возможна и в случае неодномерного распространения, однако такой подход труднореализуем.) Одномерные волны возникают при использовании плоского преобразователя больших волновых размеров. В прожекторной зоне преобразователя можно пренебречь дифракционными эффектами и считать излучаемую волну плоской. Чтобы волна оставалась плоской и при распространении в неоднородной среде, эта среда должна быть одномерной, т.е. плоскослоистой. В данной работе в качестве неоднородной среды используется структура, состоящая из одной или нескольких плоскопараллельных твердотельных пластин, размещенных в воде. Такая система характеризуется сильной дисперсией, которая приводит к искажению распространяющихся в ней сигналов. Благодаря малости коэффициента поглощения ультразвука в пластинах и воде, потери энергии волны в процессе ее отражения невелики.
Для обеспечения компрессии отражающая неоднородная среда должна состоять из пластин, каждая из которых, сама по себе, отражает слабо. Действительно, только при этом условии в процессе отражения от набора пластин из короткого падающего импульса получится длинный сигнал меньшей амплитуды и, после обращения знака времени, из длинного импульса - короткий импульс большой амплитуды. Пластины с малым отражением можно создавать двумя способами. Первый способ заключается в использовании тонких пластин, т.е. пластин, толщина которых намного меньше длины звуковой волны. Коэффициент отражения от тонкого слоя растет линейно с его толщиной, т.е. может быть каким угодно малым. Вторым способом является использование резонансных пластин - слоев, толщина которых кратна целому числу полуволн в материале пластины. Как известно, на резонансной частоте такие пластины полностью пропускают через себя волну, т.е. коэффициент отражения гармонического сигнала оказывается равным нулю. Отстройкой от резонанса или увеличением спектральной полосы сигнала можно добиться желаемого уровня коэффициента отражения.
В использованном в настоящей работе мега-герцовом диапазоне частот необходимая толщина тонких пластин равна сотым долям миллиметра, а диаметр пластин должен составлять несколько сантиметров. Это делает невозможным использование стекол, а при использовании металлических слоев (фольги) трудно обеспечить плоскостность и параллельность слоев. Ситуация с резонансными пластинами гораздо благоприятнее: толщина полуволновых пластин составляет порядка миллиметра. Единственным недостат-
ком резонансных пластин по сравнению с тонкими является тот факт, что малый коэффициент отражения достигается лишь при использовании узкополосных сигналов, т.е. радиоимпульсов. Для компрессии видеоимпульсов такие пластины не годятся. Исходя из этого, описанные ниже эксперименты проводились с радиоимпульсами, отражаемыми от наборов резонансных пластин.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Принципиальная схема установки приведена на рис. 1. Прием и излучение акустических импульсов производились одним и тем же круглым плоским преобразователем диаметра 25 мм (Pana-metrics V194). Преобразователь имел частотную полосу от 3 до 6 МГц. Электрическое напряжение подавалось на преобразователь от широкополосного генератора, способного синтезировать сигналы произвольной формы с использованием до 65536 точек в пределах используемого временшго и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.