АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2010, том 56, № 2, с. 206-217
ФИЗИЧЕСКАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ АКУСТИКА
УДК 534.62
OБРАЩЕНИE ВРЕМЕНИ В ФОКУСИРУЮЩИХ ИЗЛУЧАТЕЛЯХ И ПРИЕМНИКAX УЛЬТРАЗВУКА
© 2010 г. Е. Д. Синельников, А. М. Сутин*, А. П. Сарвазян*
ProRhythm, 105 Comac Street, Ronkonkoma, NY 11779, USA E-mail: yegor@prorhythm.com *Artann Laboratories, Inc, West Trenton, NJ 08618, USA E-mails: asutin@artannlabs.com; armen@artannlabs.com Поступила в редакцию 19.01.09 г.
Рассмотрены одноканальные фокусирующие системы с обращением времени, которые могут работать в режимах излучения и приема ультразвука. Основным элементом этих систем является жидкостный акустический ревербератор. Эксперименты проведены с двумя типами ревербераторов: цилиндрическим тонкостенным баллоном, используемым в ультразвуковом катетере для лечения мерцательной аритмии и ревербератором из плоскопараллельных слоев фольги. Подобные системы способны эффективно фокусировать ультразвук, используя лишь один канал излучения. Случайные деформации стенок и слоев ревербераторов позволили заметно улучшить качество фокусировки и преодолеть ограничения, налагаемые пространственной симметрией системы. Продемонстрировано, что использование бинарной моды излучения приводит к многократному увеличению интенсивности поля в фокусе, по сравнению со стандартным режимом. Показана способность фокусирующей системы с обращением времени осуществлять пространственную локализацию внешних источников при приеме ультразвука.
ВВЕДЕНИЕ
Акустические излучающие системы, работающие на принципе обращения времени (ОВ), способны эффективно фокусировать звуковую энергию в неоднородных рассеивающих средах. Обычно такие системы состоят из акустического ревербератора с несколькими преобразователями. Акустическая энергия, накапливаемая в ревербераторе при многократных переотражениях излученного сигнала, выстреливается в виде короткого интенсивного импульса, что делает систему, работающую на принципе ОВ, похожей на акустический лазер. Большинство работ в этом направлении было сделано под руководством профессора Финка [1]. Системы, работающие по принципу ОВ, исследовались в различных приложениях: для дробления камней в почках [2], в дефектоскопии [3], для обнаружения мин [4].
Большинство акустических фокусируюших систем с обращением времени используют твердотельные акустические ревербераторы c высокой добротностью [5, 6, 7]. Использование жидкостных ревербераторов позволяет улучшить согласование с мягкими биологическими тканями, что важно для медицинских приложений подобных систем. В качестве ревербераторов могут быть использованы системы самой различной
структуры, спроектированные для других целей, как, например, баллон ультразвукового катетера [8], разработанный для лечения фибрилляции предсердий [9]. Другой исследованный нами ревербератор представлял собой систему плоскопараллельных пластин из медной фольги. Возможность эффективного временного сжатия акустических сигналов в подобных слоистых структурах была описана ранее [10]. В настоящей работе показано, что приложение принципа обращения времени к системе, состоящей из случайным образом деформированных плоских слоев, позволяет достичь не только временного сжатия, но и пространственной фокусировки ультразвукового поля.
Излучатель, работающий на принципе обращения времени, может быть легко трансформирован в высоконаправленный приемник ультразвука. Такой приемник использует тот же ревербератор и те же преобразователи для приема внешнего пробного сигнала, что и для излучения. За счет ревербераций сигналы, пришедшие из различных точек пространства, удлиняются и существенно отличаются друг от друга. Множество записанных сигналов, соответствующих излучению пробного сигнала из различных точек пространства, составляют библиотеку приемных сиг-
Ревербератор
Рис. 1. Схема эксперимента для фокусировки ультразвукового поля в режиме обращения времени. Электронный блок включает цифровой осциллограф, компьютер, цифровой генератор сигналов и аналоговый усилитель.
налов. Библиотечные сигналы сравниваются с сигналом от неизвестного источника, максимум их корреляции позволяет определить положение неизвестного источника в пространстве. Подобный подход использовался для нахождения положения точки удара по пластинке [11] и был предложен в качестве модели локализации источника звука человеческим мозгом [12]. В нашей работе экспериментально продемонстрирован высоконаправленный прием ультразвука с ревербератором из слоев фольги.
ПРИНЦИП ФОКУСИРОВКИ В РЕЖИМЕ ОВ
Принцип работы фокусирующей системы в режиме обращения времени продемонстрирован на рис. 1. Система состоит из акустического ревербератора с прикрепленным одним или несколькими пьезопреобразователями. Фокусировка сигнала происходит в точку, где находится гидрофон.
При первом шаге фокусировки исходный короткий электрический сигнал е (г) подается на преобразователь, который излучает ультразвуковой импульс в акустический ревербератор. После многократных переотражений внутри ревербератора, ультразвуковая волна излучается во внешнюю среду и регистрируется гидрофоном. Для любого положения гидрофона В(х, у,, из области пространства принятый гидрофоном сигнал s1<г) может быть выражен как свертка излученного сигнала е (г) и импульсного отклика определяющего передачу дельта-импульса от входа излучателя к выходу гидрофона:
= е(г) ® т, (1)
где операция свертки ® определяется известным
выражением
е(г) ® Н(г) = |е(^)Н,(г - Приня-
которая является суммой времени продолжительности импульса и времени затухания импульсного отклика, и мы полагаем, что запись сигнала производится за это же время. Принятый гидрофоном сигнал усиливается и нормализуется, после чего принимает вид:
ь <о = ^ = е (0 ® ),
' А А
(2)
тый сигнал имеет ограниченную длительность т,
где А = шах^ХО] — амплитуда сигнала, использующаяся для нормализации.
При втором шаге, результирующий сигнал Ь(г) обращается по времени и подается на преобразователь, приводя к фокусировке акустического сигнала в той же точке В(х, у, 11) за счет обратимых по времени многократных переотражений в ревербераторе. Принятый гидрофоном сфокусированный сигнал можно записать в виде:
р,(0 = ь<т - г) 0 н<{) = е(т- г) 0 к<х- г) 0 ^. (3)
А
Отметим, что фокусировка в различные точки пространства и сканирование фокуса может осуществляться путем создания библиотеки сигналов, записанных в различных пространственных точках Ь<г), где индекс г соответствует координатам х, у,, различных точек из области Излучение обращенных по времени библиотечных сигналов Ь<т - г) приводит к фокусировке в те же точки пространства х, у,, , где производилась их запись.
Рассмотрим некоторые свойства фокусировки с обращением времени. Используем связь между сверткой и кросс-корреляцией:
а (г) ® ь (г) = а (- г) * ь (г),
где символ * означает кросс-корреляцию. Тогда, сфокусированный ультразвуковой сигнал р,Х0,
регистрируемый гидрофоном в точке фокусировки, запишется в виде:
ph(t) = e(t - т) ® h,(t - т) * h,(t)/A.
Для короткого исходного сигнала в виде дельта функции e (t) = 8 (t) сигнал в точке фокусировки оказывается пропорционален функции автокорреляции импульсного отклика pi(t) <х. h(t - т) * h(t), при этом максимум функции pi(t) достигается для времени t = т.
Рассмотрим теперь структуру поля, создаваемого в произвольной точке пространства P (xn, yn, zn), при фокусировке в другую точку F (x, y ,, z) Обозначим сигнал, измеряемый гидрофоном в этой точке, p in(t) и, аналогично (1), представим его в виде свертки излучаемого сигнала L(t - t) с импульсным откликом от излучателя в эту точку hn(t):
pin(t) = Li(т-1) ® hj,t).
Для коротких исходных импульсов e (t) = 8 (t) из (3) получается упрощенное выражение для давления в произвольной точке пространства:
pin(t) к L(t) * Ln(t) к h(t - т) * hn(t). (4)
Таким образом, временная форма ультразвукового поля в любой точке наблюдения пропорциональна взаимной корреляции импульсного отклика в точке наблюдения с импульсным откликом в точке фокуса.
Отметим также, что знание импульсных отли-ков hi для совокупности пространственных точек позволяет, на основе (3), легко рассчитать поле любой фокусирующей системы, работающей по принципу обращения времени, не прибегая непосредственно к экспериментам по фокусировке, что значительно упрощает разработку и исследование подобных систем.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ, ДЕМОНСТРИРУЮЩИЕ ФОКУСИРОВКУ С ОБРАЩЕНИЕМ ВРЕМЕНИ
Схема экспериментальной установки изображена на рис. 1. Электронный блок включал в себя цифровой осциллограф, компьютер, цифровой генератор сигналов и аналоговый усилитель. Установка состояла из следующих основных компонентов: одного или нескольких ультразвуковых преобразователей, включенных параллельно, акустического ревербератора размером много большe длины волны, бака с дегазированной водой, в котором осуществлялась фокусировка с ОВ. Ультразвуковое поле измерялось гидрофоном, соединенным с электронной системой автоматического сканирования.
Ультразвуковые сигналы принимались 40 микронным игольчатым гидрофоном (Precision Acous-
tics Ltd, Dorchester, UK) и подавались на вход 12 битного цифрового осциллографа (Dynamic-Signals LLC, Lockport, IL, USA), считывающего их с частотой квантования в 50 МГц. Мы использовали стократное усреднение принятых сигналов, позволяющее повысить отношение сигнала к шуму. После усреднения цифровой сигнал подавался в компьютер, где численно обращался во времени. Далее обращенный сигнал подавался на вход программируемого генератора HP 33120A (Agilent Technologies Inc, Santa Clara, CA, USA), который создавал на выходе соответствующий аналоговый электрический сигнал.
Сформированный электрический сигнал усиливался высокочастотным импульсным усилителем (Communication Power Corporation, Haup-pauge, NY, USA) и подавался на все преобразователи, излучающие в наполненный жидкостью ревербератор. Эксперименты проводились с относительно небольшой усредненной мощностью электрического сигнала, не превышающей 30 ватт при частоте повторения импульсов 1 кГц.
Фокусировка ультразвука на гидрофоне осуществлялась в два о
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.