Многоэлементный излучатель низкочастотного ультразвука для создания фокусированных акустических пучков высокой интенсивности в воздухе

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследованы акустические и электрические характеристики 128-элементного ультразвукового излучателя, разработанного для создания фокусированных акустических пучков высокой интенсивности в воздухе в диапазоне низких ультразвуковых частот. Для подавления паразитных дифракционных максимумов использовано спиральное расположение пьезоэлектрических элементов на сферической чаше. Рабочая частота излучения равна 35.5 кГц, диаметр источника и фокусное расстояние составляли около 50 см и намного превышали длину волны (порядка 1 см). Указанный выбор параметров позволил обеспечить эффективную фокусировку с локализацией волновой энергии в фокальной области малого размера и за счет этого достигнуть экстремально высоких уровней интенсивности ультразвука. Параметры ультразвукового поля изучены в рамках комбинированного подхода с использованием методов измерения акустической радиационной силы, действующей на конический отражатель, определения реальных граничных условий по измерению распределения амплитуды и фазы акустического давления микрофоном на плоскости перед источником и численного моделирования нелинейного распространения мощных волн на основе решения уравнения Вестервельта. Достигнутый уровень акустического давления составил 173 дБ при размере фокального пятна, соответствующем масштабу длины волны.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ш. А. Асфандияров

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: asfandiiarov.sa14@physics.msu.ru
Россия, Москва

С. А. Цысарь

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: asfandiiarov.sa14@physics.msu.ru
Россия, Москва

О. А. Сапожников

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: asfandiiarov.sa14@physics.msu.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Бэйли М. Р., Хохлова В. А., Сапожников О. А., Каргл С. Г., Крам Л. А. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань. (Обзор) // Акустический журнал. 2003. Т. 49. № 4. P. 437–464.
  2. Sapozhnikov O. A., Khokhlova V. A., Cleveland R. O., Blanc-Benon P., Hamilton M.F. Nonlinear Acoustics Today // Acoust. Today. 2019. V. 15, № 3. P. 55.
  3. Gallego-Juarez J. A., Graff K. F., Lucas M. Power Ultrasonics. Woodhead Publishing, 2023.
  4. Charoux C. M. G., Ojha K. S., O’Donnell C. P., Cardoni A., Tiwari B. K. Applications of airborne ultrasonic technology in the food industry // J. of Food Engineering. 2017. V. 208. P. 28–36.
  5. Gallego-Juarez J. A. High-power ultrasonic processing: Recent developments and prospective advances // Physics Procedia. 2010. V. 3, № 1. P. 35–47.
  6. Борисов Ю. Я., Гныкина Н. М. Акустическая сушка // Физические основы ультразвуковой технологии. М.: Наука, 1970. С. 686.
  7. Khmelev V. N., Shalunov A. V., Nesterov V. A., Dorovskikh R. S., Golykh R. N. Ultrasonic radiators for the action on gaseous media at high temperatures // 2015 16th Int. Conf. of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices. Erlagol, Russia: IEEE, 2015. P. 224–228.
  8. Khmelev V. N., Tsyganok S. N., Barsukov R. V., Khmelev M. V., Barsukov A. R. Ultrasonic devices for noncontact intensification of technological processes // Fibre Chem. 2022. V. 53. № 6. P. 391–394.
  9. Зверев В. А. Как зарождалась идея параметрической акустической антенны // Акуст. журн. 1999. Т. 45. № 5. С. 685–692.
  10. Bennett M. B., Blackstock D. T. Parametric array in air // J. Acoust. Soc. Am. 1975. V. 57. № 3. P. 562–568.
  11. Pompei F. J. The use of airborne ultrasonics for generating audible sound beams // J. of the Audio Engineering Society. 1999. V. 47, № 9.
  12. Виноградов Н. С., Дорофеев М. С., Коробов А. И., Михайлов C. Г., Руденко О.В., Шанин А.В., Шилкин А.В. О нелинейной генерации звука в воздухе волнами ультразвуковых частот // Акуст. журн. 2005. Т. 51. № 2. С. 189–194.
  13. Коробов А. И., Изосимова М. Ю., Ненарокомов К. А., Одина Н. И. Дистанционная диагностика резиноподобных материалов методами нелинейной акустики // Письма в журнал технической физики. 2017. Т. 43. № 17. С. 86.
  14. Marzo A., Barnes A., Drinkwater B.W. TinyLev: A multi-emitter single-axis acoustic levitator // Review of Scientific Instruments. 2017. V. 88, № 8. P. 085105.
  15. Marzo A., Caleap M., Drinkwater B. W. Acoustic virtual vortices with tunable orbital angular momentum for trapping of Mie particles // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 120. № 4. P. 044301.
  16. Marzo A., Seah S. A., Drinkwater B. W., Sahoo D. R., Long B., Subramanian S. Holographic acoustic elements for manipulation of levitated objects // Nat. Commun. 2015. V. 6. № 1. P. 8661.
  17. Haupt R. W. High-powered parametric acoustic array in air // J. Acoust. Soc. Am. 2009. V. 125. № 4. Supplement. P. 2688–2688.
  18. Liebler M., Kling C., Gerlach A., Koch C. Experimental characterization of high-intensity focused airborne ultrasound fields // J. Acoust. Soc. Am. 2020. V. 148. № 3. P. 1713–1722.
  19. Гейер А. Ф., Пономарев В. А. Разработка пьезокерамических электроакустических преобразователей для акустических устройств со звуковым давлением 125 дБ и более // Вопросы радиоэлектроники. 2019. № 10. С. 11–16.
  20. Гаврилов Л. Р., Сапожников О. А., Хохлова В. А. Спиральное расположение элементов двумерных ультразвуковых терапевтических решеток как метод повышения интенсивности в фокусе // Изв. РАН. Сер. физ. 2015. Т. 79. № 10. С. 1386–1392.
  21. Bawiec C. R., Khokhlova T. D., Sapozhnikov O. A., Rosnitskiy P. B., Cunitz B. W., Ghanem M. A., Hunter C., Kreider W., Schade G. R., Yuldashev P. V., Khokhlova V. A. A Prototype therapy system for boiling histotripsy in abdominal targets based on a 256-element spiral array // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2021. V. 68. № 5. P. 1496–1510.
  22. Tsysar S. A., Rosnitskiy P. B., Asfandiyarov S. A., Petrosyan S. A., Khokhlova V. A., Sapozhnikov O. A. Phase correction of the channels of a fully populated randomized multielement therapeutic array using the acoustic holography method // Acoust. Phys. 2024. V. 70. № 1. P. 82–89.
  23. Сапожников О.А., Пономарев А.Е., Смагин М.А. Нестационарная акустическая голография для реконструкции скорости поверхности акустических излучателей // Акуст. журн. 2006. Т. 52. № 3. С. 385–392.
  24. Sapozhnikov O. A., Tsysar S. A., Khokhlova V. A., Kreider W. Acoustic holography as a metrological tool for characterizing medical ultrasound sources and fields // J. Acoust. Soc. Am. 2015. V. 138. № 3. P. 1515–1532.
  25. Цысарь С. А., Николаев Д. А., Сапожников О. А. Широкополосная виброметрия двумерной ультразвуковой решетки методом нестационарной акустической голографии // Акуст. журн. 2021. Т. 67. № 3. С. 328–337.
  26. Калоев А. З., Николаев Д. А., Хохлова В. А., Цысарь С. А., Сапожников О. А. Пространственная коррекция акустической голограммы для восстановления колебаний поверхности аксиально-симметричного ультразвукового излучателя // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 1. С. 83–95.
  27. Nikolaev D. A., Tsysar S. A., Khokhlova V. A., Kreider W., Sapozhnikov O. A. Holographic extraction of plane waves from an ultrasound beam for acoustic characterization of an absorbing layer of finite dimensions // J. Acoust. Soc. Am. 2021. Т. 149. № 1. С. 386–404.
  28. Колесников А. Е. Ультразвуковые измерения. Изд. 2-е доп. и перераб. М: Изд-во стандартов, 1982. 247 p.
  29. Maruvada S., Harris G. R., Herman B. A., King R. L. Acoustic power calibration of high-intensity focused ultrasound transducers using a radiation force technique // J. Acoust. Soc. Am. 2007. V. 121. № 3. P. 1434–1439.
  30. Duck F. Ultrasonic metrology II — The history of the measurement of acoustic power and intensity using radiation force // Med. Phys. Int. J. 2021. V. 5. P. 519–536.
  31. Shou W., Huang X., Duan S., Xia R., Shi Z., Geng X., Li F. Acoustic power measurement of high intensity focused ultrasound in medicine based on radiation force // Ultrasonics. 2006. V. 44. P. e17–e20.
  32. Юлдашев П. В., Мездрохин И. С., Хохлова В. А. Моделирование высокоинтенсивных полей сильно фокусирующих ультразвуковых излучателей с использованием широкоугольного параболического приближения // Акуст. журн. 2018. Т. 64. № 3. С. 318–329.
  33. Yuldashev P. V., Karzova M. M., Kreider W., Rosnitskiy P. B., Sapozhnikov O. A., Khokhlova V. A. “HIFU Beam:” A simulator for predicting axially symmetric nonlinear acoustic fields generated by focused transducers in a layered medium // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2021. V. 68. № 9. P. 2837–2852.
  34. Sapozhnikov O. A., Bailey M. R. Radiation force of an arbitrary acoustic beam on an elastic sphere in a fluid // J. Acoust. Soc. Am. 2013. V. 133. № 2. P. 661–676.
  35. Терзи М. Е., Цысарь С. А., Юлдашев П. В., Карзова М. М., Сапожников О.А. Получение закрученного ультразвукового пучка с помощью фазовой пластины с угловой зависимостью толщины // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон. 2017. № 1. С. 58.
  36. Eargle J. Loudspeaker Handbook. Springer US, 2003.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фотография изготовленной 128-элементной фокусирующей решетки и сопутствующего оборудования. 1 – решетка, 2 – бытовой усилитель мощности Atoll AM 200, 3 – генератор сигналов Agilent 33120A

Скачать (165KB)
Метаданные
3. Рис. 2. (а) – частотные зависимости действительной (сплошная линия) и мнимой (штриховая) части импеданса Z1 одного элемента решетки, (б) – импеданса ZΣ параллельно соединенных 128 элементов решетки, (в) – импеданса Z решетки с подключенным согласующим устройством; на вставке показана схема устройства, согласующего источник напряжения U c электрической нагрузкой ZΣ

Скачать (106KB)
Метаданные
4. Рис. 3. (а) – схема проведения измерений с помощью микрофона, перемещающегося вдоль плоскости голограммы перед излучающей антенной решеткой на расстоянии 240 мм от ее центра. (б) – типичный временной профиль электрического сигнала на микрофоне в одной из точек голограммы при импульсном возбуждении антенной решетки. (в) – распределение амплитуды акустического давления вдоль поверхности голограммы, измеренное на рабочей частоте решетки 35.5 кГц

Скачать (220KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Фотография экспериментальной установки для измерения электроакустической эффективности УЗ решетки на основе измерения акустической радиационной силы. 1 – УЗ-решетка, 2 – конический отражатель, 3 – прецизионные весы, 4 – ваттметр

Скачать (407KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Распределения амплитуды Aν и фазы φν нормальной компоненты колебательной скорости на поверхности решетки на рабочей частоте 35.5 кГц и на частоте 36 кГц

Скачать (693KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Распределение интенсивности Iак акустического излучения, нормированное на полную акустическую мощность Wак излучения, на оси x в фокальной плоскости на частотах 35.5 кГц (сплошная линия) и 36 кГц (штриховая линия)

Скачать (57KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Частотные зависимости акустической мощности при напряжении 1 В на элементах решетки: сплошная линия – расчет из полной голограммы, точки – результат измерения методом акустического радиометра, штриховая линия – расчет из участка голограммы в виде круга диаметром 180 мм

Скачать (69KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Частотная зависимость электроакустической эффективности решетки

Скачать (56KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Профили акустического давления в фокусе, измеренные при разных уровнях возбуждения элементов. Штриховая линия – профиль в линейном режиме при амплитуде электрического напряжения 0.5 В на элементах (шкала давления – слева). Сплошные линии – профили в нелинейном режиме; толстая линия – при амплитуде напряжения 5.8 В, тонкая линия при 7.7 В (шкала давления – справа)

Скачать (75KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Профили акустической волны в фокусе, полученные с помощью численного моделирования с использованием комплекса «HIFU beam» при амплитуде напряжения на излучателе 7 В (штриховая линия) и 10 В (сплошная линия)

Скачать (64KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024