Для применения ультразвуковых излучателей в медицине/индустрии важно с высокой точностью знать создаваемые ими поля. Используемые для этого методы недостаточно точны, особенно для высокоинтенсивного ультразвука, что может ограничить безопасность и эффективность ультразвукового воздействия. Для высокоточной характеризации УЗ полей был предложен способ акустической голографии, аналогично оптической голографии.
Голографией в широком смысле называют запись полной информации о волновом поле (голограммы). В случае гармонических волн записывается не только амплитуда, но и фаза волны. Согласно общим свойствам решений волнового уравнения, такую запись достаточно осуществить на некоторой поверхности, окружающей визуализируемый объект.
Вскоре после получения Д. Габором Нобелевской премии за разработку принципа оптической голографии было предложено и реализовано несколько вариантов голографии для акустических волн по аналогии с оптическим принципом записи. Однако позже стало понятно, что в акустике можно избежать использования интерференции со вспомогательным опорным пучком, т.к. благодаря относительно низкой частоте сигналов удается производить прямую запись амплитуды и фазы волны в точках контрольной поверхности и затем численным образом воссоздавать исходное поле во всём пространстве.
Экспериментальный стенд для измерения акустических голограмм методом синтеза двумерных приёмных решёток
Такой подход для ультразвуковых волн мегагерцового диапазона в жидкостях был впервые разработан и реализован в Лаборатории LIMU. Суть метода заключается в расчете характеристик волнового поля в пространстве на основе экспериментально измеренного распределения амплитуды и фазы акустического давления на некоторой поверхности перед источником. Более того, в случае несинусоидальных (например, импульсных) сигналов можно записать их полную временнýю форму в точках поверхности. Такая запись является нестационарной голограммой.
Акустическая голограмма позволяет с высокой точностью рассчитать пространственно-временную структуру волны как в направлении удаления от источника, так и в обратном направлении, включая нахождение акустического давления и колебательной скорости на самом акустическом излучателе. Тем самым удаётся восстановить граничное условие на источнике и использовать его при решении волнового уравнения.
Важно, что такое экспериментально граничное условие, найденное в линейном режиме, методом масштабирования амплитуды колебаний на излучателе переносится на режимы высокой интенсивности, когда распространение волны происходит нелинейно, вплоть до образования ударных участков в профиле волны.
Развитый метод исследования ультразвуковых источников и излучаемых ими полей был убедительно и многократно продемонстрирован на практике, что привело к тому, что он был включён в стандарт Международной электротехнической комиссии (IEC).
Задачи LIMU
- Разработка и оптимизация новых методов (быстрой и нелинейной) голографии
- Характеризация УЗ полей новых излучателей методами акустической голографии
Деятельность
- эксперимент
- численное моделирование
Контакты
Подробности
- в нашем пленарном докладе
- в нашей видеолекции
- в статьях ниже
[1] Acoustic holography as a metrological tool for characterizing medical ultrasound sources and fields / O. A. Sapozhnikov, S. A. Tsysar, V. A. Khokhlova, W. Kreider // Journal of the Acoustical Society of America. — 2015. — Vol. 138, no. 3. — P. 1515–1532. DOI: 10.1121/1.4928396
[2] Broadband vibrometry of a two-dimensional ultrasound array using transient acoustic holography / S.A.Tsysar, D.A. Nikolaev, O.A. Sapozhnikov // Acoustical Physics. — 2021. — Vol. 67, no. 3. — P. 320–328. DOI: 10.1134/S1063771021030131
[3] Holographic extraction of plane waves from an ultrasound beam for acoustic characterization of an absorbing layer of finite dimensions / D. A. Nikolaev, S. A. Tsysar, V. A. Khokhlova et al. // Journal of the Acoustical Society of America. — 2021. — Vol. 149, no. 1. — P. 386–404. DOI: 10.1121/10.0003212
[4] Synthesized acoustic holography: A method to evaluate steering and focusing performance of ultrasound arrays / R. P. Williams, W. Kreider, F. A. Nartov, M. M. Karzova, V. A. Khokhlova, O. A. Sapozhnikov, T. D. Khokhlova // Journal of the Acoustical Society of America — 2025. — Vol. 157, no. 4. — P. 2750–2762. DOI: 10.1121/10.0036225
[5] Phase correction of the channels of a fully populated randomized multielement therapeutic array using the acoustic holography method / S. A. Tsysar, P. B. Rosnitskiy, S. A. Asfandiyarov et al. // Acoustical Physics. — 2024. — Vol. 70, no. 1. — P. 82–89. DOI: 10.1134/S1063771023601280
[6] Determination and compensation of axes misalignment of three-coordinate positioning systems using acoustic holography / D.A. Nikolaev, S.A.Tsysar, O.A. Sapozhnikov // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. — 2021. — Vol. 85, no. 6. — P. 658–664.
[7] Using acoustic holography to characterize absorbing layers / D. Nikolaev, S. Tsysar, A. Krendeleva et al. // Proceedings of Meetings on Acoustics. — 2019. — Vol. 38, no. 045012. — P. 1–5. DOI: 10.1121/2.0001120
[8] Characterization of a multi-element clinical HIFU system using acoustic holography and nonlinear modeling / W. Kreider, P. V. Yuldashev, O. A. Sapozhnikov et al. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. — 2013. — Vol. 60, no. 8. — P. 1683–1698. DOI: 10.1109/TUFFC.2013.2750
[9] Characterization of cylindrical ultrasonic transducers using acoustic holography / S.A. Tsysar, Y.D. Sinelnikov, O.A. Sapozhnikov // Acoustical Physics. — 2011. — Vol. 57, no. 1. — P. 94–105. DOI: 10.1134/S1063771011010167
[10] Transient acoustic holography for reconstructing the particle velocity of the surface of an acoustic transducer / Sapozhnikov O. A., Ponomarev A. E., Smagin M. A. // Acoustical Physics. — 2006. — Vol. 52, no. 3. — P. 324–330. DOI: 10.1134/S1063771006030134