Аналитический результат генерации оптоакустических волн для сферических поглотителей в дальнем поле

Аналитический результат генерации оптоакустических волн для сферических поглотителей в дальнем поле

В настоящее время быстро развиваются методы оптоакустической диагностики. В связи с этим возникает необходимость в изучении свойств импульсного звукового отклика в подвергнутых лазерному облучению реальных жидких средах: суспензиях, биологических пробах. Термооптическое возбуждение звука широко применяется в задачах диагностики жидкостей.

Для сферического гауссовского источника начальный рост давления определяется выражением [1−3, 7, 8].

. (1).

где общая поглощенная энергия. В дальнем поле, акустический переходный генерируемый мгновенным нагревом этого пространственного распределения поглощения, определяется формулой (3) с. Гауссова функция нагрева описывается.

(2).

Для r ?? Rs пренебречь вкладом в сигнал PA, исходящий из объема источника вне сферы с радиусом r, и свертку P_d (r, t) с T (t).

(3).

Это выражение является приближением дальнего поля.

Чтобы получить корректное выражение, включающее ближнее поле, необходимо добавить второй член, как указано в уравнении (16), то есть такое же выражение, вычисленное в отрицательное время, должно быть добавлено.

Максимумы ОАС находятся при, а интервал пикового пика может быть выражен как.

(30).

где — интервал между точками изгиба временного профиля функции нагрева, а — расстояние между точками изгиба пространственного распределения тепла.

Для продольных акустических волн в водных средах основными источниками ослабления сигнала являются термоупругие или теплопроводные потери, релаксационное поглощение или вязкие потери [7, 8]. Оба механизма акустического ослабления пропорциональны квадрату частоты. В материалах с большими молекулярными цепочками затухание, обусловленное поглощением гистерезиса или потерями в изменении состояния, пропорционально частоте. Амплитудный спектр теоретического ОА-импульса при наличии звукопоглощения (пропорциональный f²) определяется формулой [7−11].

(4).

Коэффициент поглощения звука в зависимости от частоты для амплитуды давления пропорционален квадратичной частоте и равен [7−8], где и f — частота акустической волны, преобразование Фурье оптоакустического импульса, дает амплитудный спектр импульса, который следует умножить на частотно-зависимое поглощение звука и затем преобразовать обратно во временную область, чтобы найти изменение ОА импульса во временной области за счет поглощения.

После обратного преобразования Фурье зависимый от времени ослабленный ОА-импульс снова описывается уравнением (3), за исключением того, что эффективную постоянную времени следует заменить на зависящую от расстояния эффективную временную константу, определяемую формулой.

(5).

Где и определены по-прежнему, а — коэффициент ослабления спектральной амплитуды.

Рис. 1. Влияние поглощения звука в воде на теоретический сигнал ПА, генерируемый сферическим распределением нормальных источников. Кривые соответствуют разным расстояниям распространения. Сигналы нормированы по отношению к сигналу в точке наблюдения для без поглощения (сплошная при r=0 см, пунктирная r=1 см, точечная r=5 см, пунктир с точкой r=12 см)

На рис. 1 временные профили сферического ОА-импульса показаны для некоторых расстояний распространения r относительно соответствующих сигналов при отсутствии поглощения звука. Радиус источника составляет 6 мкм, имитируя группу из нескольких красных кровяных клеток, как наименьший возможный объем источника, а длительность лазерного импульса составляет 84 нс и периодом следования 10 кГц [4−6]. Длительность импульса выбрана в соответствии с техническими характеристиками лазерного комплекса LIMO 100−532/1064−4 на основе Nd: YAG лазера с фиксированной длиной волны 1064 нм. Для больших радиусов ОА источника или более длительных длительностей лазерных импульсов искажение ОА импульса менее заметно из-за более низкой средней частоты ОАС.

• 1. Кравчук Д. А. Экспериментальные исследования и моделирование процесса генерации оптоакустических волн // Инженерный вестник Дона, 2017, № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2017/4234.
• 2. Кравчук Д. А., Д.В. Орда-Жигулина, Г. Ю. Слива Экспериментальные исследования оптоакустического эффекта в движущейся жидкости. Известия ЮФУ. Технические науки № 4 (189), 2017. С. 246−254.
• 3. Кравчук Д. А. Теоретические исследования генерации оптоакустических волн в жидкости цилиндрическими поглотителями // Инженерный вестник Дона, 2017, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N3y2017/4350.
• 4. Д. А. Кравчук, И. Б. Старченко, И. А. Кириченко Прототип оптоакустического лазерного цитомера // Медицинская техника № 5 (305), 2017. с. 4−7.
• 5. Кравчук Д. А. Моделирование системы регистрации акустического сигнала в результате возбуждения оптико-акустического эффекта в жидкости. //Успехи современной науки. 2016. Т. 4. № 11. С. 121−123.
• 6. Кравчук Д. А. Система регистрации оптоакустического эффекта в жидкости. Результаты эксперимента. //Успехи современной науки и образования. 2016. Т. 5. № 12. С. 131−133.
• 7. H.M. Lai and K. Young, ``Theory of the pulsed optoacoustic technique,''J. Acoust. Soc. Am. 72, pp.2000;2007. 1982.
• 8. Beard P. Biomedical photoacoustic imaging // Interface Focus 1. — 2011. — pp. 602−631.
• 9. Кравчук Д. А., Кириченко И. А., Орда-Жигулина Д. В. Обзор методов использования наноразмерных объектов в биомедицинских исследованиях Научные труды SWorld. 2015. Т. 5. № 4 (41). С. 24−27.
• 10. Kravchuk D.A., Vtorushin A.S., Myakinin V.A. Tendencies of development of optoacoustic methods and devices in biomedicine // SWorldJournal. 2016. V. 10. № j116 (10). pp. 42−45.
• 11. Кравчук Д. А. Система регистрации акустического сигнала в результате возбуждения оптико-акустического эффекта в жидкости//В сборнике: Проблемы автоматизации. Региональное управление. Связь и автоматика (Паруса — 2016). Сборник трудов V Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. 2016. С. 116−119.