Экспериментальные исследования и моделирование процесса генерации оптоакустических волн

Размещено на http://allbest.ru

Южный федеральный университет

Экспериментальные исследования и моделирование процесса генерации оптоакустических волн Инженерный вестник Дона, №2 (2017)

Д. А. Кравчук

Таганрог

Постановка задачи

Возможны несколько механизмов генерации оптоакустического сигнала [1, 3, 8, 10] с различной эффективностью, которые включают процессы поглощения, такие как тепловое расширение, кавитация или неабсорбционные процессы, такие как радиационное давление и рассеяние Бриллюэна.

В большинстве теоретических рассмотрений генерации оптоакустического сигнала рассматривается одно из двух условий: длительность лазерного импульса мала по сравнению с временем прохождения звука по характеристической длине l источника с продольной акустической фазовой скоростью v или наоборот.

Известные теории не учитывают длительность лазерного импульса . [1,10]

Для гауссовского временного и пространственного распределений важным параметром для временного профиля оптоакустического сигнала является эффективное время , связанное с и в соответствии с соотношением

где - половина длительности импульса между - точками временного распределения амплитуды, - половина времени прохождения звука между - точками распределения радиальной амплитуды.

Для сферических отражателей в жидкости это соотношение еще не получено аналитически.

Помимо размеров источника и длительности лазерного импульса необходимо учитывать время релаксации поглощенной энергии при расчете формы фотоакустического сигнала.

Функция нагрева должна быть описана как комбинированная функция ширины лазерного импульса и релаксации (в частности, как свертка временного профиля лазерных импульсов и экспоненциально затухающего тепловыделения, описывающего процесс релаксации).

Таким образом, оптакустический сигнал в жидкости, генерируемый небольшими сферическими объемными телами в жидкости, имеет большее значение для приложений визуализации оптоакустики.

Для сферического гауссовского источника начальное давление определяется выражением

где общая поглощенная энергия.

В дальнем поле , акустическое давление генерируемое мгновенным нагревом этого пространственного распределения поглощения, определяется формулой

с .

Тогда гауссова функция нагрева описывается

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

Таким образом можно получить выражение для дальнего поля.

(29)

Обсуждение результатов эксперимента

Результаты экспериментальных исследований оптоакустического эффекта, полученные авторами на модельных суспензиях нанотрубок и нановолокон были представлены в [2, 11, 12]. Разработанная экспериментальная установка по исследованию оптоакустического эффекта в жидких средах в присутствии нанотрубок и нановолокон также подробно описана в [2-4,8, 11]. Установка включает две части: источник лазерного излучения и широкополосный приемный акустический тракт.

Измерительная установка была построена, как описано ранее [2-4, 7-9], с использованием лазера, модель LIMO 100-532/1064-U на основе Nd:YAG лазера с фиксированной длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 84 нс, и энергией в импульсе, которая могла задаваться программно в диапазоне 0,1 до 100 Вт. Значение частоты следования импульсов лазера, составляла 10 кГц.

На рисунке 1 приведена кювета, наполненная жидкостью, которая расположена в универсальном лазерном комплексе “LIMO” состоящем из двух твердотельных Nd:YAG лазеров, работающих в инфракрасном диапазоне с длиной волны 1062 нм.

На поверхность биожидкости падает лазерный луч (рис. 1). Жидкость приводится в движение с помощью насоса, через трубки поступает в кювету, где на движущийся поток воздействует лазер. Действие света на вещество вызывает возмущения среды, сопровождающиеся излучением звука.

Рисунок 1. Основные узлы системы. Лазер; система регистрации и записи сигнала Labview; PZT - пьезокерамический преобразователь

Расстояние от лазерного пятна до ультразвукового преобразователя составляло 1 см. Сигнал, принятый ультразвуковым преобразователем, усиливался и записывался с помощью системы LabWiev. Энергия светового импульса не превышала 0,5 мДж.

Большие энергии могут приводить, к нагреву образцов жидкостей, что может негативно сказываться на биожидкостях и привести повреждению ткани. Результат формирования оптико-акустического сигнала в однородной среде показан на рис.2.

Сигнал обрабатывался и записывался с помощью модульного измерительного комплекса NI PXI 1042Q, предназначенного для проведения широкого спектра испытаний.

Рисунок 2. Оптоакустический сигнал. Сплошная линия - эксперимент. Пунктирная линия - результат моделирования сигнала.

В результате воздействия лазера на жидкость наблюдается термооптическое возбуждение звука, которое мы регистрируем широкополосным ультразвуковым преобразователем, помещенным в кювету с исследуемой модельной жидкостью.

Выводы по итогам эксперимента и моделирования

Полученные результаты экспериментальных исследований дополняют результаты [2, 7-9, 13, 14] и позволяют сделать вывод о формировании высокочастотных гармоник оптико-акустического сигнала в однородной среде. По результатам экспериментов после обработки был построен спектр оптико-акустического сигнала в неподвижной жидкости и в движущейся жидкости. оптоакустический лазерный нановолокно

Жидкость приводилась в движение с помощью насоса. В результате нами было замечено, что при скорости жидкости свыше 100 мл/мин наблюдалось снижение амплитуды оптоакустического сигнала, вследствие воздействия потока на область теплового расширения среды при поглощении светового импульса лазера в месте образования оптико-акустического сигнала. Насос, с помощью которого жидкость приводилась в движение, позволял менять скорость прокачки от 10-500 мл/мин.

Также мы наблюдали спад амплитуды регистрируемого сигнала в движущейся жидкости, за счет движения частиц жидкости, интерференции и охлаждения участков жидкости на которую действует лазер. Полученные результаты экспериментальных исследований приведенные дополняют результаты, полученные ранее [1, 2- 5, 7-9].

Для сферического источника интервал времени между пиками определяется длительностью лазерного импульса и временем прохождения звука через источник в направлении наблюдения. Получены выражения для сферических гауссовских пространственно-временных источников, для которых, можно выразить оптоакустический сигнал как простую аналитическую функцию, учитывая акустических потери, обусловленные теплопроводностью и вязкостью среды.

Литература

1. Beard P. Biomedical photoacoustic imaging // Interface Focus 1. - 2011. - pp. 602-631.

2.Старченко И.Б., Малюков С.П., Орда-Жигулина Д.В., Саенко А.В. Измерительный комплекс для лазерной диагностики биообъектов с использованием наночастиц на базе LIMO100 // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - № 2(22). - 2013. - С.166-172.

3.Джуплина Г.Ю., Старченко И.Б. Теоретическая модель оптикоакустического эффекта в среде с наноразмерными рассеивателями // Известия ЮФУ. Технические науки. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. _2009. - № 10. - С.189_192.

4.Джуплина Г.Ю., Старченко И.Б. Система и методика исследования наноразмерных артефактов в кровотоке // Известия ЮФУ. Технические науки. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. _ 2010. _ № 8. _С.61_64.

5. 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.

6. Грашин, П.С. Измерение оптических характеристик рассеивающих сред по временному профилю оптико-акустического сигнала / П.С. Грашин, А.А. Карабутов, И.М. Пеливанов, Н.Б. Подымова // Вестник Московского университета. С. 3. Физика. Астрономия. _ 2001. -№2. -С.39_42.

7. 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.

8. Кравчук Д.А. Система регистрации оптоакустического эффекта в жидкости. Результаты эксперимента. // Успехи современной науки и образования. 2016. Т. 5. № 12. С. 131-133.

9. 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.

10. C. G. A. Hoelen, R. Pongers, G. Hamhuis, F. F. M. de Mul, and J. Greve, `Photoacoustic blood cell detection and imaging of blood vessels in phantom tissue,'' Proc. Optical and Imaging Techniques for Biomonitoring, edited by H. J. Foth and R. Marchesini, SPIE 3196, pp.142-153 (1997).

11. Kravchuk D.A., Kirichenko I.A., Orda-Ghigulina D.V. The review of methods of use of nanodimensional objects in biomedical researches SWorldJournal. 2016. Т. 10. № j116 (10). pp. 45-48.

12. 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.

13. Вишневецкий В.Ю., Джуплина Г.Ю., Старченко И.Б., Шашкин М.С. Теоретическая модель оптоакустического рассеяния на наноразмерных объектах для учета распределения загрязняющих веществ в водной среде // Инженерный вестник Дона, 2011, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/531.

14. Орда-Жигулина Д.В., Старченко И.Б. Теоретическая модель процесса лазерного возбуждения акустических сигналов в жидкой среде с присутствием наноразмерных объектов // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4-1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1224.

References

1. Beard P. Biomedical photoacoustic imaging. Interface Focus 1. 2011. pp. 602-631.

2.Starchenko I.B., Maljukov S.P., Orda-Zhigulina D.V., Saenko A.V. Prikaspijskij zhurnal: upravlenie i vysokie tehnologii. № 2(22). 2013. pp.166-172.

3. Dzhuplina G.Ju., Starchenko I.B. Izvestija JuFU. Tehnicheskie nauki. Taganrog: Izd-vo TTI JuFU. 2009. № 10. pp.189-192.

4. Dzhuplina G.Ju., Starchenko I.B. Izvestija JuFU. Tehnicheskie nauki. Taganrog: Izd-vo TTI JuFU. 2010. № 8. pp.61-64.

5. Kravchuk D.A., Kirichenko I.A., Orda-Zhigulina D.V. Nauchnye trudy SWorld. 2015. T. 5. № 4 (41). pp. 24-27.

6. P.S. Grashin, A.A. Karabutov, I.M. Pelivanov, N.B. Podymova. Vestnik Moskovskogo universiteta. S. 3. Fizika. Astronomija. 2001. №2. pp.39 42.

7. Kravchuk D.A. V sbornike: Problemy avtomatizacii. Regional'noe upravlenie. Svjaz' i avtomatika (Parusa - 2016). Sbornik trudov V Vserossijskoj nauchnoj konferencii molodyh uchenyh, aspirantov i studentov. 2016. pp. 116-119.

8. Kravchuk D.A. Uspehi sovremennoj nauki i obrazovanija. 2016. T. 5. № 12. pp. 131-133.

9. Kravchuk D.A. Uspehi sovremennoj nauki. 2016. T. 4. № 11. pp. 121-123.

10. C. G. A. Hoelen, R. Pongers, G. Hamhuis, F. F. M. de Mul, and J. Greve, `Photoacoustic blood cell detection and imaging of blood vessels in phantom tissue,'' Proc. Optical and Imaging Techniques for Biomonitoring, edited by H. J. Foth and R. Marchesini, SPIE 3196, pp.142-153 (1997).

11. Kravchuk D.A., Kirichenko I.A., Orda-Ghigulina D.V. SWorldJournal. 2016. Т. 10. № j116 (10). pp. 45-48.

12. Kravchuk D.A., Kirichenko I.A., Orda-Zhigulina D.V. Nauchnye trudy SWorld. 2015. T. 5. № 4 (41). pp. 24-27.

13. Vishneveckij V.Ju, Dzhuplina G.Ju, Starchenko I.B., Shashkin M.S. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2011, №4, URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/531.

14. Orda-Zhigulina D.V., Starchenko I.B. Inћenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, № 4-1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1224.

Аннотация

Экспериментальные исследования и моделирование процесса генерации оптоакустических волн. Д. А. Кравчук. Южный федеральный университет, Таганрог

В работе рассмотрен оптико-акустический эффект, который приводит к возбуждению акустических волн при поглощении переменного светового потока. Предложена модель расчета акустического поля генерируемого лазерным изучением в жидкости при попадании на сферические объекты в жидкости.

Сферическими объектами могут служить специальные наноматериалы добавленные в жидкость. Приведены результаты эксперимента по возбуждению оптоакустического сигнала в жидкости с помощью лазера, для лазерной диагностики потока.

Так как лазерный пучок характеризуется совокупностью параметров: мощностью, поляризацией, длиной волны, частотой, фазой и направлением распространения, то по изменению этих параметров можно судить о процессах, происходящих в исследуемом потоке.

Ключевые слова: оптоакустика, нановолокна, оптоакустические волны, биожидкость, виртуальный прибор, спектр сигнала, сферические отражатели.

Размещено на Allbest.ru