Росницкий П.Б., Юлдашев П.В., Хохлова В.А. «Определение параметров ультразвукового излучателя для обеспечения определенной амплитуды ударного фронта в фокусе» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Нелинейная акустика", с. 53-60 (2014)

Во многих современных медицинских приложениях мощного сфокусированого ультразвука используется нелинейный акустический эффект образования ударных фронтов (или разрывов) в профиле волны в фокусе. Например, этот эффект используется при механическом разрушении опухолей высокоамплитудными ударными импульсами – гистотрипсии. Амплитуда ударного фронта при этом зависит от рабочей частоты и геометрии излучателя; а ее оптимальная величина для различных приложений будет различной. Таким образом, стоит задача определения параметров излучателя, позволяющих получить определенное значение амплитуды фронта в фокусе, необходимое для конкретного приложения. Основное предположение развитого в данной работе подхода состоит в том, что главным параметром излучателя, определяющим амплитуду разрыва, является его угловая апертура. Проверка этого предположения и определение характерных параметров ударно-волнового профиля в зависимости от параметров фокусированного излучателя были проведены на основе многопараметрических численных расчетов полей, создаваемых такими излучателями. Моделирование проводилось на основе уравнения Хохлова–Заболотской. Предложен метод выделения профиля с полностью развитым разрывом, создаваемым излучателем с заданными параметрами. Развит подход для определения амплитуды разрыва между временными точками профиля, соответствующими задаваемому уровню временной производной от волнового профиля относительно его максимума. При этом величина уровня определяется путем сравнения мощности тепловых источников в фокусе, рассчитанной численно и аналитически с использованием значения амплитуды разрыва. На основе полученных данных проведён расчет характерных значений амплитуды разрыва для излучателей, работающих на частоте 1 МГц в диапазоне угловых апертур от 0.8 до 2. Показано, что для создания разрывов амплитудой порядка 80 МПа, необходимых для гистотрипсии, оптимальными являются излучатели с угловой апертурой, близкой к единице.

Руденко О.В., Хохлова В.А. «Кинетическое уравнение одномерной акустической турбулентности» Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия, № 4, с. 64-69 (1989)

Кащеева С.С., Хохлова В.А. «Нелинейная эволюция импульса с ударным фронтом в среде со степенным частотным законом поглощения» Известия РАН. Серия физическая, 62, № 12, с. 2375-2378 (1998)

Карзова М.М., Юлдашев П.В., Хохлова В.А., Оливье С., Блан-Бенон Ф. «Использование интерферометра Маха–Цендера для экспериментального исследования образования "ножки" Маха при отражении ударноволновых импульсов от жесткой поверхности» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Нелинейная акустика", с. 26-30 (2014)

Образование пространственной структуры типа «ножки» Маха – хорошо известное явление, возникающее при взаимодействии двух ударных фронтов и наблюдаемое обычно при отражении сильных ударных волн (акустические числа Маха M_а > 0.4) от жесткой поверхности. Возможность наблюдения и описания данного явления в рамках нелинейной акустики, когда акустические числа Маха составляют всего лишь 10^–3–10^–2, до недавнего времени оставалась неясной. Целью данной работы являлось экспериментальное исследование отражения нелинейной N-волны, создаваемой искровым источником в воздухе, от плоской жесткой поверхности. Профиль давления N-волны восстанавливался по оптическим измерениям, выполненным с помощью интерферометра Маха–Цендера. В эксперименте наблюдалось нерегулярное отражение; исследована эволюция «ножки» Маха и измерена траектория тройной точки по мере распространения N-волны вдоль поверхности.

Назаров В.Е., Кияшко С.Б. «Пилообразные акустические волны в средах с гистерезисной нелинейностью» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Нелинейная акустика", с. 74-82 (2014)

Проведены исследования распространения периодических пилообразных волн в недиспергирующих средах с квадратичной упругой и гистерезисной нелинейностью. Из сравнения точных решений для пилообразных волн и их спектральных характеристик выявлены закономерности нелинейных акустических эффектов в таких средах. Показано, что, в отличие от среды с упругой квадратичной нелинейностью, в гистерезисных средах могут проявляться эффекты нелинейной дисперсии.

Гаврилов Л.Р., Сапожников О.А., Хохлова В.А. «Мощные двумерные терапевтические решётки с плотной "упаковкой" элементов» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 54-61 (2014)

В последние годы активно ведутся разработки мощных двумерных терапевтических решёток для применения в ультразвуковой хирургии. В нескольких зарубежных лабораториях изготовлены опытные образцы подобных устройств, проведены исследования на тканях ex vivo, показана возможность их клинического использования. Общим для этих фокусирующих систем является квазислучайное расположение элементов на поверхности решётки, что позволяет минимизировать уровень лепестков решётки и других вторичных максимумов интенсивности в излученном ею поле. Однако появление новых методов применения мощного ультразвука в медицине, основанных на использовании нелинейных полей и ударно-волновых режимов воздействия, требует существенного повышения мощности таких решёток. Предложено обоснование целесообразности создания нового поколения подобных решёток, основанных на применении плотно «упакованных» элементов решётки с сохранением рандомизации их расположения на поверхности. Приведены примеры возможных конструкций подобных решёток.

Юлдашев П.В., Максвелл А., Крайдер В., Сапожников О.А., Бэйли М., Крам Л., Хохлова В.А. «Моделирование и измерение поля мощного многоэлементного терапевтического излучателя в широком диапазоне интенсивностей вплоть до проявления эффекта насыщения в фокусе» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 67-70 (2014)

Во многих современных приложениях мощного фокусированного ультразвука (HIFU) в неинвазивной хирургии, например, при гистотрипсии, возникает необходимость генерации мощных ультразвуковых полей с амплитудой ударного фронта в фокусе до 120 МПа на значительной глубине в ткани. Для экспериментального исследования возможности создания таких полей и генерации механических разрушений в ткани был создан прототип системы, состоящий из усилителя и излучателя с рабочей частотой 1 МГц. Излучатель состоит из семи отдельных элементов круглой формы, расположенных на сферической чашке диаметром 14.7 см и радиусом кривизны (фокусным расстоянием) 14 см. Цель настоящей работы состояла в характеризации поля указанного излучателя в воде с помощью гидрофонных измерений и численного моделирования. Моделирование поля было выполнено на основе трехмерного уравнения Вестервельта с начальными условиями, полученными экспериментально методом акустической голографии. В эксперименте профили волны в фокусе были измерены оптоволоконным гидрофоном. Измерения проводились при различной амплитуде акустического давления на поверхности источника, вплоть до уровня, соответствующего 30% от максимально достижимой амплитуды. Было показано, что результаты измерений и расчетов хорошо согласуются между собой. Проведение измерений при амплитуде волны на источнике выше указанного уровня было невозможным из-за возникновения кавитации на поверхности гидрофона. Однако в расчетах такой проблемы не возникает, и поэтому профили в фокусе были получены вплоть до максимальной амплитуды волны на источнике в рабочем диапазоне мощностей усилителя. Было показано, что при больших амплитудах проявляются эффекты нелинейного насыщения поля в фокусе. Найдены максимально достижимые значения для пиковых давлений и амплитуды ударного фронта. Таким образом, в работе было показано, что численное моделирование на основе трехмерного уравнения Вестервельта является важным инструментом для прогнозирования характеристик ультразвуковых полей, создаваемых мощными терапевтическими HIFU излучателями.

Крупенин В.Л. «Стоячие волны с пилообразными профилями, возбуждаемые набегающими потоками жидкости или газа» Вестник научно-технического развития, № 10, с. 35-39 (2014)

Изучаются автоколебания струны, вибрирующей в плоскости. Струна совершает автоколебания вызванные, например, действием набегающего потока жидкости или газа. Скорость потока перпендикулярна оси статического равновесия струны. Определяются установившиеся периодические стоячие волны с политрапециевидными и пилообразными профилями и приводятся результаты численного анализа их устойчивости.

Руденко О.В., Сапожников О.А. «Волновые пучки в кубично-нелинейных средах без дисперсии» Журнал экспериментальной и теоретической физики, 106, № 2, с. 395-413 (1994)

Славнов А.А., Хохлова В.А. «Численное моделирование нелинейных волн с особенностями типа «разрыв» и «разрыв производной»» Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия, № 1, с. 28-31 (2000)

Андреев В.Г., Руденко О.В., Сапожников О.А., Хохлова В.А. «Подавление нелинейного затухания звуковой волны в среде, содержащей резонансный поглотитель с конечной шириной линии» Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия, № 3, с. 58-62 (1985)

Руденко О.В., Сапожников О.А. «Теоретическое описание тепловой самофокусировки пилообразных звуковых волн» Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия, № 6, с. 91-92 (1988)

Дубровский А.Н., Сапожников О.А. «Наблюдение нелинейной эволюции акустических импульсов в отсутствие дифракции» Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия, № 4, с. 67-73 (1993)

Мусатов А.Г., Сапожников О.А. «Фокусировка слабых акустических импульсов» Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия, № 4, с. 94-97 (1993)

Хохлова В.А., Сапожников О.А., Кащеева С.С., Лоттон П., Гусев В.Э., Джоб С., Брюно М. «Эффекты нелинейного насыщения при распространении акустических волн в среде с частотно-зависимым усилением» Известия РАН. Серия физическая, 64, № 12, с. 2334-2337 (2000)

Хохлова В.А., Филоненко Е.А. «Тепловые явления при фокусировке мощного ультразвукового пучка в двухслойной среде типа вода-биологическая ткань» Известия РАН. Серия физическая, 64, № 12, с. 2338-2343 (2000)

Зубарев Н.М., Кочурин Е.А. «Взаимодействие сильно нелинейных волн на свободной поверхности непроводящей жидкости в горизонтальном электрическом поле» Письма в ЖЭТФ, 99, № 9-10, с. 729-734 (2014)

Рассмотрена нелинейная динамика свободной поверхности идеальной диэлектрической жидкости со значительной проницаемостью в сильном горизонтальном электрическом поле. Продемонстрировано, что взаимодействие встречных уединенных волн произвольной геометрии является упругим: они сохраняют свою энергию и импульс. С использованием конформных переменных осуществлено численное моделирование взаимодействия волн. Показано, что в результате взаимодействия волны деформируются, причем для волн относительно малой амплитуды этот эффект является слабым: для встречных волн одинаковой формы деформация определяется четвертой степенью их амплитуды. При многократном столкновении сильно нелинейных волн наблюдается тенденция к формированию особенностей – точек со значительной плотностью энергии поля.

Андреев В.Г., Карабутов А.А., Руденко О.В., Сапожников О.А. «Наблюдение самофокусировки звука» Письма в ЖЭТФ, 41, № 9, с. 381-384 (1985)

Впервые наблюдалось явление самофокусировки звука в жидкости. Измерены распределения амплитуды и фазы волны в поперечном сечении пучка в разные моменты времени.

Руденко О.В., Сапожников О.А. «Явления самовоздействия пучков волн, содержащих ударные фронты» Успехи физических наук, 174, № 9, с. 973-989 (2004)

Описаны результаты экспериментальных и теоретических исследований явлений самовоздействия интенсивных пучков волн, имеющих пилообразную во времени форму. Обсуждаются инерционные процессы само- и дефокусировки в средах с квадратичной нелинейностью, связанные с формированием акустических течений и нагреванием среды за счет нелинейного поглощения энергии на ударных фронтах в профиле пилообразной волны. Рассмотрены эффекты саморефракции ударно-волновых импульсов, приводящие, в частности, к насыщению максимальных значений поля при фокусировке. Для сред с кубической нелинейностью, где пилообразная волна содержит ударные фронты как сжатия, так и разрежения, выяснены условия протекания самофокусировки в условиях ее сильной конкуренции с нелинейным затуханием волн. Описаны новые математические модели, их свойства симметрии, точные решения и результаты численного моделирования. Дана общая характеристика современного состояния исследований в этой области.

Руденко О.В. «Нелинейные пилообразные волны» Успехи физических наук, 165, № 9, с. 1011-1036 (1995)

Обсуждаются результаты экспериментальных и теоретических исследований процессов взаимодействия и самовоздействия сильно искаженных волн, содержащих ударные фронты. Такие пилообразные возмущения формируются при распространении волн в средах, где нелинейность преобладает над конкурирующими факторами – дисперсией, дифракцией и поглощением. Подчеркнута специфика протекания нелинейных процесcов в полях пилообразных волн. Описаны недавно наблюдавшиеся явления (самовоздействие пучков, саморефракция ударных импульсов, ограничение сигнала в фокусе), а также актуальные прикладные направления.

Торчигин В.П. «О возможности использования взаимодействия акустических и световых волн в волоконных световодах для генерации коротких световых импульсов» Квантовая электроника, 20, № 3, с. 276-282 (1993)

Рассмотрены оптические резонаторы на основе волоконных световодов при периодической модуляции их показателей преломления с частотой, в 10⁵–10⁶ раз меньшей частоты световых колебаний. Показано, что при периоде модуляции, равном времени полного обхода волокна со скоростью света, в нем формируются короткие световые импульсы, несущая частота которых выше частоты возбуждающего непрерывного светового сигнала.

Руденко О.В., Сапожников О.А. «Безынерционная самофокусировка недиспергирующих волн с широким спектром» Квантовая электроника, 20, № 10, с. 1028-1030 (1993)

Исследуется самофокусировка волновых пучков в кубично-нелинейной среде без дисперсии. Рассмотрение проводится на основе полевого уравнения, аналогичного нелинейному уравнению Шредингера. Изучаются волны с временным профилем в виде периодической последовательности ударных волн. Расчет проводится в безаберрационном приближении. Показано, что кубичная нелинейность вызывает не только самофокусировку, но и, из-за наличия ударных фронтов, поглощение волны. Однако самофокусировка является незначительной: хотя пучок сужается, амплитуда волны практически не возрастает.

Синько Д.В., Аникеев Б.В. «Непрерывный YAG:Nd³⁺-лазep с акустоэлектрооптической модуляцией добротности» Квантовая электроника, 20, № 12, с. 1199-1202 (1993)

Исследованы механические резонансы геометрически правильных образцов кристалла DKDP. Установлено, что резонансы формируются в условиях сильной связи рэлеевских акустических мод кристалла со сдвиговыми. Определено, что в области максимально добротного резонанса вызывающее полуволновую деформацию в кристалле на λ = 0.63 мкм электрическое напряжение составляет менее 5В. На основании полученных данных предложен акустоэлектрооптический амплитудный модулятор лазерного излучения. Осуществлена экспериментальная проверка совместимости акустоэлектрооптического модулятора с лазером на алюмоиттриевом гранате при непрерывной накачке. Получен импульсно-периодический режим работы со стабильным периодом. Установлено, что в данном режиме по эффективности работы акустоэлектрооптический модулятор не уступает акустооптическим модуляторам.