Цветков А.С. «От Земли до Вселенной: история определения расстояний» Земля и Вселенная, № 3, с. 29-48 (2024)

Измерение расстояний в астрометрии, астрофизике и космологии - это одна из ключевых задач для понимания устройства и динамики нашей Вселенной и объектов в ней. Этим вопросом задавались мыслители еще с античных времен, и до сих пор он окончательно не решен. В статье пойдет речь о том, как измеряли космические расстояния в прошлом и какие существуют современные методы определения расстояний до звезд и галактик, а также какие трудности при этом возникают.

Воронюк В., Коломейцев Е.Э., Коломоец Н.В., Теряев О.В., Цегельник Н.С. «Постоянная Хаббла в столкновениях тяжелых ионов» Физика элементарных частиц и атомного ядра, 55, № 4, с. 1118-1127 (2024)

Представлены предварительные результаты для временных зависимостей микроскопической постоянной Хаббла, соответствующей пионам и нуклонам, родившимся в столкновении двух ядер золота при √s_NN=7,8 ГэВ и b=7,5 фм. Данные смоделированы в рамках PHSD-модели. Детально рассмотрен используемый обычно в литературе метод определения параметра Хаббла путем фитирования профиля скорости. Предложен новый метод, состоящий в анализе статистического распределения дивергенции поля скорости и нахождении постоянной Хаббла как положения определенного пика распределения. Выполнено сравнение методов.

Кузьмина Н.В., Тарасов С.М., Цодокова В.В. «Компенсация систематической составляющей погрешности автоматизированного астрономического универсала, обусловленной сбоями синхронизации данных» Труды Института прикладной астрономии РАН № 71, с. 3-8 (2024)

Статья посвящена алгоритмической компенсации систематических составляющих погрешностей определения астрономических долгот и азимутов автоматизированным астрономическим универсалом. Рассматриваемое устройство представляет собой оптико-электронный прибор, основными составными частями которого являются: объектив, телевизионная камера, приемник сигналов спутниковых навигационных систем, приводы вертикального и горизонтального наведения, система горизонтирования, блок обработки и управления. Посредством приемника сигналов спутниковых навигационных систем производится определение значений всемирного координированного времени UTC, а также формирование сигналов синхронизации. По сигналам синхронизации телевизионной камерой осуществляется регистрация кадров с изображениями звезд, при этом с каждым сигналом передается значение времени UTC. В результате сбоев в работе аппаратуры (телевизионной, спутниковой) или нарушения логики работы программного обеспечения может возникнуть ошибочная временная привязка зарегистрированного кадра, которая, в первую очередь, повлияет на точность вычисления Гринвичского звездного времени и в итоге приведет к появлению систематических составляющих погрешностей определения астрономических долгот и азимутов, не позволяющих обеспечить требуемые точностные характеристики автоматизированного астрономического универсала. В работе аналитически оценивается влияние погрешностей синхронизации данных на точность определения астрономических долгот и азимутов и предлагается алгоритм обнаружения и компенсации указанных погрешностей. Погрешность определения азимута выявляется по разности результатов астрономических наблюдений, произведенных вблизи плоскости меридиана при двух диаметрально противоположных направлениях визирной оси прибора (к северу и к югу от зенита), а долготы – по разности значений уклонения отвесной линии в плоскости первого вертикала, одно из которых получено в результате астрономических наблюдений в околозенитной области, а второе снято со специальных карт или рассчитано, например, гравиметрическим методом. Кроме того, в работе формулируются требования, выполнение которых необходимо для успешной реализации предложенной алгоритмической компенсации, а также определяется диапазон широт, в котором эти требования могут быть выполнены.

Цукерников И.Е., Невенчанная Т.О., Щурова Н.Е. «Экспериментальные исследования рекомендуемых ИСО 15186 2 критериев выполнения измерений при определении звукоизоляции строительных изделий с помощью интенсиметрии в натурных условиях» Акустический журнал, 70, № 5S, с. 36 (2024)

Приводятся результаты исследований по оценке применяемых в международном стандарте ИСО 15186-2 критериев годности акустических условий измерений. Оценена возможность практического применения требования к показателю звукового поля давление – интенсивность на измерительной поверхности, являющегося одним из критериев годности звукового поля в приемном помещении, а также критерием пригодности для измерений выбранной измерительной поверхности. В области применения стандарта указано, что метод интенсиметрии предназначен для измерений при наличии косвенной передачи звука в приемное помещение. Исследования выполняли, используя в качестве приемного помещения комнату №325 Акустического корпуса НИИСФ РААСН. Определяли звукоизоляцию двери в комнату (клееная фанерная, размер с коробкой 1,1×2,4 м), над которой расположено светопрозрачное окно размером 0,55×1,1 м, являющееся источником косвенной передачи звука. Показано, при наличии косвенной передачи требование, установленное в ISO 15186-2, к показателю звукового поля не выполняется. Вместе с тем, сопоставление значений фактической звукоизоляции двери, определенных по ИСО 15186-2 и ИСО 16283-1, использующего измерения уровней звукового давления, показало, что в ряде 1/3-октавных частотных полос, в которых требование к показателю звукового поля не выполняется, получили незначимое (в пределах 3 дБ) расхождение. Это свидетельствует о необязательности выполнения рассматриваемого требования к показателю звукового поля и связано с математическим свойством интенсиметрического метода: при усреднении нормальной интенсивности звука по измерительной поверхности вклад поля помехи, источники которой расположены вне измерительной поверхности, обнуляется.

Пасынок С.Л., Антропов С.Ю., Безменов И.В., Вострухов Н.А., Дроздов А.Э., Жаров В.Е., Игнатенко И.Ю., Цыба Е.Н., Федотов В.Н. «Текущее состояние работ ГМЦ ГСВЧ в части определения ПВЗ» Труды Института прикладной астрономии РАН № 69, с. 39-46 (2024)

В Главном метрологическом центре Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли (ГМЦ ГСВЧ) непрерывно проводятся работы в области определения и прогнозирования параметров вращения Земли (ПВЗ). Прежде всего это работы по осуществлению мероприятий в рамках ГСВЧ, которые включают: проведение навигационных и спутниковых лазерных дальномерных измерений на пунктах метрологического контроля Росстандарта, расположенных в городском поселении Менделеево и городах Новосибирск, Иркутск, Хабаровск и Петропавловск-Камчатский; обработку результатов ГНСС, спутниковой лазерной дальнометрии (СЛД) и РСДБ-измерений ГСВЧ и международных служб; определение ПВЗ в рамках отдельных методов измерений; совместную обработку данных измерений и результатов определения ПВЗ в рамках отдельных методов измерений; а также формирование справочной информации о ПВЗ и ее распространение. Роль ФГУП «ВНИИФТРИ» как ГМЦ ГСВЧ закреплена Постановлениям Правительства РФ № 225. Также в ГМЦ ГСВЧ ведутся работы по эксплуатации следующих средств: аппаратно- программных средств определения и прогнозирования ПВЗ на основе совместной обработки файлов измерений в формате SINEX, Коррелятора ГМЦ ГСВЧ, спутниковой дальномерной лазерной станции комплекса средств фундаментального обеспечения ГЛОНАСС «Точка» и сегмента обмена данными Росстандарта; проводятся исследования по вычислению орбит и поправок часов КА, а также обработке данных спутниковых альтиметрических измерений. В статье приводится краткий обзор работ, проводимых в ГМЦ ГСВЧ в части определения и прогнозирования ПВЗ в период с 2021 по 2023 гг. Оценка качества определений ПВЗ и других параметров проводится методом сравнения данных, полученных в ГМЦ ГСВЧ, с международными опорными данными о ПВЗ и данными других отечественных и зарубежных центров обработки и анализа данных (ЦОАД). Результаты сравнения свидетельствуют о высоком научно-техническом уровне работ, проводимых в ГМЦ ГСВЧ в части определения и прогнозирования ПВЗ.

Львов К.П., Цыбин В.С. «Сравнение формул расчета глубины по давлению и широте» Акустический журнал, 70, № 5S, с. 10 (2024)

Рассмотрены формулы Международного состояния морской воды TEOS-10 (2009 г.), UNESCO (1983 г.), (1981 г.), Leroy (1968, 1998, 2007 гг.). Выводы. Результаты сравнения для мелководья с учетом точности датчиков давления, свидетельствуют, что практически расчеты по разным формулам дают равные результаты.

Закиров М.Н., Куличков С.Н., Семенов В.А., Чуличков А.И., Мишенин А.А., Попов О.Е., Чунчузов И.П., Цыбульская Н.Д. «Методы распознавания образов и нейросети для классификации источников акустических сигналов» Акустический журнал, 70, № 5S, с. 4 (2024)

Предложена и обучена нейронная сеть для классификации типов источников инфразвука на десять классов. Модель успешно справляется с классификацией данных на тестовом наборе данных. Приведены графики функции потерь и точности от номера эпохи обучения нейросети для обучающей, валидационной и тестовой выборок. Построен график F1-меры как объективного показателя качества работы при несбалансированной выборке. Показана матрица неточностей для тестовой выборки. Обучение модели с использованием графических процессоров выполняется достаточно быстро. Модель можно масштабировать для распознавания любого количества объектов и применить в системах оперативного акустического мониторинга территорий.

Котельникова Л.М., Цысарь С.А., Сапожников О.А. «Экспериментальное и численное исследование акустической радиационной силы, действующей на цилиндрический рассеиватель в воде в поле фокусированного ультразвукового пучка» Акустический журнал, 70, № 5S, с. 61 (2024)

Экспериментально и численно исследована акустическая радиационная сила акустического пучка мегагерцового диапазона частот, действующая на рассеиватели из стали в форме цилиндров различных диаметров (5–7 мм) и высот (3–9 мм) в воде. Экспериментальные измерения проводились на предложенной ранее авторами экспериментальной установке для измерения радиационной силы методом взвешивания. Цилиндр крепился с помощью системы натянутых тонких лесок в центре жесткого кольца большого диаметра. Кольцо посредством конструкции из жестких трубок, не касающихся стенок бассейна, опиралось на электронные весы (точность весов 4 мг). Ультразвуковой пучок генерировался пьезокерамическим излучателем в виде сферической чаши с фокусным расстоянием 70 мм и апертурой 100 мм на частоте 1.072 МГц. Излучатель был закреплен на системе позиционирования, которая позволяла перемещать его с шагом 2.5 мкм вдоль трех взаимно перпендикулярных осей. Ось излучателя была направлена вертикально вниз. Цилиндр располагался в поле излучателя так, чтобы его ось совпадала с направлением акустической оси излучателя. Численный расчет акустической радиационной силы, действующей на аксиально-симметричные объекты со стороны аксиально-симметричного пучка, проводился методом конечных разностей. Экспериментальные и численные результаты были использованы для исследования тенденций влияния на силу линейных размеров образца (высоты и диаметра цилиндра).

Сапожников О.А., Асфандияров Ш.А., Цысарь С.А. «Создание фокусированных акустических пучков высокой интенсивности в воздухе с помощью 128-элементного излучателя ближнего ультразвукового диапазона» Акустический журнал, 70, № 5S, с. 81 (2024)

Описывается 128-элементная излучающая ультразвуковая антенная решетка, предназначенная для создания фокусированных акустических пучков высокой интенсивности в воздухе в ближнем ультразвуковом диапазоне. Элементы решетки представляют собой пьезоэлектрические преобразователи, установленные на резьбовых стержневых держателях на акриловой сферической чаше, что позволяет не только обеспечить фокусировку, но и регулировать форму фазового фронта излучаемого ультразвукового пучка. Рабочая частота равна 35.5 кГц, диаметр излучателя и фокусное расстояние – 0.5 м. Элементы установлены плотно друг к другу, причем их центры расположены на 8 спиралях, что позволяет избежать периодичности и тем самым подавить паразитные дифракционные максимумы. Все элементы решетки электрически соединены параллельно и возбуждаются сигналом от бытового усилителя электрической мощности. Для исследования характеристик излучаемого ультразвукового пучка использован метод импульсной акустической голографии, в рамках которого с помощью синтезированной двумерной приемной решетки регистрировались сигналы акустического давления на плоскости, расположенной на расстоянии от излучателя, равном половине фокусного расстояния. Эта запись (голограмма) была использована для расчета распределения акустического поля в пространстве, а также для нахождения колебательной скорости на поверхности излучателя. В дополнение к микрофонным измерениям был проведен эксперимент по нахождению полной акустической мощности методом радиометра, в ходе которого была измерена акустическая радиационная сила, действующая на конический отражатель. Роль акустической нелинейности была теоретически изучена с использованием пакета “HIFU beam”. Показано, что в фокусе разработанной решетки достигается уровень акустического давления более 170 дБ

Рыбянец А.Н., Швецов И.А., Швецова Н.А., Цысарь С.А., Котельникова Л.М., Хохлова В.А., Сапожников О.А. «Сочетание объемного ультразвукового нагрева с поверхностным охлаждением как новый метод пространственной и временной локализации теплового воздействия на биоткани» Акустический журнал, 70, № 5S, с. 81-82 (2024)

Методы современной ультразвуковой терапии основаны на использовании фокусированных излучателей, позволяющих осуществлять локализованное воздействие на ткани без повреждения кожи и окружающих целевую область участков. При этом для облучения большого объема ткани фокус приходится перемещать в пределах задаваемого объема, что увеличивает время процедуры и риск перегрева тканей на пути к фокусу. Таким образом, существует потребность в альтернативных методах и устройствах, в которых ультразвуковая энергия передается более безопасным и производительным способом. В настоящей работе представлен новый метод пространственно-временной локализации ультразвукового воздействия на подкожные ткани путем сочетания объемного нагрева с поверхностным охлаждением. Разработан ультразвуковой преобразователь, представляющий собой склейку из плоской прямоугольной пьезопластины толщиной 1 мм размером 15 на 25 мм и алюминиевой пластины толщиной 3 мм размером 25 на 40 мм. Алюминиевая пластина термостатировалась путем прокачки холодной воды через каналы, просверленные вдоль ее боковых участков. Склейка обращалась внешней стороной алюминиевой пластины к поверхности облучаемого объема и, тем самым, представляла собой ультразвуковой источник с воздушной тыльной нагрузкой и контролируемой температурой излучающей поверхности. Рабочая частота указанного преобразователя составляла 2.1 МГц. В клинических условиях суперпозиция температурного поля, возникающего в результате объемного нагрева за счет поглощения ультразвука, и тепловой волны от прижатой к коже охлажденной излучающей поверхности, позволяет обеспечить контролируемую локализацию ультразвукового нагрева в подкожных слоях тканей пациента. Акустическое поле созданного преобразователя было охарактеризовано на разных частотах с использованием метода импульсной акустической голографии. Также была измерена эффективность электроакустического преобразования на разных частотах и определена частота, позволяющая создать наиболее равномерную структуру поля для увеличения облучаемого объема ткани.

Пестова П.А., Рыбянец А.Н., Сапожников О.А., Карзова М.М., Юлдашев П.В., Цысарь С.А., Котельникова Л.М., Хохлова В.А., Швецов И.А. «Численное решение задачи ультразвукового объемного нагревания биоткани с поверхностным охлаждением» Акустический журнал, 70, № 5S, с. 56 (2024)

Одним из побочных эффектов неинвазивной терапии с помощью фокусированного ультразвука является нежелательный перегрев и повреждение кожи. Данный эффект может проявляться как при облучении глубоко расположенных, так и подкожных слоев биологической ткани. Для защиты кожи, а также самого фокусирующего излучателя часто используется охлаждение контактной среды, расположенной между кожей и излучателем. Недавно учеными ЮФУ был разработан нефокусированный излучатель для объемного нагревания подкожных слоев ткани, представляющий собой плоскую прямоугольную пьезопластину (15×25×1 мм), наклеенную на алюминиевую пластину (25×40×3 мм), которая охлаждалась путем циркуляции холодной воды (14–18°С) через ее боковые каналы. Алюминиевая пластина находится в прямом контакте с кожей, предотвращая ее перегрев. В настоящей работе был разработан численный алгоритм, позволяющий рассчитать нагрев ткани с учетом поглощения ультразвука и охлаждения кожи пластиной. Моделирование трехмерного температурного поля в ткани проводилось на основе уравнения теплопроводности. Решение сначала строилось независимо для задач охлаждения кожи пластиной и нагрева ткани тепловыми источниками акустического поля, а затем полученные решения складывались в силу линейности задачи. Для расчета тепловых источников использовались данные акустической голографии, полученные для излучателя при его работе на частоте 2.09 МГц. Акустическая мощность варьировалась от 5 до 30 Вт, время облучения – от нескольких секунд до нескольких минут, параметры биоткани соответствовали табличным значениям говяжьей печени. Было показано, что предложенный подход позволяет осуществлять объемный нагрев ткани с максимумом температуры на глубине 2 см при незначительном изменении температуры ее приповерхностного слоя на глубинах до 5 мм. Результаты расчетов сравнивались с полученными ранее в ЮФУ экспериментальными данными, в которых была продемонстрирована возможность достижения объемной тепловой абляции ткани при сохранении интактности поверхностного слоя.

Карзова М.М., Цысарь С.А., Пестова П.А., Папикян Л.А., Хохлова В.А. «Демонстрация в физическом эксперименте преимуществ использования ударно волновых импульсно периодических режимов фокусировки мощного ультразвука для тепловой абляции биоткани» Акустический журнал, 70, № 5S, с. 58 (2024)

Неинвазивная технология HIFU применяется в клинической практике для тепловой абляции биологических тканей путем воздействия фокусированными ультразвуковыми волнами. Формирование объемных тепловых разрушений, состоящих из множественных единичных, происходит за счет тепловой диффузии, которая приводит к неопределенности конечной формы разрушения и может повлечь нежелательные повреждения окружающих тканей. В данной работе исследованы импульсно-периодические режимы облучения с постоянной по времени средней мощностью, при этом увеличение пиковой мощности компенсировалось увеличением скважности. Главным преимуществом высокоамплитудных режимов является образование в фокусе ударных фронтов в профиле волны из-за сильного проявления нелинейных эффектов и, как следствие, быстрое получение разрушения в строго заданной области за счет эффективного тепловыделения на ударных фронтах. В работе была создана экспериментальная установка для имитации в лабораторных условиях ударно-волновых режимов фокусировки в клинической HIFU системе MRgHIFU Sonalleve (Profound Medical Corp., Canada). В качестве источника мощного ультразвука использовался одноэлементный излучатель с частотой 1.2 МГц, фокусным расстоянием 120 мм и полным углом схождения 60°. В экспериментах ex vivo на различных биологических тканях было показано, что использование ударно-волновых импульсно-периодических режимов облучения позволяет в несколько раз увеличить скорость тепловой абляции по сравнению с непрерывным режимом за счет усиления нагрева в присутствии ударных фронтов и отражения пучка от возникающих в фокусе парогазовых полостей кипения, а также визуализировать процесс формирования теплового разрушения с помощью диагностического ультразвука за счет рассеяния на пузырьках кипения.

Пономарчук Е.М., Цысарь С.А., Кадрев А.В., Чупова Д.Д., Пестова П.А., Карзова М.М., Папикян Л.А., Квашенникова А.В., Данилова Н.В., Мальков П.Г., Черняев А.Л., Буравков С.В., Хохлова В.А. «Пилотная демонстрация возможности неинвазивной нетепловой ультразвуковой деструкции рака кишки человека ex vivo методом гистотрипсии с кипением» Акустический журнал, 70, № 5S, с. 58-59 (2024)

Одним из активно развивающихся приложений мощного фокусированного ультразвука является его применение в неинвазивной хирургии, в частности, для механического (т.е. нетеплового) разрушения опухолей внутри организма человека методом гистотрипсии с кипением (ГК) с помощью ударно-волновых ультразвуковых импульсов миллисекундной длительности. Рак кишки является третьим по распространенности в мире онкологическим заболеванием (ВОЗ,2022), для лечения которого потенциально может быть применен метод ГК в качестве неинвазивной альтернативы стандартным хирургическим методам лечения. Целью настоящей работы была экспериментальная проверка возможности применения метода ГК для неинвазивного механического разрушения рака кишки человека ex vivo. Модуль Юнга аутопсийного образца рака сигмовидной кишки человека измерялся методом эластографии сдвиговой волной для подтверждения клинической репрезентативности аутопсийного материала. Затем в образце, заключенном в агарозный гель и погруженном в бассейн с дегазированной водой при 34°C, получалось объемное разрушение с помощью кольцевой решетки с рабочей частотой 2МГц и углом фокусировки 67.5° путем облучения трехмерной сетки из 5×5×2 фокусов (шаг 1 мм, 150 импульсов длительностью 1 мс с периодом повторения 0.1 с на точку). Оценка параметров ударной волны в ткани (P+/P-/As=91/-13/78 МПа) осуществлялась путем комбинации измерений методом акустической голографии и численного моделирования в программном комплексе “HIFU beam”. Успешно полученное ГК-разрушение визуализировалось как с помощью диагностического УЗИ-датчика, так и гистологически.

Цысарь С.А., Саматов А.А., Сапожников О.А. «Компенсация непостоянства скорости звука при измерении акустической голограммы ультразвукового излучателя методом растрового сканирования в условиях переменной температуры» Акустический журнал, 70, № 5S, с. 50 (2024)

Постановка точного граничного условия для решения задачи излучения важна для ряда практических применений ультразвука, в особенности при использовании мощных полей для воздействия на биологические ткани. Одним из методов, позволяющих экспериментально определить колебательную скорость на поверхности излучателя, является акустическая голография. Она основана на измерении двумерного распределения акустического давления в плоскости перед источником. Полученное распределение выступает в роли голограммы и позволяет рассчитать параметры поля на поверхности излучателя. Запись голограммы осуществляется путем растрового перемещения приемника. Если в процессе такого сканирования (которое может потребовать нескольких часов) изменяется температура среды, из-за непостоянства скорости звука возникают искажения голограммы. Особенно существенны эти искажения для голограмм больших волновых размеров, требующих длительной записи. Для компенсации возникающих ошибок в настоящей работе предложен и апробирован метод, основанный на регистрации температуры в процессе записи голограммы и внесении коррекции в скорость звука при использовании интеграла Рэлея в численном алгоритме переноса измеренной голограммы на поверхность излучателя. Эксперименты проводились в воде для нескольких фокусированных излучателей мегагерцового диапазона частот сантиметровых размеров. С помощью нагревателя температура воды изменялась в процессе записи голограмм в пределах нескольких градусов. Обнаружено, что в случае отклонения температуры до 7 градусов от равновесной, ошибка определения колебательной скорости поверхности источника может превышать 50%. Показано, что при применении предложенного метода компенсации отклонение относительно голограммы, записанной при постоянной температуре, не превышает 10%.