Письма в ЖЭТФ, том 111, вып. 7, с. 464 - 468

Диагностика локального временного профиля ультразвукового

пучка в воде с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния

С. М. Першин¹⁾, А. П. Брысев¹⁾, М. Я. Гришин, В. Н. Леднев, А. Ф. Бункин, Р. В. Клопотов

Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 26 февраля 2020 г.

После переработки 13 марта 2020 г.

Принята к публикации 13 марта 2020 г.

Впервые с помощью импульсной лазерной спектроскопии комбинационного рассеяния света реа-

лизована диагностика локального профиля акустического давления с пиковым перепадом 50 МПа на

частоте 2.0 МГц в фокусе ультразвукового пучка, распространяющегося в воде. Пучок лазера (527 нм,

10 нс) фокусировали в перетяжку ультразвукового пучка под углом 90^◦. Рассеянные назад фотоны реги-

стрировали в стробируемом спектроанализаторе. Обнаружено, что спектры комбинационного рассеяния

света в моменты, соответствующие максимуму и минимуму акустического давления, заметно отличают-

ся. Используя эту особенность для поточечной репродукции профиля акустического давления, задерж-

ку между импульсами ультразвука и лазера последовательно увеличивали с шагом 50 нс. Показано,

что возникающие при этом изменения в положении центра полосы валентных колебаний О-Н молекул

воды в спектре комбинационного рассеяния света в пределах погрешности измерений воспроизводят

профиль акустического давления, непосредственно измеренный PVDF-гидрофоном в точке лазерного

зондирования. Полученные результаты могут служить основой нового метода дистанционной диагно-

стики временного профиля акустического давления и мониторинга локальных динамических процессов

сжатия-растяжения в воде вплоть до критических значений, соответствующих кавитационному разрыву,

когда использование гидрофона может привести к его разрушению.

DOI: 10.31857/S0370274X20070073

Введение. В экспериментальных исследованиях

струировать временной профиль акустического дав-

нелинейных процессов при распространении интен-

ления в ультразвуковой волне. Однако для профи-

сивных ультразвуковых пучков в жидкостях широ-

ля, искаженного за счет генерации высших гармоник

ко используются методы, основанные на непосред-

и дифракционных эффектов при распространении в

ственном измерении характеристик акустического

жидкости интенсивного ультразвукового пучка (т.е.

поля, например, с помощью широкополосных мем-

для так называемого “нелинейного” профиля), реше-

бранных или игольчатых гидрофонов с пьезоактив-

ние обратной задачи не всегда имеет однозначный

ным PVDF-элементом. В то же время существует до-

результат.

статочно много случаев, когда прямые методы из-

Особый интерес здесь представляет физика изме-

мерений параметров акустического поля в силу тех

нения свойств воды под статическим [5, 6], а также

или иных ограничений оказываются неприменимы-

импульсным давлением (∼ 4 МПа) в фокусе ультра-

ми. В таких ситуациях применяются непрямые, на-

звукового пучка [7] умеренной интенсивности. Было

пример, оптические методы, позволяющие реализо-

установлено, что вариация давления, проявляется в

вать визуализацию ультразвуковых полей и фронтов

несимметричной деформации огибающей ОН полосы

[1, 2]. В работе [3] теоретически исследована возмож-

комбинационного рассеяния (КР) из-за перестройки

ность установления однозначной связи между зна-

структуры водородо-связанных комплексов [8] в во-

чением амплитуды локального акустического давле-

де. Оставалось неясным, будет ли деформация огиба-

ния в жидкости и параметрами лазерного излучения,

ющей ОН полосы молекул воды однозначно обрати-

рассеянного на микрочастицах, находящихся в дан-

мой и линейной при вариации давления до несколь-

ной области. В работе [4] было показано, что, исполь-

ких десятков мегапаскалей в фокусе УЗ пучка высо-

зуя анализ спектра дифракции Рамана-Ната и по-

кой интенсивности.

следующее решение обратной задачи, можно рекон-

В настоящей работе впервые представлены экс-

периментальные результаты по лидарной [9] дистан-

¹⁾e-mail: pershin@kapella.gpi.ru, brysev@ya.ru

ционной диагностике “нелинейного” временного про-

464

Письма в ЖЭТФ том 111 вып. 7 - 8

2020

Диагностика локального временного профиля ультразвукового пучка в воде. . .

465

Рис. 1. (Цветной онлайн) Схема экспериментальной установки. Границы ультразвукового пучка условно показаны

желтыми пунктирными линиями. Лазерный пучок условно показан сплошной зеленой линией. T - длительность од-

ного цикла работы установки, τ - длительность ультразвукового импульса, РС - персональный компьютер, ICCD

(intensified CCD) - ПЗС камера с усилителем яркости

филя интенсивного УЗ пучка в воде, обеспечивающе-

тра ОН полосы в сторону высокочастотного крыла

го перепад акустического давления до 50 МПа. При

[9-11].

этом в качестве измеряемого параметра используется

Экспериментальная установка и методика

величина сдвига гравитационного центра огибающей

измерений. Схема экспериментальной установки

полосы валентных ОН колебаний молекул воды в

представлена на рис. 1. Эксперименты проводились

спектре КР. Ранее мы статистически обосновали [10],

в водном бассейне сечением 145 × 120 мм и высотой

что сдвиг центра ОН полосы КР является наиболее

225 мм, имеющем прозрачные окна в боковых стен-

чувствительным параметром измерения деформации

ках для ввода-вывода лазерного излучения (на рис. 1

ОН полосы воды по сравнению с другими методами

показана фотография бассейна, вид сверху). Сфоку-

анализа, например, деконволюции гауссовскими кри-

сированный ультразвуковой пучок излучался пьезо-

выми составных компонент [5]. Было показано [11],

элементом, имеющим форму сферического сегмента

что физический смысл сдвига центра ОН полосы КР

диаметром 28 мм. Его возбуждение осуществлялось

в воде сопоставим с энтропией или параметром по-

радиоимпульсами с несущей частотой F = 2.0 МГц,

рядка. В акустическом пучке умеренной интенсив-

периодом следования T = 170 мс и длительностью

ности (∼ 4 МПа) [7] сдвиг в сторону низкочастотно-

τ = 35мкс, синтезируемыми в генераторе Tektronix

го крыла был обусловлен увеличением вклада низко-

AFG 3102. Для излучения интенсивного ультразву-

частотных ОН-колебаний крупноразмерных класте-

кового пучка эти радиоимпульсы последовательно

ров в огибающую ОН полосы КР. Отметим здесь от-

усиливали с помощью трех усилителей мощности,

личительную особенность ОН полосы воды, которая

при этом в качестве оконечного усилителя использо-

отсутствует в спектрах КР других жидкостей: пле-

вали модель OM3500HF производства компании OM-

чо на низкочастотном крыле отражает вклад круп-

POWER, имеющую выходную мощность до 3.5 кВт

норазмерных водородо-связанных комплексов [8, 10].

(на рис. 1 показан только оконечный усилитель). Па-

Так, в отличие от давления [7], повышение темпе-

раметры ультразвукового поля при указанных зна-

ратуры воды разрушает эти комплексы, уменьша-

чениях возбуждения были предварительно измере-

ет их вклад в огибающую и увеличивает сдвиг цен-

ны с помощью широкополосного (до 30 МГц) зву-

Письма в ЖЭТФ том 111 вып. 7 - 8

2020

466

С. М. Першин, А. П. Брысев, М. Я. Гришин и др.

копрозрачного мембранного PVDF-гидрофона (GEC

импульса

10 нс, энергия в импульсе

200 мкДж,

Marconi) с диаметром пьезоактивной зоны 0.5 мм, за-

период повторения импульсов

170

мс задается

крепленного на цифровой позиционирующей системе

генератором AFG 3102) и дифракционного спек-

Welmex BiSlide.

трометра (SpectraPhysics MS127i, спектральный

Результаты этих измерений показали, что фо-

диапазон

500-750 нм, спектральное разрешение

кальная перетяжка ультразвукового пучка располо-

0.1 нм), оборудованного охлаждаемой до темпе-

жена в области 57-70 мм от излучателя, ее диаметр

ратуры

-10^◦С ПЗС-камерой со стробируемым

(по уровню 0.7) составляет 2.0 мм. Временной про-

усилителем яркости (Andor iStar, минимальная дли-

филь акустического давления, показанный в цен-

тельность строба 5 нс, минимальный шаг изменения

тре рис. 1, зарегистрирован на оси сфокусированно-

длительности строба 0.25 нс).

го ультразвукового пучка в области фокальной пере-

Распространение высокоинтенсивного ультразву-

тяжки в точке, отстоящей от излучателя на рассто-

кового пучка в воде сопровождается модуляцией

янии 61 мм, в которой перепад акустического давле-

ее показателя преломления в соответствии с

ния P_p-p максимален. Видно, что данный профиль

пространственно-временным профилем давления

претерпел сильную трансформацию своей начальной

ультразвукового поля, которое в данном случае

синусоидальной формы, обусловленную совместным

характеризуется большими градиентами в обла-

действием нелинейных и дифракционных эффектов

сти ударных фронтов. Лазерный пучок, диаметр

при распространении в воде интенсивного ультразву-

которого много меньше длины ультразвуковой

кового пучка. В частности, хорошо выражен удар-

волны, падая под углом 90^◦ на фокальную зону

ный фронт, на котором акустическое давление за до-

акустического пучка с большими градиентами

статочно короткий (не превышающий 30 нс) проме-

показателя преломления, испытывает эффекты

жуток времени меняется от фазы разрежения с ми-

рефракции и рассеяния. Рассеянное назад излуче-

нимумом давления, равным -10 МПа, до фазы сжа-

ние собиралось линзой и направлялось на входную

тия с максимумом давления, равным +40 МПа. Та-

щель спектрометра. Начальный момент излучения

ким образом, суммарный перепад акустического дав-

лазерного импульса, который задавали во втором

ления составляет P_p-p = 50 МПа.

канале генератора AFG3102, был равен времени

Корректность диагностики локального временно-

задержки (T(0)_delay

= 41 + 9 мкс), необходимой

го профиля ультразвуковой волны в геометрии с

для того, чтобы ультразвуковой импульс достиг

взаимно-перпендикулярными лазерным и ультразву-

своей фокальной зоны и обеспечил установивший-

ковым пучками предполагает выполнение следую-

ся режим модуляции давления. Далее задержку

щих двух условий. Во-первых, для хорошего разре-

между импульсами ультразвука и лазера относи-

шения по времени необходимо, чтобы длительность

тельно ее начального значения последовательно

зондирующего лазерного импульса τ_las была много

увеличивали с шагом 50 нс. Для каждого значе-

меньше периода ультразвуковой волны T = 500 нс.

ния времени задержки осуществляли регистрацию

В данном случае это условие выполняется с боль-

пяти спектров, каждый из которых получался

шим запасом, так как τ_las = 10 нс. Во-вторых, для

накоплением по

лазерным импульсам, что в

пространственного разрешения необходимо, чтобы

дальнейшем использовали при вычислении по-

диаметр зондирующего лазерного пучка был мно-

грешности оптических измерений. Обработка и

го меньше длины ультразвуковой волны, равной

анализ зарегистрированных полос валентных О-Н

747 мкм. Это условие выполнялось с помощью фо-

колебаний молекул воды состояли в аппроксима-

кусирующей линзы (рис. 1) с фокусным расстояни-

ции их гауссовым профилем (см. рис. 2, линия) с

ем 60 мм, которая обеспечивала каустику лазерного

последующим вычислением центра ОН полосы в

пучка с диаметром перетяжки, равным 80 мкм в фо-

соответствии с процедурой, подробно описанной

кальной зоне ультразвукового пучка. Отметим, что

[10]. Далее рассчитывали разброс значений в

в этой области ультразвуковой пучок имеет плоский

каждой точке измерений и строили зависимость

волновой фронт.

положения центра ОН полосы КР молекул воды

Для оптического зондирования сфокусирован-

от величины задержки между ультразвуковым и

ного ультразвукового пучка в воде использовали

лазерным импульсами.

компактный лидар КР света, разработанный в

Полученную зависимость графически сопостав-

НЦВИ ИОФ РАН [9]. Лидар собран на импульсном

ляли с локальным временным профилем ультразву-

твердотельном лазере с диодной накачкой (Laser

кового пучка, непосредственно измеренным PVDF-

Compact DTL-319QT, λ

= 527 нм, длительность

гидрофоном в точке лазерного зондирования.

Письма в ЖЭТФ том 111 вып. 7 - 8

2020

Диагностика локального временного профиля ультразвукового пучка в воде. . .

467

Рис. 2. Полоса ОН валентных колебаний молекул воды

в спектре комбинационного рассеяния света (точки) и

ее аппроксимация гауссовой кривой (линия)

Рис. 3. (Цветной онлайн) Результаты лазерного зонди-

рования (шкала справа): красные кружки - центр ОН-

полосы КР в зависимости от задержки между импуль-

Следует отметить, что в этой серии эксперимен-

сами лазера и ультразвука, зеленые квадраты - центр

тов увеличение числа точек в оптических данных бы-

ОН полосы КР в отсутствии ультразвука. По левой

ло ограничено сравнительно небольшим промежут-

шкале: черная сплошная линия - волновой профиль,

ком времени, в течение которого температуру воды

непосредственно зарегистрированный в фокусе ультра-

можно было считать неизменной. При его превыше-

звукового пучка PVDF-гидрофоном в точке лазерного

нии становился существенным дрейф фазы частот-

зондирования

ного наполнения ультразвукового импульса в точке

измерений, вызванный изменением температуры во-

ды, что нарушало корректность используемой мето-

делает возможной диагностику временного профиля

более высокого значения акустического давления в

дики измерений.

Результаты и их обсуждение. Для демонстра-

фокусе пучка при отсутствии гидрофона. Из рисун-

ции результатов дистанционного лазерного зондиро-

ка 3 следует, что для уменьшения разброса значе-

вания локального профиля ультразвукового пучка

ний центра надо увеличить число измерений в се-

был выбран временной промежуток, несколько пре-

рии, частоту следования импульсов лазера и умень-

вышающий один период профиля (см. график на

шить шаг задержки импульсом накачки (акустиче-

рис. 1). На рисунке 3 представлены результаты из-

ским импульсом) и зондирования (импульс лазера),

мерений положения центра ОН полосы КР молекул

что будет учтено в последующих работах расширен-

воды (круги) в зависимости от величины задержки

ного формата. При этом задержка (50 нс) между эти-

ми импульсами позволяет сделать оценку сверху о

T_delay, на которые для большей наглядности сопо-

ставления полученных результатов наложена часть

длительности фронта сжатия - менее 50 нс.

временного профиля ультразвукового пучка, пред-

Существенно заметить, что перестройка структу-

ставленная на рис. 1 и непосредственно зарегистри-

ры комплексов в воде (деформации огибающей ОН

рованная PVDF-гидрофоном в точке лазерного зон-

полосы молекул воды) остается однозначно обрати-

дирования. На рисунке 3 также показано положение

мой и линейной, как на фронте сжатия импульса

центра ОН полосы КР воды в отсутствие ультразву-

(∼ 30 нс), так и в фазе растяжения (∼ 500 нс). Обна-

ка (квадраты). Рисунок 3 демонстрирует, что в пре-

руженная способность воды восстанавливать упру-

делах погрешности измерений временная последова-

гие свойства при периодической динамической на-

тельность вызванных ультразвуком смещений цен-

грузке давлением в локальном объеме дает основа-

тра ОН полосы КР молекул воды, воспроизводит

ние для использования предложенного подхода для

временной профиль: фронт и спад, полученный в той

измерения временных профилей при более высоких

же точке с помощью PVDF-гидрофона. Результаты,

значениях акустического давления вплоть до кри-

представленные на рис. 3, дают оценку перестрой-

тических величин, соответствующих кавитационно-

ки структурных комплексов воды по сдвигу центра

му разрыву в воде, когда существует реальная опас-

ОН полосы КР в воде с порогом обнаружения пе-

ность повреждения гидрофона перепадом давления

репада давления ∼ 20 МПа. Полученная зависимость

на дарном фронте.

Письма в ЖЭТФ том 111 вып. 7 - 8

2020

3^∗

468

С. М. Першин, А. П. Брысев, М. Я. Гришин и др.

Заметим, что значения вариации давления

∼ 50 МПа превышают те, что используются для

А. П. Брысев, Л.М. Крутянский, В. Л. Преображен-

гипертермической ультразвуковой деструкции ра-

ский, УФН 168(8), 877 (1998).

ковых опухолей [12] и уже одного порядка с теми,

В. А. Шутилов, Акустический журнал

5(2),

231

что имеют место в современных промышленных

(1959).

литотриптерах, с помощью которых успешно дробят

И. Л. Расковская, Письма в ЖЭТФ

106(2),

119

камни в организме человека [13].

(2017).

Заключение. Впервые с помощью спектроско-

A. P. Brysev, F. V. Bunkin, M. F. Hamilton, L. M. Kru-

пии КР света выполнена репродукция временного

tyanskii, K. B. Cunningham, V. L. Preobrazhenskii,

профиля акустического давления в фокусе высо-

Yu. V. Pyl’nov, A. D. Stakhovskii, and S. J. Younghouse,

коинтенсивного сфокусированного ультразвукового

Acoust. Phys. 44(6), 641 (1998).

пучка в воде с перепадом давления ∼ 50 МПа на

T. Kawamoto, S. Ochiai, and H. Kagi, J. Chem. Phys.

ударном фронте. Параметром, позволившим воспро-

120(13), 5867 (2004).

извести временной профиль давления ультразвуко-

A. F. Bunkin, V. K. Klinkov, V. Lukianchenko, and

вой волны в данной схеме, является смещение гра-

S. M. Pershin, Phys. of Wave Phenomena 12(4), 180

(2004).

витационного центра ОН-полосы КР молекул воды,

обусловленное увеличением вклада низкочастотного

A. P. Brysev, A. F. Bunkin, R. V. Klopotov,

L. M. Krutyansky, A. A. Nurmatov, and S. M. Pershin,

крыла в деформацию огибающей полосы, вызван-

Optics and Spectroscopy 93(2), 282 (2002).

ную ультразвуком. Полученные результаты могут

Н. Д. Соколов, Водородная связь, под ред. Н. Д. Со-

служить основой нового метода дистанционной ди-

колова, Наука, М. (1981), с. 63.

агностики временного профиля акустического дав-

A. F. Bunkin, V.K. Klinkov, V. N. Lednev,

ления и мониторинга локальных динамических про-

D. L. Lushnikov, A. V. Marchenko, E. G. Morozov,

цессов сжатия-растяжения в воде при высоких (более

S. M. Pershin, and R.N. Yulmetov, Appl. Opt. 51(22),

20 МПа) значениях вплоть до критического состоя-

5477 (2012).

ния - кавитационного разрыва, когда использование

10.

V. N. Lednev, M. Ya. Grishin, S. M. Pershin, and

гидрофона может привести к его разрушению. От-

A. F. Bunkin, Opt. Lett. 41(20), 4625 (2016).

дельный или самостоятельный интерес здесь остает-

11.

S. M. Pershin and A. F. Bunkin, Bulletin of the Russian

ся к вариациям свойств воды от упругой деформа-

Academy of Sciences. Physics/Supplement Physics of

ции к нелинейной зависимости при приближении к

Vibrations 7(4), 217 (1999).

критической точке разрыва сплошности, а также в

12.

D. R. Mittelstein,

Ye, E. F.

Schibber,

A. Roychoudhury, L. T. Martinez, M. H. Fekrazad,

окрестности точки особой температуры воды [14].

M. Ortiz, P. P. Lee, M. G. Shapiro, and M. Gharib, Appl.

Авторы выражают благодарность Л. М. Крутян-

Phys. Lett. 116, 013701 (2020); doi: 10.1063/1.5128627.

скому за полезные консультации и обсуждения. Рабо-

13.

A. D. Maxwell, B. W. Cunitz, W. Kreider,

та выполнена при частичной финансовой поддержке

O. A. Sapozhnikov, R.S. Hsi, J. D. Harper, M. R. Bailey,

гранта Российского научного фонда # 19-19-00712, а

and M. D. Sorensen, J. Urol.

193,

338

(2015);

также при поддержке Международной Ассоцииро-

doi.org/10.1016/j.juro.2014.08.009.

ванной Лаборатории критических и сверхкритиче-

14.

S. M.

Pershin,

L. M.

Krutyansky,

and

ских явлений в функциональной электронике, аку-

V. A. Luk’yanchenko, JETP Lett. 94(2), 121 (2011);

стике и флюидике (LIA LICS).

doi: 10.1134/S0021364011140116.

Письма в ЖЭТФ том 111 вып. 7 - 8

2020