Образец для цитирования:

Никишин Е. Л., Павлова М. В., Сучилин А. В. Метод визуализации пространственно-неоднородных акустических полей от микрообъектов на основе акустооптического взаимодействия в системе с двойным преобразованием Фурье // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2019. Т. 19, вып. 3. С. 178-187. DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2019-19-3-178-187


УДК: 
535.241.13
Язык публикации: 
русский

Метод визуализации пространственно-неоднородных акустических полей от микрообъектов на основе акустооптического взаимодействия в системе с двойным преобразованием Фурье

Аннотация

Представлен метод акустооптической визуализации на основе двойного преобразования Фурье. В гибридном акустооптическом процессоре двойное Фурье-преобразование реализуется в процессе преобразования акустического сигнала от объекта акустической линзой, образованной сопряженными сферическими поверхностями двух кристаллов, и последующей обработки дифрагированного в фотоупругой среде света оптической собирающей линзой. Рассмотрена возможность использования данного способа для отображения с высоким разрешением акустических полей от микрообъектов с характерными размерами десятки микрометров. Изучена зависимость разрешающей способности рассматриваемого устройства визуализации от параметров акустической и оптической систем, а также системы регистрации изображения. Представлена оптическая система ввода лазерного пучка, позволяющая одновременно улучшить разрешающую способность устройства и обеспечить наблюдение акустических полей в широком угловом спектре. Приведены формулы для теоретической оценки разрешающей способности компонентов акустооптического процессора. Показано, что для получения одинаковой разрешающей способности акустооптического процессора по ортогональным направлениям акустического объекта необходимо реализовать оптическую систему с угловым разрешением в плоскостях, соответствующих этим направлениям, равным отношению углового разрешения акустической линзы к коэффициенту анаморфирования. Проведена экспериментальная проверка работоспособности акустооптического процессора. Представлены теоретическая и экспериментальная оценка разрешающей способности устройства в целом.

Литература

1. Солдатов А. И., Селезнев А. И. Визуализация акустического поля в круглом волноводе // Изв. ЮФУ. Техн. науки. 2009. № 10. C. 173–178.

2. Благов А. Е., Даринский А. Н., Ковальчук М. В., Писаревский Ю. В., Просеков П. А., Таргонский А. В. Рентгеноакустические резонаторы для управления пространственными характеристиками рентгеновского излучения // Акустический журн. 2013. Т. 53, № 5. C. 561–568. DOI: https://doi.org/10.7868/S0320791913050031

3. Прохоров В. Е., Чашечкин Ю. Д. Визуализация и акустическая регистрация тонкой структуры стратифицированного течения за вертикальной пластиной // Механика жидкости и газа. 2013. № 6. С. 15–28.

4. Зимняков Д. А., Никишин Е. Л., Павлова М. В., Сучилин А. В. Акустооптический метод отображения распределения стоячих электромагнитных волн в многоэлементных пьезопреобразователях акустоэлектронных устройств // Приборы и техника эксперимента. 2014. № 6. C. 57–61.

5. Profunser D. M., Muramoto E., Matsuda O., Wright O. B., Lang U. Dynamic visualization of surface acoustic waves on a two-dimensional phononic crystal // Phys. Rev. B. 2009. Vol. 80. P. 014301. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.014301

6. Алексеев С. Г., Гуляев Ю. В., Котелянский И. М., Мансфельд Г. Д. Некоторые тенденции развития акустоэлектроники сверхвысоких частот // УФН. 2005. Т. 175, № 8. C. 895–900.

7. Corso C. D., Dickherber A., Hunt W. D. Lateral fi eld excitation of thickness shear mode waves in a thin fi lm ZnO solidly mounted resonator // J. Appl. Phys. 2007. Vol. 101. P. 054514. DOI: https://doi.org/10.1063/1.2562040

8. Yoshino Y. Piezoelectric thin fi lms and their applications for electronics // J. Appl. Phys. 2009. Vol. 105, iss. 6. P. 061623. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3072691

9. Qin L., Chen Q., Cheng H., Chen Q., Li J.-F., Wang Q.-M. Viscosity sensor using ZnO and AlN thin fi lm bulk acoustic resonators with tilted polar c-axis orientations // J. Appl. Phys. 2011. Vol. 110, iss. 9. P. 094511. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3657781

10. Prasad M., Sahula V., Vinod Kumar K. V. ZnO etching and microtunnel fabrication for high-reliability MEMS acoustic sensor // IEEE Trans. on Device Mater. Reliability. 2014. Vol. 14, iss. 1. P. 545–554. DOI: https://doi.org/10.1109/TDMR.2013.2271245

11. Hickernell F. S. Zinc-Oxide Thin-Film Surface-Wave Transducers // Proceedings of the IEEE. 1976. Vol. 64, iss. 5. P. 631–635. DOI: https://doi.org/10.1109/PROC.1976.10187

12. Nalamwar A. L., Wagers R. S., Epstein M. Effi cient bulkwave excitation by interdigital transducers in layered media // J. Appl. Phys.1977. Vol. 48, iss. 6. P. 2175–2178. DOI: https://doi.org/10.1063/1.324017

13. Jing B., Chigan P., Ge Z., Wu L., Wang S., Wan M. Visualizing the movement of the contact between vocal folds during vibration by using array-based transmission ultrasonic glottography // Journal of the Acoustical Society of America. 2017. Vol. 141, iss. 5. P. 3312–3322. DOI: https://doi.org/10.1121/1.4983472

14. Pudovikov S., Bulavinov A., Pinchuk R. Innovative Ultrasonic Testing (UT) of Nuclear Components by Sampling Phased Array with 3D Visualization of Inspection Results // DGZfP Proceedings 8th International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurised Components 2010 (Berlin, Germany, 29.09.2010–1.10.2010). Berlin, 2011. Paper Th.2.C.6, 10 p.

15. Ohno M., Takagi K. Schlieren visualization of acoustic phase conjugate waves generated by nonlinear electroacoustic interaction in LiNbO3 // Appl. Phys. Lett. 1992. Vol. 60, iss. 1. P. 29–31. DOI: https://doi.org/10.1063/1.107356

16. Hargather M. J., Settles G. S., Madalis M. J. Schlieren imaging of loud sounds and weak shock waves in air near the limit of visibility // Shock Waves. 2010. Vol. 20, iss. 1. P. 9–17. DOI: https://doi.org/10.1007/s00193-009-0226-6

17. Goh C. L., Rahim R. A., Rahiman H. F., Zhen Cong T., Wahad Y. A. Simulation and experimental study of the sensor emitting frequency for ultrasonic tomography system in a conducting pipe // Flow Measurement and Instrumentation. 2017. Vol. 54. P. 158–171. DOI: https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2017.01.003

18. Суханов Д. Я., Ерзакова Н. Н. Восстановление изображений звукоизлучающих объектов по многопозиционным широкополосным дистанционным измерениям звукового поля // Изв. вузов. Физика. 2013. Т. 56, № 8/2. С. 57–61.

19. Korpel A. Vizualization of the cross-section of a sound beam by Bragg diffraction of light // Appl. Phys. Lett. 1966. Vol. 9. P. 425–427.

20. Ахмед М., Уэйд Г. Брэгговская акустоскопия // Тр. Ин-та инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. 1979. Т. 67, вып. 4. C. 170–190.

21. Korpel A.Acousto-optics. N.Y. : Marcel Dekker Inc., 1997. 396 p.

22. Зюрюкин Ю. А., Колотырин А. А., Князев А. А. Принципы брэгговской акустооптической визуализации с двойным Фурье-преобразованием // Проблемы оптической физики : материалы междунар. Молодежной науч. школы по оптике, лазерной физике и биофизике. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2000. С. 163–164.

23. Колотырин А. А., Зимняков Д. А., Никишин Е. Л., Здражевский Р. А., Заварин С. В. Гибридный акустооптический Фурье-процессор для визуализации пространственно-неоднородных акустических полей // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37, вып. 21. С. 9–16.

24. Пат. 2470268 Рос. Федерация, МПК G01H 9/00. Устройство для визуализации пространственно-неоднородных акустических полей от микрообъектов / Зимняков Д. А., Колотырин А. А., Никишин Е. Л. Заявл. 01.07.2011 ; опубл. 20.12.2012, Бюл. № 35.

25. Колотырин А. А., Никишин Е. Л., Павлова М. В., Сучилин А. В. Анализ визуального отображения акустического объекта в гибридном акустооптическом процессоре // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2014 : материалы междунар. науч.-техн. конф. Саратов : Изд-во СГТУ, 2014. Т. 1. С. 290–294. DOI: https://doi.org/10.1109/APEDE.2014.6958763

26. Никишин Е. Л., Павлова М. В., Сучилин А. В. Теоретическая и экспериментальная оценка коэффициента анаморфирования в гибридном акустооптическом устройстве визуализации акустических полей // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2016 : материалы междунар. науч.-техн. конф. Саратов : Изд-во СГТУ, 2016. Т. 1. С. 427–431. DOI: https://doi.org/10.1109/APEDE.2016.7878923

27. Балакший В. И., Парыгин В. Н., Чирков Л. Е. Физические основы акустооптики. М. : Радио и связь, 1985. 280 с.

28. Пат. 2658585 Рос. Федерация, МПК G01H 9/00. Устройство для визуализации акустических полей от микрообъектов / Зимняков Д. А., Никишин Е. Л., Павлова М. В., Сучилин А. В. Заявл. 02.05.2017 ; опубл. 21.06.2018, Бюл. № 18.

Полный текст в формате PDF (на русском языке):