Ультразвуковые поля со специальной пространственно-временной структурой и их воздействие на жидкую среду распространения и помещённые в ней твердотельные объекты

Номер гранта:17-02-00261
Область научного знания:физика и астрономия
Тип конкурса: (а)(а) конкурс проектов фундаментальных научных исследований
Год выполнения:2017г.
Руководитель: О. А.Сапожников
Статус заявки:поддержана

Аннотация к заявке:

Ультразвук – один из видов невидимых и неслышимых волновых процессов, о существовании которого люди узнали лишь в начале XIX века. И только в последние десятилетия он нашёл широкое применение в разных сферах человеческой деятельности – в медицине, биологии, исследованиях океана, промышленности. Одним из недавних приложений стало использование мощного ультразвука мегагерцового диапазона в терапии. Кроме медицинских и инженерных проблем, для развития указанных приложений мощного ультразвука необходимо решить ряд чисто физических задач, связанных с исследованием характера распространения акустических волн большой амплитуды, описанием их взаимодействия с твердотельными препятствиями, анализом процессов переноса энергии и количества движения, а в некоторых случаях и момента импульса. Одна из задач проекта – разработка методов создания закрученных (вортексных) ультразвуковых пучков мегагерцового диапазона частот. Другим направлением работ являлся теоретический анализ и экспериментальное исследование акустической радиационной силы, оказываемой на твердотельные рассеиватели в фокусированном ультразвуковом пучке в зависимости от частоты источника и при различном соотношении диаметров рассеивателя и пучка. Интерес к явлению акустической радиационной силы вызван возможностью различных применений этого эффекта. Так, радиационная сила позволяет реализовать левитацию мелких частиц и микропузырей или создавать гидродинамические потоки в жидкости (акустические течения) за счет поглощения жидкостью ультразвукового пучка. Ещё одним направлений работ по проекту являлось исследование недавно предложенного перспективного метода фрагментации почечных камней с помощью мощных ультразвуковых импульсов. Такие импульсы являются узкополосными волнами и представляют собой последовательность акустических циклов, которые могут возбуждать интенсивные упругие стоячие волны в камне (т.е. вызывать резонанс), что позволяет измельчать камень при относительно низких пиковых звуковых давлениях падающего поля. Проведённые исследования позволили понять особенности поведения ультразвуковых пучков со сложной структурой и предложить новые возможные направления по использованию мощного ультразвука.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ПРОЕКТУ

Статьи в реферируемых журналах

1.    Prieur, F., and Sapozhnikov, O.A. Modeling of the acoustic radiation force in elastography. – J. Acoust. Soc. Am., 2017, v. 142, no. 2, pp. 947–961; https://doi.org/10.1121/1.4998585

2.    Анненкова Е.А., Сапожников О.А., Саймон Д., Крайдер У. Нелинейная эволюция сферической стоячей волны в акустически возбужденной жидкой капле. – Ученые записки физического факультета Московского Университета, № 5, с. 1750902–1-1750902–4.

3.    Черепанова Ж.В., Крыжановский М.А., Цысарь С.А., Сапожников О.А. Применение эффекта радиационного давления для измерения потерь энергии ультразвукового пучка при его прохождении через расположенный в жидкости твердотельный слой. – Ученые записки физического факультета Московского Университета, № 5, с. 1750304-1-1750304-4.

4.    Николаева А.В., Сапожников О.А., Бэйли М.Р. Теоретический анализ зависимости радиационной силы, оказываемой акустическим пучком на твердотельный сферический рассеиватель, от соотношения ширины пучка и диаметра рассеивателя. – Ученые записки физического факультета Московского Университета, № 5, с. 1750910-1-1750910-5.

5.    Терзи М.Е., Цысарь С.А., Юлдашев П.В., Сапожников О.А. Теоретический анализ крутящего момента, оказываемого закрученным ультразвуковым пучком на расположенный в жидкости поглотитель. – Ученые записки физического факультета Московского Университета, № 5, с. 1751313–1-1751313–4.

6.    Хасанова М.В., Цысарь С.А., Николаев Д.А., Сапожников О.А. Теоретическое исследование и экспериментальная демонстрация возможности создания режима плоской бегущей волны при использовании плоского пьезоэлектрического источника большого волнового размера. – Ученые записки физического факультета Московского Университета, № 5, с. 1750709-1-1750709-6.

7.    Сухоручкин Д.А., Цысарь С.А., Сапожников О.А. Ультразвуковая визуализация малых рассеивателей через неоднородный по толщине твердотельный слой. – Ученые записки физического факультета Московского Университета, № 5, с. 1750708-1-1750708-5.

8.    Дорофеева А.А., Сапожников О.А. Учет влияния дифракционной расходимости и неидеальности отражения от металлического рефлектора при градуировке пьезоэлектрического преобразователя методом самовзаимности. – Ученые записки физического факультета Московского Университета, № 5, с. 1750301–1-1750301–5.

9.    Полянский А.И., Сапожников О.А. Численное моделирование рассеяния ультразвуковых импульсов на поверхностных газовых пузырьках применительно к задаче ультразвуковой визуализации почечных камней в доплеровском режиме. – Ученые записки физического факультета Московского Университета, № 5, с. 1750705–1-1750705–5.

10.  Simon, J.C, Sapozhnikov, O.A., Kreider, W., Breshock, M., Williams Jr., J.C., and Bailey, M.R. The role of trapped bubbles in kidney stone detection with the color Doppler ultrasound twinkling artifact. – Physics in Medicine and Biology, 2018, v. 63, no. 2, 025011 (10 pp).

11.  Matula, T.J., Sapozhnikov, O.A., Ostrovsky, L.A., Brayman, A.A., Kucewicz, J., MacConaghy, B.E., and De Raad, D. Ultrasound-based cell sorting with microbubbles: A feasibility study. – J. Acoust. Soc. Am., 2018, v. 144, no. 1, pp. 41–52.

12.  Сапожников О.А., Анненкова Е.А. Нелинейные сферические стоячие волны в акустически возбужденной жидкой капле. – Акуст. ж., 2018, т. 64, № 3, с. 308–317. Статья в переводной версии журнала: Sapozhnikov, O.A., and Annenkova, E.A. Nonlinear spherical standing waves in an acoustically excited liquid drop. – Acoustical Physics, 2018, v. 64, no. 3, pp. 299–308.

13.  Сухоручкин Д.А., Юлдашев П.В., Цысарь С.А., Хохлова В.А., Свет В.Д., Сапожников О.А. Эхо-импульсная ультразвуковая визуализация в применении к транскраниальной диагностике структур головного мозга. – Известия РАН. Серия физическая, 2018, т. 82, № 5, с. 578–582. Статья в переводной версии журнала: Sukhoruchkin, D.A., Yuldashev, P.V., Tsysar, S.A., Khokhlova, V.A., Svet, V.D., and Sapozhnikov, O.A., Use of pulse-echo ultrasound imaging in transcranial diagnostics of brain structures. – Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2018, v. 82, no. 5, pp. 507–511.

14.  Полянский А.И., Сапожников О.А. Теоретическое исследование кавитационного механизма возникновения артефакта мерцания при ультразвуковой визуализации почечных камней. – Известия РАН. Серия физическая, 2018, т. 82, № 5, с. 616–620. Статья в переводной версии журнала: Polyanskiy, A.I., and Sapozhnikov, O.A. Theoretical study of the cavitation mechanism of the twinkling artefact in the ultrasound imaging of kidney stones. – Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2018, v. 82, no. 5, pp. 545–549.

15.  Анненкова Е.А., Сапожников О.А. Тепловые и кавитационные явления и поверхностная неустойчивость как механизмы взрывов капель в акустических фонтанах. – Известия РАН. Cерия физическая, 2019, т. 83, № 1, с. 87–90. Статья в переводной версии журнала: Annenkova, E.A., and Sapozhnikov, O.A. Surface instability and thermal and cavitational phenomena as mechanisms of drop explosions in acoustic fountains. – Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2019, v. 83, no. 1, pp. 73–76.

16.  Николаева А.В., Карзова М.М., Цысарь С.А., Хохлова В.А., Сапожников О.А. Численное и экспериментальное исследование акустической радиационной силы, действующей в поле фокусированного излучателя на упругую сферу в воде. – Известия РАН. Cерия физическая, 2019, т. 83, № 1, с. 91–95. Статья в переводной версии журнала: Nikolaeva, A.V., Karzova, M.M., Tsysar, S.A., Khokhlova, V.A., and Sapozhnikov, O.A. Simulating and measuring the acoustic radiation force of a focused ultrasonic beam on elastic spheres in water. – Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2019, v. 83, no. 1, pp. 77–81.

17.  Ghanem, M.A., Maxwell, A.D., Sapozhnikov, O.A., Khokhlova, V.A., and Bailey, M.R. Quantification of acoustic radiation forces on solid objects in fluid. – Physical Review Applied, 2019, v. 12, pp. 044076 (1–13). https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevApplied.12.044076

18.  Nikolaeva, A., Karzova, M., Tsysar, S., Khokhlova, V., and Sapozhnikov, O. Experimental study of radiation force by a focused ultrasound beam on an elastic scatterer in a fluid. – Proceedings of Meetings on Acoustics, 2019, v. 38, pp. 045009/1 – 045009/5; https://doi.org/10.1121/2.0001069

Статьи в сборниках трудов конференций

1.    Сапожников О.А. Физическая акустика почечных камней: диагностика, манипуляция, фрагментация. – Сборник трудов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 27 (на CD). ТАКЖЕ – Программа и аннотации докладов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 28.

2.    Анненкова Е.А., Сапожников О.А., Саймон Д., Крайдер У. Акустическая нелинейность как механизм взрывов жидких капель в акустических фонтанах. – Сборник трудов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 392–399 (на CD). ТАКЖЕ – Программа и аннотации докладов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30‑й сессии Российского акуст. общ-ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 56.

3.    Николаева А.В., Сапожников О.А., Бэйли М.Р. Акустическая радиационная сила, действующая со стороны ультразвукового пучка на находящийся в жидкости твердотельный шар: эффект зависимости силы от ширины пучка, обусловленный возбуждением сдвиговых волн. – Сборник трудов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 443–452 (на CD). ТАКЖЕ –  Программа и аннотации докладов 2‑й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 ‑ 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 60.

4.    Терзи М.Е., Цысарь С.А., Юлдашев П.В., Сапожников О.А. Экспериментальное исследование способности закрученных ультразвуковых пучков поворачивать поглотители больших волновых размеров. – Сборник трудов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 593–600 (на CD). ТАКЖЕ –  Программа и аннотации докладов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ‑ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 70–71.

5.    Черепанова Ж.В., Сапожников О.А., Цысарь С.А., Крыжановский М.А. Использование радиационной силы, оказываемой на протяжённый поглотитель, для измерения акустических потерь при прохождении ультразвукового пучка через твердотельный слой. – Сборник трудов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 677–684 (на CD). ТАКЖЕ –  Программа и аннотации докладов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 76.

6.    Дорофеева А.А., Сапожников О.А. Учёт влияния дифракционной расходимости и неидеальности отражения от металлического рефлектора при градуировке пьезоэлектрического преобразователя методом самовзаимности. – Сборник трудов 2 й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 ‑ 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 743–750 (на CD). ТАКЖЕ – Программа и аннотации докладов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 80–81.

7.    Сухоручкин Д.А., Цысарь С.А., Сапожников О.А. Эхо-импульсная ультразвуковая визуализация через неоднородный по толщине твердотельный слой в применении к транскраниальной диагностике структур мозга. – Сборник трудов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 1511–1518 (на CD). ТАКЖЕ –  Программа и аннотации докладов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 131.

8.    Хасанова М.В., Сапожников О.А. Создание плосковолнового ультразвукового поля в ближней зоне излучателя конечного размера с целью измерения акустических характеристик среды распространения. – Сборник трудов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 1551–1557 (на CD). ТАКЖЕ –  Программа и аннотации докладов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 134.

9.    Полянский А.И., Сапожников О.А. Численное исследование кавитационного механизма артефакта мерцания при ультразвуковой визуализации камней в почках. – Сборник трудов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 1558–1565 (на CD). ТАКЖЕ –  Программа и аннотации докладов 2-й Всероссийской акуст. конф-ии и 30-й сессии Российского акуст. общ-ва (6 – 9 июня 2017 г., Нижний Новгород), ИПФ РАН, 2017, с. 134–135.

10.  Дорофеева А.А., Сапожников О.А., Цысарь С.А., Николаев Д.А. Плоский пьезоэлектрический преобразователь как устройство по созданию эталонного поля. – Cборник трудов XVI Всероссийской школы-семинара «Волны в неоднородных средах» имени профессора А.П. Сухорукова (27 мая – 1 июня 2018 г., пос. Красновидово, Можайский район, Московская область), секция 7, с. 13–15.

11.  Николаева А.В., Карзова М.М., Цысарь С.А., Хохлова В.А., Сапожников О.А. Численное и экспериментальное исследование акустической радиационной силы, действующей в поле фокусированного излучателя на упругий шар в воде. – Cборник трудов XVI Всероссийской школы-семинара «Волны в неоднородных средах» имени профессора А.П. Сухорукова (27 мая – 1 июня 2018 г., пос. Красновидово, Можайский район, Московская область), секция 8, с. 39–43.

12.  Сапожников О.А. Нелинейные волновые явления при лечении мочекаменной болезни. – Cборник трудов XVI Всероссийской школы-семинара «Волны в неоднородных средах» имени профессора А.П. Сухорукова (27 мая – 1 июня 2018 г., пос. Красновидово, Можайский район, Московская область), секция 8, с. 58.

13.  Хасанова М.В., Медведева Е.В., Николаев Д.А., Росницкий П.Б., Цысарь С.А., Хохлова В.А., Сапожников О.А. Исследование акустических характеристик гелевых фантомов биологической ткани путем создания плоской волны в ближней зоне излучателя конечного размера. – Cборник трудов XVI Всероссийской школы-семинара «Волны в неоднородных средах» имени профессора А.П. Сухорукова (27 мая – 1 июня 2018 г., пос. Красновидово, Можайский район, Московская область), секция 8, с. 66–69.

14.  Котельникова Л.М., Николаев Д.А., Цысарь С.А., Сапожников О.А. Использование характеристик рассеяния ультразвуковой волны на упругом шаре для определения его акустических параметров. – Сборник трудов XVII Всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн» им. проф. А.П. Сухорукова (г. Можайск, Московская область, 26-31 мая 2019 г., ISBN 978-5-600-02483-0), pp. 36‑39.

Аннотации (абстракты) докладов на конференциях, не вошедшие в предыдущий раздел

1.    Sapozhnikov, O., Annenkova, E., Kreider, W., and Simon, J.C. Acoustic nonlinearity and the generation of large tensile pressures to explain atomization in drop-chain acoustic fountains. – J. Acoust. Soc. Am., 2017, v. 141, no. 5, Pt. 2, p. 3506; http://doi.org/10.1121/1.4987346.

2.    Sapozhnikov, O.A., Tsysar, S.A., Khokhlova, V.A., Bulanova, E.A., Parfenov, V.A., Khesuani, Y.D., Mironov, V.A., and Svet, V.D. Levitation of tissue spheroids and spheroid-mimicking plastic beads in a liquid using ultrasonic fields of complex structure for scaffold-free bioprinting. – Abstract book of the 2017 International Conference on Biofabrication (15–18 October, 2017, Beijing, China), p.1 (on memory stick).

3.    Sapozhnikov, O.A., Nikolaeva, A.V., Bailey, M.R. The role of shear waves in the generation of the radiation force on an elastic sphere in a liquid by a quasi-Gaussian acoustic beam. – Abstract book of International Congress on Ultrasonics (ICU 2017, December 18–20, Honolulu, USA), pp. 53–54.

4.    Sapozhnikov, O., Khokhlova, V., Rosnitskiy, P., and Gavrilov, L. Various approaches for designing phased arrays for high-intensity focused ultrasound therapies: From sparse to fully-populated configurations. – J. Acoust. Soc. Am., 2018, v. 144, no. 3, Pt. 2, p. 1698.

5.    Matula, T., Sapozhnikov, O.A., Ostrovsky, L., Brayman, A., Kucewicz, J., MacConaghy, B., and De Raad, D. Feasibility of using ultrasound with microbubbles to purify cell lines for immunotherapy application. – J. Acoust. Soc. Am., 2018, v. 144, no. 3, Pt. 2, p. 1750.

6.    Ghanem, M.A., Maxwell, A.D., Khokhlova, V.A., Sapozhnikov, O.A., and Bailey, M.R. Measurement and calculation of lateral trapping strength of focused beams generated by a two-dimensional ultrasound array. – J. Acoust. Soc. Am., 2018, v. 144, no. 3, Pt. 2, p. 1897.

7.    Sapozhnikov, O.A., Kreider, W., Tsysar, S.A., Nikolaev, D.A., and Khokhlova, V.A. Acoustic holography for calibration of ultrasound sources and in situ fields in therapeutic ultrasound. – J. Acoust. Soc. Am., 2019, v. 145, no. 3, Pt. 2, p. 1857. https://doi.org/10.1121/1.5101705

8.    Tsysar, S.A., Nikolaev, D.A., and Sapozhnikov, O.A. Characterization of a two‑dimensional ultrasound array using transient acoustic holography. – Abstract Book of the 2019 International Congress on Ultrasonics (Bruges, Belgium, 3–6 September, 2019), p. 212. https://kuleuvencongres.be/2019icu/media/icu-2019-abstract-book-final-oct.pdf

9.    Nikolaev, D.A., Tsysar, S.A., Khokhlova, V.A., and Sapozhnikov, O.A. Acoustic characterization of an absorptive layer using acoustic holography. – Abstract Book of the 2019 International Congress on Ultrasonics (Bruges, Belgium, 3–6 September, 2019), p.213. https://kuleuvencongres.be/2019icu/media/icu-2019-abstract-book-final-oct.pdf

10.  Sapozhnikov, O.A., Nikolaev, D.A., Tsysar, S.A., Khokhlova, V.A., and Kreider, W. Experimental verification of the theoretical relationship between the acoustic power and corresponding radiation force for an ultrasonic beam. – Abstract Book of the 2019 International Congress on Ultrasonics (Bruges, Belgium, 3–6 September, 2019), p. 277. https://kuleuvencongres.be/2019icu/media/icu-2019-abstract-book-final-oct.pdf

11.  Nikolaeva, A.V., Karzova, M.M., Tsysar, S.A., Khokhlova, V.A., and Sapozhnikov, O.A. Experimental study of radiation force exerted by a focused ultrasound beam on an elastic scatterer in a fluid. – Abstract Book of the 2019 International Congress on Ultrasonics (Bruges, Belgium, 3–6 September, 2019), p. 459. https://kuleuvencongres.be/2019icu/media/icu-2019-abstract-book-final-oct.pdf

12.  Ghanem, M.A., Maxwell, A.D., Sapozhnikov, O.A., and Bailey, M.R. Acoustic manipulation of large solid objects for medical applications. – J. Acoust. Soc. Am., 2019, v. 146, no. 4, Pt. 2, p. 2993. https://doi.org/10.1121/1.5137360

Аннотации к заявке и отчету приведены в авторской редакции. по состоянию на 25.09.2020.

Фотогалерея:

Рис.1 Рис.2 Рис.3 Рис.4
Помог ли вам материал?
0    0