а) Ближнее и дальнее поле. Фронт ультразвуковой волны, создаваемый датчиком, - так называемый (основной) волновой конус - при помощи фокусировки ограничивается по ширине и отклонению в так называемой фокусной области, а эффективнее всего - в фокусной точке. Отклонением (элевацией) называется ширина луча перпендикулярно к направлению распространения волны и перпендикулярно к плоскости исследуемого сектора.
Фокусировка достигается как при помощи жестко закрепленной перед пьезоэлектрическим кристаллом акустической линзы, так и при помощи «динамического» электронного концентрирования, причем фокусируются как испускаемые, так и принимаемые волны («dynamic transmit and receive focusing»). В фокусной области отклонение волнового конуса составляет несколько миллиметров. Фокусная область относится к так называемому ближнему полю (или зоне Френеля), в котором ультразвук относительно хорошо сфокусирован и поэтому может быть использован в диагностических целях.
Ультразвуковые поля и фокус:
а. Из-за ультразвуковых волн, возникающих по краям датчика, в ультразвуковом поле происходит их интерференция. Следствием этого является возникновение регионов с высокой волновой энергией не только в центральной области (центральный «волновой конус»), но также и в виде концентрических областей вокруг (так называемые дополнительные волновые конуса или боковые лепестки). Внизу представлен график интенсивности волны на определенном отдалении от датчика в зависимости от угла к плоскости датчика (по 36).
б. Фокус. Схема волнового поля излучения ультразвукового датчика. В ближнем поле в профиле интенсивности хорошо видны боковые лепестки. Оптимальное формирование изображения достигается в фокусной области.
За фокусной областью, в дальнем поле (или зоне Фраунгофера), волновой конус сильно дивергирует как по ширине, так и по отклонению, так что пространственное определение отражающих поверхностей (рефлекторов) становится все более неточным. В области между датчиком и фокусом из-за ревербераций и других нарушений возникают «артефакты ближнего поля». Как правило, качество изображения здесь в значительной мере искажено. Длина диагностически ценного ближнего поля L возрастает вместе с величиной датчика и с основной частотой:
L = r2/λ,
где r - это радиус поверхности датчика, а λ -длина волны. Это означает, что маленькие датчики имеют относительно короткое ближнее поле.
б) Основной и дополнительные волновые конусы. Из-за нежелаемого, но неизбежного распространения волн от краев датчика появляются «дополнительные волновые конусы» (боковые лепестки), которые могут привести к выявлению псевдоструктур. Соотношение энергий в основном и дополнительных волновых конусах в значительной мере влияет на качество изображения. С увеличением размера датчика эффект боковых лепестков усиливается.
Фотография волнового поля в воде. Эта методика (регистрация мелких колебаний среды) позволяет непосредственно увидеть области высокого давления ультразвука.
Ультразвуковой датчик находится слева. Хорошо видно формирование двух боковых лепестков (из 11).
Компьютерная симуляция двумерных волновых полей при различном размере датчиков с фазированной решеткой (соответственно, при различной величине генерирующих ультразвук поверхностей).
По оси у откладывается энергия ультразвука на определенном расстоянии от датчика, по оси х - латеральное расстояние от центра датчика.
Видно, что при увеличении размера датчика от а (точечный источник) до f волновая энергия лучше фокусируется, но при этом возникают более отчетливые боковые лепестки (по 20).
