В высокорейтинговом журнале The Journal of the Acoustical Society of America (Q1, IF 2.1) опубликована наша статья «Method for measuring acoustic radiation force of a focused ultrasound beam acting on an elastic sphere» («Метод измерения акустической радиационной силы, действующей на упругую сферу со стороны фокусированного ультразвукового пучка»).

Акустическая радиационная сила (АРС) – это нелинейное волновое явление, которое возникает при передаче рассеивающему или поглощающему объекту импульса падающей на него акустической волны. Явление АРС активно используется в практических приложениях ультразвука, особенно биомедицинских: выталкивание и направленное перемещение почечных камней и их фрагментов в теле человека; манипулирование клетками, малыми частицами и миллиметровыми объектами (акустический пинцет); акустическая левитация; эластография (т.е. измерение упругости биотканей); биофабрикация конструктов из тканевых сфероидов; и т.д.

К настоящему моменту существует много различных численных способов расчета акустической радиационной силы (АРС), в частности, способ расчета методом углового спектра (SB model), разработанный с участием со-руководителя LIMU О.А. Сапожникова, в случае действия АРС на сферический твердотельный рассеиватель (шар) со стороны произвольного ультразвукового пучка. В настоящей работе численные расчеты проводились с использованием SB model.

Несмотря на большое количество теоретических работ по расчету (аналитическому или численному) АРС, экспериментов по верификации методов расчета гораздо меньше. Хорошо проработан случай падающей плоской волны на сферический рассеиватель: в частности, развит метод подвешивания рассеивателя на нити, где АРС определяется из угла отклонения нити от положения равновесия. Однако для фокусированных пучков, используемых на практике (в частности, при выталкивании почечных камней), такой метод уже не подходит из-за сильной неоднородности поля в зоне фокуса. Ранее в нашей лаборатории уже предлагался метод для измерения вертикальной компоненты АРС в поле фокусированных пучков – «метод баланса», основанный на уравновешивании радиационной силы и силы Архимеда (направленных вертикально вверх) силой тяжести (направленной вертикально вниз). Однако данный метод оказался трудоемким, при этом точность измерений была недостаточно высокой (до 10%). В связи с этим, авторами был предложен другой оригинальный метод измерения АРС – метод взвешивания (* подходит только для измерения вертикальной составляющей силы), где:

• шар фиксируется в системе туго натянутых лесок;
• лески крепятся к специальной жесткой конструкции;
• конструкция огибает стенки бассейна и опирается на электронные весы;
• при подаче сигнала на излучатель, на шар начинает действовать АРС, величина которой пропорциональна показаниям на электронных весах;
• величина АРС измерялась вдоль акустической оси излучателя.

Данный метод был применен в вышедшей статье для измерения вертикальной компоненты АРС, действующей на миллиметровые шары (2-8 мм) из стали и стекла со стороны фокусированного пучка. В результате проведенных исследований показано, что:

• результаты численного моделирования хорошо согласуются с результатами экспериментального измерения АРС (т.е. произведена верификация способа расчета SB model);
• отклонения экспериментальной кривой от теоретической в виде осцилляций обусловлены образованием стоячих волн между поверхностями рассеивателя (шара) и излучателя;
• с помощью специально подобранной электрической нагрузки амплитуда возникающих из-за стоячих волн осцилляций в зависимости силы от расстояния была подавлена в 2-4 раза (с использованием метода, также разработанного в нашей лаборатории);
• величина АРС линейно зависит от полной акустической мощности падающего пучка, что согласуется с теорией.

Предложенный и продемонстрированный метод развит по аналогии с известным "методом взвешивания" ультразвукового пучка для определения его полной акустической мощности и позволяет проводить измерения АРС с высокой точностью (точность весов 40 мкН; при измерениях в фокусе – точность до 1%, вдали от фокуса – до 10%).

Подробности – в тексте статьи.