Ultragarso fizikos skyrius gana išsamiai aprašytas daugelyje šiuolaikinių echografijos monografijų. Mes sutelksime dėmesį tik į kai kurias ultragarso savybes, kurių nežinant neįmanoma suprasti ultragarsinio vaizdo gavimo proceso.

Ultragarso greitis ir žmogaus audinių savitoji banga (pagal V. N. Demidovą)

Ultragarso banga, pasiekusi dviejų terpių ribą, gali atsispindėti arba nukeliauti toliau. Ultragarso atspindžio koeficientas priklauso nuo ultragarso varžos skirtumo sąsajoje: kuo šis skirtumas didesnis, tuo stipresnis atspindžio laipsnis. Atspindžio laipsnis priklauso nuo spindulio kritimo kampo į sąsają tarp terpių: kuo labiau kampas artėja prie stačiojo kampo, tuo stipresnis atspindžio laipsnis.

Taigi, žinant tai, galima rasti optimalų ultragarso dažnį, kuris suteikia maksimalią skiriamąją gebą esant pakankamam įsiskverbimui.

Pagrindiniai principai, kuriais grindžiamas ultragarsinės diagnostikos įrangos veikimas, - Tai plinta Ir ultragarso atspindys.

Diagnostinių ultragarsinių prietaisų veikimo principas yra ultragarso virpesių atspindys iš audinių, turinčių tam tikrą akustinį pasipriešinimą, sąsajų. Manoma, kad ultragarso bangų atspindys sąsajoje atsiranda tada, kai terpės akustinių tankių skirtumas yra ne mažesnis kaip 1%. Garso bangų atspindžio dydis priklauso nuo akustinio tankio skirtumo sąsajoje, o atspindžio laipsnis – nuo ​​ultragarso pluošto kritimo kampo.

Ultragarso vibracijų priėmimas

Ultragarsinių virpesių gamyba paremta tiesioginiu ir atvirkštiniu pjezoelektriniu efektu, kurio esmė ta, kad kristalų paviršių paviršiuje susidarius elektros krūviams, pastarieji pradeda spausti ir temptis. Pjezoelektrinių keitiklių pranašumas yra tai, kad ultragarso šaltinis vienu metu gali būti jo imtuvas.

Ultragarsinio jutiklio sandaros schema

Jutiklis turi pjezoelektrinį kristalą, kurio kraštuose pritvirtinti elektrodai. Už kristalo yra ultragarsą sugeriantis medžiagos sluoksnis, kuris sklinda priešinga nei reikiama kryptimi. Tai pagerina gauto ultragarso pluošto kokybę. Paprastai keitiklio generuojamas ultragarso spindulys turi didžiausią galią centre ir mažėja kraštuose, todėl centre ir periferijoje ultragarso skiriamoji geba skiriasi. Spindulio centre visada galima gauti stabilius atspindžius tiek nuo didesnio, tiek nuo mažesnio tankio objektų, o pluošto periferijoje – mažiau tankūs objektai, o tankesni – kaip mažiau tankūs.

Šiuolaikinės pjezoelektrinės medžiagos leidžia jutikliams siųsti ir priimti ultragarsą plačiu dažnių diapazonu. Galima valdyti akustinio signalo spektro formą, sukuriant ir išlaikant Gauso signalo formą, kuri yra atsparesnė dažnių juostos iškraipymui ir centrinio dažnio poslinkiui.

Naujausiose ultragarso prietaisų konstrukcijose didelę raišką ir vaizdo aiškumą užtikrina dinaminio fokusavimo sistema ir plačiajuostis aido filtras, skirtas įeinantiems ir išeinantiems ultragarsiniams spinduliams fokusuoti naudojant mikrokompiuterį. Tai užtikrina idealų ultragarso pluošto profiliavimą ir pagerinimą bei giliųjų struktūrų vaizdo, gauto naudojant sektorių skenavimą, šoninės skiriamosios gebos charakteristikas. Fokusavimo parametrai nustatomi pagal dažnį ir jutiklio tipą. Plačiajuostis aido filtras užtikrina optimalią skiriamąją gebą, derindamas dažnius, kad atitiktų aido, praeinančio per minkštuosius audinius, sugertį. Didelio tankio kelių elementų jutiklių naudojimas padeda pašalinti klaidingus aidus, kuriuos sukelia šoninė ir galinė difrakcija.

Šiandien pasaulyje vyksta arši konkurencija tarp firmų kuriant kokybiškas ir aukščiausius reikalavimus atitinkančias vizualines sistemas.

Visų pirma, „Acuson Corporation“ nustatė konkretų vaizdo kokybės ir klinikinės įvairovės standartą ir sukūrė 128 XP TM platformą – pagrindinį nuolatinio tobulinimo modulį, leidžiantį gydytojams išplėsti klinikinių tyrimų apimtį, atsižvelgiant į jų poreikius.

Platformoje naudojami 128 elektroniniu požiūriu nepriklausomi kanalai, kuriuos galima vienu metu naudoti tiek siuntimui, tiek priėmimui, užtikrinant išskirtinę erdvinę skiriamąją gebą, audinių kontrastą ir vaizdo vienodumą visame regėjimo lauke.

Ultragarso diagnostikos instrumentai skirstomi į tris klases: vienmačius, dvimačius ir trimačius.

Vienmačiuose skaitytuvuose informacija apie objektą vaizduojama vienu matmeniu išilgai objekto gylio, o vaizdas įrašomas kaip vertikalios smailės. Pagal smailių amplitudę ir formą galima spręsti apie audinio struktūrines savybes ir sričių, kuriose atsispindi aido signalai, gylį. Šio tipo prietaisai naudojami echoencefalografijoje smegenų vidurinės linijos struktūrų ir tūrinių (skystų ir kietų) darinių poslinkiui nustatyti, oftalmologijoje – akies dydžiui, navikų ir svetimkūnių buvimui nustatyti, echopulsografija – tirti kaklo miego ir slankstelinių arterijų bei jų intrakranijinių šakų pulsaciją ir kt. Šiems tikslams naudojamas 0,88–1,76 MHz dažnis.

2D skeneriai

2D skeneriai Jie skirstomi į rankinius nuskaitymo įrenginius ir veikiančius realiuoju laiku.

Šiuo metu paviršiaus struktūroms ir vidaus organams tirti naudojami tik realiu laiku veikiantys įrenginiai, kuriuose informacija nuolat atsispindi ekrane, todėl galima dinamiškai stebėti organo būklę, ypač tiriant judančias struktūras. Šių įrenginių veikimo dažnis yra nuo 0,5 iki 10,0 MHz.

Praktikoje dažniau naudojami jutikliai, kurių dažnis yra nuo 2,5 iki 8 MHz.

3D skeneriai

Jų naudojimas reikalauja tam tikrų sąlygų:

- apvalios arba dailių kontūrų formacijos buvimas;

- struktūrinių darinių, esančių skysčių erdvėse (vaisius gimdoje, akies obuolys, tulžies akmenys, svetimkūnis, polipas skysčiu užpildytame skrandyje ar žarnyne, apendiksas uždegiminio skysčio fone, taip pat visi pilvo organai fone, buvimas). ascito skysčio);

— sėslūs struktūriniai dariniai (akies obuolys, prostata ir kt.).

Taigi, atsižvelgiant į šiuos reikalavimus, trimačiai skeneriai gali būti sėkmingai naudojami akušerijos tyrimams, pilvo ertmės tūrinei patologijai, siekiant tiksliau atskirti nuo kitų struktūrų, urologijoje prostatos tyrimams, siekiant diferencijuoti struktūrinę skvarbą. kapsulė oftalmologijoje, kardiologijoje, neurologijoje ir angiologijoje.

Dėl naudojimo sudėtingumo, didelės įrangos kainos ir daugybės sąlygų bei apribojimų jie šiuo metu naudojami retai. Tačiau 3D skenavimas — tai ateities echografija.

Doplerio ultragarsas

Doplerio ultragarso principas yra tas, kad ultragarso signalo dažnis, kai atsispindi nuo judančio objekto, kinta proporcingai jo greičiui ir priklauso nuo ultragarso dažnio bei kampo tarp ultragarso sklidimo krypties ir srauto krypties. . Šis metodas sėkmingai naudojamas kardiologijoje.

Metodas įdomus ir vidaus ligoms, nes gali suteikti patikimą informaciją apie vidaus organų kraujagyslių būklę, neįvedant į organizmą kontrastinių medžiagų.

Dažniau naudojamas kompleksiniam pacientų, kuriems įtariama portalinė hipertenzija ankstyvosiose stadijose, ištyrimui, nustatant vartų kraujotakos sutrikimų sunkumą, vartų venų sistemos blokados lygį ir priežastį, taip pat tiriant portalo pokyčius. kraujotaka pacientams, sergantiems kepenų ciroze, skiriant vaistus (beta adrenoblokatorius, AKF inhibitorius ir kt.).

Visuose įrenginiuose yra dviejų tipų ultragarsiniai jutikliai: elektromechaniniai ir elektroniniai. Abiejų tipų jutikliai, bet dažniau elektroniniai, turi modifikacijų, skirtų naudoti įvairiose medicinos srityse tiriant suaugusiuosius ir vaikus.

Klasikinėje realaus laiko versijoje naudojami 4 elektroninio nuskaitymo metodai : sektorius, linijinis, išgaubtas ir trapecijos formos, kiekvienai iš jų būdingi specifiniai stebėjimo lauko bruožai. Tyrėjas gali pasirinkti nuskaitymo metodą, atsižvelgdamas į jam tenkančią užduotį ir vietą.

Sektorių nuskaitymas

Privalumai:

- didelis matymo laukas tyrinėjant gilias sritis.

Taikymo sritis:

— naujagimių kraniologiniai tyrimai per didelį fontanelį;

— kardiologiniai tyrimai;

- bendrieji dubens organų (ypač ginekologijos ir prostatos), retroperitoninės sistemos organų pilvo tyrimai.

Linijos nuskaitymas

Privalumai:

— didelis matymo laukas apžiūrint negilias kūno vietas;

— didelė skiriamoji geba tiriant gilias kūno vietas dėl kelių elementų jutiklio;

Taikymo sritis:

— paviršiaus struktūros;

- kardiologija;

- dubens organų ir perinefrinės srities tyrimas;

– akušerijoje.

Išgaubtas skenavimas

Privalumai:

- mažas kontaktinis plotas su paciento kūno paviršiumi;

— didelis stebėjimo laukas tyrinėjant gilias sritis.

Taikymo sritis:

- bendrieji pilvo tyrimai.

Trapecijos skenavimas

Privalumai:

— didelis stebėjimo laukas tiriant arti kūno paviršiaus ir giliai gulinčius organus;

— lengvas tomografinių pjūvių atpažinimas.

Taikymo sritis:

— bendrieji pilvo tyrimai;

- akušerijos ir ginekologijos.

Be visuotinai pripažintų klasikinių skenavimo metodų, naujausių įrenginių dizainuose naudojamos technologijos, leidžiančios juos kokybiškai papildyti.

Vektorinio nuskaitymo formatas

Privalumai:

— su ribota prieiga ir skenavimas iš tarpšonkaulinės erdvės užtikrina akustines charakteristikas su minimalia jutiklio apertūra. Vektorinio vaizdo formatas suteikia platesnį vaizdą artimame ir tolimame lauke.

Taikymo sritis yra tokia pati kaip ir sektoriaus nuskaitymo.

Nuskaitymas priartinimo zonos pasirinkimo režimu

Tai specialus operatoriaus pasirinktos dominančios zonos nuskaitymas, siekiant pagerinti vaizdo akustinės informacijos turinį dvimačiu ir spalvotu Doplerio režimu. Pasirinkta dominanti sritis rodoma naudojant visas akustines ir rastrines linijas. Geresnė vaizdo kokybė lemia optimizuotą linijų ir pikselių tankį, didesnę skiriamąją gebą, didesnį kadrų dažnį ir didesnius vaizdus.

Naudojant įprastą plotą, išlieka ta pati akustinė informacija, o naudojant įprastą RES priartinimo zonos pasirinkimo formatą, pasiekiamas vaizdo padidinimas su padidinta raiška ir didesne diagnostikos informacija.

Kelių hercų vizualizacija

Plačiajuostės pjezoelektrinės medžiagos suteikia šiuolaikiniams jutikliams galimybę veikti plačiu dažnių diapazonu; suteikia galimybę pasirinkti konkretų dažnį iš daugybės jutikliuose esančių dažnių diapazono, išlaikant vaizdo vienodumą. Ši technologija leidžia keisti jutiklio dažnį vos paspaudus mygtuką, negaištant laiko keičiant jutiklį. Tai reiškia, kad vienas jutiklis atitinka dvi ar tris specifines charakteristikas, o tai padidina jutiklių vertę ir klinikinį universalumą (Acuson, Siemens).

Reikiamą ultragarso informaciją naujausiose įrenginio instrukcijose galima užšaldyti įvairiais režimais: B režimu, 2B režimu, 3D, B+B režimu, 4B režimu, M režimu ir įrašyti naudojant spausdintuvą ant specialaus popieriaus, kompiuteryje. kasetė ar vaizdo juosta su kompiuteriniu informacijos apdorojimu.

Nuolat tobulinama žmogaus kūno organų ir sistemų ultragarsinė vizualizacija, nuolat atsiveria nauji horizontai ir galimybės, tačiau teisingas gautos informacijos interpretavimas visada priklausys nuo tyrėjo klinikinio pasirengimo lygio.

Šiuo atžvilgiu dažnai prisimenu pokalbį su bendrovės „Aloca“ atstovu, kuris atvyko pas mus paleisti pirmojo realaus laiko įrenginio „Aloca SSD 202 D“ (1982). Į mano susižavėjimą, kad Japonija sukūrė ultragarsinio įrenginio su kompiuteriniu vaizdo apdorojimu technologiją, jis atsakė: „Kompiuteris yra geras, bet jei kitas kompiuteris (rodo į galvą) neveikia gerai, tai tas kompiuteris nieko vertas.

Ultragarso sklidimo greitis betone svyruoja nuo 2800 iki 4800 m/s, priklausomai nuo jo struktūros ir stiprumo (2.2.2 lentelė).

2.2.2 lentelė

Tokio greičio matavimas santykinai nedideliuose plotuose (vidutiniškai 0,1-1 m) yra gana sudėtinga techninė problema, kurią galima išspręsti tik esant aukštam radijo elektronikos išsivystymo lygiui. Iš visų esamų ultragarso sklidimo greičio matavimo metodų, atsižvelgiant į galimybę juos naudoti statybinėms medžiagoms išbandyti, galima išskirti:

Akustinio interferometro metodas;

Rezonanso metodas;

Keliaujančios bangos metodas;

Pulso metodas.

Ultragarso greičiui betone matuoti plačiausiai naudojamas impulsinis metodas. Jis pagrįstas pakartotiniu trumpų ultragarso impulsų siuntimu į betoną 30-60 Hz pasikartojimo dažniu ir šių impulsų sklidimo laiko matavimu tam tikru atstumu, vadinamu zondavimo baze, t.y.

Todėl, norint nustatyti ultragarso greitį, reikia išmatuoti impulso nueitą atstumą (garsavimo bazę) ir laiką, per kurį ultragarsas sklinda nuo emisijos taško iki priėmimo. Zondavimo bazę galima išmatuoti bet kokiu prietaisu 0,1 mm tikslumu. Ultragarso sklidimo laikas daugumoje šiuolaikinių prietaisų matuojamas užpildant elektroninius vartus aukšto dažnio (iki 10 MHz) skaičiavimo impulsais, kurių pradžia atitinka impulso sklidimo momentą, o pabaiga – jo sklidimo momentą. atvykimas į imtuvą. Supaprastinta tokio įrenginio funkcinė schema parodyta fig. 2.2.49.

Schema veikia taip. Pagrindinis generatorius 1 generuoja elektros impulsus, kurių dažnis yra nuo 30 iki 50 Hz, priklausomai nuo įrenginio konstrukcijos, ir paleidžia aukštos įtampos generatorių 2, kuris generuoja trumpus 100 V amplitudės elektros impulsus. Šie impulsai patenka į emiterį. , kuriame, naudojant pjezoelektrinį efektą, jie paverčiami paketu (nuo 5 iki 15 vnt.) mechaniniais virpesiais, kurių dažnis yra 60-100 kHz ir įvedamas per akustinį tepalą į kontroliuojamą gaminį. Tuo pačiu metu atsidaro elektroniniai vartai, kurie užpildomi skaičiavimo impulsais, suveikia nuskaitymo blokas, o elektronų pluoštas pradeda judėti per katodinių spindulių vamzdžio (CRT) ekraną.

Ryžiai. 2.2.49. Supaprastinta ultragarsinio prietaiso funkcinė schema:

1 - pagrindinis osciliatorius; 2 - aukštos įtampos elektros impulsų generatorius; 3 - ultragarsinis impulsų skleidėjas; 4 - kontroliuojamas produktas; 5 - imtuvas; 6 - stiprintuvas; 7 - vartų formavimo generatorius; 8 - skaičiavimo impulsų generatorius; 9 - skaitytuvas; 10 - indikatorius; 11 - procesorius; 12 - koeficiento įvesties blokas; 13 - skaitmeninės vertės indikatorius t, V, R

Ultragarsinių mechaninių virpesių paketo galvos banga, praėjusi pro kontroliuojamą L ilgio sandaugą, praleisdama laiką t, patenka į imtuvą 5, kuriame paverčiama elektros impulsų paketu.

Atvykęs impulsų paketas sustiprinamas 6 stiprintuve ir patenka į vertikalaus skenavimo bloką vizualiniam stebėjimui CRT ekrane, o pirmasis šio paketo impulsas uždaro vartus, sustabdydamas skaičiuojančių impulsų prieigą. Taigi elektroniniai vartai buvo atviri impulsų skaičiavimui nuo ultragarso virpesių skleidimo momento iki patekimo į imtuvą, t.y. laikas t. Tada skaitiklis suskaičiuoja skaičiavimo impulsų, kurie užpildė vartus, skaičių, o rezultatas rodomas indikatoriuje 13.

Kai kurie šiuolaikiniai įrenginiai, tokie kaip Pulsar-1.1, turi procesorių ir koeficientų įvesties bloką, kurio pagalba išsprendžiama analitinė greičio ir stiprumo ryšio lygtis, o skaitmeniniame ekrane rodomas laikas t, greitis V ir betono stiprumas R. .

Ultragarso sklidimo greičiui betone ir kitose statybinėse medžiagose matuoti buvo masiškai gaminami ultragarsiniai prietaisai UKB-1M, UK-10P, UK-10PM, UK-10PMS, UK-12P, UV-90PTs, Beton-5. 80-ųjų, o tai labai rekomenduojama.

Pav. 2.2.50 rodo bendrą UK-10PMS įrenginio vaizdą.

Ryžiai. 2.2.50. Ultragarsinis prietaisas UK-10PMS

Ultragarso sklidimo betone greitį įtakojantys veiksniai

Visas gamtoje esančias medžiagas galima suskirstyti į dvi dideles grupes, santykinai vienarūšes ir turinčias didelį nevienalytiškumo ar nevienalytiškumo laipsnį. Santykinai vienalytėms medžiagoms priskiriamos tokios medžiagos kaip stiklas, distiliuotas vanduo ir kitos medžiagos, kurių tankis yra pastovus normaliomis sąlygomis ir be oro intarpų. Jiems ultragarso sklidimo greitis normaliomis sąlygomis yra beveik pastovus. Heterogeninėse medžiagose, kurios apima daugumą statybinių medžiagų, įskaitant betoną, vidinė struktūra, mikrodalelių ir didelių sudedamųjų elementų sąveika nėra pastovi tiek tūrio, tiek laiko atžvilgiu. Jų struktūroje yra mikro- ir makroporų, įtrūkimų, kurie gali būti sausi arba užpildyti vandeniu.

Santykinė didelių ir mažų dalelių padėtis taip pat skiriasi. Visa tai lemia tai, kad ultragarso sklidimo tankis ir greitis juose yra nenuoseklūs ir svyruoja plačiose ribose. Lentelėje 2.2.2 rodo kai kurių medžiagų tankio ρ ir ultragarso sklidimo greičio V reikšmes.

Toliau nagrinėsime, kaip tokių betono parametrų, kaip stiprumas, stambaus užpildo sudėtis ir tipas, cemento kiekis, drėgmė, temperatūra ir armatūros buvimas, pokyčiai veikia ultragarso sklidimo betone greitį. Šios žinios būtinos norint objektyviai įvertinti betono stiprumo stebėjimo galimybę ultragarso metodu, taip pat pašalinti daugybę stebėjimo klaidų, susijusių su šių veiksnių pokyčiais.

Betono stiprumo poveikis

Eksperimentiniai tyrimai rodo, kad didėjant betono stiprumui, didėja ultragarso greitis.

Tai paaiškinama tuo, kad greičio vertė, kaip ir stiprumo vertė, priklauso nuo intrastruktūrinių ryšių sąlygų.

Kaip matyti iš grafiko (2.2.51 pav.), įvairių kompozicijų betono „greičio ir stiprumo“ santykis nėra pastovus, vadinasi, šį ryšį, be stiprumo, įtakoja ir kiti veiksniai.

Ryžiai. 2.2.51. Ultragarso greičio V ir stiprio R c ryšys įvairios sudėties betonui

Deja, kai kurie veiksniai veikia ultragarso greitį labiau nei stiprumą, o tai yra vienas iš rimtų ultragarso metodo trūkumų.

Jei imsime pastovios sudėties betoną, o stiprumą pakeisime priimdami kitą W/C, tai kitų faktorių įtaka bus pastovi, o ultragarso greitis keisis tik nuo betono stiprumo. Tokiu atveju greičio ir stiprumo santykis taps labiau apibrėžtas (2.2.52 pav.).

Ryžiai. 2.2.52. Pastovios betono sudėties greičio ir stiprumo santykis, gautas gelžbetonio gamykloje Nr. 1 Samaroje

Cemento rūšies ir prekės ženklo įtaka

Palyginus betono bandymų naudojant įprastą portlandcementį ir kitus cementus rezultatus, galime daryti išvadą, kad mineraloginė sudėtis turi mažai įtakos greičio ir stiprumo ryšiui. Didžiausią įtaką daro trikalcio silikato kiekis ir cemento malimo smulkumas. Svarbesnis veiksnys, turintis įtakos greičio ir stiprio ryšiui, yra cemento sąnaudos 1 m 3 betono, t.y. jo dozavimas. Didėjant cemento kiekiui betone, ultragarso greitis didėja lėčiau nei betono mechaninis stiprumas.

Tai paaiškinama tuo, kad ultragarsas, eidamas per betoną, sklinda tiek per stambųjį užpildą, tiek per skiedinio dalį, jungiančią užpildo granules, o jo greitis labai priklauso nuo sklidimo greičio stambiame užpilde. Tačiau betono stiprumas daugiausia priklauso nuo skiedinio komponento stiprumo. Cemento kiekio įtaka betono stiprumui ir ultragarso greičiui parodyta fig. 2.2.53.

Ryžiai. 2.2.53. Cemento dozės įtaka priklausomybei

„greitis-stiprumas“

1- 400 kg/m3; 2 - 350 kg/m3; 3 - 300 kg/m 3; 4 - 250 kg/m3; 5 - 200 kg/m 3

Vandens ir cemento santykio poveikis

Sumažėjus W/C, betono tankis ir stiprumas didėja, atitinkamai didėja ultragarso greitis. Didėjant W/C, stebimas atvirkštinis ryšys. Vadinasi, W/C pakeitimas nesukelia didelių nukrypimų į nustatytą greičio ir stiprumo ryšį.

Tipo įtakaIr stambaus užpildo kiekis

Stambiojo užpildo tipas ir kiekis turi didelę įtaką greičio ir stiprumo santykio pokyčiams. Ultragarso greitis užpilduose, ypač kvarce, bazalte, kietajame kalkakmenyje ir granite, yra žymiai didesnis nei jo sklidimo betone greitis.

Stambių užpildų tipas ir kiekis taip pat turi įtakos betono stiprumui. Visuotinai pripažįstama, kad kuo stipresnis užpildas, tuo didesnis betono stiprumas. Tačiau kartais tenka susidurti su reiškiniu, kai naudojant mažiau patvarią skaldą, bet šiurkščiu paviršiumi galima gauti didesnės Re vertės betoną nei naudojant patvarų žvyrą, bet lygaus paviršiaus.

Šiek tiek pasikeitus skaldos sunaudojimui, betono stiprumas šiek tiek pasikeičia. Tuo pačiu toks stambaus užpildo kiekio pokytis turi didelę įtaką ultragarso greičiui.

Betonui prisotinus skaldos, ultragarso greitis didėja. Šiurkščiavilnių užpildų tipas ir kiekis turi įtakos greičio ir stiprumo ryšiui labiau nei kiti veiksniai (2.2.54 – 2.2.56 pav.)

Ryžiai. 2.2.54. Šiurkščiavilnių užpildų įtaka greičio ir stiprumo ryšiui:

1 - cemento akmuo; 2 - betonas su užpildu iki 30 mm

Ryžiai. 2.2.55. Skirtingų užpildų dydžių betono greičio ir stiprumo santykis: 1-1 mm; 2-3 mm; 3-7 mm; 4-30 mm

Ryžiai. 2.2.56. Greičio ir stiprumo santykis betonui su užpildu iš:

1-smiltainis; 2-kalkakmenis; 3-granitas; 4-bazaltas

Iš grafikų matyti, kad padidėjus skaldos kiekiui betono tūrio vienete arba padidinus ultragarso greitį jame, ultragarso greitis betone didėja intensyviau nei stiprumas.

Drėgmės ir temperatūros poveikis

Betono drėgmės kiekis turi dviprasmišką įtaką jo stiprumui ir ultragarso greičiui. Didėjant betono drėgmei, gniuždymo stipris mažėja dėl tarpkristalinių jungčių pokyčių, tačiau ultragarso greitis didėja, nes oro poros ir mikroįtrūkimai užpildomi vandeniu, A greitis vandenyje yra didesnis nei ore.

Betono temperatūra 5–40 ° C diapazone praktiškai neturi įtakos stiprumui ir greičiui, tačiau padidinus sukietėjusio betono temperatūrą, viršijančią nurodytą diapazoną, sumažėja jo stiprumas ir greitis, nes padidėja vidinių mikroįtrūkimų.

Esant neigiamai temperatūrai, ultragarso greitis didėja dėl nesurišto vandens virsmo ledu. Todėl esant minusinei temperatūrai nerekomenduojama nustatyti betono stiprumo ultragarso metodu.

Ultragarso sklidimas betone

Betonas savo struktūroje yra nevienalytė medžiaga, kurią sudaro skiedinio dalis ir šiurkštus užpildas. Skiedinio dalis, savo ruožtu, yra sukietėjęs cementinis akmuo, kuriame yra kvarcinio smėlio dalelių.

Priklausomai nuo betono paskirties ir jo stiprumo charakteristikų, cemento, smėlio, skaldos ir vandens santykis skiriasi. Be tvirtumo užtikrinimo, betono sudėtis priklauso ir nuo gelžbetonio gaminių gamybos technologijos. Pavyzdžiui, naudojant kasečių gamybos technologiją, reikalingas didesnis betono mišinio plastiškumas, kuris pasiekiamas sunaudojant daugiau cemento ir vandens. Tokiu atveju betono skiedinio dalis padidėja.

Taikant stendo technologiją, ypač su greitu nuėmimu, naudojami standūs mišiniai su mažesniu cemento suvartojimu.

Santykinis stambaus užpildo tūris šiuo atveju didėja. Vadinasi, esant tokioms pačioms betono stiprumo charakteristikoms, jo sudėtis gali skirtis plačiose ribose. Betono struktūros formavimuisi įtakos turi gaminių gamybos technologija: betono mišinio maišymo kokybė, jo transportavimas, tankinimas, terminis ir drėgmės apdorojimas kietėjimo metu. Iš to išplaukia, kad sukietėjusio betono savybes įtakoja daugybė veiksnių, o įtaka yra dviprasmiška ir atsitiktinio pobūdžio. Tai paaiškina didelį betono sudėties ir savybių nevienalytiškumą. Betono nevienalytiškumas ir skirtingos savybės atsispindi ir jo akustinėse charakteristikose.

Šiuo metu, nepaisant daugybės bandymų, dar nėra sukurta vieninga ultragarso sklidimo betonu schema ir teorija, o tai paaiškinama ) visų pirma, dėl daugybės aukščiau paminėtų veiksnių, kurie turi skirtingą poveikį betono stiprumui ir akustinėms savybėms. Šią situaciją apsunkina tai, kad dar nėra sukurta bendra ultragarso virpesių sklidimo per medžiagą, turinčią didelį nehomogeniškumo laipsnį, teorija. Vienintelė priežastis, kodėl ultragarso greitis betone yra nustatomas vienalyčiai medžiagai pagal formulę

čia L yra ultragarso nueitas kelias, m (bazė);

t yra laikas, praleistas keliaujant šiuo keliu, μs.

Išsamiau panagrinėkime impulsinio ultragarso sklidimo per betoną kaip per nevienalytę medžiagą schemą. Tačiau pirmiausia apribosime sritį, kurioje mūsų samprotavimai galios, atsižvelgdami į gelžbetonio gamyklose ir statybvietėse dažniausiai naudojamo betono mišinio, susidedančio iš cemento, upės smėlio, stambaus užpildo ir vandens, sudėtį. Šiuo atveju darysime prielaidą, kad stambaus užpildo stiprumas yra didesnis nei betono stiprumas. Tai tiesa, kai kaip stambius užpildus naudojamas klintis, marmuras, granitas, dolomitas ir kitos apie 40 MPa stiprio uolienos. Įprastai darykime prielaidą, kad sukietėjęs betonas susideda iš dviejų komponentų: santykinai vienalytės skiedinio dalies, kurios tankis ρ ir greitis V, ir stambaus užpildo su ρ ir V.

Atsižvelgiant į nurodytas prielaidas ir apribojimus, sukietėjęs betonas gali būti laikomas kieta terpe su akustine varža:

Panagrinėkime galvos ultragarso bangos sklidimo nuo emiterio 1 iki imtuvo 2 per L storio sukietėjusį betoną schemą (2.2.57 pav.).

Ryžiai. 2.2.57. Galvos ultragarso bangos sklidimo schema

betone:

1 - emiteris; 2 - imtuvas; 3 - kontaktinis sluoksnis; 4 - bangos sklidimas granulėse; 5 - bangos sklidimas tirpalo dalyje

Galvos ultragarso banga iš emiterio 1 pirmiausia patenka į kontaktinį sluoksnį 3, esantį tarp spinduliuojančio paviršiaus ir betono. Kad ultragarso banga praeitų per kontaktinį sluoksnį, jis turi būti užpildytas laidžiu skysčiu arba tepalu, kuris dažniausiai naudojamas kaip techninis vazelinas. Praėjusi per kontaktinį sluoksnį (laiku t 0), ultragarso banga iš dalies atsispindi priešinga kryptimi, o likusi dalis pateks į betoną. Kuo plonesnis kontaktinis sluoksnis, palyginti su bangos ilgiu, tuo mažiau bangos atsispindės.

Patekusi į betono storį, galvos banga pradės sklisti betono skiedinio dalyje per plotą, atitinkantį emiterio skersmenį. Nuvažiavus tam tikrą atstumą Δ l 1, po laiko Δ t 1 galvos banga tam tikroje srityje susidurs su viena ar keliomis stambaus užpildo granulėmis, iš dalies atsispindės nuo jų, o didžioji dalis pateks į granules ir pradės į jas sklisti. Tarp granulių banga ir toliau sklis per tirpalo dalį.

Atsižvelgiant į priimtą sąlygą, kad ultragarso greitis stambioje nerūdinėje medžiagoje yra didesnis nei skiedinio dalyje, atstumas d yra lygus vidutinei skaldos skersmens vertei, bangai, sklindančiai per granules greičiu. V 2 praeis pirmiausia, o banga, einanti per skiedinio dalį, bus atidėta.

Praėjusi pro pirmąsias stambaus užpildo granules, banga artėja prie sąsajos su skiedinio dalimi, iš dalies atsispindi ir iš dalies patenka į ją. Šiuo atveju granulės, per kurias praėjo galvos banga, vėliau gali būti laikomos elementariais sferiniais ultragarso bangų spinduliuotės šaltiniais į betono skiedinio dalį, kuriems gali būti pritaikytas Huygenso principas.

Praleidusi per tirpalą minimalų atstumą tarp gretimų granulių, galvos banga pateks į jas ir pradės per jas sklisti, paversdama jas kitais elementariais šaltiniais. Taigi, po laiko t, perėjusi per visą betono L storį ir antrąjį kontaktinį sluoksnį 3, galvos banga pateks į imtuvą 2, kur bus paversta elektriniu signalu.

Iš nagrinėjamos diagramos matyti, kad galvos banga nuo emiterio 1 iki imtuvo 2 sklinda keliu, einančiu per stambaus užpildo granules ir jas jungiančią skiedinio dalį, ir šis kelias nustatomas pagal minimalaus praėjusio laiko sąlygą. t.

Vadinasi, laikas t

kur laikas, praleistas praeinant tirpalo dalį, jungiančią granules;

Laikas, per kurį praeina granulės. Ultragarsu nueitas kelias L lygus

čia: - visas galvos bangos nueitas kelias per tirpalo dalį;

Visas galvos bangos nueitas kelias per granules.

Bendras atstumas L, kurį nukeliaus galvos banga, gali būti didesnis už geometrinį atstumą tarp emiterio ir imtuvo, nes banga sklinda didžiausio greičio keliu, o ne mažiausiu geometriniu atstumu.

Laikas, praleistas ultragarsu, praeinant per kontaktinius sluoksnius, turi būti atimtas iš viso išmatuoto laiko.

Bangos, kurios seka galvos bangą, taip pat sklinda didžiausio greičio keliu, tačiau judant susidurs su atsispindėjusiomis bangomis iš stambių užpildų granulių ir skiedinio dalies sąsajos. Jei granulių skersmuo yra lygus bangos ilgiui arba pusei jo, tada granulės viduje gali atsirasti akustinis rezonansas. Interferencijų ir rezonanso poveikį galima stebėti ultragarso bangų paketo, einančio per betoną su skirtingo dydžio agregatais, spektrine analize.

Aukščiau aptarta impulsinio ultragarso galvos bangos sklidimo schema galioja tik betonui, kurio savybės nurodytos skyriaus pradžioje, t.y. mechaninis stiprumas ir ultragarso sklidimo greitis medžiagoje, iš kurios gaunamos stambios užpildo granulės, viršija stiprumą ir greitį betono skiedinio dalyje. Dauguma betonų, naudojamų gelžbetonio gamyklose ir statybvietėse, kuriose naudojama skalda iš kalkakmenio, marmuro ir granito, turi šias savybes. Keramzitbetonio, putplasčio betono ir betono su tufo užpildu ultragarso sklidimo modelis gali skirtis.

Nagrinėjamos schemos pagrįstumą patvirtina eksperimentai. Taigi, iš fig. 2.2.54 matyti, kad į cementinę dalį įpylus tam tikrą skaldos kiekį, ultragarso greitis didėja šiek tiek padidėjus (o kartais ir mažėjant) betono stiprumui.

Pav. 2.2.56. Pastebima, kad padidėjus ultragarso greičiui stambioje užpildo medžiagoje, jo greitis betone didėja.

Greičio padidėjimas betone su didesniu užpildu (2.2.55 pav.) taip pat paaiškinamas šia schema, nes didėjant skersmeniui ultragarso kelias per užpildo medžiagą ilgėja.

Siūloma ultragarso sklidimo schema leis objektyviai įvertinti ultragarsinio metodo galimybes aptikti defektus ir stebėti betono stiprumą.

13. Akustika(iš graikų ἀκούω (akuo) - girdėti) - mokslas apie garsą, tiriantis fizinę garso prigimtį ir problemas, susijusias su jo atsiradimu, pasiskirstymu, suvokimu ir poveikiu. Akustika yra viena iš fizikos (mechanikos) sričių, tirianti tamprius virpesius ir bangas nuo žemiausių (sąlygiškai nuo 0 Hz) iki aukštų dažnių.

Akustika – tarpdisciplininis mokslas, savo problemoms spręsti pasitelkiantis įvairiausias disciplinas: matematiką, fiziką, psichologiją, architektūrą, elektroniką, biologiją, mediciną, higieną, muzikos teoriją ir kitas.

Kartais (kasdieniame gyvenime) pagal akustika taip pat suprasti akustinę sistemą – elektrinį įtaisą, skirtą kintamo dažnio srovę paversti garso virpesiais naudojant elektroakustinę konversiją. Sąvoka akustika taip pat taikoma vibracinėms savybėms, susijusioms su garso sklidimo kokybe bet kurioje sistemoje ar bet kurioje patalpoje, žymėti, pavyzdžiui, „gera koncertų salės akustika“.

Terminas „akustika“ (prancūzų k.) akustika) 1701 m. pristatė J. Sauveur.

Tonas lingvistikoje aukštumo naudojimas žodžių/morfemų reikšmėms atskirti. Tonas turėtų būti atskirtas nuo intonacijos, tai yra, tonas pokyčių santykinai dideliame kalbos segmente (teiginyje ar sakinyje). Įvairūs tonų vienetai, turintys semantinę-skiriamąją funkciją, gali būti vadinami tonais (analogiškai su fonema).

Tonas, kaip ir intonacija, fonacija ir kirčiavimas, reiškia suprasegmentinius arba prozodinius bruožus. Tono nešėjai dažniausiai yra balsės, tačiau yra kalbų, kuriose šį vaidmenį gali atlikti ir priebalsiai, dažniausiai sonantai.

Toninė arba toninė kalba yra kalba, kurios kiekvienas skiemuo tariamas tam tikru tonu. Įvairios toninės kalbos taip pat yra kalbos su muzikiniu kirčiu, kai akcentuojamas vienas ar keli žodžio skiemenys, o skirtingi kirčiavimo tipai kontrastuojami su tono ypatybėmis.

Tonų kontrastus galima derinti su fonaciniais (tokių yra daugelis Pietryčių Azijos kalbų).

Triukšmas- įvairios fizinės prigimties atsitiktiniai svyravimai, pasižymintys jų laiko ir spektrinės struktūros sudėtingumu. Iš pradžių žodis triukšmo reiškė išskirtinai garso virpesius, tačiau šiuolaikiniame moksle jis buvo išplėstas ir kitoms vibracijų rūšims (radijo, elektros).

Triukšmas- įvairaus intensyvumo ir dažnio periodinių garsų rinkinys. Fiziologiniu požiūriu triukšmas yra bet koks nepalankus suvokiamas garsas.

Akustinis, garsinis bumas- tai garsas, susijęs su smūgio bangomis, kurias sukuria viršgarsinis orlaivio skrydis. Garsinis bumas sukuria didžiulį garso energijos kiekį, panašų į sprogimą. Botago garsas yra aiškus akustinio bumo pavyzdys. Tai momentas, kai lėktuvas pramuša garso barjerą, tada, prasiskverbdamas pro savo garso bangą, sukuria galingą, momentinį garsą, kuris sklinda į šalis. Tačiau pačiame lėktuve jis nėra girdimas, nes garsas „atsilieka“ nuo jo. Garsas primena itin galingos patrankos šūvį, drebinantį visą dangų, todėl viršgarsiniams orlaiviams rekomenduojama pereiti prie viršgarsinio nuotolio nuo miestų, kad netrukdytų ir negąsdintų piliečių

Fizikiniai garso parametrai

Virpesių greitis matuojamas m/s arba cm/s. Kalbant apie energiją, tikrosioms virpesių sistemoms būdingas energijos pokytis dėl dalinių išlaidų darbui prieš trinties jėgas ir spinduliuotę į aplinkinę erdvę. Elastingoje terpėje vibracijos palaipsniui išnyksta. Dėl savybių slopinami svyravimai Naudojamas slopinimo koeficientas (S), logaritminis sumažėjimas (D) ir kokybės koeficientas (Q).

Silpninimo koeficientas atspindi greitį, kuriuo laikui bėgant mažėja amplitudė. Jei žymime laiką, per kurį amplitudė sumažėja e = 2,718 karto, tada:

Amplitudės sumažėjimas per ciklą apibūdinamas logaritminiu mažėjimu. Logaritminis mažėjimas yra lygus virpesių periodo ir slopinimo laiko santykiui:

Jei svyruojančią sistemą su nuostoliais veikia periodinė jėga, tai priverstiniai svyravimai , kurio pobūdis vienu ar kitu laipsniu kartoja išorinių jėgų pokyčius. Priverstinių svyravimų dažnis nepriklauso nuo virpesių sistemos parametrų. Priešingai, amplitudė priklauso nuo sistemos masės, mechaninio atsparumo ir lankstumo. Šis reiškinys, kai virpesių greičio amplitudė pasiekia didžiausią reikšmę, vadinamas mechaniniu rezonansu. Šiuo atveju priverstinių svyravimų dažnis sutampa su natūralių neslopintų mechaninės sistemos svyravimų dažniu.

Esant žymiai mažesniems nei rezonansiniams smūgio dažniams, išorinė harmoninė jėga yra subalansuota beveik vien tik tamprumo jėga. Esant žadinimo dažniams, artimiems rezonansui, pagrindinį vaidmenį atlieka trinties jėgos. Jei išorinio poveikio dažnis yra žymiai didesnis už rezonansinį, svyravimo sistemos elgsena priklauso nuo inercijos jėgos arba masės.

Terpės gebėjimas praleisti akustinę energiją, įskaitant ultragarso energiją, pasižymi akustiniu pasipriešinimu. Akustinė varža aplinka išreiškiama garso tankio ir ultragarso bangų tūrinio greičio santykiu. Specifinė terpės akustinė varža nustatoma pagal garso slėgio amplitudės terpėje ir jos dalelių virpesių greičio amplitudės santykį. Kuo didesnis akustinis pasipriešinimas, tuo didesnis terpės suspaudimo ir retėjimo laipsnis esant tam tikrai terpės dalelių vibracijos amplitudei. Skaitmeniškai specifinė terpės akustinė varža (Z) randama kaip terpės tankio () ir ultragarso bangų sklidimo joje greičio (c) sandauga.

Specifinė akustinė varža matuojama paskalį-antraįjungta metras(Pa s/m) arba dyne s/cm³ (GHS); 1 Pa s/m = 10 −1 dyne s/cm³.

Terpės savitosios akustinės varžos vertė dažnai išreiškiama g/s cm², kai 1 g/s cm² = 1 dyne s/cm³. Terpės akustinę varžą lemia ultragarso bangų sugertis, lūžis ir atspindys.

Garsas arba akustinis slėgis terpėje – skirtumas tarp slėgio momentinės vertės tam tikrame terpės taške esant garso virpesiams ir statinio slėgio tame pačiame taške, kai jų nėra. Kitaip tariant, garso slėgis yra kintamas slėgis terpėje, kurį sukelia akustiniai virpesiai. Didžiausią kintamo akustinio slėgio vertę (slėgio amplitudę) galima apskaičiuoti pagal dalelių vibracijos amplitudę:

čia P – didžiausias akustinis slėgis (slėgio amplitudė);

Pusės bangos ilgio atstumu (λ/2) slėgio amplitudės reikšmė pasikeičia iš teigiamos į neigiamą, tai yra, slėgio skirtumas dviejuose taškuose, nutoltuose vienas nuo kito λ/2 išilgai bangos sklidimo kelio, yra lygus 2P.

Garso slėgiui išreikšti SI vienetais naudojamas Paskalis (Pa), lygus vieno niutono slėgiui kvadratiniame metre (N/m²). Garso slėgis SGS sistemoje matuojamas dyn/cm²; 1 dyne/cm² = 10 −1 Pa = 10 −1 N/m². Kartu su nurodytais vienetais dažnai naudojami ir nesisteminiai slėgio vienetai - atmosfera (atm) ir techninė atmosfera (at), kai 1 atm = 0,98·10 6 dynes/cm² = 0,98·10 5 N/m². Kartais naudojamas įrenginys, vadinamas baru arba mikrobaru (akustinė juosta); 1 baras = 10 6 dynes/cm².

Slėgis, veikiamas terpės dalelių bangų sklidimo metu, yra tamprumo ir inercijos jėgų veikimo rezultatas. Pastaruosius sukelia pagreičiai, kurių dydis taip pat didėja laikotarpiu nuo nulio iki maksimumo (pagreičio amplitudės reikšmė). Be to, per laikotarpį pagreitis keičia savo ženklą.

Didžiausios pagreičio ir slėgio vertės, atsirandančios terpėje, kai pro ją praeina ultragarso bangos, tam tikros dalelės metu nesutampa. Tuo metu, kai pagreičio skirtumas pasiekia didžiausią, slėgio skirtumas tampa lygus nuliui. Pagreičio (a) amplitudės reikšmė nustatoma pagal išraišką:

Jei keliaujančios ultragarso bangos susiduria su kliūtimi, ji patiria ne tik kintamą, bet ir nuolatinį slėgį. Terpės kondensacijos ir retėjimo sritys, atsirandančios praeinant ultragarso bangoms, sukuria papildomus slėgio pokyčius terpėje, palyginti su ją supančiu išoriniu slėgiu. Šis papildomas išorinis slėgis vadinamas radiacijos slėgiu (radiacijos slėgiu). Dėl šios priežasties, ultragarso bangoms pereinant per skysčio ribą su oru, susidaro skysčio fontanai ir atskiri lašeliai atsiskiria nuo paviršiaus. Šis mechanizmas buvo pritaikytas formuojant vaistinių medžiagų aerozolius. Radiacijos slėgis dažnai naudojamas ultragarso virpesių galiai matuoti specialiuose matuokliuose – ultragarso svarstyklėse.

Intensyvumasgarsas (absoliutus) – santykiui lygi reikšmė garso energijos srautas dP per paviršių, statmeną sklidimo krypčiai garsas, į aikštę dSšis paviršius:

Vienetas - vatų vienam kvadratui metras(W/m2).

Plokštumos bangos garso intensyvumas gali būti išreikštas amplitude garso slėgis p 0 Ir svyravimo greitis v:

,

Kur Z S - aplinką.

Garso stiprumas yra subjektyvi charakteristika, kuri priklauso nuo amplitudės, taigi ir nuo garso bangos energijos. Kuo didesnė energija, tuo didesnis garso bangos slėgis.

Intensyvumo lygis yra objektyvi garso charakteristika.

Intensyvumas yra ant paviršiaus krentančios garso galios ir to paviršiaus ploto santykis. Jis matuojamas W/m2 (vatais kvadratiniam metrui).

Intensyvumo lygis nustato, kiek kartų garso intensyvumas yra didesnis nei minimalus žmogaus ausies suvokiamas intensyvumas.

Kadangi minimalus žmogaus suvokiamas jautrumas 10 -12 W/m2 nuo didžiausio jautrumo, sukeliančio skausmą - 1013 W/m2, daugybe dydžių skiriasi, garso stiprumo ir minimalaus stiprumo santykio logaritmas yra lygus. naudotas.

Čia k – intensyvumo lygis, I – garso intensyvumas, I 0 – minimalus garso intensyvumas, kurį suvokia žmogus, arba slenkstinis intensyvumas.

Logaritmo reikšmė šioje formulėje yra jei I intensyvumas kinta dydžiu, tai intensyvumo lygis keičiasi vienetu.

Intensyvumo lygio vienetas yra 1 B (Varpas). 1 Bell – intensyvumo lygis, 10 kartų didesnis už slenkstį.

Praktiškai intensyvumo lygis matuojamas dB (decibelais). Tada intensyvumo lygio apskaičiavimo formulė perrašoma taip:

Garso slėgis- kintamasis perteklinis spaudimas, atsirandantis elastingoje terpėje praeinant per ją garso banga. Vienetas - paskalį(Pa).

Momentinė garso slėgio vertė terpės taške kinta ir laikui bėgant, ir judant į kitus terpės taškus, todėl šio dydžio vidutinė kvadratinė vertė, susijusi su garso intensyvumas:

kur - garso intensyvumas, - garso slėgis, - specifinė akustinė varža aplinka, - laiko vidurkis.

Vertinant periodinius svyravimus, kartais naudojama garso slėgio amplitudė; taigi, sinusinei bangai

kur yra garso slėgio amplitudė.

Garso slėgio lygis (Anglų SPL, garso slėgio lygis) – matuojama pagal santykinis mastelis garso slėgio vertė, susijusi su etaloniniu slėgiu, = 20 µPa, atitinkanti slenkstį girdimumas sinusoidinis garso banga dažnis 1 kHz:

dB.

Garso garsumas- subjektyvus suvokimas jėga garsas(absoliuti klausos pojūčio vertė). Apimtis daugiausia priklauso nuo garso slėgis, amplitudės Ir dažnius garso vibracijos. Taip pat garso stiprumui įtakos turi jo spektrinė kompozicija, lokalizacija erdvėje, tembras, garso vibracijų poveikio trukmė ir kiti veiksniai (žr. , ).

Absoliutaus garsumo skalės vienetas yra fone . 1 fono garsumas yra nenutrūkstamo gryno sinusinio tono, kurio dažnis 1, garsumas kHz, kuriant garso slėgis 2 mPa.

Garso garsumo lygis- santykinė vertė. Jis išreiškiamas fonų ir skaičiais lygus lygiui garso slėgis(V decibelų- dB), kurį sukuria sinusinė banga, kurios dažnis yra 1 kHz toks pat garsumas kaip ir matuojamo garso (lygus nurodytam garsui).

Garsumo lygio priklausomybė nuo garso slėgio ir dažnio

Paveikslėlyje dešinėje pavaizduota vienodo garsumo kreivių šeima, dar vadinama izofonai. Tai yra standartizuoti grafikai (tarptautinis standartas ISO 226) garso slėgio lygio priklausomybės nuo dažnio esant tam tikram garsumo lygiui. Naudodami šią diagramą galite nustatyti bet kokio dažnio gryno tono garsumo lygį, žinodami jo sukuriamo garso slėgio lygį.

Garso stebėjimo įranga

Pavyzdžiui, jei sinusinė banga, kurios dažnis yra 100 Hz, sukuria 60 dB garso slėgio lygį, tada diagramoje nubrėžę tiesias linijas, atitinkančias šias vertes, jų sankirtoje randame izofoną, atitinkantį garso lygį 50 von. Tai reiškia, kad šio garso garsumo lygis yra 50 fono.

Izofonas „0 fonas“, pažymėtas punktyrine linija, apibūdina klausos slenkstisĮvairių dažnių garsai normaliam klausos.

Praktikoje dažnai domina ne garsumo lygis, išreikštas fone, o reikšmė, nurodanti, kiek tam tikras garsas yra garsesnis už kitą. Kitas įdomus klausimas – kaip sumuojasi dviejų skirtingų tonų garsai. Taigi, jei yra du skirtingų dažnių tonai, kurių kiekvieno lygis yra 70 fono, tai nereiškia, kad bendras garsumo lygis bus lygus 140 fono.

Garsumo priklausomybė nuo garso slėgio lygio (ir garso intensyvumas) yra visiškai netiesinis

kreivė, ji turi logaritminį pobūdį. Garso slėgio lygiui padidėjus 10 dB, garso stiprumas padidės 2 kartus. Tai reiškia, kad 40, 50 ir 60 vonų garsumo lygiai atitinka 1, 2 ir 4 sonų garsus.

fizinis patikimų tyrimo metodų pagrindas klinikoje

Garsas, kaip ir šviesa, yra informacijos šaltinis, ir tai yra pagrindinė jo reikšmė. Gamtos garsai, aplinkinių žmonių kalbos, veikiančių mašinų triukšmas mums daug pasako. Norint įsivaizduoti garso reikšmę žmogui, pakanka laikinai atimti iš savęs galimybę suvokti garsą – užsimerkti. Natūralu, kad garsas taip pat gali būti informacijos apie žmogaus vidaus organų būklę šaltinis.

Dažnas garsinis ligų diagnostikos metodas yra auskultacija (klausymas). Auskultacijai naudojamas stetoskopas arba fonendoskopas. Fonendoskopas susideda iš tuščiavidurės kapsulės su garsą praleidžiančia membrana, pritvirtinta prie paciento kūno, iš kurios guminiai vamzdeliai patenka į gydytojo ausį. Tuščiavidurėje kapsulėje atsiranda oro stulpelio rezonansas, dėl kurio sustiprėja garsas ir pagerėja au-kultacija. Auskultuojant plaučius girdimi kvėpavimo garsai, įvairūs ligoms būdingi švokštimai. Pagal širdies garsų pokyčius ir ūžesių atsiradimą galima spręsti apie širdies veiklos būklę. Naudodami auskultaciją, galite nustatyti skrandžio ir žarnyno peristaltiką ir klausytis vaisiaus širdies plakimo.

Norint vienu metu pacientą išklausyti keli mokslininkai edukaciniais tikslais ar konsultacijos metu, naudojama sistema, kurią sudaro mikrofonas, stiprintuvas ir garsiakalbis arba keli telefonai.

Širdies veiklos būklei diagnozuoti naudojamas metodas, panašus į auskultaciją ir vadinamas fonokardiografija (PCG). Šis metodas susideda iš grafinio širdies garsų ir ūžesių įrašymo bei jų diagnostinės interpretacijos. Fonokardiograma įrašoma naudojant fonokardiografą, kurį sudaro mikrofonas, stiprintuvas, dažnių filtrų sistema ir įrašymo įrenginys.

Perkusija iš esmės skiriasi nuo dviejų aukščiau aprašytų garso metodų. Taikant šį metodą, klausomasi atskirų kūno dalių garso, kai į jas bakstelėjama. Schematiškai žmogaus kūną galima pavaizduoti kaip dujų pripildytų (plaučių), skysčio (vidaus organų) ir kietųjų (kaulų) tūrių rinkinį. Atsitrenkiant į kūno paviršių atsiranda vibracijos, kurių dažnių diapazonas yra platus. Iš šio diapazono kai kurios vibracijos gana greitai išnyks, o kitos, sutapusios su natūraliais tuštumų virpesiais, sustiprės ir dėl rezonanso bus girdimos. Patyręs gydytojas pagal perkusijos garsų toną nustato vidaus organų būklę ir vietą (tonografiją).

15. Infragarsas(nuo lat. infra- apačioje, apačioje) - garso bangos, kurių dažnis yra mažesnis už tą, kurį suvokia žmogaus ausis. Kadangi žmogaus ausis paprastai girdi garsus 16–20 000 Hz dažnių diapazone, 16 Hz paprastai laikomas viršutine infragarso dažnių diapazono riba. Apatinė infragarso diapazono riba paprastai apibrėžiama kaip 0,001 Hz. Dešimtųjų ir net šimtųjų hercų svyravimai, ty su dešimčių sekundžių periodais, gali būti praktiniai įdomūs.

Infragarso virpesių atsiradimo pobūdis yra toks pat kaip ir girdimo garso, todėl infragarsui galioja tie patys dėsniai, o apibūdinti naudojamas tas pats matematinis aparatas kaip ir įprastam garsiniam garsui (išskyrus sąvokas, susijusias su garso lygiu) . Infragarsą terpė sugeria silpnai, todėl gali pasklisti dideliais atstumais nuo šaltinio. Dėl labai ilgo bangos ilgio difrakcija yra ryški.

Jūroje generuojamas infragarsas vadinamas viena iš galimų įgulos paliktų laivų radimo priežasčių (žr. Bermudų trikampis, Laivas vaiduoklis).

Infragarsas. Infragarso poveikis biologiniams objektams.

Infragarsas- virpesių procesai, kurių dažnis mažesnis nei 20 Hz. Infragarsai– nėra suvokiami žmogaus klausa.

Infragarsas neigiamai veikia daugelio organizmo sistemų funkcinę būklę: nuovargis, galvos skausmas, mieguistumas, dirglumas ir kt.

Daroma prielaida, kad pagrindinis infragarso veikimo mechanizmas kūnui yra rezonansinio pobūdžio.

Ultragarsas, jo gamybos būdai. Ultragarso bangų sklidimo fizinės charakteristikos ir ypatumai. Ultragarso sąveika su medžiaga. Kavitacija. Ultragarso panaudojimas: echolokacija, dispersija, defektų aptikimas, ultragarsinis pjovimas.

Ultragarsas -(US) yra mechaniniai virpesiai ir bangos, kurių dažnis yra didesnis nei 20 kHz.

Norint gauti ultragarsą, prietaisai, vadinami Ultragarsas – emiteris. Labiausiai paplitęs elektromechaniniai emiteriai, paremtas atvirkštinio pjezoelektrinio efekto reiškiniu.

Pagal savo fizinę prigimtį Ultragarsas atstovauja elastinės bangos ir tuo niekuo nesiskiria nuo garsas. nuo 20 000 iki milijardo Hz. Pagrindinė fizinė garso virpesių savybė yra bangos amplitudė arba poslinkio amplitudė.

Ultragarsas dujose ir ypač ore jis sklinda labai susilpnėjęs. Skysčiai ir kietosios medžiagos (ypač pavieniai kristalai) paprastai yra geri laidininkai. Ultragarsas, susilpnėjimas, kuriame yra žymiai mažiau. Pavyzdžiui, vandenyje ultragarso slopinimas, kai visi kiti dalykai yra vienodi, yra maždaug 1000 kartų mažesni nei ore.

Kavitacija– ultragarsu sukuriamas suspaudimas ir retinimas sukelia skysčio tęstinumo nutrūkimus.

Ultragarso taikymas:

Echolokacija - metodas, kuriuo objekto padėtis nustatoma pagal atspindėtos bangos sugrįžimo delsos laiką.

Išsiskirstymas - Kietųjų ar skysčių šlifavimas veikiant ultragarso virpesiams.

Defektų aptikimas - Paieška defektai gaminio medžiagoje ultragarso metodu, tai yra skleidžiant ir priimant ultragarso virpesius bei toliau analizuojant jų amplitudę, atvykimo laiką, formą ir tt naudojant specialią įrangą – ultragarso. defektų detektorius.

Ultragarsinis pjovimas- paremta ultragarsinių mechaninių virpesių perdavimu pjovimo įrankiui, o tai žymiai sumažina pjovimo jėgą, įrangos kainą ir pagerina gaminamų gaminių kokybę (sriegimas, gręžimas, tekinimas, frezavimas). Ultragarsinis pjovimas medicinoje naudojamas biologiniams audiniams pjauti.

Ultragarso poveikis biologiniams objektams. Ultragarso naudojimas diagnozei ir gydymui. Ultragarso chirurgija. Ultragarsinių metodų privalumai.

Fizikiniai procesai, kuriuos sukelia ultragarso įtaka, sukelia šiuos pagrindinius efektus biologiniuose objektuose.

Mikrovibracijos ląstelių ir tarpląsteliniame lygmenyje;

Biomakromolekulių naikinimas;

Biologinių membranų restruktūrizavimas ir pažeidimas, membranos pralaidumo pokyčiai;

Šiluminis poveikis;

Ląstelių ir mikroorganizmų sunaikinimas.

Biomedicininį ultragarso pritaikymą daugiausia galima suskirstyti į dvi sritis: diagnostikos ir tyrimo metodus bei intervencijos metodus.

Diagnostikos metodas:

1) apima vietos nustatymo metodus ir daugiausia impulsinės spinduliuotės naudojimą.

Z: encefalografija- navikų ir smegenų edemos nustatymas, ultragarsinė kardiografija– širdies dydžio matavimas dinamikoje; oftalmologijoje – ultragarso vieta akies terpės dydžiui nustatyti. Naudojant Doplerio efektą, tiriamas širdies vožtuvų judėjimo modelis ir matuojamas kraujo tėkmės greitis.

2) Gydymas apima ultragarso fizioterapija. Paprastai pacientas yra veikiamas 800 kHz dažniu.

Pagrindinis ultragarso terapijos mechanizmas yra mechaninis ir terminis poveikis audiniams.

Tokioms ligoms kaip astma, tuberkuliozė ir kt. Naudoju įvairių vaistinių medžiagų aerozolius, gautus ultragarsu.

Operacijų metu ultragarsas naudojamas kaip „ultragarsinis skalpelis“, galintis pjauti ir minkštąjį, ir kaulinį audinį. Šiuo metu sukurtas naujas pažeisto ar persodinto kaulinio audinio „suvirinimo“ ultragarsu metodas (ultragarsinė osteosintezė).

Pagrindinis ultragarso privalumas prieš kitus mutagenus (rentgeno spindulius, ultravioletinius spindulius) yra tai, kad su juo itin paprasta dirbti.

Doplerio efektas ir jo naudojimas medicinoje.

Doplerio efektas vadinti stebėtojo (bangų imtuvo) suvokiamų bangų dažnio pokytį dėl bangos šaltinio ir stebėtojo santykinio judėjimo.

Pirmą kartą buvo aprašytas poveikisKristianas DoplerisV1842 metų.

Doplerio efektas naudojamas kraujo tėkmės greičiui, širdies vožtuvų ir sienelių judėjimo greičiui (Doplerio echokardiografija) ir kitiems organams nustatyti.

Doplerio efekto pasireiškimas plačiai naudojamas įvairiuose medicinos prietaisuose, kurie, kaip taisyklė, naudoja ultragarso bangas MHz dažnių diapazone.

Pavyzdžiui, iš raudonųjų kraujo kūnelių atsispindinčios ultragarso bangos gali būti naudojamos kraujo tėkmės greičiui nustatyti. Panašiai šiuo metodu galima nustatyti vaisiaus krūtinės ląstos judėjimą, taip pat nuotoliniu būdu stebėti širdies plakimą.

16. Ultragarsas- elastinės vibracijos, kurių dažnis viršija girdimumo ribą žmonėms. Paprastai ultragarso diapazonas laikomas dažniais, viršijančiais 18 000 hercų.

Nors ultragarso egzistavimas žinomas jau seniai, jo praktinis panaudojimas dar gana jaunas. Šiais laikais ultragarsas plačiai naudojamas įvairiuose fiziniuose ir technologiniuose metoduose. Taigi, garso sklidimo terpėje greitis naudojamas sprendžiant apie jos fizikines savybes. Greičio matavimai ultragarso dažniais leidžia su labai mažomis paklaidomis nustatyti, pavyzdžiui, greitų procesų adiabatines charakteristikas, specifinę dujų šiluminę talpą, kietųjų medžiagų tamprumo konstantas.

Pramonėje ir biologijoje naudojamų ultragarsinių virpesių dažnis yra kelių MHz diapazone. Tokios vibracijos dažniausiai sukuriamos naudojant pjezokeraminius keitiklius iš bario titanito. Tais atvejais, kai ultragarso virpesių galia yra svarbiausia, dažniausiai naudojami mechaniniai ultragarso šaltiniai. Iš pradžių visos ultragarso bangos buvo priimamos mechaniškai (kamtono šakės, švilpukai, sirenos).

Gamtoje ultragarsas randamas tiek kaip daugelio natūralių garsų komponentai (vėjo, krioklio, lietaus triukšme, jūros banglentės ridenamų akmenukų triukšme, perkūnijos iškrovas lydinčiame garsuose ir kt.), tiek tarp garsų. gyvūnų pasaulio. Kai kurie gyvūnai naudoja ultragarso bangas, kad aptiktų kliūtis ir naršytų erdvėje.

Ultragarso spinduliuotę galima suskirstyti į dvi dideles grupes. Pirmasis apima emiterius-generatorius; svyravimai juose sužadinami dėl to, kad nuolatinio srauto kelyje yra kliūčių - dujų ar skysčio srauto. Antroji emiterių grupė yra elektroakustiniai keitikliai; jie jau duotus elektros įtampos ar srovės svyravimus paverčia mechaniniais kieto kūno virpesiais, kurie į aplinką skleidžia akustines bangas.

Fizinės ultragarso savybės

Ultragarso naudojimas medicininėje diagnostikoje yra susijęs su galimybe gauti vidaus organų ir struktūrų vaizdus. Metodo pagrindas – ultragarso sąveika su žmogaus kūno audiniais. Tikrasis vaizdo gavimas gali būti suskirstytas į dvi dalis. Pirmasis yra trumpų ultragarso impulsų, nukreiptų į tiriamus audinius, emisija, o antrasis - vaizdo formavimas pagal atspindėtus signalus. Ultragarsinio diagnostikos įrenginio veikimo principo supratimas, pagrindinės ultragarso fizikos ir jo sąveikos su žmogaus organizmo audiniais išmanymas padės išvengti mechaninio, neapgalvoto prietaiso naudojimo ir todėl kompetentingiau žiūrėti į diagnostikos procesą.

Garsas – tai mechaninė išilginė banga, kurioje dalelių virpesiai yra toje pačioje plokštumoje kaip ir energijos sklidimo kryptis (1 pav.).

Ryžiai. 1. Slėgio ir tankio pokyčių ultragarso bangoje vizualinis ir grafinis vaizdas.

Banga neša energiją, bet ne materiją. Skirtingai nuo elektromagnetinių bangų (šviesos, radijo bangų ir kt.), garsui sklisti reikalinga terpė – jis negali sklisti vakuume. Kaip ir visas bangas, garsą galima apibūdinti daugeliu parametrų. Tai dažnis, bangos ilgis, sklidimo greitis terpėje, periodas, amplitudė ir intensyvumas. Dažnį, periodą, amplitudę ir intensyvumą lemia garso šaltinis, sklidimo greitį – terpė, o bangos ilgį – ir garso šaltinis, ir terpė. Dažnis – tai pilnų svyravimų (ciklų) skaičius per 1 sekundės laikotarpį (2 pav.).

Ryžiai. 2. Ultragarso bangų dažnis 2 ciklai per 1 s = 2 Hz

Dažnio vienetai yra hercai (Hz) ir megahercai (MHz). Vienas hercas yra viena vibracija per sekundę. Vienas megahercas = 1 000 000 hercų. Kas daro garsą "ultra"? Tai yra dažnis. Viršutinė girdimo garso riba, 20 000 Hz (20 kilohercų (kHz)), yra apatinė ultragarso diapazono riba. Ultragarsiniai šikšnosparnių lokatoriai veikia 25÷500 kHz diapazone. Šiuolaikiniai ultragarsiniai prietaisai vaizdams gauti naudoja 2 MHz ir didesnio dažnio ultragarsą. Laikotarpis yra laikas, reikalingas vienam pilnam virpesių ciklui gauti (3 pav.).

Ryžiai. 3. Ultragarso bangos periodas.

Periodinio vienetai yra sekundė (s) ir mikrosekundė (µs). Viena mikrosekundė yra viena milijoninė sekundės dalis. Laikotarpis (µs) = 1/dažnis (MHz). Bangos ilgis yra ilgis, kurį viena vibracija užima erdvėje (4 pav.).

Ryžiai. 4. Bangos ilgis.

Matavimo vienetai yra metras (m) ir milimetras (mm). Ultragarso greitis yra greitis, kuriuo banga sklinda per terpę. Ultragarso sklidimo greičio vienetai yra metrai per sekundę (m/s) ir milimetrai per mikrosekundę (mm/µs). Ultragarso sklidimo greitis priklauso nuo terpės tankio ir elastingumo. Ultragarso sklidimo greitis didėja didėjant terpės elastingumui ir mažėjant tankiui. 2.1 lentelėje parodytas ultragarso sklidimo greitis kai kuriuose žmogaus kūno audiniuose.

Vidutinis ultragarso sklidimo greitis žmogaus organizmo audiniuose yra 1540 m/s – tokiam greičiui užprogramuota dauguma ultragarsinės diagnostikos prietaisų. Ultragarso sklidimo greitis (C), dažnis (f) ir bangos ilgis (λ) yra tarpusavyje susiję tokia lygtimi: C = f × λ. Kadangi mūsų atveju greitis laikomas pastoviu (1540 m/s), likę du kintamieji f ir λ yra tarpusavyje susiję atvirkščiai proporcingu ryšiu. Kuo didesnis dažnis, tuo trumpesnis bangos ilgis ir mažesnis matomų objektų dydis. Kitas svarbus aplinkos parametras yra akustinė varža (Z). Akustinė varža yra terpės tankio ir ultragarso sklidimo greičio sandauga. Atsparumas (Z) = tankis (p) × sklidimo greitis (C).

Norint gauti vaizdą ultragarsinėje diagnostikoje, keitiklis nuolat skleidžia ne ultragarsą (pastovi banga), o trumpų impulsų (impulsų) pavidalu. Jis generuojamas trumpais elektros impulsais pjezoelektriniam elementui. Impulsiniam ultragarsui apibūdinti naudojami papildomi parametrai. Impulsų pasikartojimo dažnis yra impulsų, išleidžiamų per laiko vienetą (sekundę), skaičius. Impulsų pasikartojimo dažnis matuojamas hercais (Hz) ir kilohercais (kHz). Impulso trukmė – vieno impulso trukmė (5 pav.).

Ryžiai. 5. Ultragarso impulso trukmė.

Matuojama sekundėmis (s) ir mikrosekundėmis (µs). Užimtumo koeficientas yra laiko dalis, per kurią skleidžiamas ultragarsas (impulsų pavidalu). Erdvinis impulso išplėtimas (SPR) – tai erdvės, kurioje patalpinamas vienas ultragarsinis impulsas, ilgis (6 pav.).

Ryžiai. 6. Erdvinis pulso mastas.

Minkštųjų audinių erdvinis impulso mastas (mm) yra lygus 1,54 (ultragarso sklidimo greitis mm/µs) ir impulso virpesių (ciklų) skaičiaus (n) sandaugai, padalijus iš dažnio MHz. Arba PPI = 1,54 × n/f. Erdvinį impulso mastą galima sumažinti (o tai labai svarbu gerinant ašinę skiriamąją gebą) sumažinus impulso virpesių skaičių arba padidinus dažnį. Ultragarso bangos amplitudė yra didžiausias stebimo fizikinio kintamojo nuokrypis nuo vidutinės reikšmės (7 pav.).

Ryžiai. 7. Ultragarso bangos amplitudė

Ultragarso intensyvumas yra bangos galios ir ploto, kuriame pasiskirsto ultragarso srautas, santykis. Jis matuojamas vatais kvadratiniam centimetrui (W/kv.cm). Esant vienodai spinduliavimo galiai, kuo mažesnis srauto plotas, tuo didesnis intensyvumas. Intensyvumas taip pat proporcingas amplitudės kvadratui. Taigi, jei amplitudė padvigubėja, intensyvumas padidėja keturis kartus. Intensyvumas yra nevienodas tiek srauto srityje, tiek impulsinio ultragarso atveju laikui bėgant.

Praeinant per bet kurią terpę, sumažės ultragarso signalo amplitudė ir intensyvumas, kuris vadinamas slopinimu. Ultragarso signalo susilpnėjimą sukelia sugertis, atspindys ir sklaida. Slopinimo vienetas yra decibelas (dB). Silpninimo koeficientas yra ultragarso signalo slopinimas šio signalo kelio ilgio vienetui (dB/cm). Slopinimo koeficientas didėja didėjant dažniui. Vidutiniai minkštųjų audinių slopinimo koeficientai ir aido signalo intensyvumo sumažėjimas, priklausomai nuo dažnio, pateikti 2.2 lentelėje.

Ultragarsas - elastinė mechaninė išilginė banga, kurios dažnis viršija 20000 Hz. Medicinoje ultragarsas naudojamas 1-1,5 dažniu MHz.

Dėl didelio dažnio ultragarso banga sklinda spindulių pavidalu (dėl trumpo ultragarso bangos ilgio galima nepaisyti jos banginių savybių). Tokius spindulius galima sufokusuoti naudojant specialius akustinius lęšius ir taip pasiekti didelio intensyvumo ultragarso bangas. Be to, kadangi bangos intensyvumas yra proporcingas virpesių dažnio ir amplitudės kvadratui, aukštas ultragarso bangos dažnis, net ir esant mažoms amplitudėms, iš anksto nulemia galimybę gauti didelio intensyvumo ultragarso bangas.

Ultragarso gavimo metodai :

1. magnetostrikcinis (gauti ultragarsą iki 200 kHz). Magnetostrikcija – tai feromagneto (geležies, jos lydinių su nikeliu) formos ir tūrio pokytis, kai jis patenka į kintamąjį magnetinį lauką. Kintamasis magnetinis laukas yra laukas, kurio magnetinės indukcijos vektorius laikui bėgant kinta pagal harmoninį dėsnį, t.y. nurodyto parametro pokyčiui būdingas tam tikras dažnis. Šis laukas veikia kaip varomoji jėga, todėl geležinis strypas susispaudžia ir ištempiamas priklausomai nuo magnetinės indukcijos dydžio pasikeitimo laikui bėgant. Suspaudimo ir tempimo dažnis bus nustatomas pagal kintamo magnetinio lauko dažnį. Tokiu atveju strypo galuose ore atsiranda suspaudimo deformacijos, kurios sklinda ultragarso bangų pavidalu.

Ultragarso bangų amplitudės padidėjimas pasiekiamas parenkant kintamo magnetinio lauko dažnį, kuriame stebimas rezonansas tarp natūralios ir priverstinės strypo virpesių.

2. atvirkštinis pjezoelektrinis efektas (gaunamas didesnis nei 200 kHz ultragarsas). Pjezoelektrikai – tai kristalinės struktūros medžiagos, turinčios pjezoelektrinę ašį, t.y. kryptį, kuria jos lengvai deformuojasi (kvarcas, Rošelio druska, bario titanatas ir kt.) Kai tokios medžiagos yra patalpintos į kintamąjį elektrinį lauką (elektrinį lauką). stiprumas svyruoja pagal harmonikos dėsnį), pjezoelektrai pradeda spausti ir ištempti išilgai pjezoelektrinės ašies kintamo elektrinio lauko dažniu. Tokiu atveju aplink kristalą atsiranda mechaniniai trikdžiai – suspaudimo ir retėjimo deformacijos, kurios sklinda ultragarso bangų pavidalu. Rezonanso reiškiniai vaidina tam tikrą vaidmenį norint pasiekti reikiamą amplitudę.

Poveikis vadinamas priešingu, nes istoriškai jis buvo atrastas anksčiau tiesioginis pjezoelektrinis efektas- kintamo elektrinio lauko atsiradimo reiškinys deformuojant pjezoelektrą.

Tiesioginio ir atvirkštinio pjezoelektrinio poveikio buvimas yra labai svarbus ultragarso diagnostikos prietaisų veikimui. Norint nukreipti ultragarso bangą į paciento kūną, būtina ją priimti, o tai daroma naudojant atvirkštinį pjezoelektrinį efektą. Norint užregistruoti ir vizualizuoti atsispindėjusią ultragarso bangą, būtina ją paversti elektriniu lauku, kuris pasiekiamas naudojant tiesioginį pjezoelektrinį efektą.

Ultragarso bangų sklidimo ypatybės

1) Vienalytėje aplinkoje. Kai I intensyvumo ultragarso banga praeina per pločio medžiagos sluoksnį, jos intensyvumas mažėja ir tampa lygus I = I 0 ·e -αd, Kur aš 0- pradinis ultragarso bangos intensyvumas; aš yra bangos intensyvumas praplaukus medžiagos sluoksnį, d yra medžiagos sluoksnio plotis, α yra bangos išnykimo koeficientas.

Ultragarso bangos išnykimą lemia du procesai: energijos išsklaidymo audiniuose (susijusio su organų ląstelių heterogeniškumu) ir jos absorbcijos (susijusių su audinių stambiamolekuline struktūra). Ekstinkcijos koeficiento reikšmė yra svarbus diagnostinis ženklas. Taigi kepenys turi mažą ultragarso bangų ekstinkcijos koeficientą dėl mažo sklaidos koeficiento. Sergant ciroze, ši vertė smarkiai padidėja.

Ultragarso bangų absorbcija audiniuose yra pagrindas diagnozuoti vidaus organų būklę pagal principą transmisijos - bangos, praeinančios per paciento kūną, intensyvumo analizė ir ultragarso naudojimas terapijoje ir chirurgijoje.

2) Ties dviejų aplinkų riba. Kai ultragarso intensyvumo banga pasiekia sąsają tarp terpės, banga atsispindi ir banga sugeriama.

Energijos dalis, kuri bus atsispindėjusioje bangoje, priklauso nuo terpės akustinių varžų santykio. Taigi beveik 100% energijos atsispindi paciento kūno ir oro sąsajoje. Todėl, kad ultragarso banga patektų į paciento kūną, naudojami specialūs geliai (tikslas – sumažinti terpės akustinio pasipriešinimo skirtumą).

Ultragarso bangų atspindys nuo nehomogeniškumo ir vidaus organų ribų yra pagrindas diagnozuoti jų būklę pagal principą echolokacija- atspindėtos ultragarso bangos intensyvumo analizė. Ultragarsas – vadinama banga, nukreipta į paciento kūną zondavimo signalas ir atsispindėjusi ultragarso banga - aido signalas.

Ultragarso bangų atspindys taip pat priklauso nuo atspindinčių struktūrų dydžio:

Jeigu atspindinčių struktūrų dydis prilygsta ilgajai ultragarso bangai, tai įvyks bangų difrakcija, t.y. banga lenkiasi aplink struktūrą, o vėliau energija išsisklaido audiniuose ir susidaro ultragarsinis šešėlis. Tai riboja ultragarsinės diagnostikos skiriamąją gebą;

Jeigu atspindinčių struktūrų dydis yra didesnis už ultragarso bangos ilgį, tai pastaroji atsispindės, o aido signalo intensyvumas priklausys nuo zondavimo signalo krypties, atspindinčių struktūrų formos ir dydžio. Yra vadinamųjų veidrodinės konstrukcijos, aido signalų amplitudė, iš kurios yra didžiausios vertės (kraujagyslės, ertmės, organų ir audinių ribos).

Tačiau apskritai aido signalų intensyvumas yra labai mažas, todėl jiems registruoti reikalinga labai jautri įranga, tačiau, kita vertus, lemia ultragarso bangų prasiskverbimą į gilesnes vidines struktūras ir prisideda prie jų vizualizavimo.

Ultragarso naudojimas diagnostikoje

Diagnostikos tikslais naudojamos mažo intensyvumo ultragarso bangos, kurios nesukelia biologinio poveikio audiniuose – iki 0,1 Wįjungta kv.cm.

Naudojant ultragarsinį jutiklį, pagrįstą atvirkštiniu pjezoelektriniu efektu, gaunamas ultragarso zondavimo signalas ir gaunamas aido signalas. Pastarasis jutiklyje dėl tiesioginio pjezoelektrinio efekto paverčiamas kintamu elektriniu lauku, kuris leidžia elektronine įranga registruoti, sustiprinti ir vizualizuoti aido signalus.

Remiantis aido signalų įrašymo ir atspindėjimo elektroninių prietaisų ekrane metodu, išskiriami šie ultragarso nuskaitymo režimai:

- A režimas (amplitudės režimas). Aido signalai, paverčiami jutiklio elektriniu lauku, sukelia vertikalų skenuojančio pluošto nukrypimą smailių pavidalu, kurio amplitudė priklausys nuo atspindėtos ultragarso bangos intensyvumo, o vieta osciloskopo ekrane nulems gylį. atspindinčios struktūros matavimo prietaiso skalėje. A režimo naudojimo medicinoje pavyzdys yra echoencefaloskopija- ultragarsinio skenavimo technika, naudojama neurologijoje ir neurochirurgijoje smegenų tūrinių pakitimų (hematomų, navikų procesų ir kt.) diagnostikai. Pagrindiniai aido signalai (didžiausia amplitudė) susidaro atspindžius nuo kaukolės jutiklio vietoje, vidurinės linijos struktūrų ir priešingos pusės kaukolės. Centrinės smailės poslinkis į dešinę arba kairę pusę gali rodyti patologiją atitinkamai kairiajame arba dešiniajame smegenų pusrutulyje.

- B režimas (ryškumo režimas). Aido signalai, paverčiami jutiklio elektriniu lauku, ekrane šviečia skirtingo ryškumo taškai: kuo didesnis elektrinio lauko stiprumo svyravimas (kuris, savo ruožtu, priklauso nuo aido signalo intensyvumo), tuo ryškesnis ir daugiau. tūrio matavimo prietaiso ekrane susidaro dėmė. Režimui įgyvendinti naudojami sudėtingi ultragarso bangų jutikliai, kuriuose yra daug elementų, skleidžiančių zondavimo dirgiklius ir konvertuojančių aido signalus. Taip pat keičiasi zondavimo signalų kryptis. Elektroninė įranga kaupia tos pačios kūno srities tyrimų duomenis, gautus naudojant visus jutiklio elementus ir skirtingomis kryptimis, ir juos integruodama, matavimo prietaiso masteliu realiu laiku suformuoja tiriamo organo vaizdą. Tokiu būdu galime gauti dvimatę echotomogramos.

- M režimas (judesio režimas). Leidžia gauti judančių kūno struktūrų echogramas. Kaip ir A režimu, zondavimo signalų kryptis išlieka nepakitusi per visą tyrimo laiką, tačiau zondavimas atliekamas pakartotinai, kad formavimosi periodas M - echogramos viršijo tirtų struktūrų judėjimo ir A formavimosi laikotarpį - echogramos. Registruojamas judančios konstrukcijos gylio pokytis laikui bėgant (matavimo prietaiso pluošto judėjimas išilgai ašies X). Aido signalų amplitudė rodoma įvairaus ryškumo dėmių pavidalu (kaip B režime). Su kiekvienu paskesniu zondavimu išilginė echograma šiek tiek pasislenka gylio (laiko) vaizdo ašiai statmena kryptimi. Dažniausiai naudojamas klinikoje echokardiografija.

Ultragarso sąveika su medžiaga. Ultragarso taikymas terapijoje ir chirurgijoje.

Ultragarsui būdingas toks poveikis medžiagai:

- mechaninis veiksmas. Tai siejama su medžiagos mikrostruktūros deformacija dėl periodiško mikrodalelių, sudarančių medžiagą, artėjimo ir atstumo. Pavyzdžiui, skystyje ultragarso banga sukelia jo vientisumo plyšimus ir susidaro ertmės - kavitacijos. Tai energetiškai nepalanki skysčių būsena, todėl ertmės greitai užsidaro, išsiskiriant dideliam energijos kiekiui.

- šiluminis efektas. Taip yra dėl to, kad energija, esanti ultragarso bangoje ir išsiskirianti užsidarius kavitacijai, iš dalies išsisklaido audiniuose šilumos pavidalu, o tai lemia jų kaitinimą.

- fizikinis-cheminis veikimas. Pasireiškia medžiagų molekulių jonizacija ir disociacija, cheminių reakcijų (pavyzdžiui, oksidacijos ir redukcijos) pagreitėjimu ir kt.

Remiantis sudėtingu mechaninių, šiluminių ir fizikinių-cheminių veiksnių veikimu biologinis ultragarso poveikis. Šį veiksmą lems ultragarso bangos intensyvumas.

Mažo ir vidutinio intensyvumo ultragarsas (atitinkamai 1.5 Wįjungta kv. cm. ir 3 Wįjungta kv.cm) sukelia teigiamą poveikį gyviems organizmams ir skatina normalių fiziologinių procesų atsiradimą. Tai yra ultragarso naudojimo kineziterapijoje pagrindas. Ultragarsas pagerina ląstelių membranų pralaidumą, suaktyvina visų rūšių transportavimą per membraną, turi įtakos biocheminių reakcijų greičiui.

Ultragarso bangos intensyvumo padidėjimas veda prie destruktyvus veiksmas ant ląstelių. Taip sterilizuojamos medicinos patalpos, ultragarsu naikinant virusus ir bakterijų bei grybelių ląsteles.

Didelio intensyvumo ultragarsas plačiai naudojamas chirurgijoje. Kai kurios operacijos atliekamos ultragarsiniu skalpeliu. Jie neskausmingi, lydimi nedidelio kraujavimo, žaizdos greičiau gyja, taip pat ir dėl žaizdos sterilizacijos ultragarsu.

Ultragarsas plačiai naudojamas ortopedijoje: juo atliekamos kai kurios kaulų operacijos. Ultragarsinis failas, Ultragarsu sujungiami kaulai tarpusavyje ir tvirtinami prie jų kaulų implantai.

Litotripsija- akmenų naikinimo inkstuose ir tulžies pūslėje metodas, naudojant tikslinį didelio intensyvumo ultragarso bangų poveikį.

Echo-doplerografija

Doplerio efektas- bangų, kurias suvokia imtuvas, dažnio pokytis dėl santykinio bangos šaltinio ir imtuvo judėjimo. Norėdami apskaičiuoti imtuvo suvokiamų bangų dažnį, naudokite formulę:

Kur v priimti – imtuvo suvokiamas bangų dažnis, v šaltinis – šaltinio skleidžiamų bangų dažnis, v 0 – bangos greitis, u 0 – bangų imtuvo judėjimo greitis, u šaltinis – tai bangos šaltinio judėjimo greitis.

Viršutiniai ženklai skaitiklyje ir vardiklyje apibūdina atvejus, kai ultragarso bangų šaltinis ir imtuvas artėja vienas prie kito, o apatiniai – atvejus, kai ultragarso bangų šaltinis ir imtuvas tolsta.

Echo-doplerografija- kraujotakos greičio ir judančių kūno struktūrų (širdies ir kraujagyslių) judėjimo tyrimo metodas, pagrįstas Doplerio efektu.

Tam tikro dažnio ν ultragarso banga skleidžiama į minkštuosius audinius naudojant stacionarų jutiklį, po kurio registruojami aido signalai, atsispindintys nuo judančių elementų (daugiausia iš raudonųjų kraujo kūnelių) ir turintys dažnį ν`` dėl Doplerio efekto.

Doplerio efektas stebimas du kartus:

Pirma, jutiklis yra bangų, kurių dažnis ν, šaltinis, o raudonieji kraujo kūneliai yra imtuvas. Dėl judėjimo raudonieji kraujo kūneliai suvoks bangą, kurios dažnis yra ν`.

Raudonieji kraujo kūneliai atspindės jį pataikiusią ν` dažnio ultragarso bangą, tačiau jutiklis, į kurį grįžta aido signalas, dėl raudonųjų kraujo kūnelių mobilumo suvoks ją ν`` dažniu.

Diagnostinis ženklas yra skirtumas Δν = ν - ν``, kuris vadinamas Doplerio dažnio poslinkis. Šis skirtumas priklauso nuo raudonųjų kraujo kūnelių judėjimo greičio, t.y. ir apskritai kraujotakos greitis.

Doplerio dažnio poslinkis yra garso diapazone ir jį gali išgirsti patyręs gydytojas, naudodamas specialius prietaisus. Taip pat yra modernesnių Doplerio dažnio poslinkio vizualizavimo metodų.

1. Ultragarso sklidimo greitis priklauso nuo temperatūros ir slėgio vamzdyne. Ultragarso greitis esant įvairioms vandens temperatūros ir atmosferos slėgio reikšmėms pateiktas D.1 lentelėje.

E.1 lentelė

Aleksandrovas A.A., Trakhtengerts M.S. Termofizinės vandens savybės esant atmosferos slėgiui. M. Standartų leidykla, 1977, 100 p. (State Standard Reference Data Service. Ser. Monographs).

2. Naudojant srauto matuoklį vandens srautui ir tūriui vandens ir šilumos tiekimo sistemose matuoti, ultragarso greitis nustatomas pagal lentelėje pateiktus duomenis. D.2 temperatūros ir slėgio tiesinės interpoliacijos metodu pagal formulę:

čia c(t,P) – ultragarso greitis skystyje, tekančiame vamzdynu, m/s;

c(t1) – ultragarso greičio lentelė, esant žemesnei nei išmatuota temperatūrai, m/s;

c(t2) – ultragarso greičio lentelės reikšmė esant aukštesnei nei išmatuota temperatūrai, m/s;

c(P1) – ultragarso greičio lentelės reikšmė esant mažesniam nei išmatuotas slėgiui, m/s;

c(P2) – ultragarso greičio lentelės reikšmė esant didesniam nei išmatuotas slėgiui, m/s;

t – vandens temperatūra vamzdyne, ºС;

P – vandens slėgis vamzdyne, MPa;

t1, t2 – lentelės temperatūros reikšmės, ºС;

P1, P2 – lentelės slėgio reikšmės, MPa;

PASTABA.

1. C(t1) ir c(t2) reikšmės nustatomos pagal lentelėje pateiktus duomenis. D.1. C(P1) ir c(P2) reikšmės nustatomos pagal lentelėje pateiktus duomenis. D 2. esant temperatūrai, kuri yra artimiausia vandens temperatūrai vamzdyne.

2. Vandens temperatūros ir slėgio matavimai vamzdyne turi būti atliekami ne didesne kaip ±0,5 ºС ir ±0,5 MPa paklaida.

E.2 lentelė

E.2 lentelės tęsinys

Aleksandrovas A.A., Larkinas D.K. Eksperimentinis ultragarso greičio nustatymas įvairiuose temperatūrų ir slėgių diapazonuose. Žurnalas „Šilumos energetika“, Nr.2, 1976, p.

3. Nesant lentelių apie ultragarso greičio priklausomybę nuo skysčio temperatūros, ultragarso greitį galima nustatyti naudojant prietaisą, parodytą E.1 pav. Prieš pat ultragarso greičio matavimą prietaiso korpusas (plieninis laikiklis) panardinamas į tiriamą skystį, o storio matuoklis reguliuojamas ultragarso greičiui matuoti. Tada ultragarsinis storio matuoklis tiesiogiai matuoja ultragarso greitį.

Ultragarso greičiui skystyje matuoti taip pat galima naudoti US-12 IM įrenginį (ShchO 2.048.045 TO) ar kitokio tipo storio matuoklius.

D.1 pav. Prietaisas ultragarso greičiui skystyje matuoti.