На какое расстояние распространяется ультразвук. Физические свойства ультразвука

1. Скорость распространения ультразвука зависит от температуры и давления в трубопроводе. Скорость ультразвука при различных значениях температуры воды и атмосферном давлении приведена в табл.Д.1.

Таблица Д.1

Александров А.А., Трахтенгерц М.С. Теплофизические свойства воды при атмосферном давлении. М. Издательство стандартов, 1977, 100с. (Государственная служба стандартных справочных данных. Сер. Монографии).

2. При использовании расходомера для измерения расхода и объема воды в системах водо и теплоснабжения скорость ультразвука определяется по данным табл. Д.2 методом линейной интерполяции по температуре и давлению в соответствии с формулой:

где c(t,P) – скорость ультразвука в жидкости, протекающей по трубопроводу, м/с;

c(t1) – табличное значение скорости ультразвука при температуре меньшей, чем измеренное, м/с;

c(t2) – табличное значение скорости ультразвука при температуре большей, чем измеренное, м/с;

c(P1) – табличное значение скорости ультразвука при давлении меньшем, чем измеренное, м/с;

c(P2) – табличное значение скорости ультразвука при давлении большем, чем измеренное, м/с;

t – температура воды в трубопроводе, ºС;

P – давление воды в трубопроводе, МПа;

t1, t2 – табличные значения температур, ºС;

P1, P2 – табличные значения давлений, МПа;

ПРИМЕЧАНИЕ.

1. Значения c(t1) и c(t2) определяются по данным табл. Д.1. Значения c(P1) и c(P2) определяется по данным табл. Д.2. при температуре, наиболее близкой к температуре воды в трубопроводе.

2. Измерения температуры и давления воды в трубопроводе должны выполняться с погрешностью не более ±0,5 ºС и ±0,5 МПа соответственно.

Таблица Д.2

Продолжение таблицы Д.2

Александров А.А., Ларкин Д.К. Экспериментальное определение скорости ультразвука в широком диапазоне температур и давлений. Журнал "Теплоэнергетика", №2, 1976, стр.75.

3. При отсутствии таблиц зависимости скорости ультразвука от температуры жидкости скорость ультразвука может определяться с помощью приспособления, изображенного на рис.Д.1. Непосредственно перед измерением скорости ультразвука корпус приспособления (скоба стальная) погружается в исследуемую жидкость, а толщиномер настраивается для измерения скорости ультразвука. Затем ультразвуковым толщиномером производиться непосредственное измерение скорости ультразвука.

Для измерения скорости ультразвука в жидкости возможно также применение прибора УС-12 ИМ (ЩО 2.048.045 ТО) или толщиномеров других типов.

Рис.Д.1. Приспособление для измерения скорости ультразвука в жидкости.

Ультразвук - упругая механическая продольная волна, частота которой превышает 20000Гц . В медицине применяется УЗ частотой 1-1,5МГц.

Ультразвуковая волна вследствие высокой её частоты распространяется в виде лучей (из-за малой длины УЗ-волны можно пренебречь её волновыми свойствами). Такие лучи можно сфокусировать с помощью специальных акустических линз и достигнуть, таким образом, большой интенсивности УЗ-волны. Кроме того, поскольку интенсивность волны пропорциональна квадрату частоты и амплитуды колебаний, то высокая частота УЗ-волны даже при малых её амплитудах предопределяет возможность получения УЗ-волн большой интенсивности.

Способы получения ультразвука :

1. магнитострикционный (получают ультразвук до 200кГц). Магнитострикция - это изменение формы и объёма ферромагнетика (железо, его сплавы с никелем) при помещении его в переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле - это поле, вектор магнитной индукции которого изменяется во времени по гармоническому закону, т.е. изменение указанного параметра характеризуется определённой частотой. Это поле действует как вынуждающая сила, заставляющая стержень из железа сжиматься и растягиваться в зависимости от изменения величины магнитной индукции во времени. Частота сжатий и растяжений будет определяться частотой переменного магнитного поля. При этом в воздухе у концов стержня возникают деформации сжатия, которые распространяются в виде УЗ - волн.

Увеличения амплитуды УЗ-волн добиваются путём подбора такой частоты переменного магнитного поля, при которой наблюдается резонанс между собственными и вынужденными колебаниями стержня.

2. обратный пьезоэлектрический эффект (получают ультразвук более 200кГц). Пьезоэлектрики - вещества кристаллического строения, имеющие пьезоэлектрическую ось, то есть направление, в котором они легко деформируются (кварц, сегнетова соль, титанат бария и др.) Когда такие вещества помещают в переменное электрическое поле (по гармоническому закону колеблется напряжённость электрического поля), пьезоэлектрики начинают сжиматься и растягиваться вдоль пьезоэлектрической оси с частотой переменного электрического поля. При этом вокруг кристалла возникают механические возмущения - деформации сжатия и разряжения, которые распространяются в виде УЗ-волн. В достижении нужной амплитуды играют роль резонансные явления.

Эффект назван обратным, поскольку исторически раньше был открыт прямой пьезоэлектрический эффект - явление возникновения переменного электрического поля при деформации пьезоэлектриков.

Наличие прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта очень важно для работы УЗ- диагностических приборов. Для того чтобы направить УЗ-волну на тело пациента, необходимо получить её, что делают с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта. Для того чтобы зарегистрировать и визуализировать отражённую УЗ-волну, необходимо её превратить в электрическое поле, чего достигают с помощью прямого пьезоэлектрического эффекта.

Особенности распространения УЗ-волн

1) В однородной среде. При прохождении УЗ-волны интенсивностью I через слой вещества шириной её интенсивность уменьшается и становится равной I = I 0 ·e -αd , где I 0 - начальная интенсивность УЗ-волны; I - интенсивность волны после прохождения через слой вещества, d - ширина слоя вещества, - α коэффициент угасания волны.

Угасание УЗ-волны вызвано двумя процессами: рассеянием энергии в тканях (связано с клеточной неоднородностью органов) и её поглощением (связано с макромолекулярной структурой тканей). Значение коэффициента угасания - важный диагностический признак. Так, печень имеет малый коэффициент угасания УЗ-волн вследствие малого коэффициента рассеяния. При циррозе эта величина резко возрастает.

Поглощение тканями УЗ-волн - основа диагностики состояния внутренних органов по принципу трансмиссии - анализа интенсивности волны, прошедшей через тело пациента, и применения УЗ в терапии и хирургии.

2) На границе двух сред. При попадании УЗ-волны интенсивностью на границу раздела сред происходит отражение волны и поглощение волны.

Часть энергии, которая будет заключена в отражённой волне, зависит от соотношения акустических сопротивлений сред. Так на границе тело пациента- воздух отражается почти 100% энергии. Поэтому, чтобы УЗ-волна попала в тело пациента применяют специальные гели (цель - уменьшить перепад акустического сопротивления сред).

Отражение УЗ волны от неоднородностей и границ внутренних органов - основа диагностики их состояния по принципу эхолокации - анализа интенсивности отражённой УЗ - волны. УЗ - волна, направленная на тело пациента, называется зондирующим сигналом , а отражённая УЗ-волна - эхосигналом.

Отражение УЗ-волн также зависит от размера отражающих структур:

Если размер отражающих структур сопоставим с длинной УЗ-волны, то будет происходить дифракция волн, т.е. огибание волной структуры с последующим рассеянием энергии в тканях и формированием УЗ-тени. Это ограничивает разрешающую способность УЗ-диагностики;

Если размер отражающих структур больше длины УЗ-волны, то последняя будет отражаться, причём интенсивность эхосигнала будет зависеть от направления зондирующего сигнала, формы и размера отражающих структур. Существуют так называемые зеркальные структуры , амплитуда эхосигналов от которых имеет самые большие значения (кровеносные сосуды, полости, границы органов и тканей).

В целом, однако, интенсивность эхосигналов очень невелика, что требует для их регистрации очень чувствительной аппаратуры, но, с другой стороны, определяет проникновение УЗ-волн в более глубоколежащие внутренние структуры и способствует их визуализации.

Применение ультразвука в диагностике

С диагностической целью применяют УЗ-волны малой интенсивности, которые не вызывают биологических эффектов в тканях, - до 0,1 Вт на кв.см.

С помощью УЗ-датчика на основе обратного пьезоэлектрического эффекта получают УЗ зондирующий сигнал и принимают эхосигнал. Последний в датчике в результате прямого пьезоэлектрического эффекта преобразуется в переменное электрическое поле, что позволяет зарегистрировать, усилить и визуализировать эхосигналы с помощью электронной аппаратуры.

По способу регистрации и отражения на экране электронных приборов эхосигналов различают следующие режимы УЗ-сканирования:

- А-режим (amplitude mode). Эхосигналы, преобразованные в датчике в электрическое поле, вызывают вертикальное отклонение луча развёртки в форме пиков, амплитуда которых будет зависеть от интенсивности отражённой УЗ-волны, а местоположение на экране осциллографа - глубину залегания отражающей структуры в масштабе измерительного устройства. Примером использования А-режима в медицине является эхоэнцефалоскопия - методика УЗ-сканирования, используемая в неврологии и нейрохирургии для диагностики объёмных поражений головного мозга (гематом, опухолевых процессов и т.д.). Основные эхосигналы (максимальные по амплитуде) формируются при отражении от черепной коробки в месте расположения датчика, срединных структур, черепной коробки противоположной стороны. Смещение центрального пика в правую или левую сторону может указывать на наличие патологии соответственно левого или правого полушарий мозга.

- В-режим (brightness mode). Эхосигналы, преобразованные в датчике в электрическое поле, вызывают на экране свечение точек разной яркости: чем большее колебание напряжённости электрического поля (что, в свою очередь, зависит от интенсивности эхосигнала), тем более яркое и объёмное пятно образуется на экране измерительного прибора. Для реализации режима используют сложноустроенные датчики УЗ-волн, которые содержат множество элементов, излучающих зондирующие стимулы и преобразующих эхосигналы. Направление зондирующих сигналов также меняется. Электронная аппаратура накапливает данные исследования одного и того же участка тела, полученных с помощью всех элементов датчика и в разных направлениях, и, интегрируя их, формирует изображение исследуемого органа в реальном режиме времени в масштабе измерительного устройства. Таким образом можно получить двумерные эхотомограммы.

- М-режим (motion mode). Позволяет получать эхограммы подвижных структур организма. Как и при осуществлении А-режима, направление зондирующих сигналов остаётся неизменным на протяжении всего времени исследования, однако зондирование осуществляется многократно так, чтобы период формирования М- эхограммы превышал период движения исследуемых структур и период формирования А- эхограммы. Регистрируется изменение глубины залегания подвижной структуры во времени (перемещение луча измерительного устройства вдоль оси х ). Амплитуда эхосигналов отображается в виде пятен различной яркости (как в режиме В). При каждом последующем зондировании продольная эхограмма смещается на малую величину в направлении, перпендикулярном оси изображения глубины (времени). Чаще всего в клинике используется эхокардиография.

Взаимодействие ультразвука с веществом. Применение ультразвука в терапии и хирургии.

УЗ характеризуется следующими видами действия на вещество:

- механическое действие . Оно связано с деформацией микроструктуры вещества вследствие периодического сближения и отдаления составляющих вещество микрочастиц. Например, в жидкости УЗ-волна вызывает разрывы её целостности с образованием полостей - кавитаций. Это энергетически невыгодное состояние жидкостей, поэтому полости быстро закрываются с выделением большого количества энергии.

- тепловое действие . Связано с тем, что энергия, заключённая в УЗ-волне и выделяющаяся при закрытии кавитаций, частично рассеивается в тканях в виде тепла, что приводит к их нагреванию.

- физико-химическое действие . Проявляется в ионизации и диссоциации молекул веществ, ускорении химических реакций (например, окисления и восстановления) и т.д.

На комплексном действии механических, тепловых и физико-химических факторов основано биологическое действие УЗ . Это действие будет определяться интенсивностью УЗ-волны.

УЗ малой и средней интенсивности (соответственно 1,5 Вт на кв . см . и 3 Вт на кв.см ) вызывают в живых организмах позитивные эффекты, стимулирует протекание нормальных физиологических процессов. Это основа использования УЗ в физиотерапии. УЗ улучшает проницаемость клеточных мембран, активизирует все виды транспорта через мембрану, влияет на скорость протекания биохимических реакций.

Увеличение интенсивности УЗ-волны приводит к разрушающему его действию на клетки. Это используется для стерилизации медицинских помещений путём уничтожения ультразвуком вирусов и клеток бактерий и грибков.

УЗ высокой интенсивности широко используется в хирургии. Некоторые операции проводятся с помощью ультразвукового скальпеля. Они безболезненны, сопровождаются малыми кровотечениями, раны быстрее заживают, в том числе вследствие стерилизации раны УЗ.

Широкое использование имеет УЗ в ортопедии: для проведения некоторых операций на кости применяется УЗ-пилка , УЗ применяется для соединения костей между собой и скрепления с ними костных имплантантов.

Литотрипсия - методика разрушения камней в почках и жёлчном пузыре с помощью направленного действия УЗ волн большой интенсивности.

Эходоплерография

Эффект Доплера - изменение частоты волн, которые воспринимаются приёмником вследствие относительного движения источника волн и приёмника. Для вычисления частоты волн, которые воспринимаются приемником, пользуются формулой:

Где v приемн - частота волн, воспринимаемых приемником, v ист - частота волн, испускаемых источником, v 0 - скорость волны, u 0 - скорость движения приемника волн, u ист - скорость движения источника волн.

Верхние знаки в числителе и знаменателе характеризуют случаи приближения друг к другу источника и приёмника УЗ-волн, а нижние знаки - случаи отдаления источника и приёмника УЗ-волн.

Эходоплерография - методика исследования скорости кровотока и движения подвижных структур организма (сердце и сосуды), основанная на применении эффекта Доплера.

В мягкие ткани с помощью неподвижного датчика излучается УЗ-волна определённой частоты ν , после чего регистрируют эхосигналы, отражённые от подвижных элементов (главным образом, от эритроцитов крови) и имеющие вследствие эффекта Доплера частоту ν``.

Доплеровский эффект наблюдается дважды:

Сначала датчик является источником волн частотой ν, а эритроцит - приёмником. Вследствие движения эритроцит воспримет волну частотой ν`.

Эритроцит отразит попавшую на него УЗ-волну частотой ν`, но датчик, к которому вернётся эхосигнал, вследствие подвижности эритроцита воспримет его частотой ν``.

Диагностическим признаком является разность Δν = ν - ν`` , которая называется доплеровским сдвигом частоты . Эта разность зависит от скорости движения эритроцитов, т.е. и скорости кровотока в целом.

Доплеровский сдвиг частот находиться в звуковом диапазоне и может быть услышан опытным врачом с помощью специальных приспособлений. Существуют и более современные методы визуализации доплеровского сдвига частот.

Ультразвуком называют продольные механические волны с частотами колебаний выше 20 КГц. Как и звуковые волны, ультразвуковая волна представляет собой чередования сгущений и разряжений среды. В каждой среде скорость распространения, как звука, так и ультразвука – одинакова. Ввиду этого, длина ультразвуковых волн в воздухе меньше чем 17 мМ (V = λ * ν ; Vвозд = 330 м/с).

Источниками ультразвука являются специальные электромеханические излучатели. Один тип излучателей работают на основе явления магнитострикции, когда в переменном магнитном поле изменяются размеры некоторых тел (например, никелевого стержня). Такие излучатели позволяют получить колебания с частотами от 20 до 80 КГц. От источника переменного тока с указанными частотами напряжение подается на никелевый стержень, продольный размер стержня изменяется с частотой переменного тока, и боковыми гранями образца излучается ультразвуковая волна (Рис 4).

Второй тип излучателей работает на основе пьезоэффекта, когда в переменном электрическом поле изменяются размеры некоторых тел – материалов из сегнетоэлектриков. Для этого типа излучателей можно получать более высокочастотные колебания – до 500 МГц. От источника переменного тока напряжение также подается на боковые грани стержня изготовленного из сегнетоэлектрика (кварц, турмалин), продольный размер стержня при этом изменяется с частотой переменного тока, и боковыми гранями образца излучается ультразвуковая волна (Рис 5). И в первом и во втором случаях ультразвук излучается вследствие колебаний боковых граней стержня, в последнем случае эти грани металлизированы для подведения тока к образцу.

Приемники ультразвука работают по принципу обратных явлений магнитострикции и пьезоэффекта: ультразвуковая волна вызывает колебания линейных размеров тел, когда тела находятся в поле ультразвуковой волны, колебания размеров сопровождается появлением либо переменного магнитного, либо переменного электрического полей в материале. Эти поля, возникающие в соответствующем датчике, регистрируются каким либо индикатором, например осциллографом. Чем интенсивнее ультразвук, тем больше амплитуда механических колебаний образца – датчика и тем больше амплитуда возникающих переменных магнитного или электрического полей.

Особенности ультразвука.

Как уже было сказано выше в каждой среде скорость распространения, как звука, так и ультразвука – одинакова. Наиболее важной особенностью ультразвука является узость ультразвукового пучка, что позволяет воздействовать на какие либо объекты локально . В неоднородных средах с мелкими неоднородностями, когда размеры включений примерно равны но больше длины волны (L ≈ λ) имеет место явление дифракции. Если размеры включений много больше длины волны (L >> λ) имеет место прямолинейность распространения ультразвука. В этом случае возможно получать ультразвуковые тени от таких включений, что используется при различных видах диагностики – как технической, так и медицинской. Важным теоретическим моментом при использовании ультразвука является прохождение ультразвука из одной среды в другую. Такая характеристика волн, как частота при этом не изменяется. Напротив, скорость и длина волны при этом могут изменяться. Так в воде скорость акустических волн равна 1400 м/с, когда в воздухе – 330 м/с. Проникновение ультразвука в другую среду характеризуется коэффициентом проникновения (β). Он определяется как отношение интенсивности волны попавшей во вторую среду к интенсивности, падающей волны: β = I 2 / I 1 – Рис 6. Этот коэффициент зависит от соотношения акустических импедансов двух сред. Акустическим импедансом называют произведение плотности среды на скорость распространения волн в данной среде: Z 1 = ρ 1 * V 1 , Z 2 = ρ 2 * V 2 . Коэффициент проникновения наибольший – близкий к единице, если акустические импедансы двух сред примерно равны:ρ 1 * V 1 , ≈ ρ 2 * V 2 . В случае, если импеданс второй среды много больше, чем первой, коэффициент проникновения – ничтожно мал. В общем случае коэффициент β вычисляют по формуле:

Для перехода ультразвука из воздуха в кожу человека β = 0,08 %, для перехода из глицерина в кожу β = 99,7 %.

Поглощение ультразвука в различных средах.

В однородных средах ультразвук поглощается, как и любой вид излучений – по закону показательной функции:

Величину L’ – называют слоем половинного поглощения – это то расстояние, на котором интенсивность волны уменьшается вдвое. Слой половинного поглощения зависит от частоты ультразвука и самой ткани – объекта. С увеличением частоты величина L 1/2 -уменьшается. Для различных тканей организма имеют место следующие значения степени поглощения ультразвука:

Действие ультразвука на ткани организма.

Имеет место три вида действия ультразвука:

Механическое,

Тепловое,

Химическое.

Степень воздействия того или другого вида определяется интенсивностью. В связи с этим в медицине различают три уровня интенсивностей ультразвуков :

1 уровень - до 1,5 Вт / см 2 ,

2 уровень - от 1,5 до 3 Вт / см 2 ,

3 уровень - от 3 до 10 Вт / см 2 .

Все три вида воздействия ультразвука на ткани связано с явлением кавитации - это кратковременные (половины периодов колебаний частиц среды) возникновения микроскопических полостей в местах разряжения среды. Эти полости заполняются парами жидкости, и в фазе повышенного давления (другая половина периода колебаний частиц среды) происходит схлопывание образовавшихся полостей. При больших интенсивностях волн схлопывание полостей с находящимися в них парами жидкости может привести разрушающему механическому воздействию. Естественно схлопывание микрополостей сопровождается тепловым эффектом. С процессом схлопывания микрополостей связано и химическое действие ультразвука, так как при этом частицы среды достигают больших скоростей поступательного движения, что может вызвать явление ионизации, разрыва химических связей, образования радикалов. Образовавшиеся радикалы могут вступать во взаимодействие с белками, лмпидами, нуклеиновыми кислотами и вызывать нежелательные воздействия химической природы.

6.Особенности тока крови по крупным сосудам, средним и мелким сосудам, капиллярам;
ток крови при сужении сосуда, звуковые эффекты.

Скорость кровотока в разных сосудах различна. Ориентировочные значения этой скорости представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Скорость и давление крови в различных сосудах

На первый взгляд, кажется, что приведенные значения противоречат уравнению неразрывности - в тонких капиллярах скорость кровотока меньше чем в артериях. Однако это несоответствие кажущееся. Дело в том, что в табл. 2.1 приведен диаметр одного сосуда, но по мере разветвления сосудов площадь каждого из них уменьшается, а суммарная площадь разветвления возрастает. Так, суммарная площадь всех капилляров (примерно 2000 см 2) в сотни раз превышает площадь аорты - этим и объясняется такая малая скорость крови в капиллярах (в 500 - 600 раз меньше, чем в аорте).

В дальнейшем, когда капилляры сливаются в венулы, в вены, вплоть до полой вены, суммарный просвет сосудов опять уменьшается и, скорость течения крови снова увеличивается. Однако, в силу ряда причин, скорость кровотока при впадении полой вены в сердце увеличивается не до исходного значения, а примерно, до ½ от него (рис. 2.7).

Аорта артерии артериолы капилляры венулы вены полая вена

Рис. 2.7. Распределение скоростей кровотока в различных отделах

сердечно-сосудистой системы

В капиллярах и венах кровоток постоянен, в других отделах сердечно-сосудистой системы наблюдаются пульсовые волны .

Распространяющуюся по аорте и артериям волну повышенного давления, вызванную выбросом крови из левого желудочка сердца в период систолы, называют пульсовой волной.

При сокращении сердечной мышцы (систола) кровь выбрасывается из сердца в аорту и отходящие от нее артерии. Если бы стенки этих сосудов были жесткими, то давление, возникающее в крови на выходе из сердца, со скоростью звука передалось бы к периферии. Однако упругость стенок сосудов приводит к тому, что во время систолы кровь, выталкиваемая сердцем, растягивает аорту, артерии и артериолы. Крупные сосуды воспринимают за время систолы больше крови, чем ее оттекает к периферии. Систолическое давление (Р С) человека в норме равно приблизительно 16 кПа. Во время расслабления сердца (диастола) растянутые кровеносные сосуды спадают и потенциальная энергия, сообщенная им сердцем через кровь, переходит в кинетическую энергию тока крови, при этом поддерживается диастолическое давление (Р Д), приблизительно равное 11 кПа.

Р, Па Р, Па

1 - в аорте 2 - в артериолах

Рис. 2.8. Колебания давления в сосудах при прохождении пульсовых волн

Амплитудой пульсовой волны Р 0 (х) (пульсовое давление) называется разность между максимальным и минимальным значениями давлений в данной точке сосуда (x). В начале аорты амплитуда волны Р 0, max равна разности систолического (Р С) и диастолического (Р Д) давлений: Р 0, max = Р С - Р Д. Затухание амплитуды пульсовой волны при ее распространении вдоль сосудов можно представить зависимостью:

где β - коэффициент затухания, увеличивающийся с уменьшением радиуса сосуда.

Скорость распространения пульсовой волны, измеренная экспериментально, составляет » 6 - 8 м/с, что в 20 - 30 раз больше, чем скорость движения частиц крови = 0,3 - 0,5 м/с. За время изгнания крови из желудочков (время систолы) t с = 0,3 с пульсовая волна успевает распространиться на расстояние

L п = ·t с » 2м,

то есть охватить все крупные сосуды - аорту и артерии. Это означает, что фронт пульсовой волны достигнет конечностей раньше, чем начнется спад давления в аорте.

Экспериментальное определение скорости пульсовой волны лежит в основе диагностики состояния сосудов. С возрастом упругость сосудов увеличивается в 2 - 3 раза, а, следовательно, возрастает и скорость пульсовой волны.

Как ясно из опытов и из общих представлений о работе сердца, пульсовая волна не является синусоидальной

(гармонической) (рис. 2.9).

1 - артерия после прохождения 2 - через артерию проходит

пульсовой волны фронт пульсовой волны

3 - пульсовая волна в артерии 4 - спад повышенного давления

Рис. 2.9. Профиль артерии при прохождении пульсовой волны.

Скорость пульсовой волны в крупных сосудах следующим образом зависит от их параметров (формула Моенса-Кортевега):

, где Е - модуль упругости (модуль Юнга); ρ - плотность вещества сосуда; h - толщина стенки сосуда; d - диаметр сосуда.

Интересно сопоставить эту формулу с выражением для скорости распространения звука в тонком стержне:

, Е - модуль Юнга; ρ - плотность вещества стержня

У человека с возрастом модуль упругости сосудов возрастает, поэтому, становится больше и скорость пульсовой волны.

Наряду с пульсовой волной в системе «сосуд-кровь» могут распространяться и звуковые волны, скорость которых очень велика по сравнению со скоростью движения частиц крови и скоростью пульсовой волны. Таким образом, в системе сосуд-кровь можно выделить три основных процесса движения:

1) перемещение частиц крови ( = 0,5 м/с);

2) распространение пульсовой волны ( ~ 10 м / с);

3) распространение звуковых волн ( ~ 1500 м / с).

Течение крови в артериях в норме является ламинарным, небольшая турбулентность возникает вблизи клапанов. При патологии, когда вязкость бывает меньше нормы, число Рейнольдса может превышать критическое значение и движение станет турбулентным. Турбулентное течение связано с дополнительной затратой энергии при движении жидкости, что в случае крови приводит к добавочной работе сердца.

Шум, возникающий при турбулентном течении крови, может быть использован для диагностирования заболеваний. Этот шум прослушивают на плечевой артерии при измерении давления крови методом звуков Короткова.

Течение воздуха в носовой полости в норме ламинарное. Однако при воспалении или каких-либо других отклонениях от нормы оно может стать турбулентным, что повлечет дополнительную работу дыхательных мышц.

Переход от ламинарной формы течения к турбулентной происходит не только при течении в трубе (канале), он характерен почти для всех течений вязкой жидкости. В частности, обтекание жидкостью профиля корабля или подводной лодки, тела рыбы или крыла самолета или птицы также характеризуется ламинарно-турбулентным переходом, при этом в формулу нужно подставить характерный размер обтекаемого тела и константу, зависящую от формы тела.

Похожая информация.

Дмитрий Левкин

Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

, (3)

Для поперечных волн она определяется по формуле

Дисперсия звука - зависимость фазовой скорости монохроматической звуковых волн от их частоты . Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическим свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны .

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны .

Волна Лэмба - упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

, (5)

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова - вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения , понимая под этим удельную мощность излучателя , т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м 2 . В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик - от пороговых значений ~ 10 -12 Вт/м 2 до сотен кВт/м 2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Таблица 1 - Свойства некоторых распространенных материалов

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. . Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r 2 , амплитуда волны убывает пропорционально , а для цилиндрической волны - пропорционально .

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле

, (6)

Коэффициент затухания от времени определяется

, (7)

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

, (8)

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике .

, (9)

• где A 1 – амплитуда первого сигнала,
• A 2 – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

, (12)

, (13)

• где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z 1 >Z 2 , то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ .

Коэффициент пропускания энергии из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

, (14)

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука - неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции - сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука - отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука - расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны , степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

, (15)

• где D - поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
• r - расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука - устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи . В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях , магнитострикционных преобразователях , электродинамических излучателях , электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса : они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости .

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр , излучаемая мощность звука , направленность излучения . В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса , границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f 0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука - отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью , т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м 2 .

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия , представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля .

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

, (17)

Однако поскольку D обычно значительно больше , уравнение можно упростить и привести к виду

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, - с активным воздействием на вещество и - с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.