Ультразвук способы получения ультразвука

Получение ультразвука

Ультразвуковые волны — это упругие колебания материальной среды с частотами, превышающими предел слышимости (свыше 20 кгц), и очень малой длиной волны. Эти волны получают путем использования пьезоэлектрического и магнитострикционного эффектов, а также механическим и термическим способами.

В ультразвуковой дефектоскопии используется пьезоэлектрический и магнитострикционный эффекты.

Пьезоэлектрический эффект основан на том, что в некоторых материалах при приложении механических напряжений возникают электрические заряды (прямой пьезоэлектрический эффект) и, наоборот, при воздействии электрического поля на материал в нем возникают механические напряжения (обратный пьезоэлектрический эффект). К числу материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом относятся кристаллы кварца, турмалина, сегнетовой соли, титаната, бария и др. Каждый кристалл характеризуется главными осями: электрической х, механической у и оптической z (черт. № 150). В зависимости от назначения из кристалла кварца могут быть вырезаны пластинки под самыми различными углами к этим осям.

В ультразвуковой технике чаще всего используют пластинки среза х, вырезаемые перпендикулярно к электрической оси х кристалла. Если такую пластинку по направлению оси х подвергать сжимающим или растягивающим усилиям, то на противоположных поверхностях пластинки будут возникать отрицательные и положительные заряды (черт. № 151), которые по величине пропорциональны приложенному усилию.

черт. № 150. Схема расположения главных кристаллографических осей в шестигранном кристалле кварца:

х — электрическая, у — механическая и z — оптическая оси

черт. № 151. Схема пьезоэлектрического эффекта:

а — растяжение и сжатие пластинки среза х по оси х; б — растяжение или сжатие пластинки среза х по оси и

Для излучателей и приемников поперечных волн или волн сдвига используют пластинку среза у, которую вырезают так, чтобы ее поверхность была перпендикулярна к механической оси кристалла. Усилие сжатия или растяжения вдоль оси г не вызывает появления зарядов.

Кроме кристаллов кварца, широкое распространение в промышленности получили кристаллы сегнетовой соли. Несмотря на высокие прочностные и термические свойства, пьезоэффект кварца значительно ниже пьезоэффекта кристаллов сегнетовой соли. Пьезоэлектрические свойства кристалла сегнетовой соли несколько отличаются от пьезоэлектрических свойств кристалла кварца. Для получения пластинки из кристалла сегнетовой соли, которая работала бы попеременно на растяжение и сжатие, ее вырезают перпендикулярно к оси х, но под углом 45 к осям.

Пьезоэффект такой пластинки получается во много раз больше, чем у кварца.

Для увеличения площади излучателя или приемника ультразвуковых волн вырезанные таким образом пластинки соединяют в пакеты. Каждая пластинка покрывается токопроводящим слоем или обклеивается тонкой фольгой.

Для возбуждения и приема ультразвуковых волн пластинки, вырезанные из кристаллов, монтируются в специальных металлических обоймах — щупах.

В зависимости от вида волн и направленности колебаний щупы могут быть прямые, наклонные (призматические) и т. д. Для подачи продольных волн перпендикулярно к исследуемому материалу используют прямые щупы, а при подаче колебаний под углом к поверхности исследуемого материала используют наклонные щупы.

Магнитострикционный эффект основан на том, что под действием магнитного поля некоторые металлы и их сплавы обладают свойством сжиматься или расширяться. К таким металлам относятся железо, кобальт, никель и другие металлы и сплавы. В качестве простейшего магнитострикционного излучателя может быть использован металлический стержень (из магнитострикционного металла), на который надевается катушка. Если по обмотке катушки пропускать переменный ток, то в ней возникает переменное магнитное поле, которое при изменении размеров стержня возбуждает в нем механические колебания в такт с колебаниями тока.

При колебаниях стержня торец его излучает ультразвуковые волны. Если стержень из магнитострикционного металла пропустить в отверстие, проделанное в сердечнике трансформатора, через обмотку которого проходит переменный ток, то торец стержня благодаря колебаниям также будет излучать ультразвуковые волны (черт. № 152).

По сравнению с пьезоэлектрическими преобразователями магнитострикционные преобразователи используются в промышленности для получения более мощного ультразвукового излучения, они просты в изготовлении и более экономичны в эксплуатации.

Ультразвуковые преобразователи. Ультразвуковая установка, предназначенная для контроля материалов без разрушения, состоит из двух основных частей — электрического высокочастотного генератора и ультразвукового преобразователя. Электрический генератор служит для преобразования промышленного переменного тока в токи высокой частоты.

В зависимости от необходимой частоты тока в ультразвуковой технике используются машинные и ламповые генераторы. В испытательной технике наибольшее распространение получили ламповые генераторы, обладающие простотой настройки и обеспечивающие высокую стабильность частоты. Ультразвуковые преобразователи предназначаются для возбуждения и приема ультразвуковых волн, которые затем преобразовываются в электрические сигналы, усиливаются ламповыми усилителями и регистрируются с помощью электроннолучевых трубок.

Ультразвуковые преобразователи могут быть пьезоэлектрическими й магнитострикционными. Пьезоэлектрические преобразователи питаются от электрических ламповых генераторов, выполненных по схемам с самовозбуждением в виде однокаскадного генератора с лампой, обеспечивающей необходимую мощность. Магнитострикционные преобразователи питаются от электрических ламповых генераторов, выполненных по схеме независимого возбуждения, чем достигается стабильность получаемых частот.

Источник

УЛЬТРАЗВУК: СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ.

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 , где — начальная интенсивность УЗ-волны; — интенсивность волны после прохождения через слой вещества, — ширина слоя вещества, — 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.

Источник

УЛЬТРАЗВУК: СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЗВУКА В МЕДИЦИНЕ.

ПОНЯТИЕ ПРО АУДИОМЕТРИЮ.

Аудиометрия – комплекс методов измерения остроты слуха путём анализа восприятия человеком стандартных по частоте и интенсивности звуков.

Наиболее часто проводиться с помощью прибора аудиометра. Основной частью аудиометра является генератор гармонических колебаний – электронный прибор, который производит электрические колебания звуковой частоты (от 16-20000Гц). На приборе есть регуляторы частоты и амплитуды колебаний.

В динамике электрические колебания преобразуются в механические (частота их будет такой же, как у электрических колебаний, а интенсивность волны будет зависеть от амплитуды электрических колебаний) и подаются через наушники к пациенту.

Врач задаёт определённую частоту колебаний и, плавно изменяет на этой частоте интенсивность звуковой волны, начиная с минимальной. Пациент должен подать знак, когда звуковые колебания станут слышимыми. Так определяется порог слышимости для данной частоты.

Те же действия выполняются врачом и пациентом и на других частотах. После этого – строят аудиограмму – кривую, отражающую пороги слышимости на различных частотах и сравнивают её с нормальной аудиограммой – результатом статистического исследования остроты слуха выборки здоровых людей.

Модификации методики позволяют выявить, в каком отделе слухового анализатора возникли нарушения (барабанная перепонка, нарушение подвижности слуховых кусточек среднего уха, рецепторы в слуховой улитке внутреннего уха, слуховой нерв или кора больших полушарий мозга) и назначить адекватное лечение.

Аудиометрию проводят также другими способами (исследование с помощью камертонов, шёпотной речью и т.д.)

Другие звуковые методы в медицине – аускультация, перкуссия, електрофонокардиография, где звук – является источником информации о состоянии и работе внутренних органов.

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 , где — начальная интенсивность УЗ-волны; — интенсивность волны после прохождения через слой вещества, — ширина слоя вещества, — 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.

Источник