Основні властивості ультразвукових хвиль

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

на  тему:

“Основні властивості ультразвукових хвиль”

 

 

 

 

 

 

 

 

Виконала:

Дружина Іра

Перевірив:

Селецький В.П

1. Властивості  ультразвукових хвиль

Механічні хвилі, частота яких перевищує 20 кГц називаються  ультразвуком (УЗ). Ультразвукові хвилі – повздовжні хвилі, які являють собою періодичне чередування зон стиснення і розрідження частинок середовища (рис. 1).

Рис. 1.

Основні характеристики ультразвуку: частота v, циклічна частота  ω  та, період Т (Т = 1/v ), швидкість  υ, довжина хвилі λ (λ= υ/v), амплітуда А, інтенсивність І ( , р — густина середовища), акустичний тиск Р ( ).

Ультразвук  має ряд специфічних властивостей, які визначають його широке використання в різних сферах людської діяльності. Ці особливості зумовлені високою  частотою і, відповідно, малою довжиною хвилі, що визначає променевий характер розповсюдження ультразвуку, а також можливістю досягнення великих значень інтенсивності.

На відміну  від звичайних звуків ультразвуки  мають значно меншу довжину хвиль. Внаслідок цього вони дають ультразвукові тіні і їх можна одержати у вигляді вузьких пучків, які за аналогією із світловими прийнято називати ультравуковими пучками. Таким чином, можна вважати, що ультразвук поширюється в однорідному середовищі прямолінійно, не огинає перешкод, розміри яких значно перевищують довжину хвилі.

  З ультразвуком, як і з іншими видами хвиль,  спостерігаються заломлення, відбивання, дифракція та поглинання.

  При заломленні та падінні ультразвукових хвиль під кутом відбувається цікаве явище – утворення продольних і поперечних хвиль одночасно.

  Найкраще  ультразвук поглинається газами, тілами з малою пружністю (пластмаси), пористими тілами (гума, корок), гірше – рідинами, найгірше – твердими тілами.

  Ультразвук  дуже широко використовується  в технологіях. Існують ультразвукові різання, зварювання, паяння, лудіння, чищення, уловлювання пилу і туману, прискорення технологічних процесів, готування суспензій і емульсій, контроль якості, бачення, ехолокація і т.д. Використовується також ультразвук у хімії, металургії, електроніці та медицині. Далі йтиметься мова тільки про використання в медицині.

2. Способи  генерації ультразвуку

На практиці ультразвук найчастіше одержують за допомогою магнітострикційних і  п'єзоелектричних випромінювачів.

Магнітострикційний випромінювач використовується для отримання низькочастотних ультразвуків (до 200 кГц). Їх дія основана на явищі магнітострикції в змінному магнітному полі. Явище магнітострикції полягає в зміні об'єму і форми феромагнетика при його намагнічуванні. Якщо стержень з феромагнетика (залізо, нікель, залізо-нікельовий сплав або ферити) помістити в магнітне поле соленоїда, то він, у відповідності з частотою зміни напряму поля, буде періодично змінювати свою довжину (скорочуватися або видовжуватися), тобто відбуватимуться магнітострикційні коливання. Кінці стержня будуть випромінювати в середовище ультразвукові коливання. При співпаданні частоти коливань вектора індукції магнітного поля з власною частотою механічних коливань стержня, амплітуда коливань останнього досягає максимального значення (явище резонансу).

П'єзоелектричні випромінювачі використовуються для генерації ультразвуків з частотою більшою 200 кГц. Їх дія основана на явищі п'єзоелектричного ефекту. П'єзоефект спостерігається в кварці (SiO₂), титанаті барію (ВаТіО₃), сегнетовій солі, турмаліні та в інших речовинах, об'єднаних спільною назвою «п'єзоелектрики». Суть прямого п'єзоефекту полягає в тому, що при механічних деформаціях деяких кристалів в певних напрямках на їх гранях з'являються електричні заряди протилежних знаків. Обернений п'єзоелектричний ефект полягає в зміні лінійних розмірів кристалу п'єзоелектрика під дією змінного електричного поля, тобто відбуваються вимушені механічні коливання п'єзоелектрика. В кристалах існують певні напрямки, які називаються п'єзоелектричною віссю. В напрямку вісі кристали найбільше втискуються і розтягуються, причому їх деформація досягає найбільшого значення при співпаданні частоти коливання напруженості електричного поля з власною частотою механічних коливань п'єзоелектрика (явище резонансу).

В описаних вище методах коливання розмірів робочого тіла випромінювача (кінці стержня  або грані кристалу) викликають в  пружньому середовищі, яке до них  дотикається, повздовжню ультразвукову  хвилю.

Рис. 2.

Ультразвукова хвиля при проходженні через межу поділу двох середовищ частково відбивається і частково переходить у друге середовище (рис. 2).

За умови  незначної відмінності акустичного опору середовищ у зоні дії, відбивання ультразвуку на межі цих середовищ незначне. Якщо є велика різниця акустичного опору, то падаюча хвиля повністю відбивається від межі середовищ. Так на межі повітря і біологічних тканин ультразвук відбивається на 99,7%. Цим продиктована основна умова методики ультразвукової терапії — щільний контакт аплікатора з ділянкою тіла, на яку впливають. З цією метою використовують так звані контактні середовища (воду, вазелінову, рослинну олію, гліцерин, мазі), які наносять на зону дії. Оскільки акустичні властивості цих середовищ і біологічних тканин подібні між собою, відбивання ультразвукових хвиль незначне (у межах від 0,1 До 1%).

Відбивання ультразвукових хвиль залежить і від кута їх падіння  на зону дії. У разі збільшення кута падіння коефіцієнт відбивання зростає. Чим більше кут падіння відхиляється від перпендикуляра, проведеного до поверхні середовища, тим більший коефіцієнт відбивання. Він може стати таким, за якого поширення ультразвуку повністю припиняється. Саме тому найліпшою передумовою передачі енергії тканинам є накладання випромінювача до шкіри всією його поверхнею.

 Ці явища характеризуються  коефіцієнтами відбивання К_в і пропускання К_пр. Вони показують, яку частину інтенсивності падаючого ультразвукового променя І_п становлять інтенсивності І_в і І_пр відповідно відбитого променя і променя, що пройшов у друге середовище:

Ці коефіцієнти  залежать від співвідношення акустичних опорів (Z=ρυ) двох середовищ, які межують  між собою. Таким чином, на межі поділу двох середовищ відбувається перерозподіл механічної енергії ультразвуку  в залежності від акустичної густини середовищ (рис. 3), що лежить в основі ультразвукових методів дослідження у клініці. Основний принцип роботи будь-якого ультразвукового діагностичного приладу полягає у реєстрації відповідними способами відбитих від неоднорідностей внутрішніх органів і тканин організму УЗ променів.

Рис. 3.

Рис. 4.

Випромінювачі (датчики) УЗ відіграють дуже важливу роль в роботі ультразвукової медичної апаратури в цілому. Будова звичайного одноелементного датчика УЗ зображена на рис. 4.

Ультразвукові хвилі, які випромінюються звичайним датчиком, розповсюджуються на певній відстані  у вигляді вузького паралельного пучка променів (рис. 5). На відстані  УЗ-промені починають відхилятись на деякий кут Θ.

Рис. 5.

Відстань l₀ залежить від радіуса датчика і довжини хвилі:

Так, наприклад, при використанні звичайного датчика  діаметром 12 мм і частоти ультразвуку 2,22 МГц промені залишаються паралельними на відстані 6 см.

Для зменшення  ступеня розходження променів використовують також фокусовані датчики з ультразвуковими лінзами (рис. 6).

Рис. 6.

Використання  УЗ-лінз з різною кривизною поверхні дозволяє створювати фокусну зону на різних відстанях від датчиків.

Один і той  самий датчик використовується для  випромінювання УЗ і для прийняття  відбитих від об'єкту УЗ променів. Збудження п'єзоелементів при цьому досягається імпульсними електричними сигналами, які складаються з високочастотних посилок і пауз між ними. В режимі посилки сигналів датчик випромінює УЗ, а в режимі паузи реєструє відбиті промені.

Важливою характеристикою ультразвукових приладів є роздільна здатність, яка визначається границею роздільності. Границя роздільності – мінімальна відстань між двома відбиваючими структурами, від яких можна роздільно зареєструвати два відбитих сигнали. Роздільна здатність залежить від частоти ультразвукових коливань.

 

Ультразвуковий  промінь, який генерується датчиком, має максимальну інтенсивність  в центрі пучка (рис. 7). В результаті цього роздільна здатність датчика  різна по центру пучка і по його периферії.

Рис. 7.

 

В медичній практиці використовуються датчики, які генерують  різні частоти УЗ (1-10 МГц), мають  різний діаметр (0,7-2 см) і фокусну  відстань від 6 до 12-14 см.

 

 

3. Класифікація  ультразвуку

• За способом передачі від джерела до людини  ультразвук

поділяють на:

     - повітряний, що передається через повітряне  середовище;

     - контактний,  що  передається на руки працюючої  людини через

тверде чи рідке середовище.

• За спектром ультразвук поділяють на:

     - низькочастотний,   коливання   якого   передаються   людині

повітряним  та  контактним шляхом (від 1,2х10 в ступ.4 до 1,0х10 в

ступ.5 Гц);

     - високочастотний,  коливання якого передаються  людині тільки

контактним шляхом (від 1,0х10 в ступ.5 до 1,0х10 в ступ.9 Гц).

4. Поглинання УЗ біологічними тканинами

Тканини поглинають ультразвук нерівномірно. Слабке поглинання відбувається в підшкірній жировій клітковині, більше в м'язах, нервах і особливо в кістках. І тканини, що виконують  функцію опори, і тканини, що отримують  і передають механічне напруження, мають вищі значення поглинання, ніж тканини паренхіматозних органів. Коефіцієнт поглинання ультразвуку для кісткової тканини у 12—15 разів вищий, ніж для м'язової тканини. Глибина проникнення ультразвуку у кістку мінімальна і становить близько 0,3 см. Максимально енергія ультразвуку поглинається на межі поділу різних тканин: шкіра — підшкірна жирова клітковина, фасція—м'яз, окістя — кістка. При патологічних процесах поглинання ультразвуку змінюється. Якщо патологічний процес супроводжується набряком тканин, то коефіцієнт поглинання ультразвукових хвиль зменшується. Інфільтрація тканин клітинними елементами веде до підвищення коефіцієнта поглинання.

Вважається, що в умовах цілісного  організму ультразвук частотою 800—1000 кГц поширюється на глибину 5—6 см, а частотою 2500—3000 кГц — на 1,5—2 см. Оскільки амплітуда ультразвукових коливань поступово зменшується, то для оцінки глибини їх проникнення користуються величиною напівпоглинаючого шару. Вона вказує, на якій глибині інтенсивність коливань унаслідок поглинання тканинами зменшується вдвоє. Величина напівпоглинаючого шару тим менша, чим більша в'язкість тканини і чим вища частота коливань. Так, при частоті 800 кГц величина цього шару для м'яких тканин (жирова і м'язова) дорівнює 4,9 см, а при частоті — 2400 кГц — 1,5 см. З урахуванням цього для лікування хвороб внутрішніх органів використовують частоту 880 кГц, а в дерматологічній практиці частіше застосовують ультразвук із частотою коливань 2000—3000 кГц. Основними дозиметричними параметрами ультразвукової терапії є потужність, інтенсивність, режим і тривалість дії. Потужність — це кількість енергії, що випромінюється всією поверхнею ультразвукової головки. У фізіотерапії частіше послуговуються поняттям «інтенсивність». Інтенсивність — це кількість ультразвукової енергії, що проходить через 1 см2 площі випромінювача протя-гдм 1 с. Вона представлена у ватах на 1 см2 (Вт/см2). Утвердився поділ інтенсивності ультразвуку на малу (0,05—0,4 Вт/см2), середню (0,6—0,8 Вт/см2) і велику (1,0—1,2 Вт/см2).

Режим генерації ультразвуку може бути постійним (неперервний ультразвук) і імпульсним, коли коливання подаються окремими імпульсами з інтервалами (імпульсний ультразвук). При цьому частота імпульсів дорівнює 50 Гц, тривалість— 10,4 і 2 мс, а скважність (відношення тривалості всього періоду до тривалості проходження імпульсу) відповідно дорівнює 2,5 і 10. В імпульсному режимі при одній і тій самій інтенсивності коливань за один і той самий проміжок часу енергії випромінюється в середньому менше, ніж при неперервному.