Ультразвук

ЯГМА

Медицинская физика

Лечебный факультет 

1 курс

1 семестр

1 поток 
 
 

  Лекция № 5

 

«Ультразвук» 
 
 

 

Составил:   Бабенко Н.И. 
 
 
 
 
 
 

2010 г. 
 

1. Ультразвук  и его получение. Излучатели ультразвука.

 

    Ультразвук  — это механические колебания, частотой свыше 20 000 Гц, которые распространяются в упругих средах в виде продольных волн. Источники ультразвука бывают:

    1. Естественные:

    живые;

    неживые.

    2. Искусственные:

    акустикомеханические преобразователи;

    электроакустические преобразователи (пьезоэлектрические, магнитострикционные).

    Естественные  источники ультразвука - это источники не созданные    руками человека и самостоятельно существующие в природе.

    Живые источники: кузнечики, сверчки, рыбы, летучие  мыши, дельфины. Неживые источники: ветер, обвалы в горах, землетрясения.

    Искусственные источники ультразвука называются акустическими преобразователями, т. к. они преобразуют механическую или электрическую энергию в энергию ультразвуковых колебаний.

    Акустикомеханические  преобразователи - это такие преобразователи, в которых ультразвуковые колебания возникают при прерывании потока жидкости или газа. Примеры: свисток Гальтона, ультразвуковая сирена.

    Электроакустические преобразователи - это такие преобразователи, в которых ультразвуковые колебания  возникают при действии на некоторые вещества переменных электрических или магнитных полей.

    Пьезоэлектрические  преобразователи (пьезо - давлю) — такие  преобразователи, которые для получения  ультразвука используют явление  обратного пьезоэффекта.

    Пьезоэффект бывает прямой и обратный.

    Прямой  пьезоэффект заключается в появлении на поверхности некоторых кристаллов ( пьезодиэлектриков ) зарядов под действием механического напряжения (сжатие, растяжение, изгиб). Рис.1.

      При прямом пьезоэффекте:

    величина   заряда   на   поверхности    пропорциональна приложенному механическому напряжению;

    знак  заряда определяется направлением механического воздействия.

                      нет воздействия             сжатие                  растяжение      

                                

                                                                 Рис.1

    Обратный  пьезоэффект - это явление изменения  размеров (деформации) диэлектрика  при его помещении в переменное электрическое поле.

    Вещества    с    выраженными    пьезоэлектрическими    свойствами называются пьезоэлектриками или пьезодиэлектриками: сегнетова соль, титанат бария, кварц.      

    Магнитострикционные преобразователи - это такие преобразователи, которые для получения ультразвука  используют явление магнитострикции. Магнитострикция - это явление изменения форм (размеров) некоторых ферромагнитных веществ под действием переменного магнитного поля.

    К этим веществам относятся:

    - никель и его сплавы;

    - кобальт и его сплавы;

    - ферриты - керамические соединения на основе оксидов железа, никеля, цинка.

    Вещество в виде стержня помещают внутрь катушки. При подключении катушки к источнику переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты, электрический ток воздействует на стержень своей магнитной составляющей и вызывает его деформацию (удлинение) с частотой  тока. Рис.2 

                                 

                            Рис.2 

2. Медицинские ультразвуковые генераторы.

 

    Ультразвуковой  генератор — это аппарат для  получения и использования ультразвука.

    В медицине используются генераторы для  диагностики (УЗИ), терапии и хирургии.

    Для диагностики используются генераторы, работающие на частоте 5-6 МГц, преобразователи  у этих генераторов пьезоэлектрические.

    Для терапии  используются генераторы, работающие на стандартной, выделенной радиокомитетом частоте 880 кГц, преобразователи у этих генераторов тоже пьезоэлектрические.

    Для хирургии применяются генераторы, работающие на частоте 30-40 МГц. Эти генераторы имеют  магнитострикционные преобразователи. 

    Устройство  ультразвукового генератора. 

    Ультразвуковой  генератор состоит из двух основных частей:

    - генератора электрических колебаний   ультразвуковой частоты;

    -  излучателя пьезоэлектрического  или магнитострикционного типа.

    Генератор и излучатель соединены кабелем-проводом для подвода переменного напряжения ультразвуковой частоты от генератора к излучателю. Рис.3 

                                                                   Рис.3 

Типичный  пьезоэлектрический излучатель аппарата для терапии представляет собой пластмассовый корпус (1), в котором между двумя посеребрёнными круглыми тонкими электродами-пластинами (2) помещён пьезодиэлектрик      ( титанат бария ). К электродам по кабелю типа телевизионного подводится переменное напряжение от генератора. Пьезоэлектрик (3) излучает ультразвуковую волну на частоте своего механического резонанса.

                                   

3. Особенности и свойства ультразвука при его взаимодействии со средой. 

Ультразвуковые  волны при сравнении со звуковыми волнами слышимого звука имеют как сходство так и различие.

 Сходство:

1. Ультразвуковые волны также могут быть как продольными так и поперечными. В жидкостях и газах распространяются только продольные волны. В твёрдых упругих телах могут распространятся все виды волн.

2. Скорость ультразвука равна скорости слышимого звука. Она является наибольшей в твердых телах  и наименьшей - в газах.

Например, при комнатной температуре скорость ультразвука будет (м/с):

                  •      в воздухе 335;

                  •      в воде 1490;

                  •      в алюминии 6250. 

Различие:

1. По сравнению со слышимым звуком, ультразвук имеет более высокую частоту и, следовательно, малую длину волны.

Например,   для   воздуха   при   частоте   ультразвука   300   КГц  длина волны λ ультразвука будет приблизительно равна: 

С 300 м/с

λ =         =        =   1мм

v ЗООООО Гц 

Для  частоты слышимого звука 3000 Гц длина  волны λ =  10 см.

Из-за малой  длины волны ультразвук плохо огибает препятствия, оставляя за ними область акустической тени. Физически это связано со слабо выраженными явлениями дифракции когда размеры препятствия больше, чем длина волны. 

2. УЗ может фокусироваться в узкие направленные пучки с помощью специальных линз или придания определённой формы излучателю. Ультразвуковые пучки могут иметь очень высокую интенсивность по сравнению со слышимым звуком. 

3. При прохождении УЗ через  среду происходит его поглощение. Расстояние, на котором интенсивность УЗ уменьшается вдвое, называется глубиной полупоглощения.

     На частоте n = 1 МГц глубина полупоглощения:

           мышечная ткань –  2,1 см

           жировая ткань      –    3,3 см

           костная ткань       –    0,23см

           кровь                     –    35,0см.

Поглощение  в жидкой среде намного меньше, чем в мягких тканях, и намного  меньше чем в костной.

Поглощение  ультразвука происходит пропорционально  квадрату частоты ультразвука a~v² и в соответствии с формулой:

                                      

                                                       Y_х =Yоe^-ax 

            Y_х - интенсивность ультразвука в среде на глубине X,

           Yo - интенсивность ультразвука перед средой (х = О),

           е - основание натуральных логарифмов (2,72);

        а - коэффициент поглощения, характеризующий убыль интенсивности ультразвуковой волны.

    Хорошо поглощают ультразвук газы, меньше — жидкости и ещё меньше твёрдые среды. Хорошо поглощают ультразвук тела с малой упругостью, неоднородные, волокнистые и пористые среды. К ним относятся: пенопласты, полиуретаны, пластмассы. 

    

 

4. На  границе раздела двух сред с разными акустическими сопротивлениями происходит отражение ультразвуковой волны. Количественно степень отражения характеризуется коэффициентом отражения, который обозначается символом R и вычисляется по формуле: 

                                                             Z₂ – Z₁      ²

                                              R =                                                   

                                                           Z₂ + Z₁  , где                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              

                                  Z₂ и Z₁  акустические сопротивления  сред,                                                                                                                                                                                                                                   

                                                                                  

                                  Z = r´n — акустическое сопротивление.