Излучатели и приемники ультразвука

Для получения ультразвука используют

- обратный пьезоэлектрический эффект;

- магнитострикцию; слайд №2

- электрострикцию;

Обратный пьезоэлектрический эффект состоит в том, что пластинка, вырезанная определенным образом из кристалла кварца (или другого анизотропного кристалла), под действием электрического поля сжимается или удлиняется в зависимости от направления поля. Если поместить такую пластинку между обкладками плоского конденсатора, на которые подается переменное напряжение, то пластинка придет в вынужденные колебания. Колебания пластинки передаются частицам окружающей среды (воздуха или жидкости), что и порождает ультразвуковую волну.

Явление магнитострикции состоит в том, что ферромагнитные стержни (сталь, железо, никель и их сплавы) изменяют линейные размеры под действием магнитного поля, направленного по оси стержня. Поместив такой стержень в переменное магнитное поле (например, внутрь катушки, по которой течет переменный ток), мы вызовем в стержне вынужденные колебания, амплитуда которых будет особенно велика при резонансе. Колеблющийся торец стержня создает в окружающей среде ультразвуковые волны, интенсивность которых находится в прямой зависимости от амплитуды колебаний торца.

Некоторые материалы (например, керамики) способны изменять свои размеры в электрическом поле. Это явление, получившее названиеэлектрострикции, внешне отличается от обратного пьезоэлектрического эффекта тем, что изменение размеров зависит только от напряженности приложенного поля, но не зависит от его знака. К числу подобных материалов относятся титанат бария и титанат-цирконат свинца.

Преобразователи, в которых используют описанные выше явления, называют соответственно пьезоэлектрическими, магнитострикционными и электрострикционными.

Излучатели ультразвука. Электромеханический УЗ-излучатель использует явление обратного пьезоэлектрического эффекта и состоит из следующих элементов (рис.1)

слайд №3

1- пластины из вещества с пьезоэлектрическими свойствами;

2- электродов, нанесенных на ее поверхности в виде проводящих слоев;

3- генератора, подающего на электроды переменное напряжение требуемой частоты.

При подаче на электроды (2) переменного напряжения от генератора (3) пластина (1) испытывает периодические растяжения и сжатия. Возникают вынужденные колебания, частота которых равна частоте изменения напряжения. Эти колебания передаются частицам окружающей среды, создавая механическую волну с соответствующей частотой. Амплитуда колебаний частиц среды вблизи излучателя равна амплитуде колебаний пластины.

К особенностям ультразвука относится возможность получения волн большой интенсивности даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний, так как при данной амплитуде плотность потока энергии пропорциональна квадрату частоты.

I = ρ ω² ʋ А² / 2 (1)

Предельная интенсивность излучения ультразвука определяется свойствами материала излучателей, а также особенностями условий их использования.

Диапазон интенсивности при генерации УЗ в области УСЧ чрезвычайно широк: от 10 ^-14 Вт/см ² до 0,1 Вт/см ² .

Для многих целей необходимы значительно большие интенсивности, чем те которые могут быть получены с поверхности излучателя. В этих случаях можно воспользоваться фокусировкой.

Приемники ультразвука. Электромеханические УЗ-приемники (рис.2) используют явление прямого пьезоэлектрического эффекта.

слайд №4

В этом случае под действием УЗ волны возникают колебания кристаллической пластины (1), в результате которых на электродах (2) возникает переменное напряжение, которое фиксируется регистрирующей системой (3).

В большинстве медицинских приборов генератор ультразвуковых волн одновременно используется и как их приемник.

Рассмотрим свойства ультразвука, обуславливающие его широкое диагностическое и лечебное применение.

По физической сущности УЗ не отличается от звука и представляет собой механическую волну. При ее распространении образуются чередующиеся участки сгущения и разряжения частиц среды. Скорость распространения УЗ и звука в средах одинаковы: в воздухе – 330м/с, в жидкости – 1500 м/с. Однако существуют особенности.

а) Малая длина волны. Направленность. Длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны. Учитывая, что длина волны λ=υ/ν , найдем: для звука с частотой 1 кГц длина волны λ_зв=1500/1000=1,5 м; для ультразвука с частотой 1 МГц длина волны λ_уз=1500/1 000 000=1.5 мм.

Благодаря малой длине волны отражение и дифракция УЗ происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука. Например, тело размером 10 см не будет препятствием для звуковой волны с λ=1,5 м, но станет преградой для УЗ волны с λ=1,5 мм. При этом возникает УЗ тень, поэтому в некоторых случаях распространение УЗ волн можно изображать с помощью лучей и применять к ним законы отражения и преломления. То есть при определенных условиях УЗ волна распространяется направленным потоком, к которому применимы законы геометрической оптики.

б) Преломление и отражение. Как и всем видам волн, ультразвуку присущи явления отражения и преломления. Законы, которым подчиняются эти явления полностью аналогичны законам отражения и преломления света. Поэтому во многих случаях распространение УЗ волн изображают с помощью лучей.

Отражение ультразвуковой волны от границы раздела двух сред с различными свойствами, рис.3

 

слайд №5

Для количественной характеристики процесса вводят понятие коэффициента отражения R=I_отр /I _о , где I_отр - интенсивность отраженной ультразвуковой волны; I _о - интенсивность падающей. Это безразмерная величина, меняющаяся в интервале от нуля (отсутствие отражения) до единицы (полное отражение).

слайд № 6

В случае, представленном на рис.3 (нормальное падение волны на границу раздела), этот коэффициент может быть найден по формуле:

R=(ρ₁υ₁- ρ₂υ₂ / ρ₁υ₁₊ρ₂υ₂ )² (2)

где ρ₁ и ρ₂ - плотности первой и второй среды соответственно; υ₁ и υ₂ -скорости ультразвука в этих средах.

Видно, что чем сильнее различаются волновые сопротивления (ρυ) сред, тем больше доля отраженной энергии и меньше доля энергии, переходящей через границу раздела.

Волновое сопротивление биологических сред примерно в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха (R=1/3000), поэтому отражение на границе воздух-кожа составляет 99,99%. Если излучатель приложить непосредственно к коже человека, то УЗ не проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность кожи покрывают слоем соответствующей смазки (водным желе), которая играет роль переходной среды, уменьшающей отражение.

Смазка должна удовлетворять соответствующим требованиям: иметь акустическое сопротивление, близкое к акустическому сопротивлению кожи, обладать малым коэффициентом поглощения УЗ, иметь значительную вязкость, хорошо смачивать кожу, быть нетоксичной (вазелиновое масло, глицерин и др.).

в) Поглощение, глубина полупоглощения. Следующим важным свойством ультразвука является его поглощение в средах: энергия механических колебаний частиц среды превращается в энергию их теплового движения. Поглощаемая при этом средой энергия механической волны обуславливает нагревание среды. Этот эффект описывается формулой:

I = I_о^. е^-кl (3)

где I_o - интенсивность ультразвуковой волны, прошедшей расстояние l в среде; I_o- начальная интенсивность; к – коэффициент поглощения ультразвука в среде; е – основание натуральных логарифмов (е = 2,71).

Графически этот закон иллюстрируется рисунком 4.

слайд № 7

 

Рис.4. Поглощение ультразвука в двух средах: коэффициент поглощения во второй среде больше, чем в первой.

Наряду с коэффициентом поглощения, в качестве характеристики поглощения УЗ используют и глубину полупоглощения .

Глубина полупоглощения – это глубина, на которой интенсивность УЗ-волны уменьшается вдвое.

Глубина полупоглощения для различных тканей имеет различное значение. Поэтому в медицинских целях используют УЗ волны различных интенсивностей: малая – 1,5 Вт/м², средняя – (1,5-3) Вт/м² и большая –(3-10)Вт/м².

Значения коэффициента поглощения и глубины полупоглощения в различных тканях представлены в таблице 1.

слайд № 8

Ткань	, см-1	Н, см
Мышечная	0,16	2.10
Кожа	0,14-0,66	0,53-2.5
Хрящ	0.58	0,60
Легкое	3,5-5,0	0,07-0,10
Жировая	0,044-0,99	3.9-7.9
Костная	1,5-2.2	0,15-0,23
Кровь	0.023	15,10

 

Видно, что поглощение в жидкой среде значительно меньше, чем в мягких тканях и тем более в костной ткани.

Важнейшими физическими характеристиками ультразвука, наиболее часто учитываемыми при его использовании, считаются следующие:

- частота, указывающая на число полных колебаний частиц среды в единицу времени и выражающаяся обычно в килогерцах (кГц); аппараты ультразвуковой терапии сегодня работают в основном на фиксированных частотах (880 кГц, 2640 кГц и др.);

- сила ( или интенсивность) ультразвука, под которой понимают энергию, проходящую за 1 с через площадь в 1 см² ; чаще в медицине ее выражают в Вт/см² ( 1 Вт/см² = 1эрг/ (с ∙ см² ); с лечебной целью применяют ультразвук интенсивностью от 0.05 до 1,0-1,2 Вт/см² ;

- амплитуда смещения (амплитуда ультразвуковой волны), которая указывает на максимальное отклонение частиц среды от положения равновесия: чем она больше, тем более значительные изменения возникают в тканях;

- скважность, которая является отношением периода следования импульсов ( в отечественных аппаратах он равен 20 мс) к длительности импульса ( в отечественных аппаратах она равна 2,4 и 10 мс, а следовательно, скважность равна соответственно 10,5 и 2); чем выше скважность, тем меньше нагрузка на организм больного.

 

 

Лекция №2