Что такое ультразвук и как он отличается от обычного звука. Каковы основные физические характеристики ультразвуковых волн. Как генерируется и распространяется ультразвук. Почему ультразвук используется в медицинской диагностике. Какие эффекты возникают при взаимодействии ультразвука с тканями.
Что такое ультразвук и его физическая природа
Ультразвук представляет собой упругие колебания частиц среды с частотой выше 20 кГц, то есть превышающей верхний порог слышимости человеческого уха. По своей физической природе ультразвук не отличается от обычных звуковых волн, за исключением более высокой частоты колебаний.
Основные физические характеристики ультразвуковых волн:
- Частота — от 20 кГц до нескольких гигагерц
- Длина волны — от нескольких сантиметров до долей микрометра
- Скорость распространения — зависит от среды (в воде около 1500 м/с)
- Амплитуда колебаний — от долей ангстрема до десятков микрометров
Ультразвуковые волны, как и звуковые, являются продольными механическими волнами, в которых колебания частиц среды происходят вдоль направления распространения волны.
Генерация и распространение ультразвука
Каким образом генерируются ультразвуковые волны? Основными способами получения ультразвука являются:
- Пьезоэлектрический эффект — при подаче переменного электрического напряжения на пьезоэлемент он начинает колебаться с ультразвуковой частотой
- Магнитострикционный эффект — изменение размеров ферромагнитных материалов при намагничивании переменным магнитным полем
- Механические способы — с помощью специальных сирен, свистков и других устройств
При распространении ультразвука в среде происходит перенос энергии, но не вещества. Частицы среды совершают колебания относительно положения равновесия, передавая энергию соседним частицам. Скорость распространения ультразвука зависит от упругих свойств и плотности среды.
Почему ультразвук используется в медицинской диагностике
Ультразвук нашел широкое применение в медицинской диагностике благодаря ряду преимуществ:
- Неинвазивность и безопасность метода
- Возможность получения изображений в реальном времени
- Отсутствие ионизирующего излучения
- Относительно низкая стоимость оборудования
- Возможность исследования движущихся структур
Высокая частота ультразвука позволяет получать изображения с хорошим пространственным разрешением. А способность ультразвука отражаться от границ сред с разным акустическим сопротивлением дает возможность визуализировать внутренние структуры организма.
Взаимодействие ультразвука с биологическими тканями
При прохождении через биологические ткани ультразвуковая волна испытывает следующие эффекты:
- Отражение — на границах сред с разным акустическим сопротивлением
- Рассеяние — на неоднородностях, сравнимых с длиной волны
- Поглощение — преобразование энергии волны в тепло
- Преломление — изменение направления распространения на границе сред
Степень выраженности этих эффектов зависит от акустических свойств тканей и параметров ультразвуковой волны. На этих физических явлениях основаны различные методы ультразвуковой диагностики.
Основные режимы ультразвуковой визуализации
В современных ультразвуковых диагностических приборах используются следующие основные режимы визуализации:
- В-режим (двумерное серошкальное изображение)
- М-режим (одномерное изображение движения структур во времени)
- Допплеровские режимы (визуализация движущихся структур, например, кровотока)
- 3D/4D-режимы (объемная визуализация)
Каждый из этих режимов имеет свои особенности формирования изображения и области применения в диагностике различных заболеваний и состояний.
Особенности распространения ультразвука в биологических тканях
При прохождении через биологические ткани ультразвуковая волна испытывает ряд особенностей:
- Нелинейное распространение — из-за неоднородности и нелинейности свойств тканей
- Дисперсия скорости — зависимость скорости от частоты
- Анизотропия — зависимость скорости от направления распространения
- Частотно-зависимое поглощение — более высокие частоты поглощаются сильнее
Учет этих особенностей необходим для правильной интерпретации получаемых ультразвуковых изображений и количественных измерений.
Биологические эффекты ультразвука
При взаимодействии с биологическими тканями ультразвук может вызывать определенные биологические эффекты:
- Тепловые — за счет поглощения энергии и перехода ее в тепло
- Механические — из-за знакопеременного давления и микропотоков
- Кавитационные — образование и схлопывание микропузырьков газа
- Химические — активация химических реакций под действием ультразвука
В диагностических применениях параметры ультразвука подбираются таким образом, чтобы минимизировать возможные биологические эффекты. Однако в терапевтических целях некоторые из этих эффектов могут целенаправленно использоваться.
Как выбрать оптимальную частоту ультразвука для исследования?
Выбор оптимальной частоты ультразвука для исследования зависит от нескольких факторов:
- Глубины расположения исследуемых структур
- Необходимого пространственного разрешения
- Акустических свойств тканей
Чем выше частота ультразвука, тем лучше разрешение, но меньше глубина проникновения. Поэтому для поверхностных структур используют высокие частоты (7-15 МГц), а для глубоко расположенных органов — более низкие (2-5 МГц).
Ультразвук: источники и применение. | Презентация к уроку по физике на тему:
Слайд 2
УЛЬТРАЗВУК — упругие звуковые колебания высокой частоты от 20 000 до 1000000 Гц.
Слайд 3
ИСТОЧНИКИ УЛЬТРАЗВУКА излучатели-генераторы электроакустические преобразователи Природные явления естественные шумы Звуки животного мира
Слайд 4
Излучатели-генераторы — устройства, в которых колебания возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока – струи газа или жидкости. Применяются для ряда акустических исследований (осаждение дыма в заводских трубах, осаждение тумана, исследования распространения звука и т. д.). Жидкостные вихревые свистки используются для приготовления эмульсий.
Слайд 5
ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ — ПРЕОБРАЗУЮТ УЖЕ ЗАДАННЫЕ КОЛЕБАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ИЛИ ТОКА В МЕХАНИЧЕСКОЕ КОЛЕБАНИЕ ТВЕРДОГО ТЕЛА, КОТОРОЕ И ИЗЛУЧАЕТ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ. В зависимости от направления преобразования различают излучатели и приёмники.
Электроакустические преобразователи широко используют для излучения и приёма звука в технике связи и звуковоспроизведения, для измерения и приёма упругих колебаний в ультразвуковой технике, гидролокации и в акустоэлектронике.
Слайд 6
дождя шум гальки, перекатываемой морским прибоем звуки, сопровождающие грозовые разряды шум ветра водопада
Слайд 7
Летучие мыши, используют при ночном ориентировании эхолокацию, испускают при этом ртом сигналы чрезвычайно высокой интенсивности. . У ночных бабочек из семейства медведиц развился генератор ультразвуковых помех, «сбивающий со следа» летучих мышей, преследующих этих насекомых. Ультразвуковой эхолокацией в воде пользуются китообразные.
Слайд 8
Эхолокацию используют для навигации птицы — жирные козодои, или гуахаро. Населяют они горные пещеры Латинской Америки . Живя в кромешной тьме, жирные козодои, тем не менее, приспособились виртуозно летать по пещерам. Они издают негромкие щёлкающие звуки, воспринимаемые и человеческим ухом (их частота примерно 7 000 Герц).
Каждый щелчок длится одну-две миллисекунды. Звук щелчка отражается от стен подземелья, разных выступов и препятствий и воспринимается чутким слухом птицы.
Слайд 9
Ультразвук применяется в технике в медицине в химической промышленности в биологии
Слайд 10
ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В МЕДИЦИНЕ (УЗИ) — НЕИНВАЗИВНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА ИЛИ ЖИВОТНОГО С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН .
Слайд 11
УЛЬТРАЗВУК ПРИМЕНЯЕТСЯ В МЕДИЦИНЕ КАК ЛЕЧЕБНОЕ СРЕДСТВО. Ультразвук обладает действием: противовоспалительным, рассасывающим; анальгезирующим, спазмолитическим; кавитационным усилением проницаемости кожи.
Слайд 12
РЕЗКА МЕТАЛЛА С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКА С помощью ультразвука магнитострикционный вибратор может просверлить отверстие любой формы. Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических деталях, в стекле, в рубине, в алмазе.
Слайд 13
ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОДНОРОДНЫХ СМЕСЕЙ С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКА Еще в 1927 году американские ученые Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде.
Подобные эмульсии играют большую роль в промышленности: это лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика.
Слайд 14
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В БИОЛОГИИ отделение клетки от ферментов. разрушение таких внутриклеточных структур, как митохондрии и хлоропласты с целью изучения взаимосвязи между их структурой и функциями. Способность вызывать искусственные мутации играет большую роль в селекции растений. Главное преимущество ультразвука перед другими мутагенами (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи) в том, что с ним чрезвычайно легко. работать
Слайд 15
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ИЗДЕЛИЙ. В лабораториях и на производстве применяются ультразвуковые ванны для очистки лабораторной посуды и деталей от мелких частиц. В ювелирной промышленности ювелирные изделия очищают от мелких частиц полировальной пасты в ультразвуковых ваннах. Для стирки текстильных изделий. Общим для них является принцип действия: упругие волны ультразвука действуют на загрязнения, «выбивая» грязь с помощью поверхностно-активных веществ.
Слайд 16
используются ультразвуковые ванны для очистки корнеплодов (картофеля, моркови, свеклы и др.) от частиц земли. Применение ультразвука для очистки корнеплодов
Слайд 17
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В ЭХОЛОКАЦИИ В рыбной промышленности применяют ультразвуковую эхолокацию для обнаружения косяков рыб. Ультразвуковые волны отражаются от косяков рыб и приходят в приёмник ультразвука раньше, чем ультразвуковая волна, отразившаяся от дна.
Слайд 18
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА — сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. Такой вид сварки применяется для соединения деталей, нагрев которых затруднен, или при соединении разнородных металлов или металлов с прочными окисными пленками (алюминий, нержавеющие стали, магнитопроводы из пермаллоя и т. п.). Так ультразвуковая сварка применяется при производстве интегральных микросхем.
Слайд 19
УЛЬТРОЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ — поиск дефектов в материале изделия ультразвуковым методом, то есть путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и других характеристик с помощью специального оборудования — ультразвукового дефектоскопа.
Слайд 20
ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА В ГАЛЬВАНОТЕХНИКЕ для интенсификации гальванических процессов и улучшения качества покрытий, получаемых электрохимическим способом.
Слайд 21
Использованные источники: http://ru.wikipedia.org/ http://images.yandex.ru/
Физики открыли способ перемещения предметов с помощью ультразвука
Поиск по сайтуНаука 6 декабря 2022
Далее
Александр Шереметьев новостной редактор
Александр Шереметьев новостной редактор
Исследователи используют ультразвук для перемещения объектов без помощи рук.
Читайте «Хайтек» в
Исследователи из Миннесотского университета открыли новый метод перемещения объектов с помощью ультразвуковых волн. Технология на основе метаматериалов нужна для бесконтактных манипуляций на производстве и в робототехнике.
Крошечные частицы можно перемещать с помощью световых и звуковых волн, подобные эксперименты проводились ранее. Проблема в том, что для таких манипуляций, размер предмета должен быть меньше длины волны, объясняют авторы исследования. В своей работе они разработали технологию, которая позволяет управлять более крупными предметами.
Упрощенная сехма изменения движущей силы в зависимости от структуры метаповерхности и точки воздействия. Изображение: Matthew Stein et al., Nature CommunicationsДля своей демонстрации ученые использовали метаматериалы. Это поверхности, которые искусственно созданы для взаимодействия с различными волнами. Исследователи показали, что если поместить на поверхность обычного предмета метаматериалы, то его можно перемещать с помощью ультразвука, не касаясь руками.
В своем исследовании ученые показали, что свойства рассеивания метаповерхности можно превратить в движущую силу. Контролируя свойства поверхности можно управлять перемещениями вне зависимости от формы и размера объекта.
Бесконтактная манипуляция — актуальная область исследований в области оптики и электромагнетизма, но это исследование предлагает альтернативный метод бесконтактного управления, который предлагает преимущества, которых могут не иметь другие методы.
Мэтью Стейн, соавтор исследования из университета Миннесоты
Текущее исследование является только демонстрацией возможности реализации предложенного способа управления.
Читать далее:
Существует ли наука в экстремальных условиях? Отвечаем в цифрах
Супервулкан Йеллоустоун оказался в разы опаснее, чем считали ученые
Яйцо сбросили из космоса: посмотрите, что с ним стало
Читать ещё
Поздравляем, вы оформили подписку на дайджест Хайтека! Проверьте вашу почту
Спасибо, Ваше сообщение успешно отправлено.
Физика ультразвука – ЭКГ и ЭХО
Основы физики звука и ультразвука
В отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, звуковые волны могут распространяться только через физическую среду. Эта среда может состоять из любого вещества, например воздуха, воды, металла или тканей и жидкостей человеческого тела. Звуковые волны возникают, когда источник звука вызывает механические колебания в частицах среды.
Эти колебания продолжают распространяться в среде со скоростью звука, образуя звуковую волну.
Знакомый пример — человеческая речь. Люди говорят, приводя в движение свои голосовые связки. Когда голосовые связки вибрируют, они создают колебания в окружающем воздухе, и эти колебания распространяются в виде звуковой волны. Если звуковые волны сталкиваются с новой средой, некоторые звуковые волны будут отражаться, а другие будут передавать механическую энергию (давление) новой среде, которая также может начать вибрировать (рис. 1).
Рисунок 1. Принцип генерации звуковых волн , распространил и отразил . Красные волны представляют собой звуковые волны, которые генерируются при вибрации голосовых связок. Синие волны представляют звуковые волны, отраженные объектом. Хотя звуковые волны распространяются во времени и пространстве, частицы среды не распространяются со звуковой волной. Частицы просто вибрируют и передают колебания соседним частицам в среде.
Математически звуковые волны могут быть описаны синусоидальной кривой . Эта кривая характеризуется следующими переменными: длина волны , амплитуда , частота , скорость и направление . Основные математические принципы просты и важны для понимания. Рисунок 2 иллюстрирует длину волны и амплитуду синусоидальных кривых.
Рисунок 2. Звуковые волны можно математически описать как синусоидальные кривые.Пики и минимумы синусоиды соответствуют максимальному и минимальному давлению в среде соответственно. Это показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Длина волны Длина волны определяется как расстояние между двумя точками (вдоль звуковой волны) с одинаковой амплитудой (т.е. давлением). Легко измерить расстояние между двумя пиками (максимум) или двумя минимумами (минимум). Однако расстояние между любыми двумя точками можно измерить, если между ними нет разницы давлений. На рисунке 2 длина волны измеряется как расстояние между двумя пиками.
Длина звуковых волн человеческой речи составляет от 17 миллиметров (мм) до 17 метров (м). Длина волны указана в единицах м (метров) и обозначается буквой λ (лямбда) .
Обратите внимание, что в этой книге используется международная система единиц. Сюда входят основные единицы измерения: метр (длина), килограмм (масса), секунда (время), ампер (электрический ток) и кельвин (температура). Эта система рекомендуется во всем мире.
Амплитуда
Амплитуда описывает силу звуковых волн, которая соответствует высоте синусоиды (рис. 2). Высокая амплитуда означает громкий звук и наоборот . На рис. 2 показаны две звуковые волны разной амплитуды. Обратите внимание, что амплитуда фактически описывает разницу давлений между самой высокой и самой низкой плотностью частиц вдоль звуковой волны (рис. 3). Громкий звук характеризуется большими перепадами давления вдоль звуковой волны, в то время как низкий звук имеет небольшие перепады давления вдоль звуковой волны.
Амплитуда обозначается в единицах децибел (дБ) .
Частота
Частота — это количество волновых циклов в секунду. Единица частоты, которая обозначается буквой f , равно Герц (Гц) . На рисунке 2 две звуковые волны имеют разные амплитуды и разные частоты. Если бы правая звуковая волна на рисунке 2 была записана в течение секунды, то частота была бы 5 Гц (поскольку за 1 секунду видно 5 волновых циклов). Если звуковая волна имеет частоту 1000 Гц, то каждую секунду проходит 1000 волновых циклов.
Слышимый звук и ультразвук
Человеческое ухо может воспринимать звуковые волны с частотами от 20 Гц до 20 000 Гц (20 000 Гц также можно записать как 20 кГц). Звуковые волны с частотой выше 20 000 Гц (20 кГц) не воспринимаются человеческим ухом, и эти звуковые волны называются ультразвуком . Следовательно, ультразвук не слышен человеческому уху.
Следует отметить, что существуют большие индивидуальные различия в диапазоне слышимого звука.
Подавляющее большинство людей не слышит звук частотой выше 15 кГц. Однако молодые люди могут слышать очень высокие частоты (иногда > 20 кГц), особенно при высокой амплитуде.
Ультразвук, используемый для клинической диагностики, например эхокардиографии, имеет частоту от 2 до 10 миллионов Гц (2–10 МГц), что далеко за пределами слышимости звука для человека.
Скорость звука
Скорость описывает скорость распространения звуковых волн в среде. Эта скорость зависит от плотности среды. Звуковые волны распространяются быстрее в средах с высокой плотностью. Чем выше плотность, тем выше скорость. Скорость звука составляет примерно 300 м/с в воздухе и 1540 м/с в человеческом теле (состоящем в основном из воды). Скорость обозначается буквой c и обозначается единицей измерения м/с .
Направление звуковых волн
Направление просто описывает направление звуковых волн в среде.
Математические уравнения
Существует простая математическая связь между скоростью (c), длиной волны (λ) и частотой (f):
c = f • λ
Согласно формуле, скорость звуковой волны равна произведение частоты и длины волны.
Используя эту формулу, мы можем рассчитать длину волны (λ) для ультразвука с частотой 3 миллиона Гц (3 МГц), который используется в ультразвуковой диагностике:
λ =1540 / 3000000 = 0,000513 метра
0,000513 метра равно 0,513 мм (миллиметра). Таким образом, длина волны ультразвука очень короткая, что желательно в эхокардиографии и УЗИ в целом, поскольку позволяет детально визуализировать небольшие структуры (т.е. разрешение становится высоким).
Ультразвук Физика и математика (Концепция операций) (Часть 1)
Ультразвук – это звуковые волны с частотами, превышающими верхний предел слышимости человеческого слуха. Ультразвук не отличается от «нормального» (слышимого) звука по своим физическим свойствам, за исключением того, что люди его не слышат. Этот предел варьируется от человека к человеку и составляет примерно 20 килогерц (20 000 герц) у здоровых молодых людей. Ультразвуковые аппараты работают с частотами от 20 кГц до нескольких гигагерц
———————————————— ————————————————— ——
База физико-математических наук, связанных с ультразвуком
Скорость волны на струне
Скорость волны зависит от физических характеристик струны и натяжения струны которым подвергается струна.
Это предполагает, что импульс не влияет на натяжение.
Энергия волн в струне
Волны переносят энергию, когда распространяются через среду. Каждый элемент имеет одинаковую полную энергию.
полная кинетическая энергия на одной длине волны равна
Полная потенциальная энергия на одной длине волны равна
Это дает общую энергию
Мощность, связанная с волной:- Мощность — это скорость, с которой энергия передается передано
Звуковые волны
Волны могут перемещаться в объемных трехмерных средах. Звуковые волны — это продольные волны.
Звуковые волны не могут передаваться через вакуум. Для передачи звука требуется по крайней мере среда, которая может быть твердой, жидкой или газообразной.
Обычно воспринимается как механические волны, распространяющиеся по воздуху и приводящие к человеческому восприятию слуха. Когда звуковая волна распространяется по воздуху, элементы воздуха отклоняются от своего равновесного положения.
Эти движения сопровождаются изменениями плотности и давления воздуха.
Математическое описание синусоидальных звуковых волн очень похоже на синусоидальные волны на струне. Категории охватывают разные частотные диапазоны.
Звуковые волны находятся в пределах чувствительности человеческого уха. [20Hz — 20kHz]
Инфразвуковые волны имеют частоты ниже слышимого диапазона. [менее 20 кГц]
Ультразвуковые волны имеют частоты выше слышимого диапазона. [более 20 кГц]
Характеристики звука
Звуковая волна имеет такие же характеристики, как и любой другой тип волны, включая амплитуду, скорость, длину волны и частоту.
Амплитуда
Амплитуда звуковой волны — это то же самое, что и ее громкость. Поскольку звук представляет собой волну сжатия, его громкость или амплитуда будут соответствовать степени сжатия волны. Иногда ее называют амплитудой давления
Длина волны (λ )
Длина волны — это расстояние от одного гребня волны до другого.
Поскольку звук представляет собой волну сжатия, длина волны — это расстояние между максимальным сжатием.
Частота (f)
Частота звука — это скорость, с которой волны проходят данную точку. Это также скорость, с которой вибрирует гитарная струна или громкоговоритель.
Период (T): – это время, за которое гребень перемещается вперед на одну длину волны.
Скорость или скорость звукаСвязь между скоростью, длиной волны и частотой:
скорость = длина волны x частота ((Поскольку гребень перемещается вперед на расстояние λ за время T .))
скорость (v ) = λ / T = λf >> Где T = 1 / f >>> V = λf м/сек
Резонанс: Способность объекта вибрировать, поглощая энергию собственной частоты называется резонансом
Генерация периодической звуковой волны Одномерная периодическая звуковая волна может быть получена за счет движения поршня в простом «гармоническом движении».
где газ сжимается. Сжатая область называется сжатие , Когда поршень оттягивается назад, газ перед ним расширяется. Области низкого давления называются разрежений , Обе области движутся со скоростью звука в среде. Расстояние между двумя последовательными сжатиями (или разрежениями) называется длиной волны.
Рассмотрим элемент газа между поршнем и пунктирной линией. Первоначально этот элемент находится в равновесии под действием сил равной величины.
Существует сила от поршня слева. Есть другая сила от остального газа. Эти силы имеют равные величины «PA», P — давление газа, A — площадь поперечного сечения трубка.
Изменение давления может быть связано с изменением объема и модуля всестороннего сжатия:
Скорость звука в газе равна , Объемный модуль сжатия материала равен B & Плотность материала
Точечный источник Точечный источник излучает звуковые волны одинаково во всех направлениях.
Это может привести к сферической волне. Это можно представить в виде серии дуг окружности, концентричных источнику.
Каждая поверхность с постоянной фазой представляет собой волновой фронт , Радиальное расстояние между соседними волновыми фронтами, имеющими одинаковую фазу, равно длине волны λ волны.
Радиальные линии, направленные наружу от источника и представляющие направление распространения, называются лучами.
Мощность будет равномерно распределена по площади сферы. Интенсивность волны на расстоянии r от источника равна
Это закон обратных квадратов Интенсивность уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника.
Уровень интенсивности звука:-
Эффект ДоплераЭффект Доплера — это видимое изменение частоты (или длины волны), которое происходит из-за движения источника или наблюдателя волны.
Когда относительная скорость источника и наблюдателя выше скорости волны, кажется, что частота увеличивается.
Когда относительная скорость источника и наблюдателя меньше скорости волны, кажется, что частота уменьшается.
Эффект ДоплераЭффект Доплера, Движение наблюдателя
Предположим, что наблюдатель движется со скоростью 6 vo 90 относительно точки воздуха, которая остается неподвижной. Волны удобно представлять в виде волновых фронтов.
Эти поверхности называются волновыми фронтами.
Расстояние между соседними волновыми фронтами равно длине волны.
Скорость звука v , частота ƒ , а длина волны Когда наблюдатель движется к источнику, скорость волн относительно наблюдателя составляет v ‘ = v + vo
Эффект Доплера, перемещение источника
Предположим, что источник находится в движении, а наблюдатель покоится. По мере того, как источник движется к наблюдателю, длина волны кажется короче.
По мере удаления источника длина волны кажется больше.
Эффект Доплера, общий
Объединение движений наблюдателя и источника.
Знаки зависят от направления скорости.
- Положительное значение используется для движения наблюдателя или источника к другому.
- Знак минус используется для движения одного от другого.
Удобное правило для знаков.
Слово «к» связано с увеличением наблюдаемой частоты.
Слова «вдали от» связаны с уменьшением наблюдаемой частоты.
Эффект Доплера характерен для всех волн.
Ударные волны и число Маха
Конический фронт волны, возникающий, когда vs > v, известен как ударная волна.
Это сверхзвуковая скорость. Ударная волна несет большую энергию, сосредоточенную на поверхности конуса. Соответственно, существуют большие колебания давления.
История
УЗИ
Ультразвук определяется как любая звуковая волна выше 20000 Гц.
Звуковые волны этой частоты находятся выше человеческого слышимого диапазона и поэтому не могут быть услышаны людьми. Все звуковые волны, включая ультразвук, являются продольными волнами. Медицинские ультразвуки обычно имеют порядок МЕГАГЕРЦ (1-15 МГц). Ультразвук, как и все звуковые волны, вызван вибрациями, поэтому не вызывает ионизации и безопасен для беременных женщин. Ультразвук также способен различать мышцы и кровь и показывать движение крови.
Когда ультразвуковая волна встречается с границей между двумя различными материалами, часть ее преломляется, а часть отражается. Отраженная волна улавливается ультразвуковым сканером и формирует изображение.
создание звуковой волны
Ультразвуковые волны производятся преобразователем. Преобразователь — это устройство, которое берет энергию из одного источника и преобразует ее в другую форму, то есть электричество в звуковые волны. Звуковые волны начинаются с механического движения (колебаний) кристалла, возбужденного электрическими импульсами.
ВЫБОР ДАТЧИКА
• Поверхностные сосуды и органы на глубине от 1 до 3 см и интраоперационная визуализация 7,5–15 Гц
• Более глубокие структуры брюшной полости и таза на глубине от 12 до 15 см —- 2,25–3,5 Гц
Пьезоэлектрический элемент
• Активный элемент представляет собой кусок поляризованного материала — пьезоэлектрическую керамику, зажатую между электродами
• Пьезоэлектрический элемент преобразует электрические сигналы в механические колебания (режим передачи), а механические колебания — в электрические сигналы. (режим приема).
• Natural — Кварц
• Искусственный — Большая часть USG Материалы — FerroElectrics {Barium Titanate — PZT (Lead Zirconate TITANATE)} 9000
9005 Blactying/ 9005 Blactying/ 3333333333333333333333333333. • Этот компонент также гасит вибрацию преобразователя для создания ультразвукового импульса с короткой пространственной длительностью, что необходимо для сохранения деталей вдоль оси луча (осевое разрешение).
Контактное вещество
• Материал (обычно жидкий), облегчающий передачу ультразвуковой энергии от преобразователя в испытуемый образец. Необходим для преодоления несоответствия акустического импеданса между воздухом и твердыми телами.
Преобразователи
1- Резонансные преобразователи:-
Они производятся для работы в режиме «резонанс», где Voitage (обычно 150 v) очень нехватка. всплеск =1 мсек), заставляющий пьезоэлектрический материал сначала сжиматься, а затем вибрировать с естественной резонансной частотой.
Рабочая частота определяется из – скорости звука и – толщины пьезоэлектрического материала.
Более высокие частоты достигаются с помощью более тонких элементов, а более низкие частоты — с более толстыми элементами.
2- Нерезонансные (широкополосные) «многочастотные» преобразователи:-
Современная конструкция преобразователя в сочетании с цифровой обработкой сигнала обеспечивает «многочастотную» или «многогерцовую» работу преобразователя, при этом центральную частоту можно регулировать в режим передачи.
Возбуждение многочастотного преобразователя осуществляется коротким прямоугольным импульсом 150 В с периодом от одного до трех, в отличие от скачка напряжения, используемого для резонансных преобразователей.
Это позволяет выбирать центральную частоту в пределах полосы пропускания преобразователя. Точно так же широкополосная характеристика позволяет принимать эхосигналы в широком диапазоне частот. • Например, ультразвуковые импульсы могут создаваться на низкой частоте, а эхо-сигналы, принимаемые на более высокой частоте. «Гармоническая визуализация» — это недавно представленный метод, использующий эту возможность. • Ультразвук более низкой частоты передается пациенту, а гармоники более высокой частоты (например, в два раза выше передаваемой центральной частоты), возникающие при взаимодействии с контрастными веществами и тканями, принимаются как эхо.
Пространственная длина импульса
• Длина звукового импульса.
• Количество волн, умноженное на их длину волны
• Встроен опорный блок для гашения вибраций и сокращения звукового импульса.
Коэффициент добротности преобразователя
Относится к двум характеристикам кристалла
1- чистота их звука 2- длительность звука
«время звонка».
- Гашение вибрации уменьшает чистоту резонансной частоты и вводит широкополосный частотный спектр.
«Высокодобротный» датчик имеет узкую полосу пропускания (т. е. очень малое демпфирование) и соответствующую большую продолжительность пространственного импульса — визуализация органов
«Низкодобротный» датчик имеет широкую полосу пропускания и короткую пространственную длительность импульса — допплеровское сканирование
Характеристики ультразвукового луча
Одна вибрирующая точка излучает волны во всех направлениях. Волны расходятся в виде концентрических окружностей
Когда две звуковые волны взаимодействуют, они компенсируют друг друга или усиливают друг друга
Свойства пучка
Ультразвуковой луч распространяется как продольная волна от поверхности преобразователя в среду распространения и демонстрирует две различные формы луча:
- слегка сходящийся луч на расстояние, определяемое геометрией и частотой преобразователя (ближнее поле)
- расходящийся луч за пределами этой точки (дальнее поле).
Ближнее поле
• Ближнее поле, также известное как зона Френеля, прилегает к лицевой стороне датчика и имеет сходящийся профиль луча.
• Схождение луча в ближней зоне происходит из-за множественной конструктивной и деструктивной интерференции ультразвуковых волн с поверхности преобразователя.
• Принцип Гюйгена описывает большую поверхность преобразователя как бесконечное число точечных источников звуковой энергии, где каждая точка характеризуется как радиальный излучатель.
• По аналогии, камешек, брошенный в тихий пруд, образует радиальную волну.
Для массивов из нескольких элементов преобразователя «эффективный» диаметр преобразователя определяется возбуждением группы’ элементов преобразователя. Из-за взаимодействия каждого из отдельных лучей и способности фокусировать и направлять общий луч, формулы для одноэлементного несфокусированного преобразователя не применимы напрямую.
Боковое разрешение (способность системы различать объекты в направлении, перпендикулярном направлению луча) зависит от диаметра луча и является лучшим в конце ближней зоны для одноэлементного датчика.
Боковое разрешение наихудшее в областях, близких к поверхности преобразователя и удаленных от нее.
Амплитуда давления Характеристики в ближней зоне очень сложные, вызванные конструктивной и деструктивной интерференцией волновых структур ультразвукового луча. • Пиковое ультразвуковое давление возникает в конце ближнего поля, что соответствует минимальному диаметру луча для одноэлементного преобразователя.
Дальнее поле
Дальнее поле также известно как зона Фраунгофера, и это место, где луч расходится.
Для одноэлементного преобразователя большой площади угол расхождения ультразвукового луча для дальнего поля определяется как частотные лучи: —
Зона Френеля длиннее — разрешение по глубине выше• Недостаток : — Поглощение тканей больше, что приводит к ухудшению разрешения из стороны в сторону
Сфокусированные преобразователи
• Одноэлементные преобразователи фокусируются с помощью изогнутого пьезоэлектрического элемента или изогнутой акустической линзы для уменьшения профиля луча
Фокусное расстояние: расстояние от преобразователя до
Фокусная зона: определяется как область, в которой ширина луча менее чем в два раза превышает ширину на фокусном расстоянии.
; – Таким образом, частоту и размеры преобразователя следует выбирать в соответствии с требованиями к глубине в клинической ситуации.
Взаимодействие Ультразвуковое и вещество
1. Отражение
2. преломление
3. Абсорбция
1. Отражение 1. Отражение . луч. Процент луча, отраженного на границе раздела тканей, зависит от акустического импеданса ткани и угла падения луча.Наиболее важное свойство ткани при визуализации. Эту величину правильнее назвать удельным акустическим сопротивлением среды
На большинстве поверхностей внутри тела отражается только часть ультразвукового импульса. Импульс делится на два импульса: один импульс, эхо, отражается обратно к датчику, а другой проникает в другой материал.
Яркость структуры на ультразвуковом изображении зависит от силы отражения или эха.
Это, в свою очередь, зависит от разницы в акустическом импедансе двух материалов.
Угол падения
Угол б/н звуковых волн и отражающих поверхностей • Чем больше угол , тем меньше отражение • В медицинском УЗИ отраженный звук не определяется, когда угол больше 30
Два различных шаблона
- зеркальное отражение
Когда падающий ультразвуковой импульс сталкивается с большой гладкой поверхностью раздела между двумя типами тканей с разными значениями акустического импеданса, результат представляет собой частично отраженное эхо, которое возвращается к датчику, и частично переданный импульс, который проходит глубже в пациента. • Отвечает за яркий внешний вид волокнистых структур, таких как сухожилия, и границ между различными тканями.
- рассеяние/диффузное отражение
Если ультразвуковой импульс сталкивается с отражателями, размеры которых (d) меньше длины волны ультразвука (т.
е. d << λ), происходит рассеяние. Рассеяние приводит к появлению характерной текстуры (эхотекстуры) изображения, видимого в мягких тканях.
2- Преломление
Искривление волн при переходе из одной среды в другую Происходит изменение длины волны и направления распространения звука, но частота остается постоянной Артефакты из-за преломления – Потеря разрешения изображение – Пространственное искажение R
3- Поглощение / затухание
Относится к преобразованию энергии ультразвука в тепловую энергию Зависит от
- частота звука (увеличение поглощения)
- вязкость среды 3 время релаксации (увеличение поглощения)
- 0 8
- температура (в зависимости от ткани)
Передача звуковых волн без больших потерь энергии может быть обеспечена путем – использования минерального масла b/n преобразователя и кожи пациента – согласования механического импеданса • Любой процесс, уменьшающий отражение.
