Колебательный контур (последовательный и параллельный)
Упругие волны
Акустика Звук – колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде продольных волн в газах, жидкостях, твердых телах и воспринимаемых человеческим ухом. Упругая среда – это среда, между частицами которой действуют силы притяжения и отталкивания. Человеческое ухо номинально слышит звуки в диапазоне от 16 до 20000 Гц. Ухо само по себе не реагирует на частоты ниже 20 Гц, но они могут ощущаться через органы осязания. Виды звуков: музыкальный тон, созвучие(музыкальный звук), шум и удар(взрыв). • Музыкальный тон – звук, являющийся гармоническим процессом. • Созвучие – результат одновременного звучания нескольких музыкальных тонов (негармоническое колебание, как результат сложения нескольких синусоидальных колебаний). • Акустический шум - нерегулярные колебания, смесь многочисленных колебаний приблизительно одинаковой амплитуды и различными частотами. • Звуковой удар (взрыв) – кратковременное звуковое воздействие.
• Музыкальный тон • Созвучие обертоны • Акустический шум • Звуковой удар
Акустические свойства тканей Параметры: • α- коэффициент поглощения звука - показывает как убывает амплитуда плоской звуковой волны по мере её распространения в среде, позволяет оценить степень нагрева биологических тканей под действием ультразвука [м-1] или [д. Б/м] • с – скорость звука • Акустический импеданс –свойство среды проводить энергию, которую несет акустическая волна в направлении своего движения: 1. Активное акустическое сопротивление связано с диссипацией энергии в самой среде и с затратами энергии на излучение звука); 2. Реактивное акустическое сопротивление обусловлено реакцией сил инерции или упругости). Чем больше акустическое сопротивление, тем выше степень сжатия и растяжения среды при данной амплитуде колебаний частиц среды Удельный акустический импеданс – выражает отношение звукового давления к колебательной скорости частиц в данной точке среды. ZA = ρ c , где ρ – плотность среды, с – скорость распространения звуковых волн
Физические (объективные) характеристики звука Частота – величина равная числу полных периодов колебаний, совершаемых в единицу времени. [Гц] 16 Гц - 20 к. Гц < 16 Гц - инфразвук > 20 к. Гц - ультразвук • Гармонический спектр – набор частот с указанием их относительной интенсивности (амплитуды). • Интенсивность звука (сила звука) – отношение мощности, переносимой звуковой волной через площадку, перпендикулярную направлению ее распространения, к площади этой площадки, т. е. это плотность потока энергии звуковой волны. I = P 2/(2ρc), P – амплитуда звукового давления, ρ – плотность среды, с – скорость звука в среде I 0 = 10 -12 Вт/м 2 – порог слышимости Imax = 10 Вт/м 2 – порог болевого ощущения Уровень интенсивности : L = lg(I/I 0) [Б]
Физиологические (субъективные) характеристики Высота звука – это качество звука, определяемое человеком субъективно, на слух, и зависящее от частоты звука. Тембр звука – окраска звука. (почти исключительно определяется спектральным составом). Громкость звука - параметр, характеризующий слуховое ощущение интенсивности звука. Громкость звука зависит от звукового давления, частоты и формы колебаний. Уровень громкости – это выражение различий в восприятии человеком звуков разной частоты. Уровнем громкости звука данной частоты называют уровень интенсивности чистого тона частотой 1 к. Гц, громкость которого при сравнении на слух эквивалентна громкости исследуемого звука. Психофизический закон Вебера – Фехнера: если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (a. I 0 , a 2 I 0, a 3 I 0), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (E 0, 2 E 0, 3 E 0). Математическое выражение этого закона:
Кривые равной громкости
Звуковые методы исследования в клинике • Перкуссия – метод исследования внутренних органов, основанный на постукивании по поверхности тела обследуемого с оценкой характера возникающих при этом звуков. • Аускультация – метод исследования внутренних органов, основанный на выслушивании звуковых явлений, связанных с деятельностью этих органов. • Аудиометрия – метод исследования остроты слуха, т. е. определение точек кривой порога слышимости на разных частотах (снятие аудиограммы).
Ультразвуком (УЗ) называют механические колебания и волны, частоты которых более 20 к. ГЦ. Верхний предел ультразвуковых частот условно считают равным (109 – 1010) Гц. Этот предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется ультразвуковая волна. Источником ультразвука могут быть как естественные явления, так и искусственные установки - генераторы ультразвука. Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на явлениях магнитострикционного эффекта и обратного пьезоэлектрического эффекта.
Магнитострикционные излучатели применяются для генерирования низкочастотных ультразвуков (до 80 к. Гц). Явление магнитострикции заключается в механической деформации стержня или трубки из ферромагнитного материала, помещенного в переменное магнитное поле параллельно направлению силовых линий. Под воздействием переменного магнитного поля происходит растяжение и сжатие стержня, что приводит к образованию УЗ-волн низких частот. Если стержень первоначально не был намагничен, то он будет колебаться с удвоенной частотой. Если периоды собственных колебаний стержня и магнитного поля одинаковы, то амплитуда колебаний будет максимальна (явление резонанса), а так колебания стержня продольные, то ультразвуковая волна будет исходить из концов стержня. Наиболее часто применяют стержни из никеля, дающие хороший магнитострикционный эффект. Основной частью такого излучателя является стержень из ферромагнитного материала, помещенного в соленоид, который соединен с источником переменного тока.
Пьезоэлектрические излучатели применяются для генерирования ультразвуков с частотами до 50 МГц. Явление обратного пьезоэлектрического эффекта заключается в механической деформации некоторых материалов (кристаллы кварца и турмалина, сегнетова соль, фосфорнокислый аммоний, керамический материал на основе титаната бария) под действием переменного электрического поля. Если к определенным плоскостям кристалла подвести переменное электрическое поле, то кристалл сжимается или растягивается в зависимости от полярности электрического поля. Основной частью такого излучателя является пластинка или стержень из пьезоэлектрического материала. На поверхность пластины в виде проводящих слоев нанесены электроды. При действии переменного электрического поля пластина вибрирует, излучая механическую волну соответствующей частоты. Наибольшая интенсивность УЗ-волны наблюдается при выполнении условия резонанса.
Для регистрации и анализа ультразвуков применяются пьезоэлектрические и магнитострикционные датчики - приёмники ультразвука. • В пьезоэлектрическом датчике используется прямой пьезоэлектрический эффект. Прямой пьезоэффект состоит в том, что при механической деформации указанных выше кристаллов в определенных направлениях на их границах появляются электрические заряды противоположных знаков, что приводит к генерации электрического поля. Это явление обусловлено деформацией элементарных кристаллических ячеек и сдвигом подрешеток относительно друга при механическим воздействии на кристалл. В пьезодатчиках под действием регистрируемых ультразвуковых волн в пластинке возникают вынужденные механические колебания (переменная деформация), которые и приводят к генерации переменного электрического поля, соответствующее электрическое напряжение может быть измерено. • Магнитострикционные датчики основаны на явлении изменения индукции магнитного поля ферромагнитного стрежня при его механической деформации. Переменная деформация ферромагнитного стержня, на торец которого действует ультразвуковая волна, вызывает возникновение переменной электродвижущей силы электромагнитной индукции в обмотке катушки, надетой на сердечник.
Свойства УЗ-волны и особенности ее распространения. • УЗ-волна, подобно звуковой, состоит из чередующихся участков сгущения и разряжения частиц среды. Скорость распространения УЗ-волны зависит от свойств среды. В воздухе составляет примерно 343, 1 м/с, а в жидких средах 1500 м/с при температуре среды 200 С. Скорость звуковых волн зависит от температуры среды, в которой они распространяются. • Длина волны зависит от частоты v, при увеличении частоты длина волны убывает, поэтому длина УЗ-волны значительно меньше чем звуковой волны, воспринимаемых человеческим ухом. = c/v Например, в воде длины волн равны 1. 4 м при частоте 1 к. Гц и 1, 4 мм при частоте 1 Мгц. • В средах с резко выраженными неоднородностями (размеры препятствий соизмеримы с длиной волны) наблюдаются отклонение волны от прямолинейного распространения (явление дифракции). Если размеры препятствия больше длины волны, то за преградой образуется "УЗ-тень". Если же размеры препятствий меньше чем длина волны, то дифракционные явления выражены слабо и их можно не учитывать, следовательно УЗ-лучи распространяются направленным потоком и легко фокусируются. • Следовательно, вследствие малости длины ультразвуковой волны по сравнению с звуковых волнами в слышимом области, ультразвуки, подобно свету, могут излучаться в виде узких направленных пучков и на границе раздела двух сред их отражение и преломление происходит по законам геометрической оптики.
Отражение и преломление УЗ-волны на границе раздела двух сред. Отражение и преломление УЗ на границе раздела сред зависит от соотношения волновых сопротивлений сред Z = ρ С Коэффициентом проникновения звуковой волны при нормальном падении УЗ-волны на границу раздела сред называют величину равную отношению интенсивности преломленной волны к интенсивности падающей волны β = I 2/I 1. Рэлей показал, что: = (4 c 1ρ1/c 2ρ2)/{ c 1ρ1/c 2ρ2+1}2 1)Если c 1 p 1=c 2 p 2, то коэффициент проникновения максимален и равен 1. УЗ волны проходят во вторую среду без отражения. 2)Если c 1 p 1<<c 2 p 2, то c 1 p 1/c 2 p 2<<1 и коэффициент проникновения рассчитывается по формуле: = (4 c 1 p 1/c 2 p 2). Проникновение будет незначительное, а отражение УЗволны максимальное. Например, коэффициент проникновения на границе воздух-кожа составляет 0. 08%. 3) Если волновые сопротивления сред соизмеримы, то часть волнового потока отражается, а часть его проходит во вторую среду. Коэффициент проникновения рассчитывается по формуле Релея. Например, на границе глицерин-кожа коэффициент проникновения составляет 99, 3%, а доля отраженной волны составляет 0. 7%. Следовательно, если УЗ-излучатель приложить к коже человека, то ультразвук не проникает внутрь, т. к. практически полностью отражается от тонкого слоя воздуха между излучателем и кожей. При использовании водного желе, которым покрывают поверхность кожи, интенсивность преломленной (проникающей) волны наибольшая. УЗ-волны обладают высокой отражательной способностью на границе мышца-надкостница-кость, на поверхности полых органов.
Поглощение УЗ-волн. Поглощение и распространение УЗ-волн зависит как от свойств среды (плотности, вязкости, температуры), так и от интенсивности и частоты ультразвука. Можно выделить три диапазона интенсивностей ультразвуковых волн, применяемых в медицине: малая- (0, 05 - 1, 5) Вт/см 2, средняя - (1, 5 - 3) Вт/см 2, большая - (3 - 10) Вт/см 2. При заданной частоте интенсивность ультразвука убывает по экспоненциальному закону: I = I 0 e-kh I - интенсивность УЗ-волны на глубине проникновения h, I 0 - интенсивность УЗ-волны у поверхности вещества, k - коэффициент поглощения, который зависит от плотности и вязкости среды, а также от частоты УЗ-волны. Коэффициент поглощения обратно пропорционален глубине проникновения ультразвуковой волны, на которой ее интенсивность убывает в "е" раз. Чем больше частота волны, тем меньше глубина ее проникновения. Ультразвук от 1600 до 2600 к. Гц проникает на глубину 1 сантиметр, а от 800 - 900 к. Гц проникает на глубину 4 -5 сантиметров.
Глубина проникновения зависит от частоты УЗволны и вида ткани. Чем больше частота УЗволны, тем меньше глубина проникновения и больше коэффициент поглощения. Поглощение в жидкой среде значительно меньше, чем в мягких тканях и тем более костной ткани.
Действие УЗ на вещество и на ткани организма 1) механическое действие. Действие УЗ на вещество связано в первую очередь с деформациями, которые происходят в результате поочередного сгущения и разряжения частиц среды, вызываемого ультразвуковыми волнами. При вынужденном колебательном движении частицы создают переменное давление в среде. В жидких средах при действии ультразвука амплитуда переменного давления изменяется в зависимости от плотности среды, скорости распространения УЗ-волн и частоты колебания частиц среды. В момент растяжения (пониженное давление) жидкость может разорваться и в ней могут образоваться микрополости (каверны), заполненные парами жидкости. Это явление образования микрополостей называется кавитацией. Растяжение, которое могут выдержать жидкости зависит от примесей в них (наличие газов и газовых пузырьков). При образовании каверн плотность жидкости понижается, а скорость колебательного движения частиц увеличивается. Таким образом УЗ-волны оказывает механическое действие, в основе которого лежит действие переменного давления, создающего кавитацию. 2)тепловое действие. Кавитационные микрополости, образующиеся в среде при прохождении ультразвука, существуют короткое время. Пониженное давление в каждой точке среды существует лишь на протяжении полупериода колебаний, затем сменяется повышенным давлением, что приводит к быстрому захлопыванию микрополостей. В результате увеличения колебательного движения частиц среды, а также захлопывания каверн, в небольших объемах выделяется большая тепловая энергия, что приводит к повышению температуры среды. Следовательно, ультразвук оказывает тепловое действие. Тепловой эффект ультразвука зависит от его интенсивности и длительности. 3) химическое действие. При захлопывании каверн молекулы среды движутся с большой скоростью и испытывают взаимное трение, вследствие чего молекулы могут возбуждаться и ионизироваться, так как возможен разрыв молекулярных связей. Это в свою очередь приводит к образованию ионов и радикалов. Например, в биологическом объекте молекула воды расщепляется на водород и гидроксильную группу, образуются радикалы водорода и гидроксильной группы. Ионы и радикалы вступают во взаимодействие с белками, липидами и нуклеиновыми кислотами, что может привести к пространственной перестройкой внутриклеточных молекулярных компонентов. Таким образом, при кавитации образуются реакционноспособные вещества, которые вступают во взаимодействие с молекулами, следовательно УЗ оказывает химическое действие. Проявляется химическое действие не сразу после облучения, а по истечению некоторого времени.
Методы ультразвуковой диагностики. Скорость распространения, отражение и поглощения УЗ-волн различны в разных тканях, используя этот факт, органы делают видимыми. Исследование структуры внутри живых организмов, основанное на явлении отражения и характера распространения УЗ в средах, носят общее название -эхо-методы: 1. эхоэнцефалография (опухоли и отеки мозга); 2. эхокардиография (измерение размеров сердца в динамике), доплеровская эхокардиография (определение работы сердечных клапанов); 3. ультразвуковая визуализация мягкой ткани (ультрасонограммы желудка, грудной железы, сердца, костей, мышц, печени). Этот метод диагностики представляет особый интерес, так как почти все компоненты мягких тканей имеют одинаковую плотность для рентгеновских лучей и неотличимы друг от друга. 4. УЗ-локация в офтальмологии для определения глазных сред. 5. УЗ-сканирование -исследование развития плода. 6. Ультразвук используют также для определения скорости кровотока (ультразвуковая расходометрия) , для введения лекарственных веществ (фонофорез), так как при действии УЗ повышается проницаемость кожи и слизистых оболочек.
Методы лечения ультразвуком Высокочастотный УЗ (более 800 к. Гц) распространяется в средах почти прямолинейно, что позволяет оказывать тепловое (при больших дозах и непрерывной подаче), механическое и химическое действие (при малых дозах импульсными сигналами) на ограниченные участки. УЗ проникает на глубину от 1 до 5 -6 см, что позволяет его использовать для лечения различных органов: в большей степени УЗ поглощается мышцами, от костей отражается 40 -60% падающей энергии. Для уменьшения отражения УЗ на границе раздела воздухткань при терапии используют различные пасты из вазелина и ланолина, водное желе или просто воду. УЗ малой интенсивности (1, 5 Вт/см 2) - способствует активизации внутриклеточных процессов в тканях (биосинтез белка, образование биологически активных веществ, усиление активности ферментов и т. д. ). Терапевтические дозы оказывают болеутоляющее действие, сосудорасширяющее, рассасывающее, стимулирующее восстановление поврежденных органов и тканей. Малыми дозами осуществляют массаж сердца, легких, мышечных тканей как гладких так и скелетных. УЗ больших интенсивностей (3 -10 Вт/см 2) используют для: • 1. дробления камней в мочевых путях; • 2. в качестве УЗ-скальпеля в хирургии (улучшает свертываемость крови, оказывает обезболивающий эффект, убивает микроорганизмы и их споры [стерилизация ран]) • 3. ультразвуковая "сварка" костей при переломах - остесинтез. "Сварка" прочно связывает фрагменты при этом не нарушает естественных процессов регенерации кости, "сварку" используют для заполнения костных дефектов, для "наваривания" суставных концов и другое.
Ультразвук в стоматологии Основные направления использования УЗ технологий в стоматологии: 1. Удаление зубного камня быстро и безболезненно; 2. Обработка корневых и зубодесневых каналов при подготовке к пломбировке с высоким качеством и стерильно; 3. Выполнение УЗ хирургических операций на корневой части зуба в случае частичного разрушения корня зуба, наличия ретикулярной кисты или хронического воспалительного процесса в области корня зуба; 4. УЗ физиотерапия позволяет уменьшить отек и воспаление в полости рта, улучшить кровоток, снять болевые ощущения, траспортировать лекарственные вещества вглубь тканей; 5. Личная и профессиональная гигиена ротовой полости с использованием УЗ зубных щеток; 6. Асептика и антисептика.
ЗАДАЧА 1. Определите длину волны звука в слышимой области на частоте 1. 5 к. Гц, распространяющуюся в воде со скоростью 1483 м/с и в воздухе со скоростью 343, 1 м/с (при температуре 200 С). Определите в какой среде длина волны звука больше? Зависит ли скорость распространения звуковой волны от ее частоты? ЗАДАЧА 2. Определите длину ультразвуковой волны. распространяющуюся с частотой 1. 5 МГц в воде скоростью 1483 м/с и воздухе со скоростью 343, 1 м/с (при температуре 200 С). Как меняется длина волны с увеличением скорости распространения звуковой волны? На основе полученных результатов задач 1 и 2 определите как зависит длина звуковой волны от частоты колебания частиц среды? ЗАДАЧА 3. Определите коэффициент проникновения на границе раздела воздух - кожа. Скорость распространения УЗ-волны в воздухе равна 343, 1 м/с, в коже - 1610 м/с, плотность воздуха - 1, 205 кг/м 3, плотность кожи - 1250 кг/м 3. ЗАДАЧА 4. Определите коэффициент проникновения на границе раздела жидкость - кожа. Скорость распространения УЗ-волны в жидкости (глицерин) равна 1923 м/с, в коже - 1610 м/с, плотность глицерина - 1260 кг/м 3, плотность кожи - 1250 кг/м 3. Зачем при диагностических УЗ-методах поверхность кожи пациента покрывают водным желе или вазелином? ЗАДАЧА 5. Определите звуковое давление в крови при распространении ультразвуковой волны с частотой 1 Мгц и интенсивностью 10 Вт/см 2. Скорость распространения УЗ-волны в крови 1590 м/с, плотность крови p=1050 кг/м 3. ЗАДАЧА 6. Определите амплитуду, скорость и ускорение колеблющихся частиц жидкой среды (кровь) под действием УЗ-волны интенсивностью 10 Вт/см 2 и частотой 1 МГц. Плотность крови 7 p=1050 кг/м 3. Сравните ускорение колеблющихся частиц крови с ускорением свободного падения. Сделайте вывод о средней кинетической энергии частиц среды.
Скачать презентацию Колебательный контур последовательный и параллельный Упругие волны
новая акустика.pptx