Как найти длину волны ультразвука

Звуковая волна – период, длина, частота и скорость распространения

Калькуляторы онлайн перевода длины звуковой, инфразвуковой или ультразвуковой
волны в частоту и наоборот. Таблица соответствия
нот полного звукоряда частотам.

Звуковая волна – это механические колебания, которые в результате колебаний молекул вещества распространяются в какой-либо
среде (в газе, жидкости или твёрдом теле) и, достигнув органов слуха человека, воспринимаются им как звук. Источник, создающий
возмущение (колебания воздуха), называется источником звука.
Как уже было сказано, для распространения звука необходима какая-либо упругая среда. Поэтому в вакууме ори, не ори – тебя никто не
услышит, по причине того, что звуковые волны распространяться не смогут, так как там нечему колебаться.., да и слушать там, по большому
счёту, тоже некому.

Так же, как и в случае с электромагнитными волнами, соотношение, связывающее длину звуковой волны с частотой колебаний,
в общем случае выглядит следующим образом:
λ (м) = V (м/сек) / F (Гц), где V (м/сек) — это скорость распространения
звука в среде.

Период колебаний также не претерпел никаких изменений и по-прежнему равен:

T(сек) = 1 / F (Гц) = λ (м) / V (м/сек).

Частота колебаний звукового сигнала F (Гц) – это параметр стабильный, практически не зависящий от среды распространения.

А вот скорость звука V (м/сек), а соответственно и длина звуковой волны – это величины, которые зависят
не только от плотности вещества, но и от его упругости, а в случае с жидкостями и газами ещё – и от температуры, и атмосферного
давления.

Зависимость скорости звуковой волны от свойств упругой среды легко прослеживается по следующей формуле:
V (м/сек) = √Eупр (паскаль) / ρ (кг/м³)
,
где Eупр представляет собой модуль объёмной упругости среды, а ρ – плотность среды.
Модуль упругости, так же как и плотность – это справочные величины, прописанные для конкретных материалов.

В качестве примера, ниже приведена таблица величины скорости распространения звука в различных средах:

Среда	Скорость звука, м/сек
Воздух при 0°	331
Воздух при 30°	350
Вода	1450
Медь	3800
Дерево	4800
Железо	4900
Сталь	5600

Для газов параметры модуля объёмной упругости и плотности имеют ярко выраженную зависимость от температуры и атмосферного давления.
Если углубиться, то скорость звука в газах можно вычислить по следующей формуле:

V (м/сек) = √γ*Ратм / ρ ,
где

γ = cp/сv – это отношение удельной теплоёмкости при постоянном давлении
к удельной теплоёмкости при постоянном объёме, а Pатм – атмосферное давление,
которое связано с температурой газообразной среды.

Поэтому, чтобы никого сильно не грузить, приведу и приближённую зависимость скорости звука (при нормальном
атмосферном давлении) от температуры среды:
V (м/сек) = (331 + 0,6 * T°), где 331 м/сек – это скорость звука при 0°С,
а T° – температура в градусах Цельсия.

Теперь можно совместить формулы и получить простое соотношение, связывающее длину звуковой волны с частотой колебаний с учётом
температуры среды:

λ (м) = (331 + 0,6 * T°) / F (Гц).

Всё это без лишнего напряга несложно посчитать при помощи листа бумаги или деревянных счёт, ну а для пущего упрощения жизни человека,
приведу и пару он-лайн считалок для перевода одного из параметров в другой.
Калькуляторы предполагают расчёты длины и частоты звуковой волны для воздушной среды при нормальном атмосферном
давлении (760 мм ртутного столба).

Онлайн калькулятор расчёта длины звуковой волны по частоте

Частота звуковых колебаний f
Температура Т(°С) (по умолчанию 20°)
Длина волны

Онлайн калькулятор расчёта частоты по длине звуковой волны

Длина волны λ при заданной Т
Температура Т(°С) (по умолчанию 20°)
Частота колебаний

Полный диапазон звуковых частот условно находится в пределах:
16…20 000 Гц.
Ниже ( 0,001…16Гц ) – инфразвук.
Выше ( 20…100кГц ) – низкочастотный ультразвук,
ещё выше (100кГц…1МГц) – высокочастотный ультразвук.

А для интересующихся приведу таблицу соответствия нот стандартного музыкального звукоряда частотам.

Частота (Гц)
Октава	Нота
До	До — диез	Ре	Ми — бемоль	Ми	Фа	Фа — диез	Си	Си- диез	Ля	Соль-бемоль	Соль
C	C#	D	Eb	E	F	F#	G	G#	A	Bb	B
0	16.35	17.32	18.35	19.45	20.60	21.83	23.12	24.50	25.96	27.50	29.14	30.87
1	32.70	34.65	36.71	38.89	41.20	43.65	46.25	49.00	51.91	55.00	58.27	61.74
2	65.41	69.30	73.42	77.78	82.41	87.31	92.50	98.00	103.8	110.0	116.5	123.5
3	130.8	138.6	146.8	155.6	164.8	174.6	185.0	196.0	207.7	220.0	233.1	246.9
4	261.6	277.2	293.7	311.1	329.6	349.2	370.0	392.0	415.3	440.0	466.2	493.9
5	523.3	554.4	587.3	622.3	659.3	698.5	740.0	784.0	830.6	880.0	932.3	987.8
6	1047	1109	1175	1245	1319	1397	1480	1568	1661	1760	1865	1976
7	2093	2217	2349	2489	2637	2794	2960	3136	3322	3520	3729	3951
8	4186	4435	4699	4978	5274	5588	5920	6272	6645	7040	7459	7902

Random converter

• Калькуляторы
• Акустика — звук

Калькулятор звуковой частоты и длины волны

Акустика — звук

На этих страницах размещены конвертеры единиц измерения, позволяющие быстро и точно перевести значения из одних единиц в другие, а также из одной системы единиц в другую. Конвертеры пригодятся инженерам, переводчикам и всем, кто работает с разными единицами измерения.

Мы работаем над обеспечением точности конвертеров и калькуляторов TranslatorsCafe.com, однако мы не можем гарантировать, что они не содержат ошибок и неточностей. Вся информация предоставляется «как есть», без каких-либо гарантий. Условия.

Если вы заметили неточность в расчётах или ошибку в тексте, или вам необходим другой конвертер для перевода из одной единицы измерения в другую, которого нет на нашем сайте — напишите нам!

Канал Конвертера единиц TranslatorsCafe.com на YouTube

13.
Аку́стика (от греч. ἀκούω (аку́о) —
слышу) — наука о звуке,
изучающая физическую природу звука и
проблемы, связанные с его возникновением,
распространением, восприятием и
воздействием. Акустика является одним
из направлений физики (механики),
исследующих упругие колебания и волны
от самых низких (условно от 0 Гц)
до высоких частот.^[1]

Акустика
является междисциплинарной наукой,
использующей для решения своих проблем
широкий круг дисциплин: математику,
физику, психологию, архитектуру,
электронику, биологию, медицину, гигиену,
теорию музыки и другие.

Иногда
(в обиходе) под акустикой понимают
также акустическую
систему —
электрическое устройство,
предназначенное для преобразования тока переменной
частоты в звуковые колебания при помощи
электро-акустического преобразования.
Также термин акустика применим для
обозначения колебательных свойств,
связанных с качеством распространения
звука в какой-либо системе или каком-либо
помещении, например, «хорошая акустика
концертного зала».

Термин
«акустика» (фр. acoustique)
был введён в 1701
году Ж. Совёром^[2].

Тон в лингвистике —
использование высоты
звука для
смыслоразличения в рамках слов/морфем.
Тон следует отличать от интонации,
то есть изменения высоты тона на
протяжении сравнительно большого
речевого отрезка (высказывания или
предложения). Различные тоновые единицы,
имеющие смыслоразличительную функцию,
могут называться тонемами (по
аналогии с фонемой).

Тон,
как и интонация, фонация и ударение,
относится к супрасегментным,
или просодическим,
признакам. Носителями тона чаще всего
являются гласные,
но встречаются языки, где в этой роли
могут выступать и согласные,
чаще всего сонанты.

Тоновым,
или тональным, называется язык, в котором
каждый слог произносится
с определённым тоном. Разновидностью
тоновых языков являются также языки
с музыкальным
ударением,
в которых один или несколько слогов в
слове являются выделенными, и разные
типы выделения противопоставляются
тоновыми признаками.

Тоновые
противопоставления могут сочетаться
с фонационными (таковы
многие языки Юго-Восточной
Азии).

Шум —
беспорядочные колебания различной
физической природы, отличающиеся
сложностью временной и спектральной структуры.
Первоначально слово шум относилось
исключительно к звуковым колебаниям,
однако в современной науке оно было
распространено и на другие виды колебаний
(радио-, электричество).

Шум —
совокупность апериодических звуков
различной интенсивности и частоты. С
физиологической точки зрения шум —
это всякий неблагоприятный
воспринимаемый звук.

Акустический,
звуковой удар — это
звук ассоциируемый с ударными волнами,
созданными сверхзвуковым полётом самолёта.
Акустический удар создаёт огромное
количество звуковой энергии, похожей
на взрыв.
Звук удара хлыста — наглядный пример
акустического удара.
Это момент, когда самолёт преодолевает
звуковой барьер, то, пробивая собственную
звуковую волну, он создаёт мощный
мгновенный большой силы звук,
распространяющийся
в стороны. Но на самом летящем самолёте
он не слышен, поскольку звук от него
«отстал». Звук напоминает выстрел
сверхмощной пушки, сотрясающий весь
небосвод и поэтому сверхзвуковым
самолётам рекомендовано переходить на
сверхзвук подальше от городов, чтобы
не беспокоить и не пугать граждан

Физические
параметры звука

Колебательная
скорость измеряется
в м/с или см/с. В энергетическом отношении
реальные колебательные системы
характеризуются изменением энергии
вследствие частичной её затраты на
работу против сил трения и излучение в
окружающее пространство. В упругой
среде колебания постепенно затухают.
Для характеристики затухающих
колебаний используются
коэффициент затухания (S), логарифмический
декремент (D) и добротность (Q).

Коэффициент
затухания отражает
быстроту убывания амплитуды с течением
времени. Если обозначить время, в течение
которого амплитуда уменьшается в е =
2,718 раза, через ,
то:

.

Уменьшение
амплитуды за один цикл характеризуется
логарифмическим декрементом.
Логарифмический декремент равен
отношению периода колебаний ко времени
затухания :

Если
на колебательную систему с потерями
действовать периодической силой, то
возникают вынужденные
колебания,
характер которых в той или иной мере
повторяет изменения внешней силы.
Частота вынужденных колебаний не зависит
от параметров колебательной системы.
Напротив, амплитуда зависит от массы,
механического сопротивления и гибкости
системы. Такое явление, когда амплитуда
колебательной скорости достигает
максимального значения, называется
механическим резонансом. При этом
частота вынужденных колебаний совпадает
с частотой собственных незатухающих
колебаний механической системы.

При
частотах воздействия, значительно
меньших резонансной, внешняя гармоническая
сила уравновешивается практически
только силой упругости. При частотах
возбуждения, близких к резонансной,
главную роль играют силы трения. При
условии, когда частота внешнего
воздействия значительно больше
резонансной, поведение колебательной
системы зависит от силы инерции или
массы.

Свойство
среды проводить акустическую энергию,
в том числе и ультразвуковую, характеризуется
акустическим сопротивлением. Акустическое
сопротивление среды
выражается отношением звуковой плотности
к объёмной скорости ультразвуковых
волн. Удельное акустическое сопротивление
среды устанавливается соотношением
амплитуды звукового давления в среде
к амплитуде колебательной скорости её
частиц. Чем больше акустическое
сопротивление, тем выше степень сжатия
и разрежения среды при данной амплитуде
колебания частиц среды. Численно,
удельное акустическое сопротивление
среды (Z) находится как произведение
плотности среды ()
на скорость (с) распространения в ней
ультразвуковых волн.

Удельное
акустическое сопротивление измеряется
в паскаль—секунда на метр (Па·с/м)
или дин•с/см³ (СГС); 1 Па·с/м = 10⁻¹ дин
• с/см³.

Значение
удельного акустического сопротивления
среды часто выражается в г/с·см², причём
1 г/с·см² = 1 дин•с/см³. Акустическое
сопротивление среды определяется
поглощением, преломлением и отражением
ультразвуковых волн.

Звуковое или акустическое
давление в
среде представляет собой разность между
мгновенным значением давления в данной
точке среды при наличии звуковых
колебаний и статического давления в
той же точке при их отсутствии. Иными
словами, звуковое давление есть переменное
давление в среде, обусловленное
акустическими колебаниями. Максимальное
значение переменного акустического
давления (амплитуда давления) может
быть рассчитано через амплитуду колебания
частиц:

где
Р — максимальное акустическое
давление (амплитуда давления);

• f —
  частота;

• с —
  скорость распространения ультразвука;

•  —
  плотность
  среды;

• А —
  амплитуда колебания частиц среды.

На
расстоянии в половину длины волны (λ/2)
амплитудное значение давления из
положительного становится отрицательным,
то есть разница давлений в двух точках,
отстоящих друг от друга на λ/2 пути
распространения волны, равна 2Р.

Для
выражения звукового давления в единицах
СИ используется Паскаль (Па), равный
давлению в один ньютон на метр квадратный
(Н/м²). Звуковое давление в системе СГС
измеряется в дин/см²; 1 дин/см² = 10⁻¹Па
= 10⁻¹Н/м².
Наряду с указанными единицами часто
пользуются внесистемными единицами
давления — атмосфера (атм) и техническая
атмосфера (ат), при этом 1 ат = 0,98·10⁶ дин/см²
= 0,98·10⁵ Н/м².
Иногда применяется единица, называемая
баром или микробаром (акустическим
баром); 1 бар = 10⁶ дин/см².

Давление,
оказываемое на частицы среды при
распространении волны, является
результатом действия упругих и инерционных
сил. Последние вызываются ускорениями,
величина которых также растёт в течение
периода от нуля до максимума (амплитудное
значение ускорения). Кроме того, в течение
периода ускорение меняет свой знак.

Максимальные
значения величин ускорения и давления,
возникающие в среде при прохождении в
ней ультразвуковых волн, для данной
частицы не совпадают во времени. В
момент, когда перепад ускорения достигает
своего максимума, перепад давления
становится равным нулю. Амплитудное
значение ускорения (а) определяется
выражением:

Если
бегущие ультразвуковые волны наталкиваются
на препятствие, оно испытывает не только
переменное давление, но и постоянное.
Возникающие при прохождении ультразвуковых
волн участки сгущения и разряжения
среды создают добавочные изменения
давления в среде по отношению к окружающему
её внешнему давлению. Такое добавочное
внешнее давление носит название давления
излучения (радиационного давления). Оно
служит причиной того, что при переходе
ультразвуковых волн через границу
жидкости с воздухом образуются фонтанчики
жидкости и происходит отрыв отдельных
капелек от поверхности. Этот механизм
нашёл применение в образовании аэрозолей
лекарственных веществ. Радиационное
давление часто используется при измерении
мощности ультразвуковых колебаний в
специальных измерителях — ультразвуковых
весах.

Интенсивность звука (абсолютная)
— величина, равная отношению потока
звуковой энергии dP через
поверхность, перпендикулярную направлению
распространения звука,
к площади dS этой
поверхности:

Единица
измерения — ватт на
квадратный метр (Вт/м²).

Для
плоской волны интенсивность звука может
быть выражена через амплитуду звукового
давления p₀ и колебательную
скорость v:

,

где Z_S — удельное
акустическое сопротивление среды.

Громкость
звука — субъективная характеристика,
котрорая зависит от амплитуды, а значит
от энергии звуковой волны. Чем больше
энергия, тем больше давление звуковой
волны.

Уровень
интенсивности — это объективная
характеристика звука.

Интенсивность
— отношение падающей на поверхности
звуковой мощности к площади этой
поверхности. Измеряется
в Вт/м² (ватт
на кв. метр).

Уровень
интенсивности определяет во сколько
раз интенсивность звука больше, чем
минимальная интенсивность, воспринимаемая
человеческим ухом.

Поскольку
минимальная чувствительность,
воспринимаемая человеком
10^-12 Вт/м² отличается
от максимальной, вызывающей болевые
ощущения — 10¹³ Вт/м²,
на много порядков, то используется
логарифм отношения интенсивности звука
к минимальной интенсивности.

Здесь
k — уровень интенсивности, I — интенсивность
звука, I₀ —
минимальная интенсивность звука,
воспринимаемая человеком или пороговая
интенсивность.

Смысл
логарифма в данной формуле — если
интенсивность I изменяется на порядок,
то уровень интенсивности при этом
изменяется на единицу.

Единица
измерения уровня интенсивности — 1 Б
(Белл). 1 Белл — уровень интенсивности,
которая в 10 раз превышает пороговую.

На
практике уровень интенсивности
измеряетсяв дБ (дециБеллах). Тогда
формула для вычисления уровня интенсивности
переписывается так:

Звуково́е
давле́ние —
переменное избыточное давление,
возникающее в упругой среде при
прохождении через неё звуковой
волны.
Единица измерения — паскаль (Па).

Мгновенное
значение звукового давления в точке
среды изменяется как со временем, так
и при переходе к другим точкам среды,
поэтому практический интерес представляет
среднеквадратичное значение данной
величины, связанное с интенсивностью
звука:

где  — интенсивность
звука,  —
звуковое давление,  — удельное
акустическое сопротивление среды,  —
усреднение по времени.

При
рассмотрении периодических колебаний
иногда используют амплитуду звукового
давления; так, для синусоидальной волны

где  —
амплитуда звукового давления.

Уровень
звукового давления (англ. SPL,
Sound Pressure Level) —
измеренное по относительной
шкале значение
звукового давления, отнесённое к опорному
давлению =
20 мкПа, соответствующему
порогу слышимости синусоидальной звуковой
волны частотой 1
кГц:

 дБ.

14.

Гро́мкость
зву́ка —
субъективное восприятие силы звука (абсолютная
величина слухового ощущения). Громкость
главным образом зависит от звукового
давления, амплитуды и частоты звуковых
колебаний. Также на громкость звука
влияют его спектральный состав,
локализация в пространстве, тембр,
длительность воздействия звуковых
колебаний и другие факторы (см. ^[1], ^[2]).

Единицей
абсолютной шкалы громкости является фон.
Громкость в 1 фон — это громкость
непрерывного чистого синусоидального
тона частотой 1 кГц,
создающего звуковое
давление 2 мПа.

Уровень
громкости звука —
относительная величина. Она выражается
в фонах и
численно равна уровню звукового
давления (в децибелах —
дБ), создаваемого синусоидальным тоном
частотой 1 кГц такой
же громкости, как и измеряемый звук
(равногромким данному звуку).

Зависимость
уровня громкости от звукового давления
и частоты

На
рисунке справа изображено семейство
кривых равной громкости, называемых
также изофонами.
Они представляют собой графики
стандартизированных (международный
стандарт ISO
226)
зависимостей уровня звукового давления
от частоты при заданном уровне громкости.
С помощью этой диаграммы можно определить
уровень громкости чистого тона какой-либо
частоты, зная уровень создаваемого им
звукового давления.

Средства
звукового наблюдения

Например,
если синусоидальная волна частотой 100
Гц создаёт звуковое давление уровнем
60 дБ, то, проведя прямые, соответствующие
этим значениям на диаграмме, находим
на их пересечении изофону, соответствующую
уровню громкости 50 фон. Это значит, что
данный звук имеет уровень громкости 50
фон.

Изофона
«0 фон», обозначенная пунктиром,
характеризует порог
слышимости звуков
разной частоты для нормального слуха.

На
практике часто представляет интерес
не уровень громкости, выраженный в
фонах, а величина, показывающая, во
сколько данный звук громче другого.
Представляет интерес также вопрос о
том, как складываются громкости двух
разных тонов. Так, если имеются два тона
разных частот с уровнем 70 фон каждый,
то это не значит, что суммарный уровень
громкости будет равен 140 фон.

Зависимость
громкости от уровня звукового давления
(и интенсивности
звука)
является сугубо нелинейной

кривой,
она имеет логарифмический характер.
При увеличении уровня звукового
давления на 10 дБ громкость звука
возрастёт в 2 раза. Это значит, что
уровням громкости 40, 50 и 60 фон
соответствуют громкости 1, 2 и 4 сона.

физические
основы звуковых методов исследования
в клинике

Звук,
как и свет, является источником информации,
и в этом его главное значение. Звуки
природы, речь окружающих нас людей, шум
работающих машин многое сообщают нам.
Чтобы представить значение звука для
человека, достаточно временно лишить
себя возможности воспринимать звук –
закрыть уши. Естественно, что звук может
быть и источником информации о состоянии
внутренних органов человека.

Распространенный
звуковой метод диагностики заболеваний
– аускультация (выслушивание). Для
ау-скультации используют стетоскоп или
фонендоскоп. Фонендоскоп состоит из
полой капсулы с передающей звук мембраной,
прикладываемой к телу больного, от нее
идут резиновые трубки к уху врача. В
полой капсуле возникает резонанс столба
воздуха, вследствие чего усиливается
звучание и улучшается ау-скультация.
При аускультации легких выслушивают
дыхательные шумы, разные хрипы, характерные
для заболеваний. По изменению тонов
сердца и появлению шумов можно судить
о состоянии сердечной деятельности.
Используя аускультацию, можно установить
наличие перистальтики желудка и
кишечника, прослушать сердцебиение
плода.

Для
одновременного выслушивания больного
несколькими исследователями с учебной
целью или при консилиуме используют
систему, в которую входят микрофон,
усилитель и громкоговоритель или
несколько телефонов.

Длядиагностики
состояния сердечной деятельности
применяется метод, подобный аускультации
и называемый фонокардиографией (ФКГ).
Этот метод заклю16б чается в графической
регистрации тонов и шумов сердца и их
диагностической интерпретации. Запись
фонокардиограммы производят с помощью
фонокардиографа, состоящего из микрофона,
усилителя, системы частотных фильтров
и регистрирующего устройства.

Принципиально
отличным от двух изложенных выше звуковых
методов является перкуссия. При этом
методе выслушивают звучание отдельных
частей тела при их простукивании.
Схематично тело человека можно представить
как совокупность газонаполненных
(легких), жидких (внутренние органы) и
твердых (кость) объемов. При ударе по
поверхности тела возникают колебания,
частоты которых имеют широкий диапазон.
Из этого диапазона одни колебания
погаснут довольно быстро, другие же,
совпадающие с собственными колебаниями
пустот, усилятся и вследствие резонанса
будут слышимы. Опытный врач по тону
перкуторных звуков определяет состояние
и расположение (тонографию) внутренних
органов.

15.
Инфразву́к (от лат. infra —
ниже, под) — звуковые
волны имеющие
частоту ниже воспринимаемой человеческим
ухом. Поскольку обычно человеческое
ухо способно слышать звуки в диапазоне
частот 16 — 20000 Гц,
то за верхнюю границу частотного
диапазона инфразвука обычно принимают
16 Гц. Нижняя же граница инфразвукового
диапазона условно определена как
0,001 Гц.
Практический интерес могут представлять
колебания от десятых и даже сотых долей
герц, то есть с периодами в десяток
секунд.

Природа
возникновения инфразвуковых колебаний
такая же, как и у слышимого звука, поэтому
инфразвук подчиняется тем же
закономерностям, и для его описания
используется такой же математический
аппарат, как и для обычного слышимого
звука (кроме понятий, связанных с уровнем
звука). Инфразвук слабо поглощается
средой, поэтому может распространяться
на значительные расстояния от источника.
Из-за очень большой длины
волны ярко
выражена дифракция.

Инфразвук,
образующийся в море, называют одной из
возможных причин нахождения судов,
покинутых экипажем^[1] (см. Бермудский
треугольник, Корабль-призрак).

Инфразвук.
Действие инфразвука на биологические
объекты.

Инфразвук
— колебательные процессы с частотами
ниже 20 Гц. Инфразвуки
– не воспринимаются слухом человека.

Инфразвук
оказывает неблагоприятное влияние на
функциональное состояние ряда систем
организма: усталость, головная боль,
сонливость, раздражение и др.

Предполагается,
что первичный механизм действия
инфразвука на организм имеет резонансную
природу.

Ультразвук,
методы его получения. Физические
характеристики и особенности
распространения ультразвуковых волн.
Взаимодействие ультразвука с веществом.
Кавитация. Применение ультразвука:
эхолокация, диспергирование, дефектоскопия,
ультразвуковое резание.

Ультразвуком
– (УЗ)
называют механические колебания и
волны, частоты которых более 20 кГц.

Для
получения УЗ используется устройства,
называемые УЗ
– излучателем. Наибольшее
распространение получили электромеханические
излучатели, основанные
на явление обратного пьезоэлектрического
эффекта.

 По
своей физической природе Ультразвук
представляет
собой упруги
волны и
в этом он не отличается от звука. от
20 000 до миллиарда Гц.
Принципиальной
физической чертой звуковых колебаний
является амплитуда волны, либо амплитуда
смещения. 

Ультразвук
в
газах и, в частности, в воздухе
распространяется с большим затуханием.
Жидкости и твёрдые тела (в особенности
монокристаллы) представляют собой, как
правило, хорошие проводники.
Ультразвук,
затухание, в которых значительно меньше.
Так, например, в воде затухание Ультразвук
при прочих равных условиях приблизительно
в 1000 раз меньше, чем в воздухе. 

Кавитация
– сжатия и разрежения, создаваемые
ультразвуком, приводят к образованию
разрывов сплошности жидкости.

Применение
ультразвука:

Эхолокация
— способ,
при помощи которого положение объекта
определяется по времени задержки
возвращений отражённой волны. 

Диспергирование
— Размельчение
твердых веществ или жидкостей под
действием ультразвуковых колебаний.

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 пр. с помощью
специального оборудования —
ультразвукового дефектоскопа.

Ультразвуковое
резание
— основано на сообщении режущему
инструменту УЗ механических колебаний,
что в значительной мере снижает усилие
резания, себестоимость оборудования и
повышает качество изготавливаемых
изделий (нарезания резьб, сверления,
точения, фрезерования). УЗ
резание находит в медицине для рассечения
биологических тканей.

Действие
ультразвука на биологические объекты.
Применение ультразвука для диагностики
и для лечения. Ультразвуковая хирургия.
Преимущества ультразвуковых методов.

Физические
процессы, обусловленные воздействием
УЗ, вызывают в биологических объектах
следующие основные эффекты.

—
микровибрации на клеточном и субклеточном
уровне;

—
Разрушение биомакромолекул;

—
Перестройку и повреждение биологических
мембран, изменение проницаемости
мембран;

—
тепловое действие;

—
разрушение клеток и микроорганизмов.

Медико-биологические
приложения ультразвука можно в основном
разделить на два направления: методы
диагностики и исследования и методы
воздействия.

Метод
диагностики:

1)
относятся
локационные методы и использованием
главным образом импульсного излучения.

Z:
энцефалография
– определение опухолей и отека головного
мозга,
ультразвуковое кардиография
– измерение размера сердца в динамике;
в офтальмологии –
ультразвуковая локация
для определения размеров глазных сред.
С помощью эффекта Доплера изучается
характер движения сердечных клапанов,
измеряется скорость кровотока.

2)
К
лечению относят

ультразвуковая
физиотерапия.
Обычно на пациента воздействуют частотой
800 кГц.

Первичным
механизмом ультразвуковой терапии
являются механическое и тепловое
действия на ткань.

При
лечение таких заболеваний как астма,
туберкулез и т.д. применяю аэрозоли
различных лекарственных веществ
полученным с помощью ультразвука.

При
операциях ультразвук применяют как
“ультразвуковой скальпель”, способный
рассекать и мягкие и костные ткани. В
настоящее время разработан новый метод
“сваривания” поврежденных или
трансплантируемых костных тканей с
помощью ультразвука (ультразвуковой
остеосинтез).

Главное
преимущество ультразвука перед другими
мутагенами (рентгеновские лучи,
ультрафиолетовые лучи) заключается в
том, что с ним чрезвычайно легко работать.

Эффект
Доплера и его использование в медицине.

Эффектом
Доплера называют
изменение частоты волн, воспринимаемых
наблюдателем (приемником волн), вследствие
относительного движения источника волн
и наблюдателя.

Эффект
был впервые описан Кристианом
Доплером в 1842 году.

Эффект
Доплера используется для определения
скорости кровотока, скорости движения
клапанов и стенок сердца (доплеровская
эхокардиография) и других органов.

Проявление
эффекта Доплера широко используется в
различных медицинских приборах,
использующих, как правило, ультразвуковые
волны в МГц диапазоне частот.

Например,
отражённые от красных кровяных телец
ультразвуковые волны можно использовать
для определения скорости кровотока.
Аналогичным образом этот метод можно
применять для обнаружения движения
грудной клетки зародыша, а также для
дистанционного контроля за сердцебиениями.

16.
Ультразву́к —
упругие колебания с частотой за пределом
слышимости для человека. Обычно
ультразвуковым диапазоном считают
частоты выше 18 000 герц.

Хотя
о существовании ультразвука известно
давно, его практическое использование
достаточно молодо. В наше время ультразвук
широко применяется в различных физических
и технологических методах. Так, по
скорости распространения звука в среде
судят о её физических характеристиках.
Измерения скорости на ультразвуковых
частотах позволяет с весьма малыми
погрешностями определять, например,
адиабатические характеристики
быстропротекающих процессов, значения
удельной теплоемкости газов, упругие
постоянные твердых тел.

Частота
ультразвуковых колебаний, применяемых
в промышленности и биологии, лежит в
диапазоне порядка нескольких МГц.
Такие колебания обычно создают с помощью
пьезокерамических преобразователей
из титанита бария. В тех случаях, когда
основное значение имеет мощность
ультразвуковых колебаний, обычно
используются механические источники
ультразвука. Первоначально все
ультразвуковые волны получали механическим
путем (камертоны, свистки, сирены).

В
природе УЗ встречается как в качестве
компонентов многих естественных шумов
(в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме
гальки, перекатываемой морским прибоем,
в звуках, сопровождающих грозовые
разряды, и т. д.), так и среди звуков
животного мира. Некоторые животные
пользуются ультразвуковыми волнами
для обнаружения препятствий, ориентировки
в пространстве.

Излучатели
ультразвука можно подразделить на две
большие группы. К первой относятся
излучатели-генераторы; колебания в них
возбуждаются из-за наличия препятствий
на пути постоянного потока — струи
газа или жидкости. Вторая группа
излучателей — электроакустические
преобразователи; они преобразуют уже
заданные колебания электрического
напряжения или тока в механическое
колебание твердого тела, которое и
излучает в окружающую среду акустические
волны.

Физические свойства ультразвука

Применение
ультразвука в медицинской диагностике
связано с возможностью получения
изображения внутренних органов и
структур. Основой метода является
взаимодействие ультразвука с тканями
тела человека. Собственно получение
изображения можно разделить на две
части. Первая — излучение коротких
ультразвуковых импульсов, направленное
в исследуемые ткани и второе — формирование
изображения на основе отраженных
сигналов. Понимание принципа работы
ультразвуковой диагностической
установки, знание основ физики ультразвука
и его взаимодействия с тканями тела
человека помогут избежать механического,
бездумного использования прибора и,
следовательно, более грамотно подходить
к процессу диагностики.

Звук
— это механическая продольная волна,
в которой колебания частиц находятся
в той же плоскости, что и направление
распространения энергии (рис. 1).

Рис. 1.
Визуальное и графическое представление
изменений давления и плотности в
ультразвуковой волне.

Волна
переносит энергию, но не материю. В
отличие от электромагнитных волн (свет,
радиоволны и т.д.) для распространения
звука необходима среда — он не может
распространяться в вакууме. Как и все
волны, звук можно описать рядом параметров.
Это частота, длина волны, скорость
распространения в среде, период, амплитуда
и интенсивность. Частота, период,
амплитуда и интенсивность определяются
источником звука, скорость распространения
— средой, а длина волны — и источником
звука и средой. Частота — это число
полных колебаний (циклов) за период
времени в 1 секунду (рис. 2).

Рис. 2.
Частота ультразвуковой волны 2 цикла в
1 с = 2 Гц

Единицами
измерения частоты являются герц (Гц) и
мегагерц (МГц). Один герц — это одно
колебание в секунду. Один мегагерц =
1000000 герц. Что же делает звук «ультра»?
Это частота. Верхняя граница слышимого
звука — 20000 Гц (20 килогерц (кГц)) —
является нижней границей ультра­звукового
диапазона. Ультра­звуковые локаторы
летучих мышей работают в диапазоне
25÷500 кГц. В современных ультра­звуковых
приборах для получения изображения
используется ультразвук частотой от
2 МГц и выше. Период — это время,
необходимое для получения одного полного
цикла колебаний (рис. 3).

Рис. 3.
Период ультразвуковой волны.

Единицами
измерения периода являются секунда (с)
и микросекунда (мксек). Одна микросекунда
является одной миллионной долей секунды.
Период (мксек) = 1/частота (МГц). Длина
волны — это длина, которую занимает в
пространстве одно колебание (рис. 4).

Рис. 4.
Длина волны.

Единицы
измерения — метр (м) и миллиметр (мм).
Скорость распространения ультразвука
— это скорость, с которой волна
перемещается в среде. Единицами скорости
распространения ультразвука являются
метр в секунду (м/с) и миллиметр в
микросекунду (мм/мксек). Скорость
распространения ультразвука определяется
плотностью и упругостью среды. Скорость
распространения ультразвука увеличивается
при увеличении упругости и уменьшении
плотности среды. В таблице 2.1 представлены
скорости распространения ультразвука
в некоторых тканях тела человека.

Таблица 2.1. Скорость распространения ультразвука в мягких тканях
Ткань	Скорость распространения ультразвука в мм/мксек
Мозг	1,51
Печень	1,55
Почки	1,.56
Мышцы	1,58
Жировая ткань	1,45
Кости	4,08
Кровь	1,57
Мягкие ткани (усреднение)	1,54
Вода (20°С)	1,48
Воздух	0,33

Усредненная
скорость распространения ультразвука
в тканях тела человека составляет 1540
м/с — на эту скорость запрограммировано
большинство ультразвуковых диагностических
приборов. Скорость распространения
ультразвука (С), частота (f) и длина волны
(λ) связаны между собой следующим
уравнением: С = f × λ. Так как в нашем
случае скорость считается постоянной
(1540 м/с), то оставшиеся две переменные f
и λ связаны между собой обратно
пропорциональной зависимостью. Чем
выше частота, тем меньше длина волны и
тем меньше размеры объектов, которые
мы можем увидеть. Еще одним важным
параметром среды является акустическое
сопротивление (Z). Акустическое
сопротивление — это произведение
значения плотности среды и скорости
распространения ультразвука. Сопротивление
(Z) = плотность (р) × скорость распространения
(С).

Для
получения изображения в ультразвуковой
диагностике используется не ультразвук,
который излучается трансдьюсером
непрерывно (постоянной волной), а
ультразвук излучаемый в виде коротких
импульсов (импульсный). Он генерируется
при приложении к пьезоэлементу коротких
электрических импульсов. Для характеристики
импульсного ультразвука используются
дополнительные параметры. Частота
повторения импульсов — это число
импульсов излучаемых в единицу времени
(секунду). Частота повторения импульсов
из меряете я в герцах (Гц) и килогерцах
(кГц). Продолжительность импульса — это
временная протяженность одного импульса
(рис. 5).

Рис. 5.
Продолжительность ультразвукового
импульса.

Измеряется
в секундах (с) и микросекундах (мксек).
Фактор занятости — это часть времени,
в которое происходит излучение (в форме
импульсов) ультразвука. Пространственная
протяженность импульса (ППИ) — это длина
пространства, в котором размещается
один ультразвуковой импульс (рис. 6).

Рис. 6.
Пространственная протяженность импульса.

Для
мягких тканей пространственная
протяженность импульса (мм) равна
произведению 1,54 (скорость распространения
ультразвука в мм/мксек) и числа колебаний
(циклов) в импульсе (n), отнесенному к
частоте в МГц. Или ППИ = 1,54 × n/f.
Уменьшения пространственной протяженности
импульса можно достичь (а это очень
важно для улучшения осевой разрешающей
способности) за счет уменьшения числа
колебаний в импульсе или увеличения
частоты. Амплитуда ультразвуковой волны
— это максимальное отклонение наблюдаемой
физической переменной от среднего
значения (рис. 7).

Рис. 7.
Амплитуда ультразвуковой волны

Интенсивность
ультразвука — это отношение мощности
волны к площади, по которой распределяется
ультразвуковой поток. Измеряется в
ваттах на квадратный сантиметр (Вт/кв.см).
При равной мощности излучения чем меньше
площадь потока, тем выше интенсивность.
Интенсивность также пропорциональна
квадрату амплитуды. Так, если амплитуда
удваивается, то интенсивность учетверяется.
Интенсивность неоднородна как по площади
потока, так и, в случае импульсного
ультразвука, во времени.

При
прохождении через любую среду будет
наблюдаться уменьшение амплитуды и
интенсивности ультразвукового сигнала,
которое называется затуханием. Затухание
ультразвукового сигнала вызывается
поглощением, отражением и рассеиванием.
Единицей затухания является децибел
(дБ). Коэффициент затухания — это
ослабление ультразвукового сигнала на
единицу длины пути этого сигнала (дБ/см).
Коэффициент затухания возрастает с
увеличением частоты. Усредненные
коэффициенты затухания в мягких тканях
и уменьшение интенсивности эхосигнала
в зависимости от частоты представлены
в таблице 2.2.

Таблица 2.2. Усредненные коэффициенты затухания в мягких тканях
Частота, МГц	Усреднённый коэффициент затухания для мягких тканей, дБ/см	Уменьшение интенсивности по глубине
1 см (%)	10 см (%)
1	1	21	90.0
2	2	37	99.0
3	3	50	99.9
5	5	60	99.999
7	7	80	–100
10	10	90	–100

Ультразвук. Основы теории распространения ультразвуковых волн

Основные параметры ультразвука

Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:

,

Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая:

,

В твердых веществах для продольных волн скорость звука [1]

,

• где c_l – скорость звука для продольных волн, м/c,
• E – модуль упругости, Па,
• μ – коэффициент Пуассона,
• ρ – плотность, кг/м 3

Для поперечных волн она определяется по формуле

,

• где c_t – скорость звука для поперечных волн, м/с,
• G – модуль сдвига, Па

Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматических звуковых волн от их частоты. Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическими свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны [2].

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны [3].

Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Интенсивность и мощность ультразвука

Интенсивность звука (сила звука) — средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов [2]. Интенсивность ультразвука – величина, которая выражает мощность акустического поля в точке [6].

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

,

• где р — амплитуда звукового давления, Па
• v — амплитуда колебательной скорости частиц, м/c
• ρ — плотность среды, кг/м 3
• с — скорость звука, м/c

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м 2 . В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик — от пороговых значений

10 -12 Вт/м 2 до сотен кВт/м 2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Мощность звука — энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, т. н. средняя удельная мощность звука, или интенсивность звука [2].

Таблица 1 — Свойства некоторых распространенных материалов [6]

Материал	Плотность, кг/м 3	Скорость продольной волны, м/c	Скорость поперечной волны, м/c	Акустический импеданс, 10 3 кг/(м 2 *с)
Акрил	1180	2670	—	3,15
Воздух	0,1	330	—	0,00033
Алюминий	2700	6320	3130	17,064
Латунь	8100	4430	2120	35,883
Медь	8900	4700	2260	41,830
Стекло	3600	4260	2560	15,336
Никель	8800	5630	2960	49,544
Полиамид (нейлон)	1100	2620	1080	2,882
Сталь (низколегированный сплав)	7850	5940	3250	46,629
Титан	4540	6230	3180	26,284
Вольфрам	19100	5460	2620	104,286
Вода (293К)	1000	1480	—	1,480

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

• убывание амплитуды волны с расстоянием от источника, обусловленное формой и волновыми размерами источника;
• рассеяние ультразвука на неоднородностях среды, в результате чего уменьшается поток энергии в первоначальном направлении распространения;
• поглощение ультразвука, т.е. необратимый переход энергии звуковой волны в другие формы, в частности в тепло.

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. интенсивность звука. Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r 2 , амплитуда волны убывает пропорционально r -1 , а для цилиндрической волны — пропорционально r -1/2 .

Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости — на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.

Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.

3атухание звука, обусловленное рассеянием и поглощением, описывается экспоненциальным законом убывания амплитуды с расстоянием, т. е. амплитуда пропорциональна e -δr , а интенсивность – e -2δr в отличие от степенного закона убывания амплитуды при расхождении волны, где δ – коэффициент затухания звука [2].

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле [4]

,

• где α – коэффициент затухания с расстоянием, 1/м,
• L – расстояние, м,
• p(0), p(L) – амплитуда звукового давления в исходной точке и на расстояние L, Па

Коэффициент затухания от времени определяется [5]

,

• где β – коэффициент затухания от времени, 1/с,
• T – время, с,
• p(0), p(T) – амплитуда звукового давления в начале и через время T соответственно, Па

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

,

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике [2].

,

• где A₁ – амплитуда первого сигнала,
• A₂ – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

Нп/м»/>,

Коэффициент затухания выражается либо в децибелах на метр (дб/м), либо в неперах на метр (Нп/м) или что тоже самое м -1 . Затухание в 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1м амплитуда волны уменьшается в e раз (e =2,71 — основание натуральных логарифмов или число непера).

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

,

• где Z – волновое сопротивление, кг/(м 2 с),
• ρ – плотность, кг/м 3 ,
• с – скорость звука, м/с

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

,

• где R – коэффициент отражения звукового давления [1],
• Z₁ – волновое сопротивление первого вещества, в котором распространяется звуковая волна, кг/(м 2 с),
• Z₂ – волновое сопротивление второго вещества, в которую проходит звуковая волна, кг/(м 2 с)

,

• где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z₁>Z₂, то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ [1].

Коэффициент пропускания энергии τ из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

,

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны λ, степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

,

• где D — поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
• r — расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука — устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию звукового поля энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости [2].

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f₀ преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

,

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука — отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью, т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м 2 .

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля [1].

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

,

• где N – длина ближней зоны, м,
• D – диаметр излучателя, м,
• λ – длина волны, м

Однако поскольку D обычно значительно больше λ, уравнение можно упростить и привести к виду

,

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.

Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.

Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов [2].

Підвищуйте свій
професіоналізм

Физика ультразвука

Глава из I тома руководства по ультразвуковой диагностике, написанного сотрудниками кафедры ультра­звуковой диагностики Российской медицинской академии после­дипломного образования (CD 2001 г) под ред.Митькова В.В.

(Статья обнаружена на просторах Интернета)

1. Физические свойства ультразвука
2. Отражение и рассеивание
3. Датчики и ультразвуковая волна
4. Приборы медленного сканирования
5. Приборы быстрого сканирования
6. Приборы для допплерографии
7. Артефакты
8. Контроль качества работы ультразвуковой аппаратуры
9. Биологическое действие ультразвука и безопасность
10. Новые направления в ультразвуковой диагностике
11. Литература
12. Тестовые вопросы

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УЛЬТРАЗВУКА

Применение ультразвука в медицинской диагностике связано с возможностью получения изображения внутренних органов и структур. Основой метода является взаимодействие ультразвука с тканями тела человека. Собственно получение изображения можно разделить на две части. Первая — излучение коротких ультразвуковых импульсов, направленное в исследуемые ткани, и второе — формирование изображения на основе отраженных сигналов. Понимание принципа работы ультразвуковой диагностической установки, знание основ физики ультразвука и его взаимодействия с тканями тела человека помогут избежать механического, бездумного использования прибора, и, следовательно, более грамотно подходить к процессу диагностики.

Звук — это механическая продольная волна, в которой колебания частиц находятся в той же плоскости, что и направление распространения энергии (рис. 1).

Рис. 1. Визуальное и графическое представление изменений давления и плотности в ультразвуковой волне.

Волна переносит энергию, но не материю. В отличие от электромагнитных волн (свет, радиоволны и т.д.) для распространения звука необходима среда — он не может распространяться в вакууме. Как и все волны, звук можно описать рядом параметров. Это частота, длина волны, скорость распространения в среде, период, амплитуда и интенсивность. Частота, период, амплитуда и интенсивность определяются источником звука, скорость распространения — средой, а длина волны — и источником звука, и средой. Частота — это число полных колебаний (циклов) за период времени в 1 секунду (рис. 2).

Рис. 2. Частота ультразвуковой волны 2 цикла в 1 с = 2 Гц

Единицами измерения частоты являются герц (Гц) и мегагерц (МГц). Один герц — это одно колебание в секунду. Один мегагерц = 1000000 герц. Что же делает звук «ультра»? Это частота. Верхняя граница слышимого звука — 20000 Гц (20 килогерц (кГц)) — является нижней границей ультра­звукового диапазона. Ультра­звуковые локаторы летучих мышей работают в диапазоне 25÷500 кГц. В современных ультра­звуковых приборах для получения изображения используется ультразвук частотой от 2 МГц и выше. Период — это время, необходимое для получения одного полного цикла колебаний (рис. 3).

Рис. 3. Период ультразвуковой волны.

Единицами измерения периода являются секунда (с) и микросекунда (мкс). Одна микросекунда является одной миллионной долей секунды. Период (мкс) = 1/частота (МГц). Длина волны — это длина, которую занимает в пространстве одно колебание (рис. 4).

Рис. 4. Длина волны.

Единицы измерения — метр (м) и миллиметр (мм). Скорость распространения ультразвука — это скорость, с которой волна перемещается в среде. Единицами скорости распространения ультразвука являются метр в секунду (м/с) и миллиметр в микросекунду (мм/мкс). Скорость распространения ультразвука определяется плотностью и упругостью среды. Скорость распространения ультразвука увеличивается при увеличении упругости и уменьшении плотности срелы. В таблице 2.1 представлены скорости распространения ультразвука в некоторых тканях тела человека.

Ткань	Скорость распространения ультразвука в мм/мкс
Мозг	1,51
Печень	1,55
Почки	1,.56
Мышцы	1,58
Жировая ткань	1,45
Кости	4,08
Кровь	1,57
Мягкие ткани (усреднение)	1,54
Вода (20°С)	1,48
Воздух	0,33

Таблица 2.1. Скорость распространения ультразвука в мягких тканях

Усредненная скорость распространения ультразвука в тканях тела человека составляет 1540 м/с — на эту скорость запрограммировано большинство ультразвуковых диагностических приборов. Скорость распространения ультразвука (С), частота (f) и длина волны (λ) связаны между собой следующим уравнением: С = f × λ. Так как в нашем случае скорость считается постоянной (1540 м/с), то оставшиеся две переменные f и λ связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью. Чем выше частота, тем меньше длина волны и тем меньше размеры объектов, которые мы можем увидеть. Еще одним важным параметром среды является акустическое сопротивление (Z). Акустическое сопротивление — это произведение значения плотности среды и скорости распространения ультразвука. Сопротивление (Z) = плотность (р) × скорость распространения (С).

Для получения изображения в ультразвуковой диагностике используется не ультразвук, который излучается трансдьюсером непрерывно (постоянной волной), а ультразвук, излучаемый в виде коротких импульсов (импульсный). Он генерируется при приложении к пьезоэлементу коротких электрических импульсов. Для характеристики импульсного ультразвука используются дополнительные параметры. Частота повторения импульсов — это число импульсов, излучаемых в единииу времени (секунду). Частота повторения импульсов из меряете я в герцах (Гц) и килогерцах (кГц). Продолжительность импульса — это временная протяженность одного импульса (рис. 5).

Рис. 5. Продолжительность ультразвукового импульса.

Измеряется в секундах (с) и микросекундах (мкс). Фактор занятости — это часть времени, в которое происходит излучение (в форме импульсов) ультразвука. Пространственная протяженность импульса (ППИ) — это длина пространства, в котором размещается один ультразвуковой импульс (рис. 6).

Рис. 6. Пространственная протяженность импульса.

Для мягких тканей пространственная протяженность импульса (мм) равна произведению 1,54 (скорость распространения ультразвука в мм/мкс) и числа колебаний (циклов) в импульсе (n), отнесенному к частоте в МГц. Или ППИ = 1,54 × n/f. Уменьшения пространственной протяженности импульса можно достичь (а это очень важно для улучшения осевой разрешающей способности) за счет уменьшения числа колебаний в импульсе или увеличения частоты. Амплитуда ультразвуковой волны — это максимальное отклонение наблюдаемой физической переменной от среднего значения (рис. 7).

Рис. 7. Амплитуда ультразвуковой волны

Интенсивность ультразвука — это отношение мощности волны к площади, по которой распределяется ультразвуковой поток. Измеряется в ваттах на квадратный сантиметр (Вт/кв.см). При равной мощности излучения чем меньше площадь потока, тем выше интенсивность. Интенсивность также пропорциональна квадрату амплитуды. Так, если амплитуда удваивается, то интенсивность учетверяется. Интенсивность неоднородна как по площади потока, так и, в случае импульсного ультразвука, во времени.

При прохождении через любую среду будет наблюдаться уменьшение амплитуды и интенсивности ультразвукового сигнала, которое называется затуханием. Затухание ультразвукового сигнала вызывается поглощением, отражением и рассеиванием. Единицей затухания является децибел (дБ). Коэффициент затухания — это ослабление ультразвукового сигнала на единииу длины пути этого сигнала (дБ/см). Коэффициент затухания возрастает с увеличением частоты. Усредненные коэффициенты затухания в мягких тканях и уменьшение интенсивности эхосигнала в зависимости от частоты представлены в таблице 2.2.

Частота, МГц	Усреднённый коэффициент затухания для мягких тканей, дБ/см	Уменьшение интенсивности по глубине
1 см (%)	10 см (%)
1	1	21	90.0
2	2	37	99.0
3	3	50	99.9
5	5	60	99.999
7	7	80	–100
10	10	90	–100

Таблица 2.2. Усредненные коэффициенты затухания в мягких тканях

ОТРАЖЕНИЕ И РАССЕИВАНИЕ

При прохождении ультразвука через ткани на границе сред с различным акустическим сопротивлением и скоростью проведения ультразвука возникают явления отражения, преломления, рассеивания и поглощения. В зависимости от угла говорят о перпендикулярном и наклонном (под углом) падения ультразвукового луча. При перпендикулярном падении ультразвукового луча он может быть полностью отражен или частично отражен, частично проведен через границу двух сред; при этом направление ультразвука, перешедшего из одной среды в другую среду, не изменяется (рис. 8).

Рис. 8. Перпендикулярное падение ультразвукового луча.

Интенсивность отраженного ультразвука и ультразвука, прошедшего границу сред, зависит от исходной интенсивности и разности акустических сопротивлений сред. Отношение интенсивности отраженной волны к интенсивности падающей волны называется коэффициентом отражения. Отношение интенсивности ультразвуковой волны, прошедшей через границу сред, к интенсивности падающей волны называется коэффициентом проведения ультразвука. Таким образом, если ткани имеют различные плотности, но одинаковое акустическое сопротивление — отражения ультразвука не будет. С другой стороны, при большой разнице акустических сопротивлений интенсивность отражения стремится к 100%. Примером этого служит граница воздух/мягкие ткани. На границе этих сред происходит практически полное отражение ультразвука. Чтобы улучшить проведение ультразвука в ткани тела человека, используют соединительные среды (гель). При наклонном падении ультразвукового луча определяют угол падения, угол отражения и угол преломления (рис. 9).

Рис. 9. Отражение, преломление.

Угол падения равен углу отражения. Преломление — это изменение направления распространения ультразвукового луча при пересечении им границы сред с различными скоростями проведения ультразвука. Синус угла преломления равен произведению синуса угла падения на величину, полученную от деления скорости распространения ультразвука во второй среде на скорость в первой. Синус угла преломления, а, следовательно, и сам угол преломления тем больше, чем больше разность скоростей распространения ультразвука в двух средах. Преломление не наблюдается, если скорости распространения ультразвука в двух средах равны или угол падения равен 0. Говоря об отражении, следует иметь в виду, что в том случае, когда длина волны много больше размеров неровностей отражающей поверхности, имеет место зеркальное отражение (описанное выше). В случае, если длина волны сопоставима с неровностями отражающей поверхности или имеется неоднородность самой среды, происходит рассеивание ультразвука.

Рис. 10. Обратное рассеивание.

При обратном рассеивании (рис. 10) ультразвук отражается в том направлении, откуда пришел исходный луч. Интенсивность рассеянных сигналов увеличивается с увеличением неоднородности среды и увеличением частоты (т.е. уменьшением длины волны) ультразвука. Рассеивание относительно мало зависит от направления падающего луча и, следовательно, позволяет лучше визуализировать отражающие поверхности, не говоря уже о паренхиме органов. Для того, чтобы отраженный сигнал был правильно расположен на экране, необходимо знать не только направление излученного сигнала, но и расстояние до отражателя. Это расстояние равно 1/2 произведения скорости ультразвука в среде на время между излучением и приемом отраженного сигнала (рис. 11). Произведение скорости на время делится пополам, так как ультразвук проходит двойной путь (от излучателя до отражателя и назад), а нас интересует только расстояние от излучателя до отражателя.

Рис. 11. Измерение расстояния с помощью ультразвука.

ДАТЧИКИ И УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ВОЛНА

Для получения ультразвука используются специальные преобразователи — трансдьюсеры, которые превращают электрическую энергию в энергию ультразвука. Получение ультразвука базируется на обратном пьезоэлектрическом эффекте. Суть эффекта состоит в том, что если к определенным материалам (пьезоэлектрикам) приложить электрическое напряжение, то произойдет изменение их формы (рис. 12).

Рис. 12. Обратный пьезоэлектрический эффект.

С этой целью в ультразвуковых приборах чаще всего применяются искусственные пьезоэлектрики, такие, как цирконат или титанат свинца. При отсутствии электрического тока пьезоэлемент возвращается к исходной форме, а при изменении полярности вновь произойдет изменение формы, но уже в обратном направлении. Если к пьезоэлементу приложить быстропеременный ток, то элемент начнет с высокой частотой сжиматься и расширяться (т.е. колебаться), генерируя ультразвуковое поле. Рабочая частота трансдьюсера (резонансная частота> определяется отношением скорости распространения ультразвука в пьезоэлементе к удвоенной толщине этого пьезоэлемента. Детектирование отраженных сигналов базируется на прямом пьезоэлектрическом эффекте (рис. 13).

Рис. 13. Прямой пьезоэлектрический эффект.

Возвращающиеся сигналы вызывают колебания пьезоэлемента и появление на его гранях переменного электрического тока. В этом случае пьезоэлемент функционирует как ультразвуковой датчик. Обычно в ультразвуковых приборах для излучения и приема ультразвука используются одни и те же элементы. Поэтому термины «преобразователь», «трансдьюсер», «датчик» являются синонимами. Ультразвуковые датчики представляют собой сложные устройства и, в зависимости от способа развертки изображения, делятся на датчики для приборов медленного сканирования (одноэлементные) и быстрого сканирования (сканирования в реальном времени) — механические и электронные. Механические датчики могут быть одно- и многоэлементные (анулярные). Развертка ультразвукового луча может достигаться за счет качания элемента, вращения элемента или качания акустического зеркала (рис. 14).

Рис. 14. Механические секторные датчики.

Изображение на экране в этом случае имеет форму сектора (секторные датчики) или окружности (круговые датчики). Электронные датчики являются многоэлементными и в зависимости от формы получаемого изображения могут быть секторными, линейными, конвексными (выпуклыми) (рис. 15).

Рис. 15. Электронные многоэлементные датчики.

Развертка изображения в секторном датчике достигается за счет качания ультразвукового луча с его одновременной фокусировкой (рис. 16).

Рис. 16. Электронный секторный датчик с фазированной антенной.

В линейных и конвексных датчиках развертка изображения достигается путем возбуждения группы элементов с пошаговым их перемещением вдоль антенной решетки с одновременной фокусировкой (рис. 17).

Рис. 17. Электронный линейный датчик.

Ультразвуковые датчики в деталях отличаются устройством друг от друга, однако их принципиальная схема представлена на рисунке 18.

Рис. 18. Устройство ультразвукового датчика.

Одноэлементный трансдьюсер в форме диска в режиме непрерывного излучения образует ультразвуковое поле, форма которого меняется в зависимости от расстояния (рис. 19).

Рис. 19. Два поля нефокусированного трансдьюсера.

Иногда могут наблюдаться дополнительные ультразвуковые «потоки», получившие названия боковых лепестков. Расстояние от диска на длину протяженности ближнего поля (зоны) называется ближней зоной. Зона за границей ближней называется дальней. Протяженность ближней зоны равна отношению квадрата диаметра трансдьюсера к 4 длинам волны. В дальней зоне диаметр ультразвукового поля увеличивается. Место наибольшего сужения ультразвукового луча называется зоной фокуса, а расстояние между трансдьюсером и зоной фокуса — фокусным расстоянием. Существуют различные способы фокусировки ультразвукового луча. Наиболее простым способом фокусировки является акустическая линза (рис. 20).

Рис. 20. Фокусировка с помощью акустической линзы.

С ее помощью можно сфокусировать ультразвуковой луч на определенной глубине, которая зависит от кривизны линзы. Данный способ фокусировки не позволяет оперативно изменять фокусное расстояние, что неудобно в практической работе. Другим способом фокусировки является использование акустического зеркала (рис. 21).

Рис. 21. Фокусировка с помощью акустического зеркала.

В этом случае, изменяя расстояние между зеркалом и трансдьюсером, мы будем менять фокусное расстояние. В современных приборах с многоэлементными электронными датчиками основой фокусировки является электронная фокусировка (рис. 17). Имея систему электронной фокусировки, мы можем с панели прибора изменять фокусное расстояние, однако, для каждого изображения мы будем иметь только одну зону фокуса. Так как для получения изображения используются очень короткие ультразвуковые импульсы, излучаемые 1000 раз в секунду (частота повторения импульсов 1 кГц), то 99,9% времени прибор работает как приемник отраженных сигналов. Имея такой запас времени, возможно запрограммировать прибор таким образом, чтобы при первом получении изображения была выбрана ближняя зона фокуса (рис. 22) и информация, полученная с этой зоны, была сохранена.

Рис. 22. Способ динамической фокусировки.

Далее — выбор следующей зоны фокуса, получение информации, сохранение. И так далее. В результате получается комбинированное изображение, сфокусированное по всей глубине. Следует, правда, отметить, что такой способ фокусировки требует значительных временных затрат на получение одного изображения (кадра), что вызывает уменьшение частоты кадров и мерцание изображения. Почему же столько усилий прикладывается для фокусировки ультразвукового луча? Дело в том, что чем уже луч, тем лучше боковая (латеральная, по азимуту) разрешающая способность. Боковая разрешающая способность — это минимальное расстояние между двумя объектами, расположенными перпендикулярно направлению распространения энергии, которые представляются на экране монитора в виде раздельных структур (рис. 23).

Рис. 23. Способ динамической фокусировки.

Боковая разрешающая способность равна диаметру ультразвукового луча. Осевая разрешающая способность — это минимальное расстояние между двумя объектами, расположенными вдоль направления распространения энергии, которые представляются на экране монитора в виде раздельных структур (рис. 24).

Рис. 24. Осевая разрешающая способность: чем короче ультразвуковой импульс, тем она лучше.

Осевая разрешающая способность зависит от пространственной протяженности ультразвукового импульса — чем короче импульс, тем лучше разрешение. Для укорочения импульса используется как механическое, так и электронное гашение ультразвуковых колебаний. Как правило, осевая разрешающая способность лучше боковой.

ПРИБОРЫ МЕДЛЕННОГО СКАНИРОВАНИЯ

В настоящее время приборы медленного (ручного, сложного) сканирования представляют лишь исторический интерес. Морально они умерли с появлением приборов быстрого сканирования (приборов, работающих в реальном времени). Однако их основные компоненты сохраняются и в современных приборах (естественно, с использованием современной элементной базы). Сердцем является главный генератор импульсов (в современных аппаратах — мощный процессор), который управляет всеми системами ультразвукового прибора (рис. 25).

Рис. 25. Блок-схема ручного сканера.

Генератор импульсов посылает электрические импульсы на трансдьюсер, который генерирует ультразвуковой импульс и направляет его в ткани, принимает отраженные сигналы, преобразовывая их в электрические колебания. Эти электрические колебания далее направляются на радиочастотный усилитель, к которому обычно подключается временно-амплитудный регулятор усиления (ВАРУ) — регулятор компенсации тканевого поглощения по глубине. Ввиду того, что затухание ультразвукового сигнала в тканях происходит по экспоненциальному закону, яркость объектов на экране с увеличением глубины прогрессивно падает (рис. 26).

Рис. 26. Компенсация тканевого поглощения.

Использование линейного усилителя, т.е. усилителя, пропорционально усиливающего все сигналы, привело бы к переусилению сигналов в непосредственной близости от датчика при попытке улучшения визуализации глубоко расположенных объектов. Использование логарифмических усилителей позволяет решить эту проблему. Ультразвуковой сигнал усиливается пропорционально времени задержки его возвращения — чем позже вернулся, тем сильнее усиление. Таким образом, применение ВАРУ позволяет получить на экране изображение одинаковой яркости по глубине. Усиленный таким образом радиочастотный электрический сигнал подается затем на демодулятор, где он выпрямляется и фильтруется и еще раз усиленный на видеоусилителе подается на экран монитора.

Для сохранения изображения на экране монитора необходима видеопамять. Она может быть разделена на аналоговую и цифровую. Первые мониторы позволяли представлять информацию в аналоговой бистабильной форме. Устройство, называемое дискриминатором, позволяло изменять порог дискриминации — сигналы, интенсивность которых была ниже порога дискриминации, не проходили через него и соответствующие участки экрана оставались темными. Сигналы, интенсивность которых превышала порог дискриминации, представлялись на экране в виде белых точек. При этом яркость точек не зависела от абсолютного значения интенсивности отраженного сигнала — все белые точки имели одинаковую яркость. При таком способе представления изображения — он получил название «бистабильный» — хорошо были видны границы органов и структуры с высокой отражающей способностью (например, почечный синус), однако, оценить структуру паренхиматозных органов не представлялось возможным. Появление в 70-х годах приборов, которые позволяли передавать на экране монитора оттенки серого цвета, знаменовало начало эры серошкальных приборов. Эти приборы давали возможность получать информацию, которая была недостижима при использовании приборов с бистабильным изображением. Развитие компьютерной техники и микроэлектроники позволило вскоре перейти от аналоговых изображений к цифровым. Цифровые изображения в ультразвуковых установках формируются на больших матрицах (обычно 512 × 512 пикселов) с числом градаций серого 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 бит). При визуализации на глубину 20 см на матрице 512 × 512 пикселов один пиксел будет соответствовать линейным размерам в 0,4 мм. На современных приборах имеется тенденция к увеличению размеров дисплеев без потери качества изображения и на приборах среднего класса 12-дюймовый (30 см по диагонали) экран становится обычным явлением.

Электронно-лучевая трубка ультразвукового прибора (дисплей, монитор) использует остро сфокусированный пучок электронов для получения яркого пятна на экране, покрытом специальным фосфором. С помощью отклоняющих пластин это пятно можно перемещать по экрану.

При А-типе развертки (Amplitude) по одной оси откладывается расстояние от датчика, по другой — интенсивность отраженного сигнала (рис. 27).

Рис. 27. А-тип развертки сигнала.

В современных приборах А-тип развертки практически не используется.

В-тип развертки (Brightness — яркость) позволяет вдоль линии сканирования получить информацию об интенсивности отраженных сигналов в виде различия яркости отдельных точек, составляющих эту линию.

Пример экрана: слева развёртка B, справа — M и кардиограмма.

М-тип (иногда ТМ) развертки (Motion — движение) позволяет регистрировать движение (перемещение) отражающих структур во времени. При этом по вертикали регистрируются перемещения отражающих структур в виде точек различной яркости, а по горизонтали — смещение положения этих точек во времени (рис. 28).

Рис. 28. М-тип развертки.

Для получения двумерного томографического изображения необходимо тем или иным образом произвести перемещение линии сканирования вдоль плоскости сканирования. В приборах медленного сканирования это достигалось перемещением датчика вдоль поверхности тела пациента вручную.

ПРИБОРЫ БЫСТРОГО СКАНИРОВАНИЯ

Приборы быстрого сканирования, или, как их чаще называют, приборы, работающие в реальном времени, в настоящее время полностью заменили приборы медленного, или ручного, сканирования. Это связано с целым рядом преимуществ, которыми обладают эти приборы: возможность оценивать движение органов и структур в реальном времени (т.е. практически в тот же момент времени); резкое уменьшение затрат времени на исследование; возможность проводить исследования через небольшие акустические окна.

Если приборы медленного сканирования можно сравнить с фотоаппаратом (получение неподвижных изображений), то приборы, работающие в реальном времени — с кино, где неподвижные изображения (кадры) с большой частотой сменяют друг друга, создавая впечатление движения.

В приборах быстрого сканирования используются, как уже говорилось выше, механические и электронные секторные датчики, электронные линейные датчики, электронные конвексные (выпуклые) датчики, механические радиальные датчики.

Некоторое время назад на ряде приборов появились трапециевидные датчики, поле зрения которых имело трапециевидную форму, однако, они не показали преимуществ относительно конвексных датчиков, но сами имели целый ряд недостатков.

В настоящее время наилучшим датчиком для исследования органов брюшной полости, забрюшинного пространства и малого таза является конвексный. Он обладает относительно небольшой контактной поверхностью и очень большим полем зрения в средней и дальней зонах, что упрощает и ускоряет проведение исследования.

При сканировании ультразвуковым лучом результат каждого полного прохода луча называется кадром. Кадр формируется из большого количества вертикальных линий (рис. 29).

Рис. 29. Формирование изображения отдельными линиями.

Каждая линия — это как минимум один ультразвуковой импульс. Частота повторения импульсов для получения серошкального изображения в современных приборах составляет 1 кГц (1000 импульсов в секунду).

Существует взаимосвязь между частотой повторения импульсов (ЧПИ), числом линий, формирующих кадр, и количеством кадров в единицу времени: ЧПИ = число линий × частота кадров.

На экране монитора качество получаемого изображения будет определяться, в частности, плотностью линий. Для линейного датчика плотность линий (линий/см) является отношением числа линий, формирующих кадр, к ширине части монитора, на котором формируется изображение.

Для датчика секторного типа плотность линий (линий/градус) — отношение числа линий, формирующих кадр, к углу сектора.

Чем выше частота кадров, установленная в приборе, тем (при заданной частоте повторения импульсов) меньше число линий, формирующих кадр, меньше плотность линий на экране монитора, ниже качество получаемого изображения. Зато при высокой частоте кадров мы имеем хорошее временное разрешение, что очень важно при эхо­кардио­графичес­ких исследованиях.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ДОППЛЕРОГРАФИИ

Ультразвуковой метод исследования позволяет получать не только информацию о структурном состоянии органов и тканей, но и характеризовать потоки в сосудах. В основе этой способности лежит эффект Допплера — изменение частоты принимаемого звука при движении относительно среды источника или приемника звука или тела, рассеивающего звук. Он наблюдается из-за того, что скорость распространения ультразвука в любой однородной среде является постоянной. Следовательно, если источник звука движется с постоянной скоростью, звуковые волны, излучаемые в направлении движения как бы сжимаются, увеличивая частоту звука. Волны, излучаемые в обратном направлении, как бы растягиваются, вызывая снижение частоты звука (рис. 30).

Рис. 30. Эффект Допплера.

Путем сопоставления исходной частоты ультразвука с измененной возможно определить долллеровский сдвиг и рассчитать скорость. Не имеет значения, излучается ли звук движущимся объектом или этот объект отражает звуковые волны. Во втором случае источник ультразука может быть неподвижным (ультразвуковой датчик), а в качестве отражателя ультразвуковых волн могут выступать движущиеся эритроциты. Допплеровский сдвиг может быть как положительным (если отражатель движется к источнику звука), так и отрицательным (если отражатель движется от источника звука). В том случае, если направление падения ультразвукового луча не параллельно направлению движения отражателя, необходимо скорректировать допплеровский сдвиг на косинус угла q между падающим лучом и направлением движения отражателя (рис. 31).

Рис. 31. Угол между падающим лучом и направлением тока крови.

Для получения допплеровской информации применяются два типа устройств — постоянно­волновые и импульсные. В постоянно­волновом допплеровском приборе датчик состоит из двух трансдьюсеров: один из них постоянно излучает ультразвук, другой постоянно принимает отраженные сигналы. Приемник определяет допплеровский сдвиг, который обычно составляет-1/1000 частоты источника ультразвука (слышимый диапазон) и передает сигнал на громкоговорители и, параллельно, на монитор для качественной и количественной оценки кривой. Постоянно­волновые приборы детектируют кровоток почти по всему ходу ультразвукового луча или, другими словами, имеют большой контрольный объем. Это может вызвать получение неадекватной информации при попадании в контрольный объем нескольких сосудов. Однако большой контрольный объем бывает полезен при расчете падения давления при стенозе клапанов сердца.

Для того, чтобы оценить кровоток в какой-либо конкретной области, небходимо разместить контрольный объем в исследуемой области (например, внутри определенного сосуда) под визуальным контролем на экране монитора. Это может быть достигнуто при использовании импульсного прибора. Существует верхний предел допплеровского сдвига, который может быть детектирован импульсными приборами (иногда его называют пределом Найквиста). Он составляет примерно 1/2 частоты повторения импульсов. При его превышении происходит искажение допплеровского спектра (aliasing). Чем выше частота повторения импульсов, тем больший допплеровский сдвиг может быть определен без искажений, однако тем ниже чувствительность прибора к низко­скоростным потокам.

Ввиду того, что ультразвуковые импульсы, направляемые в ткани, содержат большое количество частот помимо основной, а также из-за того, что скорости отдельных участков потока неодинаковы, отраженный импульс состоит из большого количества различных частот (рис. 32).

Рис. 32. График спектра ультразвукового импульса.

С помощью быстрого преобразования Фурье частотный состав импульса может быть представлен в виде спектра, который может быть изображен на экране монитора в виде кривой, где по горизонтали откладываются частоты допплеровского сдвига, а по вертикали — амплитуда каждой составляющей. По допплеровскому спектру возможно определять большое количество скоростных параметров кровотока (максимальная скорость, скорость в конце диастолы, средняя скорость и т.д.), однако эти показатели являются угол­зависимыми и их точность крайне зависит от точности коррекции угла. И если в крупных неизвитых сосудах коррекция угла не вызывает проблем, то в мелких извитых сосудах (сосуды опухоли) определить направление потока достаточно сложно. Для решения этой проблемы был предложен ряд почти угол­независимых индексов, наиболее рас­простра­нен­ными из которых являются индекс резистентности и пульсаторный индекс. Индекс резистентности является отношением разности максимальной и минимальной скоростей к максимальной скорости потока (рис. 33). Пульсаторный индекс является отношением разности максимальной и минимальной скоростей к средней скорости потока.

Рис. 33. Расчет индекса резистентности и пульсаторного индекса.

Получение допплеровского спектра с одного контрольного объема позволяет оценивать кровоток в очень небольшом участке. Цветовая визуализация потоков (цветовое допплеровское картирование) позволяет получать двумерную информацию о кровотоках в реальном времени в дополнение к обычной серошкальной двумерной визуализации. Цветовая допплеровская визуализация расширяет возможности импульсного принципа получения изображения. Сигналы, отраженные от неподвижных структур, распознаются и представляются в серошкальном виде. Если отраженный сигнал имеет частоту, отличную от излученного, то это означает, что он отразился от движущегося объекта. В этом случае производится определение допплеровского сдвига, его знак и величина средней скорости. Эти параметры используются для определения цвета, его насыщенности и яркости. Обычно направление потока к датчику кодируется красным, а от датчика — синим цветом. Яркость цвета определяется скоростью потока.

В последние годы появился вариант цветового допплеровского картирования, получивший название «энергетического допплера» (Power Doppler). При энергетическом допплере определяется не значение допплеровского сдвига в отраженном сигнале, а его энергия. Такой подход позволяет повысить чувствительность метода к низким скоростям, сделать его почти угол­независимым, правда, ценой потери возможности определения абсолютного значения скорости и направления потока.

АРТЕФАКТЫ

Артефакт в ультразвуковой диагностике — это появление на изображении несуществующих структур, отсутствие существующих структур, неправильное расположение структур, неправильная яркость структур, неправильные очертания структур, неправильные размеры структур. Реверберация, один из наиболее часто встречающихся артефактов, наблюдается в том случае, если ультразвуковой импульс попадает между двумя или более отражающими поверхностями. При этом часть энергии ультразвукового импульса многократно отражается от этих поверхностей, каждый раз частично возвращаясь к датчику через равные промежутки времени (рис. 34).

Рис. 34. Реверберация.

Результатом этого будет появление на экране монитора несуществующих отражающих поверхностей, которые будут располагаться за вторым отражателем на расстоянии равном расстоянию между первым и вторым отражателями. Уменьшить реверберации иногда удается изменением положения датчика. Вариантом реверберации является артефакт, получивший название «хвост кометы». Он наблюдается в том случае, когда ультразвук вызывает собственные колебания объекта. Этот артефакт часто наблюдается позади мелких пузырьков газа или мелких металлических предметов. Ввиду того, что далеко не всегда весь отраженный сигнал возвращается к датчику (рис. 35), возникает артефакт эффективной отражательной поверхности, которая меньше реальной отражательной поверхности.

Рис. 35. Эффективная отражательная поверхность.

Из-за этого артефакта определяемые с помощью ультразвука размеры конкрементов обычно немного меньше, чем истинные. Преломление может вызывать неправильное положение объекта на полученном изображении (рис. 36).

Рис. 36. Эффективная отражательная поверхность.

В том случае, если путь ультразвука от датчика к отражающей структуре и назад не является одним и тем же, возникает неправильное положение объекта на полученном изображении. Зеркальные артефакты — это появление объекта, находящегоя по одну сторону сильного отражателя с его другой стороны (рис. 37).

Рис. 37. Зеркальный артефакт.

Зеркальные артефакты часто возникают около диафрагмы.

Артефакт акустической тени (рис. 38) возникает за сильно отражающими или сильно поглощающими ультразвук структурами. Механизм образования акустической тени аналогичен формированию оптической.

Рис. 38. Акустическая тень.

Артефакт дистального лсевдоусиления сигнала (рис. 39) возникает позади слабо поглощающих ультразвук структур (жидкостные, жидкостьсодержащие образования).

Рис. 39. Дистальное псевдоусиление эха.

Артефакт боковых теней связан с преломлением и, иногда, интерференцией ультразвуковых волн при падении ультразвукового луча по касательной на выпуклую поверхность (киста, шеечный отдел желчного пузыря) структуры, скорость прохождения ультразвука в которой существенно отличается от окружающих тканей (рис. 40).

Рис. 40. Боковые тени.

Артефакты, связанные с неправильным определением скорости ультразвука, возникают из-за того, что реальная скорость распространения ультразвука в той или иной ткани больше или меньше усредненной (1,54 м/с) скорости, на которую запрограммирован прибор (рис. 41).

Рис. 41. Искажения из-за различия в скорости проведения ультразвука (V1 и V2) различными средами.

Артефакты толщины ультразвукового луча — это появление, главным образом в жидкостьсодержащих органах, пристеночных отражений, обусловленных тем, что ультразвуковой луч имеет конкретную толщину и часть этого луча может одновременно формировать изображение органа и изображение рядом расположенных структур (рис. 42).

Рис. 42. Артефакт толщины ультразвукового луча.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА РАБОТЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АППАРАТУРЫ

Контроль качества ультразвукового оборудования включает в себя определение относительной чувствительности системы, осевой и боковой разрешающей способностей, мертвой зоны, правильности работы измерителя расстояния, точности регистрации, правильности работы ВАРУ, определение динамического диапазона серой шкалы и т.д. Для контроля качества работы ультразвуковых приборов используются специальные тест-объекты или тканево-эквивалентные фантомы (рис. 43). Они являются коммерчески доступными, однако в нашей стране мало распространены, что делает практически невозможным провести поверку ультразвукового диагностического оборудования на местах.

Рис. 43. Тест-объект Американского института ультразвука в медицине.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА И БЕЗОПАСНОСТЬ

Биологическое действие ультразвука и его безопасность для больного постоянно дискутируется в литературе. Знания о биологическом воздействии ультразвука базируются на изучении механизмов воздействия ультразвука, изучении эффекта воздействия ультразвука на клеточные культуры, экспериментальных исследованиях на растениях, животных и, наконец, на эпидемиологических исследованиях.

Ультразвук может вызывать биологическое действие путем механических и тепловых воздействий. Затухание ультразвукового сигнала происходит из-за поглощения, т.е. превращения энергии ультразвуковой волны в тепло. Нагрев тканей увеличивается с увеличением интенсивности излучаемого ультразвука и его частоты. Кавитация — это образование в жидкости пульсирующих пузырьков, заполненных газом, паром или их смесью. Одной из причин возникновения кавитации может являться ультразвуковая волна. Так вреден ультразвук или нет?

Исследования, связанные с воздействием ультразвука на клетки, экспериментальные работы на растениях и животных, а также эпидемиологические исследования позволили сделать Американскому институту ультразвука в медицине следующее заявление, которое в последний раз было подтверждено в 1993 году:

«Никогда не сообщалось о подтвержденных биологических эффектах у пациентов или лиц, работающих на приборе, вызванных облучением (ультразвуком), интенсивность которого типична для современных ультразвуковых диагностических установок. Хотя существует возможность, что такие биологические эффекты могут быть выявлены в будущем, современные данные указывают, что польза для больного при благоразумном использовании диагностического ультразвука перевешивает потенциальный риск, если таковой вообще существует».

НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКЕ

Происходит бурное развитие ультразвуковой диагностики, постоянное совершенствование ультразвуковых диагностических приборов. Можно предположить несколько основных направлений будущего развития этого диагностического метода.

Возможно дальнейшее совершенствование допплеровских методик, особенно таких, как энергетический допплер, допплеровская цветовая визуализация тканей.

Трехмерная эхография в будущем может стать весьма важным направлением ультразвуковой диагностики. В настоящий момент существуют несколько коммерчески доступных ультразвуковых диагностических установок, позволяющих проводить трехмерную реконструкцию изображений, однако, пока клиническое значение этого направление остается неясным.

Концепция применения ультразвуковых контрастов была впервые выдвинута R.Gramiak и P.M.Shah в конце шестидесятых при эхокардиографическом исследовании. В настоящее время существует коммерчески доступный контраст «Эховист» (Шеринг), применяемый для визуализации правых отделов сердца. Недавно он был модифицирован с уменьшением размеров частиц контраста и может рециркулировать в кровеносной системе человека («Левовист», Шеринг). Этот препарат существенно улучшает допплеровский сигнал, как спектральный, так и цветовой, что может оказаться существенным для оценки опухолевого кровотока.

Внутриполостная эхография с использованием ультратонких датчиков открывает новые возможности для исследования полых органов и структур. Однако в настоящее время широкое применение этой методики ограничивается высокой стоимостью специализированных датчиков, которые к тому же могут применяться для исследования ограниченное число раз (1÷40).

Компьютерная обработка изображений с целью объективизации получаемой информации является перспективным направлением, которое может в будущем улучшить точность диагностики незначительных структурных изменений в паренхиматозных органах. К сожалению, полученные к настоящему времени результаты существенного клинического значения не имеют.

Тем не менее то, что еще вчера казалось в ультразвуковой диагностике далеким будущим, стало сегодня обычной рутинной практикой и, вероятно, в ближайшее время мы станем свидетелями внедрения новых ультразвуковых диагностических методик в клиническую практику.

ЛИТЕРАТУРА

1. American Institute of Ultrasound in Medicine. AIUM Bioeffects Committee. — J. Ultrasound Med. — 1983; 2: R14.
2. AIUM Evaluation of Biological Effects Research Reports. Bethesda, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1984.
3. American Institute of Ultrasound in Medicine. AIUM Safety Statements. — J. Ultrasound Med.— 1983; 2: R69.
4. American Institute of Ultrasound in Medicine. Statement on Clinical Safety. — J. Ultrasound Med. — 1984; 3: R10.
5. Banjavic RA. Design and maintenance of a quality assurance for diagnostic ultrasound equipment. — Semin. Ultrasound — 1983; 4: 10-26.
6. Bioeffects Committee. Safety Considerations for Diagnostic Ultrasound. Laurel, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1991.
7. Bioeffects Conference Subcommittee. Bioeffects and Safety of Diagnostic Ultrasound. Laurel, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1993.
8. Eden A. The Search for Christian Doppler. New York, Springer-Verlag, 1992.
9. Evans DH, McDicken WN, Skidmore R, et al. Doppler Ultrasound: Physics, Instrumentation, and Clinical Applications. New York, Wiley & Sons, 1989.
10. Gill RW. Measurement of blood flow by ultrasound: accuracy and sources of errors. — Ultrasound Med. Biol. — 1985; 11: 625-641.
11. Guyton AC. Textbook of Medical Physiology. 7th edition. Philadelphia, WB Saunders, 1986, 206-229.
12. Hunter ТВ, Haber K. A comparison of real-time scanning with conventional static B-mode scanning. — J. Ultrasound Med. — 1983; 2: 363-368.
13. Kisslo J, Adams DB, Belkin RN. Doppler Color Flow Imaging. New York, Churchill Livingstone, 1988.
14. Kremkau FW. Biological effects and possible hazards. In: Campbell S, ed. Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. London, WB Saunders, 1983, 395-405.
15. Kremkau FW. Doppler angle error due to refraction. — Ultrasound Med. Biol. — 1990; 16: 523-524. — 1991; 17: 97.
16. Kremkau FW. Doppler shift frequency data. — J. Ultrasound Med. — 1987; 6: 167.
17. Kremkau FW. Safety and long-term effects of ultrasound: What to tell your patients. In: Platt LD, ed. Perinatal Ultrasound; Clin. Obstet. Gynecol.— 1984; 27: 269-275.
18. Kremkau FW. Technical topics (a column appearing bimonthly in the Reflections section). — J. Ultrasound Med. — 1983; 2.
19. Laing FC. Commonly encountered artifacts in clinical ultrasound. — Semin. Ultrasound —1983; 4: 27-43.
20. Merrit CRB, ed. Doppler Color Imaging. New York, Churchill Livingstone, 1992.
21. MilnorWR. Hemodynamics. 2nd edition. Baltimore, Williams & Wilkins, 1989.
22. Nachtigall PE, Moore PWB. Animal Sonar. New York, Plenum Press, 1988.
23. Nichols WW, O’Rourke MF. McDonald’s Blood Flow in Arterials. Philadelphia, Lea &Febiger, 1990.
24. Powis RL, Schwartz RA. Practical Doppler Ultrasound for the Clinician. Baltimore, Williams & Wilkins, 1991.
25. Safety Considerations for Diagnostic Ultrasound. Bethesda, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1984.
26. Smith HJ, Zagzebski J. Basic Doppler Physics. Madison, Wl, Medical Physics Publishing, 1991.
27. Zweibel WJ. Review of basic terms in diagnostic ultrasound. — Semin. Ultrasound — 1983; 4: 60-62.
28. Zwiebel WJ. Physics. — Semin. Ultrasound — 1983; 4:1-62.
29. П. Голямина, гл. ред. Ультразвук. Москва, «Советская Энциклопедия», 1979.

ТЕСТОВЫЕ ВОПРОСЫ

1. Основой ультразвукового метода исследования является:
   A. визуализация органов и тканей на экране прибора
   Б. взаимодействие ультразвука с тканями тела человека
   B. прием отраженных сигналов
   Г. излучение ультразвука
   Д. серошкальное представление изображения на экране прибора
2. Ультразвук — это звук, частота которого не ниже:
   A. 15 кГц
   Б. 20000 Гц
   B. 1 МГц Г. 30 Гц Д. 20 Гц
3. Скорость распространения ультразвука возрастает, если:
   A. плотность среды возрастает
   Б. плотность среды уменьшается
   B. упругость возрастает
   Г. плотность, упругость возрастают
   Д. плотность уменьшается, упругость возрастает
4. Усредненная скорость распространения ультразвука в мягких тканях составляет:
   A. 1450 м/с
   Б. 1620 м/с
   B. 1540 м/с
   Г. 1300 м/с
   Д. 1420 м/с
5. Скорость распространения ультразвука определяется:
   A. частотой
   Б. амплитудой
   B. длиной волны
   Г. периодом
   Д. средой
6. Длина волны в мягких тканях с увеличением частоты:
   A. уменьшается
   Б. остается неизменной
   B. увеличивается
7. Имея значения скорости распространения ультразвука и частоты, можно расчитать:
   A. амплитуду
   Б. период
   B. длину волны
   Г. амплитуду и период Д. период и длину волны
8. С увеличением частоты коэффициент затухания в мягких тканях:
   A. уменьшается
   Б. остается неизменным
   B. увеличивается
9. Какой из следующих параметров определяет свойства среды, через которую проходит ультразвук:
   A. сопротивление
   Б. интенсивность
   B. амплитуда
   Г частота
   Д. период
10. Какой параметр из следующих не может быть определен из имеющихся остальных:
    A. частота
    Б. период
    B. амплитуда
    Г. длина волны
    Д. скорость распространения
11. Ультразвук отражается от границы сред, имеющих различия в:
    A. плотности
    Б. акустическом сопротивлении
    B. скорости распространения ультразвука
    Г. упругости
    Д. скорости распространения ультразвука и упругости
12. Для того, чтобы расчитать расстояние до отражателя, нужно знать:
    A. затухание, скорость, плотность
    Б. затухание, сопротивление
    B. затухание, поглощение
    Г. время возвращения сигнала, скорость
    Д. плотность, скорость
13. Ультразвук может быть сфокусирован:
    A. искривленным элементом
    Б. искривленным отражателем
    B. линзой
    Г. фазированной антенной
    Д. всем вышеперечисленным
14. Осевая разрешающая способность определяется:
    A. фокусировкой
    Б. расстоянием до объекта
    B. типом датчика
    Г. числом колебаний в импульсе
    Д. средой
15. Поперечная разрешающая способность определяется:
    A. фокусировкой
    Б. расстоянием до объекта
    B. типом датчика
    Г. числом колебаний в импульсе
    Д средой

Глава из I тома руководства по ультразвуковой диагностике,

написанного сотрудниками кафедры ультра­звуковой диагностики

Российской медицинской академии после­дипломного образования

Звук и ультразвук

Содержание:

Звук – это то, что слышит ухо, мы слышим голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса, гром во время грозы и т.д. Звуковыми волнами в широком смысле называются всякие волны, распространяющиеся в упругой среде. В узком смысле звуком называют звуковые волны в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, воспринимаемые человеческим ухом. Ниже этого диапазона лежит область инфразвука, выше — область ультразвука.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Звук и ультразвук

Звук – это колебания, т.е. периодическое механическое возмущение в упругих средах – газообразных, жидких и твердых. Такое возмущение, представляющее собой некоторое физическое изменение в среде (например, изменение плотности или давления, смещение частиц), распространяется в ней в виде звуковой волны.

Ультразвук — это звук диапазона, выше предела слышимости человека, т.е. с частотой звуковой волны свыше 20 КГц. Инфразвук — упругие колебания и волны с частотами, лежащими ниже области слышимых человеком частот.

Природа звука. Звуковые волны

Выясним физическую природу звуковых явлений.

Как известно, для получения чистого звука пользуются камертоном. Когда камертон издает звук, то шарик отскакивает от его ножки, так как она колеблется (рис. 25.1). Опыт показывает, что источником звука всегда является какое-либо колеблющееся тело, которое в процессе своих колебаний создает в окружающей среде механические волны (рис. 25.2). Когда эти волны достигают уха человека, то они приводят в вынужденные колебания барабанную перепонку внутри уха, и человек ощущает звук. Механические волны, которые вызывают у человека ощущение звука, называют звуковыми.

Звуковые волны в воздухе состоят из сгущений и разрежений, т. е. являются продольными. Ясно, что ощущение звука человек может получить только в том случае, когда между источником звука и ухом человека имеется среда, в которой могут распространяться звуковые волны. Через безвоздушное пространство звук передаваться не может. Это подтверждается следующим опытом. Электрический звонок подвешивают на малоупругих нитях, включают в сеть и накрывают стеклянным колпаком (рис. 25.3). После этого звук работающего звонка все же явственно слышен. Затем приводят в действие насос, выкачивающий воздух из-под колпака. По мере разрежения воздуха под колпаком звук слабеет и при достаточно большом разрежении совсем исчезает.

Изучение звуковых явлений показало, что далеко не всякие механические волны могут вызвать ощущение звука у человека. Оказывается, что только волны, частота колебаний которых находится в пределах от 16 до 20 000 Гц, являются звуковыми (верхняя и нижняя границы частот этих колебаний у отдельных людей могут немного отличаться от указанных).

Итак, человек ощущает звук, если выполняются следующие условия:

• 1) имеется источник звука, создающий колебания о частотой в пределах от 16 до 20 000 Гц;
• 2) имеется упругая среда между ухом и источником звука;
• 3) мощность звуковых волн достаточна для получения ощущения звука у человека.

Скорость звука

Каждый из нас знает, что при грозе сначала видишь вспышку молнии, а затем уже слышишь гром. Это явление объясняют тем, что скорость распространения света в сотни тысяч раз превышает скорость распространения звука. Так как время распространения светового сигнала очень мало, то при определении скорости звука его можно не учитывать.

Опыт для определения скорости звука в воздухе ставят следующим образом. Два человека располагаются на определенном расстоянии друг от друга (около 1—2 км). Один из них дает световой сигнал, сопровождающийся громким звуком (например, стреляет в воздух), а другой пускает в ход секундомер в момент, когда видит световой сигнал, и останавливает его, когда слышит звук. Определив по секундомеру время распространения звука, легко вычислить его скорость. Такого рода опыты показали, что скорость распространения звука в воздухе при 0°С равна 332 м/с и возрастает при повышении температуры.

Поскольку скорость распространения волн зависит от среды и внешних условий, скорость звука тоже зависит от среды. Например, скорость звука в воде составляет 1450 м/с, а в стали 5000 м/с. (Объясните, почему, приложив ухо к рельсу, можно услышать приближение поезда раньше, чем по воздуху.)

Громкость и интенсивность звука

Звуки, которые мы слышим, вызывают у нас качественно различные ощущения.

Одно из различаемых нами качеств звука — это его громкость. Громкость звука — понятие субъективное, один и тот же звук одному человеку может — казаться громким, а другому — тихим.

Объективной оценкой громкости является интенсивность (или сила) звука. Интенсивность звука измеряют энергией, которую переносят звуковые волны за единицу времени через единицу площади поперечного сечения, перпендикулярного направлению распространения волн.

Из этого определения следует, что единицей интенсивности звука в СИ является

Вспомним, что энергия, переносимая волнами, прямо пропорциональна квадрату амплитуды и квадрату частоты (§ 24.14). Поэтому и интенсивность звука прямо пропорциональна квадрату амплитуды и квадрату частоты колебаний в звуковой волне.

Если от источника звука распространяются сферические волны, то интенсивность звука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника звука до приемника.

Действительно, если источник звука за время t сообщает волнам энергию Е, которая проходит через поверхность сферы то интенсивность звука на расстоянии R от источника звука будет выражаться формулой

или (25.1)

где — мощность источника звука.

Известно, что громкость звука растет с увеличением амплитуды и уменьшается с увеличением расстояния до источника звука. Изменение амплитуды колебаний в волне влияет только на громкость звука, а на других качествах звука никак не отражается.

Ухо человека обладает очень большой чувствительностью. Наименьшую интенсивность звуковых волн, которая вызывает у человека ощущение звука, называют порогом слышимости. Он зависит от частоты колебаний. Например, при частоте 2000 Гц порог слышимости равен При меньших частотах порог слышимости значительно больше.

Высота тона и тембр звука

Еще одним качеством звука, которое может различать человек, является высота тона. Например, легко отличить писк комара от гудения шмеля. Звук летящего комара называют высоким тоном, а гудение шмеля — низким тоном. Покажем с помощью опыта, что высота тона является объективным качеством звука и однозначно определяется частотой колебаний в звуковой волне. Приведем во вращение зубчатые колеса одинакового диаметра, но имеющие разное число зубцов (рис. 25.4). Поочередно прижимая небольшой кусок картона к зубцам этих колес, можно установить, что высота тона повышается при увеличении частоты колебаний картона.

Звук, соответствующий строго определенной частоте колебаний, называют тоном. Качество звука, которое определяется частотой колебаний, характеризуют высотой тона, причем большей частоте колебаний соответствует более высокий тон.

В некоторых случаях высоту тона характеризуют длиной звуковых волн в воздухе (§ 24.17). Действительно, из формулы (24.23) для воздуха при 0°С получаем

(25.2)

Из этой формулы видно, что более высокому тону соответствует более короткая длина волны. Характеризуя высоту тона длиной волны, следует помнить, что еще зависит и от среды. Поэтому в различных средах одному и тому же тону соответствуют неодинаковые длины волн. Нетрудно сообразить, что большая длина волны будет соответствовать среде с большей скоростью распространения звуковых волн.

Помимо громкости и высоты тона, существует еще одно качество звука, которое может различать человек. Качество звука, которое позволяет определять источник звука, называют тембром. Так, по тембру звука мы узнаем, кто говорит, кто поет или на каком инструменте играют. Причина различных тембров звука следующая.

Каждый источник звука создает стоячие волны. Например, струна колеблется как одно целое и издает определенный тон, который называют основным тоном или первой гармоникой (§24.22). Кроме того, на струне образуются еще добавочные стоячие волны, подобные изображенным на рис. 24.22, создающие дополнительные тоны других частот, кратных частоте основного тона. Их называют высшими гармоническими тонами или обертонами.

Каждый источник звука имеет свой набор обертонов с различной относительной громкостью (с различной амплитудой), т. е. имеет свой спектр (§ 24.22). Это и создает характерный оттенок (тембр) его звука, позволяющий отличать его от звуков, создаваемых другими источниками, даже при одинаковой высоте основного тона. Заметим, что наиболее чистый звук, соответствующий определенному тону, создают камертоны. Поэтому ими пользуются для воспроизведения звуков определенной частоты, например, при настройке музыкальных инструментов.

Часто встречаются сложные звуки, в которых нельзя выделить отдельные тоны. Такие звуки называют шумом.

Интерференция звуковых волн

При интерференции звуковых волн амплитуды результирующих колебаний в различных точках пространства будут неодинаковы, что проявляется в усилении и ослаблении звука в этих точках.

От двух ножек колеблющегося камертона получаются когерентные звуковые волны, поэтому вблизи камертона можно наблюдать интерференцию звуковых волн. При повороте камертона вокруг его оси (рис. 25.5, вид сверху) интенсивность звука изменяется. Действительно, при вращении камертона разность волновых путей для какой-либо точки А будет непрерывно изменяться, т. е. в этой точке должно происходить то усиление, то ослабление звука. При вращении камертона явственно слышны попеременные ослабления и усиления звука.

Вдали от камертона, где разность фаз между волнами, излучаемыми каждой из ножек камертона, становится очень малой, распространяется практически одна волна.

Если заставить одновременно звучать два камертона, создающих звуки одинаковой высоты, получится звучание в унисон. Если же к ножке одного из камертонов прикрепить небольшой кусочек пластилина, звучания в унисон не будет, так как период колебаний такого камертона возрастет. При одновременном звучании камертонов в этом случае слышны попеременные усиления и ослабления звука, которые называют биениями. Причина биений заключается в том, что в одной и той же точке пространства волны от камертонов накладываются то с одинаковыми, то с противоположными фазами (рис. 25.6).

Оказывается, частота биений равна разности частот складываемых колебаний. Следовательно, чем меньше отличаются частоты складываемых колебаний, тем меньше частота биений. Этим пользуются при настройке музыкальных инструментов. Если при одновременном звучании камертона и струны слышны биения, натяжение струны меняют, пока не добьются звучания в унисон.

Отражение и поглощение звука

Отражение звуковых волн от границы раздела двух сред имеет очень большое практическое значение. Рассмотрим опыт, иллюстрирующий законы отражения звука (§ 24.19).

Положим на дно стеклянной мензурки ручные часы. Если встать на таком расстоянии от мензурки, чтобы часов не было слышно, а затем поместить над отверстием мензурки стеклянную пластинку, как показано на рис. 25.7, то ход часов будет слышен. Меняя угол наклона пластинки и положение уха, можно убедиться, что угол падения равен углу отражения.

Интересный случай отражения звука получается, когда отражающая поверхность расположена перпендикулярно к направлению распространения волн. В этом случае звуковая волна после отражения возвращается назад к своему источнику. Возвращение звуковой волны к своему источнику после отражения называется эхом.

Оказывается, человек сохраняет звуковое ощущение в течение 0,1 с после прекращения колебаний барабанной перепонки в ухе. Это означает, что при небольшом расстоянии от отражающей поверхности до уха эхо сольется с основным звуком и лишь немного удлинит его продолжительность. Значит, эхо можно слышать раздельно от основного звука только при достаточно большом расстоянии до препятствия.

Это позволяет определить расстояние от источника звука до отражающей поверхности. Пусть расстояние от источника звука А до отражающей поверхности В равно l (рис. 25.8). Если время между отправлением звукового сигнала из точки А и его возвращением в эту же точку равно t, а скорость звука равна то откуда

(25.3)

Ясно, что звуковой сигнал должен быть кратковременным, так как при длительном сигнале эхо сольется с основным звуком и время t определить не удастся. (Покажите, что при скорости звука в воздухе 344 м/с (при 20°С) эхо будет слышно раздельно от основного звука, если расстояние до отражающей поверхности превышает 17,2 м.)

В закрытом помещении происходит многократное отражение звука от стен, что увеличивает продолжительность звучания после прекращения действия источника звука. Остаточное звучание в закрытом помещении называется реверберацией. Для небольших помещений время реверберации должно составлять около 1 с. Время реверберации сильно влияет на качество звука в концертных залах, так как при слишком большом времени реверберации музыку слушать нельзя, а слишком маленькое время реверберации делает звуки блеклыми и отрывистыми.

На границе раздела двух сред звук не только отражается, но и поглощается при проникновении в другую среду. Энергия звуковых волн при этом частично превращается в энергию хаотического движения молекул среда. Например, оштукатуренная стена поглощает около 8% энергии звуковых волн, а ковер — около 20%. Этим объясняется тот факт,- что в комнате, заставленной вещами, звук глухой, а в пустой комнате звук громкий.

Звуковой резонанс

Звуковой резонанс можно наблюдать с помощью двух камертонов, имеющих одинаковую частоту колебаний и укрепленных на ящиках, предназначенных для увеличения громкости звука (рис. 25.9).

Поставим эти камертоны на расстоянии около метра и повернем ящики отверстиями друг к другу. Ударим молоточком по одному из камертонов — он будет издавать громкий звук. Через короткое время зажмем рукой этот камертон — звук становится тише, но совсем не исчезает. Это объясняется тем, что звуковые волны привели в колебание второй камертон, настроенный в резонанс с первым. Действительно, если зажать рукой и второй камертон, то звук исчезнет.

Заметим, что в этом опыте резонируют и столбы воздуха, заключенные в ящиках, на которых укреплены камертоны. Размеры таких ящиков подбираются так, чтобы период собственных колебаний столбов воздуха в них совпадал с периодом свободных колебаний камертонов.

Резонанс воздушного столба можно наблюдать еще с помощью следующего опыта. Берут стеклянную трубку A и к ее нижнему концу прикрепляют резиновый шланг с воронкой В на конце (рис. 25.10). Затем наливают воду в воронку и поднимают ее до верхнего отверстия трубки А. Если теперь поднести к этому отверстию звучащий камертон К и перемещать воронку вниз, то при определенной длине l воздушного столба получится резкое усиление звука — резонанс. Резонанс исчезнет, если воронку опустить еще ниже.

Ультразвук и его применение в технике

Механические волны с частотой колебания, большей 20 000 Гц, не воспринимаются человеком как звук. Из называют ультразвуковыми волнами или ультразвуком. Ультразвук сильно поглощается газами и во много раз слабее — твердыми веществами и жидкостями. Поэтому ультразвуковые волны могут распространяться на значительные расстояния только в твердых телах и жидкостях.

Так как энергия, которую переносят волны, пропорциональна плотности среды и квадрату частоты, то ультразвук может переносить энергию, намного большую, чем звуковые волны. Еще одно важное свойство ультразвука заключается в том, что сравнительно просто осуществляется его направленное излучение. Все это позволяет широко использовать ультразвук в технике.

Описанные свойства ультразвука используются в эхолоте — приборе для определения глубины моря (рис. 25.11). Корабль снабжают источником и приемником ультразвука определенной частоты. Источник отправляет кратковременные ультразвуковые импульсы, а приемник улавливает отраженные импульсы. Зная время между отправлением и приемом импульсов и скорость распространения ультразвука в воде, с помощью формулы (25.3) определяют глубину моря. Аналогично действует ультразвуковой локатор, которым пользуются для определения расстояния до препятствия на пути корабля в горизонтальном направлении. При отсутствии таких препятствий ультразвуковые импульсы не возвращаются к кораблю.

Интересно, что некоторые животные, например летучие мыши, имеют органы, действующие по принципу ультразвукового локатора, что позволяет им хорошо ориентироваться в темноте. Совершенный ультразвуковой локатор имеют дельфины.

При прохождении ультразвука через жидкость частицы жидкости приобретают большие ускорения и сильно воздействуют на различные тела, помещенные в жидкость. Это используют для ускорения самых различных технологических процессов (например, приготовления растворов, отмывки деталей, дубления кож и т. д.).

При интенсивных ультразвуковых колебаниях в жидкости ее частицы приобретают такие большие ускорения, что в жидкости образуются на короткое время разрывы (пустоты), которые резко захлопываются, создавая множество маленьких ударов, т. е. происходит кавитация. В таких условиях жидкость оказывает сильное дробящее действие, что используется для приготовления суспензий, состоящих из распыленных частиц твердого тела в жидкости, и эмульсий — взвесей мелких капелек одной жидкости в другой.

Ультразвук применяется для обнаружения дефектов в металлических деталях. В современной технике применение ультразвука столь обширно, что трудно даже перечислить все области его использования.

Заметим, что механические волны с частотой колебаний меньше 16 Гц называют инфразвуковыми волнами или инфразвуком, Они также не вызывают звуковых ощущений. Инфразвуковые волны возникают на море во время ураганов и землетрясений. Скорость распространения инфразвука в воде гораздо больше, чем скорость перемещения урагана или гигантских волн цунами, образующихся при землетрясении. Это позволяет некоторым морским животным, обладающим способностью воспринимать инфразвуковые волны, получать таким путем сигналы о приближающейся опасности.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.