Понятие акустики в физике

Акустика — Физика

Понятие акустики в физике

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), исследующее упругие колебания и волны от самых низких (от 0 Гц) до высоких частот.

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 под акустикой также понимают 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 какой-либо системы, например «акустика помещения».

Термин «акустика» в 1701 году впервые использовал (фр. acoustique) Жозеф Савёр.

Основные направления современной акустики

  • Общая (физическая) акустика — теория излучения и распространения звука в различных средах, теория дифракции, интерференции и рассеяния звуковых волн. Линейные и нелинейные процессы распространения звука.
  • Геометрическая акустика — раздел акустики, предметом изучения которого являются законы распространения звука. В основе лежит представление о том, что звуковые лучи — это линии, касательные к которым совпадают с направлением распространения энергии акустических колебаний.
  • Архитектурная акустика — законы распространения звука в закрытых (полуоткрытых, открытых) помещениях, методы управления структурой поля и т. д.
  • Строительная акустика — защита от шума зданий, промышленных предприятий (расчёт конструкций и сооружений, выбор материалов и т. д.).
  • Психоакустика — основные законы слухового восприятия, определения связи объективных и субъективных параметров звука, определения законов расшифровки «звукового образа».
  • Музыкальная акустика — проблемы создания, распространения и восприятия звуков, используемых в музыке.
  • Биоакустика — теория восприятия и излучения звука биологическими объектами, изучение слуховой системы различных видов животных и др.
  • Электроакустика — раздел прикладной акустики, занимающийся теорией, методами расчёта и созданием электроакустических преобразователей
  • Аэроакустика (авиационная акустика) — излучение и распространение шумов в авиационных конструкциях.
  • Гидроакустика — распространение, поглощение, затухание звука в воде, теория гидроакустических преобразователей, теория антенн и гидроакустических эхолокаторов, распознавание движущихся объектов и др.
  • Акустика транспорта — анализ шумов, разработка методов и средств звукопоглощения и звукоизоляции в различных видах транспорта (самолётах, поездах, автомобилях и др.)
  • Медицинская акустика — разработка медицинской аппаратуры, основанной на обработке и передаче звуковых сигналов (слуховые аппараты, диагностические приборы)
  • Ультразвуковая акустика — теория ультразвука, создание ультразвуковой аппаратуры, в том числе ультразвуковых преобразователей для промышленного применения в гидроакустике, измерительной технике и др.
  • Квантовая акустика (акустоэлектроника) — теория гиперзвука, создание фильтров на поверхностных акустических волнах
  • Акустика речи — теория и синтез речи, выделение речи на фоне шумов, автоматическое распознавание речи и т. д.
  • Цифровая акустика — связана с созданием микропроцессорной (аудиопроцессорной) и компьютерной техники.

Интересными направлениями исследования в акустике на макроскопическом уровне являются

  • распространение звука в движущихся средах
  • рассеяние звука на неоднородностях среды и распространение звука в неупорядоченных средах
  • характер макроскопических течений в поле звуковой волны
  • поведение вещества в поле сильной ультразвуковой волны, кавитационные явления

На микроскопическом уровне упругое колебание среды описывается фононами — коллективными колебаниями атомов или ионов.

В металлах и полупроводниках такие колебания ионов приводят и к колебаниям электронной жидкости, то есть, на макроскопическом уровне, звук может порождать электрический ток.

Подраздел акустики, изучающий такие явления и возможности их использования, называется акустоэлектроникой.

Другое близкое по духу направление исследования — акустооптика, то есть изучение взаимодействия звуковых и световых волн в среде, в частности, дифракция света на ультразвуке.

Флаттером в акустике называют эффект порхающего эха в больших помещениях, размером 25 и более квадратных метра, когда имеются две параллельные гладкие стены, или потолок и пол, между которыми находится источник звука.

В результате многократного отражения в точке приема звук периодически усиливается, а на коротких импульсных звуках, в зависимости от частотных компонент эха и интервала между ними, приобретает характер дребезга, тресков или ряда последовательных и затухающих сигналов эха.
Реверберация — это процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях.[1] Иногда под реверберацией понимается эмуляция данного эффекта с помощью ревербераторов.

Источник: https://www.sites.google.com/site/sergkraskaa/zvuk/akustika

Акустика — физический энциклопедический словарь

Понятие акустики в физике

(от греч. akustikos — слуховой, слушающийся), область физики, исследующая упругие колебания и волны от самых низких частот (условно от 0 Гц) до предельно высоких частот (1011—1013 Гц), их вз-ствия с в-вом и разнообразные применения.

А.— одна из самых древних областей знания. Она возникла как учение о звуке, т. е. об упругих волнах, воспринимаемых человеческим ухом. Ещё Пифагор (6 в. до н. э.) обнаружил связь между высотой слышимого тона и длиной струны или трубы. Аристотель (4 в. до н. э.

) понимал, что звучащее тело вызывает сжатия и разрежения воздуха, и объяснил эхо отражением звука от препятствий. Леонардо да Винчи (15—16 вв.) исследовал отражение звука, сформулировал принцип независимости распространения звук. волн от разных источников. В кон. 17 — нач. 18 вв. Г.

Галилей обнаружил, что звучащее тело испытывает колебания и что высота звука зависит от частоты, а интенсивность — от их амплитуды; скорость звука в воздухе впервые измерил франц. учёный М. Мерсенн.

С кон. 17 до нач. 20 вв. А. развивается как раздел механики. На базе основ механики Ньютона, осн. закона теории упругости Гука и принципа волн. движения Гюйгенса (см. ВОЛНЫ) создаётся общая теория механич.

колебаний, излучения и распространения звуковых (упругих) волн в среде, разрабатываются методы измерения хар-к звука (звук. давления в среде, импульса, энергии и потока энергии звук. волн, скорости распространения звука). Диапазон звук.

волн расширяется и охватывает как область инфразвука (до 16 Гц), так и ультразвука (св. 20 кГц). Выясняется физ. сущность тембра звука (его «окраски»). Разрабатывается теория колебаний струн, стержней и пластинок, объясняется происхождение обертонов. Англ. учёный Т. Юнг и франц. учёный О.

Френель создают теорию интерференции и дифракции волн, австр. учёный X. Доплер устанавливает закон изменения частоты волны при движении источника звука относительно наблюдателя (Доплера эффект). Создание методов разложения сложного колебат.

процесса на простые составляющие (метод Фурье) заложило основы анализа звука и синтеза сложного звука из гармонич. составляющих. Весь этот этап развития А, подытожен англ. учёным Рэлеем (Дж. Стретт) в его классич. труде «Теория звука» (1877—78).

С 20-х гг. 20 в. начался новый этап развития А., связанный прежде всего с развитием радиотехники, в частности радиовещания. Возникла необходимость преобразования звук. сигналов в электромагнитные и обратно, их усиления и неискажённого воспроизведения. Появляются новые области применения А., связанные с запросами техники; звук.

локация самолётов в воздухе, гидролокация и акустич. навигация, определение места, времени и хар-ра взрывов, глушение шумов в авиации, в пром-сти, на транспорте. Все эти проблемы требовали более глубокого изучения механизма образования и поглощения звука, распространения звуковых (в частности, УЗ) волн в сложных условиях.

Особый интерес вызвал вопрос о распространении звук. волн большой интенсивности (напр., взрывных волн), что послужило толчком для развития т. н. нелинейной акустики, значит. вклад в развитие к-рой внесли работы А. А. Эйхенвальда и Н. Н. Андреева. Англ. учёный М. Лайтхилл (1952) дал общую теорию аэродинамич.

генерации звука, возникающего в движущейся среде за счёт неустойчивости потока газа. Изучение влияния структуры среды на распространение звука создало возможность применения звук. волн для зондирования возд. и вод. среды, что привело к развитию гидроакустики и атмосферной акустики.

Проблемы городского строительства привели к развитию архитектурной и строит. акустики.

Примерно с сер. 20 в. чрезвычайно большое значение приобрели исследования УЗ. Ещё в 20-х гг. было положено начало применению УЗ для дефектоскопии материалов и изделий. После обнаружения сильного поглощения и дисперсии звука в многоат. газах, а затем и в жидкостях возникло новое направление в А.

— исследование структуры в-ва УЗ методами (молекулярная А.). Значит. роль в его становлении сыграла релаксац. теория Л. И. Мандельштама и М. А. Леонтовича (1937), а также теория рассеяния света на УЗ волнах в жидкостях и тв. телах (см. МАНДЕЛЬШТАМА — БРИЛЛЮЭНА РАССЕЯНИЕ).

Мощный УЗ оказался не только средством исследования, но и орудием воздействия на в-во, что послужило основой развития УЗ технологии. В 60—70-х гг. важное значение приобрели исследования гиперзвука (частоты выше 1 ГГц), а также исследования вз-ствия ультразвук. и гиперзвук. волн с эл-нами проводимости в металлах и ПП и др. вз-ствий акустич.

волн с элем. возбуждениями (квазичастицами) в тв. теле. На базе этих исследований возникли акустоэлектроника и акустооптика.

В сер. 20 в. начинается быстрое развитие психофизиол. А., вызванное необходимостью разработки методов неискажённой передачи и воспроизведения множества звук. сигналов — речи и музыки по огранич. числу каналов связи. Исследуется слуховое восприятие звука человеком и животными, создаются теории слуха, развивается применение акустич. методов в биологии и медицине.

Совр. А. охватывает широкий круг вопросов и смыкается с рядом областей человеческого знания. В ней можно выделить ряд разделов. Общие закономерности излучения, распространения и приёма упругих колебаний и волн изучает теория звука, где широко используются общие методы колебаний и волн теории. Спец. вопросами теории звука занимаются статистич. А.

, акустика движущихся сред, кристаллоакустика, нелинейная акустика. Физическая а к у с т и к а изучает особенности распространения акустич. волн в жидких, твёрдых и газообразных в-вах, вз-ствие их с в-вом, и в частности с электронами, фононами и др. квазичастицами. Подразделами физ. А. можно считать молекулярную акустику, квант. акустику, тесно связанные с мол. физикой и физикой твёрдого тела.

Распространение акустич. волн в естеств. средах — атмосфере, вод. среде, земной коре — изучается в атмосферной акустике, геоакустике и гидроакустике; к последней примыкает важная прикладная область — гидролокация. На базе электроакустики, занимающейся вопросами электроакустич.

преобразования, возникла прикладная область — звукотехника, связанная с разработкой аппаратуры для передачи, записи, воспроизведения речи и музыки. С электроакустикой тесно связана и область акустич. измерений. К прикладным областям А. можно отнести архитектурную акустику и строительную акустику, а также весьма большой раздел, связанный с изучением шумов и вибраций и борьбой с ними.

Огромное прикладное значение имеют УЗ и гиперзвук, используемые в УЗ технике, акустоэлектронике и акустооптике. Особый раздел А.—биологическая А., занимается изучением звукоизлучающих и звукопринимающих органов человека и животных, проблемами речеобразования, передачи и восприятия речи, воздействия акустич. волн на биол. объекты.

К её подразделам относятся психологическая и физиологическая акустика. Результаты биол. А. используются в электроакустике, архитектурной А., системах передачи речи, теории информации и связи, в музыке, медицине, биофизике и т. п.

Источник: Физический энциклопедический словарь на Gufo.me

Источник: https://gufo.me/dict/physics/%D0%90%D0%9A%D0%A3%D0%A1%D0%A2%D0%98%D0%9A%D0%90

Краткая теория акустики

Понятие акустики в физике

Акустика – наука, изучающая физическую природу звуковых волн и вопросы, связанные с возникновение распространением и восприятием звуковых волн.

Акустика как наука, с одной стороны является одним из направлений физики (точнее – механики), которое занимается вопросами создания и распространения механических колебаний, с другой стороны тесно связана с психологией человека (восприятие звука человеком).

Звуковая волна в газах является продольной (колебания происходят в направлении, параллельном распространении волны).

Звуковая волна представляет собой области сгущения и разрежения молекул воздуха.

Распределение плотности воздуха в звуковой волне

Разность между мгновенным значением давления в данной точке среды и атмосферным давлением называют звуковым давлением: Pзв = Pмгн — Pатм .
Звуковое давление – величина знакопеременная.

Звуковое давление измеряется в паскалях (Па): 1 Па = 1 Н/кв.м. Слуховая система человека способна определить огромный диапазон разностей между мгновенным значением звукового давления и атмосферным.

Источник звукаРасстояние до источника, мЗвуковое давление, ПаУровень звукового давления, дБ
Шум самолета520120
Большой оркестр102-4100-106
Орган3,62100
Камерный ансамбль40,8 — 192-94
Труба0,90,892
Флейта10,0670
Речь10,02-0,0560-68
Шепот10,000220
Писк комара0,50,00020

Слуховая система человека может оценивать звуковое давление в пределах от 0,00 002 Па до 20 Па. Разница между самым тихим (0,00 002 Па) и самым громким (20 Па) составляет 1 000 000.

Использовать при измерениях такую большую шкалу неудобно, поэтому используется логарифмическая шкала, которая обеспечивает “сжатие” масштаба изменения давления.

Для этого используется понятие “уровень звукового давления” (правая колонка таблицы): L = 20 lg P/Po, где Po=0,00 002 Па. Уровень звукового давления измеряется в дБ.

Если звуковое давление P = 2 Па, тоL = 20 lg P/Po = 20 lg (2/0,00 002) = 20 lg 100 000 = 20 x 5 =100 дБЕсли уровень звукового давления L = 80 дБ, то80 = 20 lg (P/0,00 002); lg (P/0,00 002) = 4; P/0,00 002 = 10 000; P = 0,2 ПаЕсли уровень звукового давления L = 80 дБ, то80 = 20 lg (P/0,00 002); lg (P/0,00 002) = 4; P/0,00 002 = 10 000; P = 0,2 ПаУвеличение звукового давления в 2 раза соответствует изменению уровню звукового давления на 6 дБЗвуковому давлению 2 Па, соответствует уровень звукового давления 100 дБЗвуковому давлению 1 Па, соответствует уровень звукового давления 94 дБЗвуковому давлению 4 Па, соответствует уровень звукового давления 106 дБУровни звукового давления нескольких различных источников никогда не складываются. Для определения суммарного звукового давления необходимо рассчитать давления, соответствующие каждому уровню: P1 и P2. Определить суммарное звуковое давление равное корню квадратному из суммы квадратов, и далее рассчитать уровень звукового давления.

Когда звуковая волна достигает границы раздела среды, в которой она распространяется (в помещении границами являются потолок, пол, стены), происходят следующие процессы;

  • часть звуковой энергии поглощается
  • часть звуковой энергии отражается, угол падения равен углу отражения
  • часть звуковой энергии проходит через границу раздела

Поведение звуковой волны при встрече с физической преградой

Для описания процессов вводят коэффициенты:
коэффициент поглощения альфа = Iотраж/Iпад
коэффициент отражения бетта = Iпогл/Iпад
коэффициент прохождения гамма = Iпрош/Iпад

Коэффициенты бетта и гамма — величины безразмерные, для коэффициента поглощения альфа используют размерность “сэбин”. (Коэффициент поглащения в 1 сэбин равен поглощению звука открытым окном площадью 1 кв.м.

В помещении всегда присутствуют прямые и отраженные звуковые волны. Прямой звук – звук, который распространяется от источника до приемника. Отраженный звук – звук, который идет по траектории источник-отражающая поверхность-приемник.

На рисунке видно, что прямой и отраженный звуки преодолевают различные расстояния, прежде чем достигнут приемника. Кроме того, отраженный звук может претерпевать несколько отражений от различных поверхностей, прежде чем достигнет приёмника.

Различают:

  • прямой звук (источник -> приемник),
  • первое отражение (источник -> отражающая поверхность-приемник),
  • второе отражение (источник -> отражающая поверхность №1 -> отражающая поверхность №2 -> приемник).

Скорость распространения звуковых волн в воздушной среде при нормальных условия составляет ~ 340 м/сек.

Типичные схемы распространения звука в закрытом помещении

Звуковые волны расходятся от источника, отражаются от различных поверхностей, затем снова попадают на эти поверхности и снова отражаются, взаимодействуя с предыдущими отражениями.

Прежде чем достигнуть приемника (попасть в ухо) энергия звуковых волн в течение некоторого времени, от полусекунды для небольших комнат до нескольких секунд в больших аудиториях, будет циркулировать по помещению, отражаясь от всевозможных поверхностей.

Отражения смешиваются, возникают конструктивные и деструктивные эффекты интерференции, различные для каждой точки помещения. Число отражений звуковых волн в любых практически важных случаях по существу бесконечно.

Акустика помещений определяется всего тремя факторами:

  • временными параметрами отражений,
  • относительной силой отражений
  • распределением силы отражений по частотному спектру.

Источник: http://www.proavtoday.ru/theory/basic/acoustic_theory/

Физические основы акустики

Понятие акустики в физике

Область физики, изучающая колебательные движения в упругих (твердой,жидкой и газообразной) средах, называется акустикой. Акустика первоначально возникла как наука, исследующая звуковые, т.е.

слышимые ухом, колебания.

Но, в настоящее время предметом изучения акустики являются и другие механические колебания, которые недоступны слуху человека из-за очень низкой (инфразвук) или высокой (ультразвук) и сверхвысокой (гиперзвук) частоты.

Ультразвуковая волна — это звуковые колебания, превосходящие по частоте определенный порог. Диапазон слышимости звука у человека составляет 20-20 000 Гц. Диапазон черно-белого изображения ультразвука (режим серой шкалы) 2-15 МГц; доплеровские частоты несколько ниже.

В диагностической аппаратуре используется лишь относительно небольшой участок ультразвукового диапазона.

Это связано с тем, что колебания высокой частоты не могут глубоко проникать в ткани, а низкие частоты не обес­печивают достаточного качества изображения из-за невысокого разрешения.

Самые высокие рабочие частоты имеют датчики офтальмологических аппаратов, низкие — ультразвуковых остеометров и синускопов.

Звуковыми, а также ультра-, гипер- или инфразвуковыми — в зависимости от частоты называются колебания, распространяющиеся в виде продольной волны. Продольная волна представляет собой периодические (повторяющиеся) перемещения частиц среды вперед-назад от положения равновесия.

При этом, одни частицы среды толкают другие, находящиеся перед ними и возвращаются на место.

Такая волна называется продольной, поскольку перемещение частиц среды происходит по направлению воздействия возмущающего фактора, в отличие от поперечной волны, когда направление колебаний частиц перпендикулярно действующей силе.

Колебательные движения описываются значением ряда параметров: амплитуды, периода, частоты колебаний, длины волны и др.

В тканях тела распространяются только продольные волны, которые представляют собой возвратно-поступательные перемещения частиц среды.

Так как продольная волна представляет собой чередующиеся зоны разрежения и сжатия вещества среды, частота колебаний является числом сжатий и разрежений в единицу времени. Измеряется эта величина в герцах (1Гц = одному сжатию разрежению за одну секунду).

Период колебаний — это время, за которое происходит одно сжатие и одно разрежение, т.е. величина, обратная частоте колебаний.

Т=1/f,

где Т — период колебаний, с;

f —частота колебаний, Гц.

Длина волны характеризуется расстоянием между соседними участками с одинаковой степенью разрежения или сжатия. Это расстояние проходит волна за период одного колебания.

Длина волны, частота, период и скорость распространения колебаний связаны между собой простой зависимостью:

X = v/f = vT,

где X —длина волны, м;

v — скорость распространения волны, м/с;

f — частота колебаний, Гц;

Т- период колебаний, сек, т.е.

f X = v.

При постоянной скорости звука эти величины обратно пропорциональны. При увеличении частоты длина волны уменьшается, и наоборот.

Скорость распространения волны определяется как расстояние, пройденное волной в среде за 1 секунду.

Этот параметр зависит прежде всего от свойств среды (плотности, однородности) и лишь в небольших пределах от изменения температуры.

Температура тела человека является практически постоянной величиной, ее колебания в несколько десятых долей градуса существенно не влияют на скорость ультразвука.

X—длина волны (м); f—частота колебаний (Мгц).

3. Физические аспекты ультразвука, нашедшие применение в медицине.

Скорость, с которой ультразвук распространяется в среде, зависит от свойств этой среды, в частности, от ее плотности. Скорость распространения ультразвука в тканях человека при температуре 37°С равна 1540 м/с. Для скорости ультразвука 1540 м/сек, длина волны составляет 0,44 мм на частоте 3,5 Мгц, около 0,3 мм на частоте 5 Мгц.

Если плотность, структура и температура одинаковы по всей среде, то такая среда называется гомогенной. В гомогенной среде волны распространяются линейно. Различные среды обладают различными свойствами, из которых для нас особенно важен акустический импеданс.

Акустический импеданс равен произведению плотности среды на скорость распространения в ней звука и характеризует степень сопротивления среды распространению звуковой волны.

Скорость распространения ультразвуковой волны в тканях практически постоянна, поэтому в эхокардиографии акустический импеданс — лишь функция плотности той или иной ткани. Разные ткани: миокард, перикард, кровь, створки клапанов и т. д. — имеют разную плотность.

Даже при незначительном различии плотностей между средами возникает эффект «раздела фаз». Ультразвуковая волна, достигшая границы двух сред, может отразиться от границы или пройти через нее.

При этом:

— угол падения равен углу отражения;

— из-за различий акустических импедансов сред угол преломления не равен углу падения.

Соотношение между углом падения (отражения) и углом преломления описывается формулой:

n1/n2 = sin q2/sin q1,

где n — акустический импеданс,

t — угол между направлением распространения звуковой волны и перпендикуляром к границе фаз.

Чем меньше угол падения (т. е. чем ближе направление распространение звуковой волны к перпендикуляру), тем больше доля отраженных звуковых волн.

Доля отраженного ультразвука определяется тремя факторами:

— разностью акустического импеданса сред — чем больше эта разность, тем больше отражение;

— углом падения — чем ближе он к 90°, тем больше отражение;

— соотношением размеров объекта и длины волны — размеры объекта должны быть не менее 1/4 длины волны. Для измерения меньших объектов требуется ультразвук с большей частотой (т. е. с меньшей длиной волны).

Пространственная разрешающая способность метода определяет расстояние между двумя объектами, при котором их еще можно различить. Например, частота 2,0 МГц дает разрешающую способность в 1 мм.

Однако, чем выше частота, тем меньше проникающая способность ультразвука (глубина проникновения): тем легче происходит его затухание. Таким образом, важно найти оптимальную частоту, которая дает максимальную разрешающую способность при достаточной проникающей способности. В табл.

приведены значения «половинного затухания» для разных сред, т. е. расстояния, на которых ультразвуковые волны с частотой 2,0 МГц теряют половину своей энергии.

Таблица 1.Значения половинного затухания ультразвуковых волн с частотой 2,0 МГц в различных средах
Среда Расстояние, см
Вода 380
Кровь 15
Мягкие ткани (кроме мышц) 1—5
Мышечные ткани 0,6—1
Кости 0,7—0,2
Воздух 0,08
Легкие 0,05

Структуры, в которых происходит полное затухание ультразвуковых волн, иными словами, через которые ультразвук не может проникнуть, дают позади себя акустическую тень (shadowing).

Амплитуда колебаний представляет собой расстояние, на которое колеблющиеся частицы среды отклоняются от положения покоя.

Величина амплитуды зависит от упругих свойств среды и от мощности ультразвуковой волны.

Мощность ультразвуковой волны — это энергия, которая передается через окружающую излучатель поверхность в единицу времени. Данный показатель измеряется в обычных единицах мощности — ваттах (Вт).

Однако, более важной для живых тканей характеристикой является интенсивность ультразвукового излучения, которая определяется как мощность, приходящаяся на единицу площади (Вт/м2 или Вт/см2). Для полной уверенности в отсутствии побочных воздействий ультразвука на организм этот показатель не должен превышать 0,05 Вт/см2.

Распространение продольной волны в тканях не сопровождается переносом массы вещества в пространстве, но приводит к переносу энергии. Количество переносимой энергии по мере распространения волны уменьшается, так как происходит ее отражение и поглощение с переходом механической энергии в тепловую.

Этот эффект, совершенно незначительный при малых уровнях интенсивности диагностического ультразвука, является основным действующим фактором в физиотерапевтических ультразвуковых устройствах. Глубина проникновения волны определяется не только мощностью, но и частотой ультразвуковых колебаний, а также свойствами упругости среды, в которую они излучаются.

С одной стороны, чем меньше длина волны, (т.е. выше частота), тем более направленным, сфокусированным, будет излучение; с другой — чем выше частота колебаний, тем меньшей будет глубина проникновения ультразвуковой волны в ткани тела. Большие частоты поглощаются быстрее, чем меньшие. Низкие частоты лучше проникают в ткани. Большое значение имеет контакт кожи, геля и датчика.

Если изучаемый объект расположен слишком поверхностно, для данного типа датчика можно использовать специальную прокладку.

Используемые в диагностических целях частоты ультразвука (примерно в диапазоне от 2-х до 15-ти МГц) позволяют получить узкие пучки ультразвукового излучения, проходящие с небольшим расхождением через ткани организма человека. Уменьшают расхождение ультразвукового луча специальные «фокусировочные линзы».

При этом, частоты 2-3,5 МГц обеспечивают визуализацию на глубине более 15-20 см, а датчик с рабочей частотой 7,5 МГц — только поверхностно расположенных структур организма (не более 4-5 см). При больших частотах длина волны меньше. Более короткие волны позволяют различать отражающие объекты, расположенные на более близком расстоянии.

Следовательно, при использовании более высоких частот разрешение выше, но меньше проникающая способность.

Ткани могут поглощать (преобразовывать в тепло), преломлять (сгибать подобно световым волнам), рассеивать и отражать звуковые волны. Отражение может быть диффузным (как на проекционном экране) или зеркальным (как в зеркале).

Отражение ультразвуковой волны составляет основной принцип действия современной диагностической ультразвуковой аппаратуры, работающей в режиме эхолокации.

Часть направленной вглубь тканей энергии ультразвуковой волны отражается на границе неоднородностей внутренней структуры органов и тканей организма и вызывает микродеформацию пьезоэлемента датчика и появление в нем (по принципу прямого пьезоэффекта) электрического импульса, несущего информацию о внутреннем строении исследуемой области.

При близких значениях акустических сопротивлений большая часть ультразвуковой энергии проходит через границу двух сред. Однако современная аппаратура способна воспроизводить на экране отражение менее 1% ее мощности.

Отражение будет прямо пропорционально разности акустического сопротивления на границе раздела двух неоднородных сред (тканей). Акустическое сопротивление зависит от плотности ткани и скорости распространения в ней ультразвука.

Оно выражается формулой:

z = рс

Z — акустическое сопротивление кг/м2/с,

Р — плотность среды кг/м3,

с — скорость распространения ультразвука, м/с.

Коэффициент отражения легко определить, если известны акустические сопротивления первой и второй сред:

Ra = Z2-Z1/Z2 Z1

Ra — коэффициент отражения по амплитуде,

Z1 и Z2 — акустические сопротивления сред.

Понятно, что чем больше разница между акустическими сопротивлениями двух сред, тем большая часть энергии волны отразится на их границе.

Именно поэтому при проведении исследования так важно создать акустическую прослойку между датчиком и кожей, нанеся специальную контактную смазку, хорошо проводящую ультразвуковые колебания и тем самым свести к минимуму их отражение.

Малейшая воздушная прослойка приводит к почти полному отражению ультразвуковой волны и невозможности получения какой-либо диагностической информации.

Поглощение характеризует количество энергии ультразвуковой волны, которое теряется в пересчете на определенный объем ткани, через которую проходит волна. Этот пропорциональный процесс: определенная доля энергии теряется при прохождении звука на данную глубину. Скорость потери также обратно пропорциональна частоте: чем больше частота, тем быстрее происходит потеря.

Децибелы определяют энергию звука в логарифмической шкале, поэтому утрата примерно 3 дБ обозначает, что звуковая энергия стала слабее в 2 раза. Скорость поглощения зависит от типа ткани и в среднем составляет примерно 0,5—1 дБ/см/МГц. Следовательно, для волны с частотой 5 МГц теряется 2,5—5 дБ/см звуковой энергии, т.е. половина энергии волны на каждый сантиметр.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Cardiac Ultrasound. Edited by P. Wilde. London, 1993.

2. Клиническое руководство по ультразвуковой диагностике. Под редакцией Митькова В.В., Садриковой В.А., М., Т.5.,1999.

3. Фейгенбаум Х. Эхокардиография. М., 1999.

4. Инструментальные методы исследования в кардиологии: Руководство / Под ред. Г.И. Сидоренко. — Мн., 1994. — 270 с.

5. Моисеев В.С., Сумароков А.В. Болезни сердца: Руководство для врачей. — М.: Универсум Паблишинг, 2001. — 463 с.

6. Шиллер Н, Осипов М.А. Клиническая эхокардиография, второе издание. – М., Практика, 2005. – 344 с.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/19_88859_ultrazvukovoy-metod-issledovaniya.html

Booksm
Добавить комментарий