Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лабораторная работа - Оценка интенсивности УЗ излучения - файл 1.doc


Лабораторная работа - Оценка интенсивности УЗ излучения
скачать (288 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc288kb.17.11.2011 04:35скачать

содержание

1.doc

Оценка интенсивности ультразвукового

излучения


Цель работы:

1. Освоить методику оценки интенсивности ультразвукового (УЗ) излучения;

2. Провести калибровку чувствительности приемника УЗ излучения по уровню интенсивности.


Приборы и оборудование:

  1. Эхо-импульсный дефектоскоп ДУК-66;

  2. Пьезоэлектрические преобразователи (излучатель и приемник);

  3. Имитатор акустических колебаний;

  4. Штангенциркуль или линейка;

  5. Осциллограф.


Краткая теория

УЗ методы нашли широкое использование для целей медицинской диагностики, терапии, хирургии и косметологии. Стремление разработчиков УЗ аппаратуры к увеличению интенсивности УЗ излучения с одной стороны обеспечивает улучшение визуализации изображения, с другой стороны может привести к нежелательным последствиям, обусловленным тепловым и механическим действиями УЗ колебаний (высокие значения акустического и радиационного давлений, виброускорений, эффекты кавитации и течения). В связи с этим интенсивность излучения является основной характеристикой УЗ медицинского оборудования и требует поверки ее уровня для обеспечения безопасности диагностики и лечения.

Интенсивность - это средняя энергия переносимая звуковой волной через единичную площадь в единицу времени и может быть определена через виброскорость , смещение , частоту излучения , акустическое давление и зависит от акустических свойств среды:

,

(1)

где - плотность среды [кг/м3],

- скорость ультразвука в среде[м/с],

- частота [Гц].

В диагностических приборах используется импульсное излучение, распространяющееся в различных направлениях в процессе сканирования, поэтому оценка интенсивности УЗ луча задача достаточно сложная и неоднозначная. Обычно используют следующие характеристики импульсного акустического излучения (рис. 1):

- максимальная (пиковая) интенсивность импульса (SPTP – spatial peak, temporal peak);

- максимальная в пространстве интенсивность импульса (SPPA – spatial peak, pulse average);

- максимальная в пространстве, средняя во времени интенсивность (SPTA – spatial peak, temporal average);

- средняя интенсивность (SATA – spatial average, temporal average);

- выходная интенсивность излучения (ob – output beam);

- пиковое отрицательное давление .




Рис. 1. Характеристики излучения во времени.


Максимальная (пиковая) интенсивность импульса определяется мощностью соответствующей максимальной полуволне импульса (рис. 1).

^ Максимальная в пространстве интенсивность импульса определяется мощностью всего импульса и берется в пределах длительности импульса (рис. 1).

.

(2)

^ Максимальная в пространстве, средняя во времени интенсивность определяется в результате усреднения за время, равное периоду повторения импульсов , т.е. - это интенсивность как бы “размазанная” во времени:

.

(3)

Импульс, излучаемый диагностическим преобразователем, обычно имеет длительность 3-4 периода, т.е. .

Эта характеристика аналогична максимальному значению средней интенсивности непрерывного излучения и в наибольшей степени определяет тепловые эффекты воздействия УЗ излучения.




Рис. 2. Распределение излучения в пространстве.


Средняя интенсивность характеризует интенсивность, усредненную и в пространстве и во времени и определяется как:

,

(4)

где - средняя площадь которую занимает импульс в плоскости сканирования ограниченная шириной УЗ луча, - вся площадь сканирования (рис. 2).

Очевидно, что самая маленькая из всех интенсивностей.

Выходная интенсивность излучения - средняя во времени выходная акустическая мощность, деленная на площадь сечения УЗ луча :

,

(5)

где - площадь апертуры.

^ Пиковое отрицательное давление (пик разрежения) - максимальное по величине значение отрицательной полуволне акустического давления в УЗ импульсе (рис. 1).

,

(6)

где - акустическое давление УЗ импульса определяемое как:

.

(7)

^ Ланжевеново давление - среднее во времени избыточное давление, на препятствие, помещенное в звуковое поле. Для слоя жидкости Ланжевеново давление определяется как:

.

(8)

В настоящее время в диагностике по требованиям Международной электротехнической комиссии IEC 61157 уровень <100мВт/см2, <1МПа, <20мВт/см2, а по требованиям FDA (Food and Drug Administration) – <720мВт/см2; в терапии - <1,2Вт/см2.

Для поверки интенсивности, излучаемой УЗ датчиком, используют следующие методы (таблица 1): термоакустический, оптоакустический, метод измерения радиационного давления и метод взаимности с использованием гидрофонов, каждый из которых требует калибровки приемника УЗ колебаний по уровню интенсивности. Кроме того, большинство методов требуют использования иммерсионных ванн с необходимостью поддержания постоянных свойств иммерсионной жидкости, и как следствие влияние интерференции волн на результаты оценки.

Таблица 1

Методы поверки интенсивности УЗ излучения

Метод

Определение

Недостатки

1. Калориметрия

измерение теплоты, выделяемой при распространении ультразвуковой волны в среде

длительное проведение измерений, непрерывный режим излучения, влияние параметров окружающей среды, использование резервуара с водой

2. Интерферометрия

измерение изменения оптического коэффициента преломления, вызванного изменением акустического давления

сложность реализации, дорогой, использование резервуара с водой

3. Метод измерения радиационного давления


измерение постоянной силы, которая действует на тело, помещенное в акустическое поле

непрерывный режим излучения, требование высокой чувствительности приемников, влияние параметров окружающей среды, использование резервуара с водой


описание методики калибровки приемника ультразвуковых колебаний

Методика калибровки основана на использовании имитатора УЗ колебаний с фиксированной виброскоростью , возбуждающего колебания под воздействием силы Ампера в магнитном поле :

.

(9)

Схема калибровки представлена на рис. 3 и заключается в определении электрического напряжения , регистрируемого с приемника УЗ колебаний, возникающего при подаче импульса тока на имитатор виброскорости и последующей оценки чувствительности по формуле:

,

(10)





Рис. 3 Блок-схема установки для калибровки приемника ультразвуковых колебаний.

1 – дефектоскоп ДУК-66;

2 – осциллограф;

3 – имитатор ультразвуковых колебаний;

4 – приемник ультразвуковых колебаний.


Так как виброскорость пропорциональна силе Ампера (формула (9)), найдем ее значение:

,

(11)

где - число витков катушки, - индукция магнитного моля, - длина катушки в области магнитного поля.

Согласно второму закону Ньютона значение ускорения, с которым колеблется катушка в воздухе, равно:

,

(12)

где - масса катушки, - плотность проводника, - диаметр проводника.

Тогда значение виброскорости можно найти как:

.

(13)

Все ускорение не может передаться с катушки в оргстекло, оказывающее своего рода демпфирование колебаний. В связи с этим введем поправку на степень демпфирования со стороны оргстекла. Эта поправка показывает, на сколько ускорение свободной катушки отличается от ускорения катушки нагруженной на оргстекло.

,

(14)

где - плотность оргстекла, - скорость звука в оргстекле

С учетом данной поправки можно найти истинную виброскорость:

.

(15)


Выполнение работы

1. Произвести калибровку приемника ультразвуковых колебаний.

1.1 Собрать установку согласно рис. 3.

1.2 Включить установку. Установить уровень мощности излучения на дефектоскопе ДУК-66 в соответствии со своим вариантом. Установить приемник ультразвуковых колебаний на имитатор и обеспечить его плотное прилегание. На экране осциллографа появится зондирующий импульс и импульс, принятый преобразователем. Определить амплитуду принятого преобразователем импульса . По формулам (11), (12), (13), (14), (15) определить значение виброскорости акустических колебаний излучаемых имитатором, при условии, что число витков катушки , индукция магнитного поля , длина катушки в области магнитного поля , плотность проводника , диаметр проводника . Значение силы тока приведено в таблице 2.

1.3 Рассчитать чувствительность преобразователя по формуле (10).

Таблица 2

Значения силы тока при заданной мощности излучения


Вариант

Мощность

Сила тока

, A

1

4

1,5

2

5

1,8

3

6

2


^ 2. Заменить имитатор ультразвуковых колебаний (рис. 3) излучателем УЗ колебаний.

3. Измерить апертуру излучателя ультразвуковых колебаний. Ширина луча равна диаметру излучающей поверхности преобразователя. Максимальная глубина озвучивания 10 см.

4. Не меняя уровень мощности излучения на дефектоскопе ДУК-66 установить частоту следования импульсов на минимальное значение. Установить приемник ультразвуковых колебаний на излучатель через слой контактной жидкости. Определить амплитуду принятого преобразователем импульса и найти виброскорость, соответствующую данной мощности излучения:

.

(16)

5. Рассчитать значение пиковой интенсивности :

.

(17)

6. Измерить длительность импульса и определить значения остальных характеристик излучения по формулам (2), (3), (4), (5), (6), (8).

7. Повторить пункты 4, 5, 6 для остальных значений частоты следования импульсов .

8. Полученные результаты свести в таблицу.

Мощность

,

(В·с)/м

,

В

,

м/с

,

Вт/см2

,

Вт/см2

,

Гц

,

Вт/см2

,

Вт/см2

,

Вт/см2

,

Па

,

Па









































































9. Сделать выводы.


Контрольные вопросы

1. Дать понятие интенсивности УЗ излучения.

2. Сущность методики оценки интенсивности УЗ излучения, измеряемые параметры.

3. Сущность методики калибровки приемника УЗ колебаний по уровню интенсивности, измеряемые параметры.

4. Для каких целей проводят оценку интенсивности УЗ излучения, каковы ее предельные уровни.

5. Что понимается под чувствительностью приемника УЗ колебаний.

6. Достоинства и недостатки используемого метода оценки интенсивности УЗ излучения.


Список литературы

1. Осипов Л.В. Ультразвуковые диагностические приборы: Практическое руководство для пользователей. – М.: Видар, 1999. – 256 с.

2. Применение ультразвука в медицине: Физические основы: Пер. с англ./ Под. ред. К. Хилла. – М.: Мир, 1989. – 568 с.


Скачать файл (288 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации