さまざまな媒体における超音波の伝播速度。 人間の組織や器官の超音波イメージングの物理原理
超音波は、振動周波数が 20 kHz を超える縦方向の機械波に与えられた名前です。 音波と同様に、超音波は媒体の凝縮と希薄化の繰り返しです。 各媒体では、音と超音波の伝播速度は同じです。 これを考慮すると、空気中の超音波の長さは 17 mM 未満です (V = λ * ν; Vair = 330 m/s)。
超音波源は特殊な電気機械エミッターです。 エミッタの 1 つのタイプは、交番磁場中で物体 (ニッケル棒など) の寸法が変化する磁歪現象に基づいて動作します。 このようなエミッタにより、20 ～ 80 KHz の周波数の発振を得ることができます。 指定された周波数の交流電源からニッケル棒に電圧を印加すると、交流の周波数に応じて棒の長さ寸法が変化し、試料側面から超音波が放射されます（図4）。 ）。
2 番目のタイプのエミッタは、一部の物体 (強誘電体材料) の寸法が交流電場で変化するときの圧電効果に基づいて動作します。 このタイプのエミッタでは、最大 500 MHz のより高い周波数の発振が得られます。 強誘電体（石英、トルマリン）でできたロッドの側面にも交流電源から電圧が印加され、交流の周波数に応じてロッドの長さ寸法が変化し、側面から超音波が放射されます。サンプルの面 (図 5)。 前者と後者の両方の場合、ロッドの側面の振動によって超音波が放射されますが、後者の場合、これらの側面はサンプルに電流を供給するために金属化されています。
超音波受信機は、磁歪と圧電効果の逆現象の原理に基づいて動作します。超音波は物体の直線寸法の変動を引き起こし、物体が超音波の場にあるとき、サイズの変動には次のような現象が伴います。材料内の交流磁場または交流電場のいずれか。 対応するセンサーで発生するこれらのフィールドは、オシロスコープなど、ある種のインジケーターによって記録されます。 超音波が強いほど振幅は大きくなります 機械的振動サンプルとセンサーの距離が長くなり、結果として生じる交流磁界または電界の振幅が大きくなります。
超音波の特徴。
上で述べたように、各媒体では、音と超音波の伝播速度は同じです。 超音波の最も重要な特徴は、超音波ビームが細いことで、あらゆる物体に影響を与えることができます。 ローカルで。 不均質性が小さい不均質媒体では、介在物の大きさがほぼ同じで波長（L ≈ λ）よりも大きい場合、回折現象が発生します。 介在物のサイズが波長よりもはるかに大きい場合 (L >> λ)、超音波の伝播は真っ直ぐに発生します。 この場合、そのような介在物から超音波影を取得することが可能であり、これを使用して さまざまな種類診断 - 技術的および医学的両方。 超音波を使用する際の理論上の重要な点は、ある媒体から別の媒体への超音波の通過です。 波の周波数などの性質は変化しません。 逆に、速度や波長は変化する可能性があります。 したがって、水中での音波の速度は 1400 m/s ですが、空気中では 330 m/s になります。 別の媒体への超音波の透過は、透過係数 (β) によって特徴付けられます。 これは、第 2 媒質に入る波の強度と入射波の強度の比として定義されます。 β = I 2 / I 1– 図 6. この係数は、2 つの媒体の音響インピーダンスの比によって異なります。 音響インピーダンスは、媒体の密度と特定の媒体内の波の伝播速度の積です。 Z 1 = ρ 1 * V 1、Z 2 = ρ 2 * V 2。 2 つの媒体の音響インピーダンスがほぼ等しい場合、透過係数は最大となり、1 に近くなります。 ρ 1 * V 1、≈ ρ 2 * V 2。 2 番目の媒体のインピーダンスが最初の媒体よりもはるかに大きい場合、透過係数は無視できます。 一般に、係数 β は次の式を使用して計算されます。
空気から人間の皮膚への超音波の移行の場合、β = 0.08%、グリセリンから皮膚への移行の場合、β = 99.7%。
さまざまな環境での超音波の吸収。
法律によれば、均質な媒体では、他の種類の放射線と同様に超音波が吸収されます。 指数関数: 
値 L' (半吸収層と呼ばれます) は、波の強度が半分になる距離です。 半分の吸収層は、超音波の周波数と組織自体、つまり対象物によって異なります。 周波数が増加すると、L 1/2 の値は減少します。 体のさまざまな組織では、超音波吸収の程度の次の値が発生します。
| 物質 | 水 | 血 | 軟骨 | 骨 |
| L' | 300cm | 2～8cm | 0.24cm | 0.05cm |
身体組織に対する超音波の影響。
超音波アクションには 3 つのタイプがあります。
機械的、
熱の、
化学薬品。
1 つまたは別のタイプの影響の程度は、強度によって決まります。 この点に関して、医学では区別があります 3段階の超音波強度:
レベル 1 - 最大 1.5 W/cm2、
レベル 2 - 1.5 ～ 3 W / cm 2、
レベル 3 - 3 ～ 10 W/cm2。
組織に対する超音波の 3 つのタイプの影響はすべてキャビテーション現象に関連しています。キャビテーションは、媒体が希薄な場所での微細な空洞の短期間 (媒体粒子の振動の半周期) の発生です。 これらの空洞は液体蒸気で満たされており、 高血圧（媒体の粒子の振動周期の残りの半分）、形成された空洞の崩壊が発生します。 波の強度が高い場合、液体蒸気が含まれた空洞の崩壊により、破壊的な機械的作用が生じる可能性があります。 当然のことながら、マイクロキャビティの崩壊には熱影響が伴います。 超音波の化学作用は、マイクロキャビティの崩壊プロセスにも関連しています。この場合、媒体の粒子が高速の並進運動に達し、イオン化と破壊の現象を引き起こす可能性があるためです。 化学結合、ラジカルの形成。 結果として生じるラジカルは、タンパク質、脂質、 核酸そして、化学的性質の望ましくない影響を引き起こします。
大血管、中小血管、毛細血管を通る血流の特徴、６．
血管が狭くなったときの血流、音響効果。
血管が異なれば、血流の速度も異なります。 この速度のおおよその値を表に示します。 2.1.
表2.1。 さまざまな血管内の血液速度と圧力
一見すると、指定された値は連続方程式に矛盾しているように見えます。細い毛細血管では、血流速度は動脈よりも遅くなります。 しかし、この矛盾は明らかです。 事実は表のとおりです。 図2.1は1つの血管の直径を示していますが、血管が分岐するにつれてそれぞれの血管の面積は減少し、分岐面積の合計は増加します。 したがって、すべての毛細血管の総面積（約2000 cm 2）は大動脈の面積よりも数百倍大きく、これは毛細血管の血流速度が非常に低い（大動脈よりも500〜600倍小さい）ことを説明しています。 ）。
その後、毛細血管が細静脈、静脈と合流して大静脈に達すると、血管の総内腔は再び減少し、血流速度は再び増加します。 しかし、さまざまな理由により、大静脈が心臓に入るときの血流速度は初期値までは増加せず、約 1/2 に増加します (図 2.7)。
大動脈 細動脈 毛細血管 細静脈 静脈 大静脈
米。 2.7. さまざまなセクションの血流速度の分布
心臓血管系の
毛細血管と静脈では血流が一定ですが、心血管系の他の部分では血流が一定しています。 脈波.
収縮期に心臓の左心室からの血液の駆出によって引き起こされる、大動脈と動脈を通って伝播する圧力上昇の波は、脈波と呼ばれます。
心筋が収縮すると（収縮期）、血液が心臓から大動脈とそこから延びる動脈に放出されます。 これらの血管の壁が硬い場合、心臓の出口で血液内に生じる圧力は音速で末梢に伝達されます。 しかし、血管壁の弾力性により、収縮期には心臓によって押し出された血液が大動脈、動脈、細動脈を引き伸ばすという事実が生じます。 大きな血管は、末梢に流れるよりも収縮期に多くの血液を受け取ります。 人間の正常な最高血圧 (S) は約 16 kPa です。 心臓の弛緩中（拡張期）、拡張期血圧（PP）は約 11 kPa に維持されながら、拡張した血管が収縮し、心臓から血液を通じて血管に与えられる位置エネルギーが血流の運動エネルギーに変換されます。
R、パ R、パ
1 - 大動脈内 2 - 細動脈内
米。 2.8. 脈波通過時の血管内の圧力変動
脈波の振幅 P 0 (x) (脈圧) は、血管の特定の点 (x) における最大圧力値と最小圧力値の差です。 大動脈の始まりでは、波の振幅 P 0, max は収縮期圧 (PC) と拡張期圧 (PD) の差に等しくなります: P 0, max = P C - P D。血管に沿って伝播する脈波は、次の依存関係で表すことができます。
ここで、β は減衰係数であり、血管半径が減少するにつれて増加します。
実験的に測定された脈波の伝播速度は 6 ～ 8 m/s で、これは血液粒子の速度 = 0.3 ～ 0.5 m/s の 20 ～ 30 倍です。 心室からの血液の排出中 (収縮期時間) t s = 0.3 秒、脈波はなんとか遠くまで広がります。
L p = ·t » 2m、
つまり、すべての大きな血管、つまり大動脈と動脈をカバーします。 これは、大動脈内の圧力が低下し始める前に、脈波の先端が四肢に到達することを意味します。
脈波速度の実験的測定は、血管の状態を診断するための基礎となります。 加齢に伴い血管の弾力性は2～3倍に増加し、それに伴って脈波の速度も速くなります。
実験や心臓の働きに関する一般的な考え方から明らかなように、脈波は正弦波ではありません。
（高調波）（図2.9）。
1 - 通過後の動脈 2 - 動脈を通過
脈波 脈波面
3 - 動脈内の脈波 4 - 高圧の低下
米。 2.9. 脈波通過中の動脈のプロファイル。
大きな血管の脈波の速度は、次のようにパラメータによって異なります (Moens-Korteweg の式)。
ここで、E は弾性率 (ヤング率) です。 ρ は容器の物質の密度です。 h は血管壁の厚さです。 dは容器の直径です。
この式を、細い棒内の音の伝播速度の式と比較するのは興味深いです。
、E - ヤング率。 ρ - 棒状物質の密度
人間の場合、年齢とともに血管の弾性率が増加するため、脈波の速度も増加します。
脈波に加えて、音波も「血管-血液」系内を伝播することができ、その速度は血液粒子の移動速度や脈波の速度と比較して非常に高速です。 したがって、血管血液系では、次の 3 つの主要な運動プロセスを区別できます。
1) 血液粒子の移動 (= 0.5 m/s)。
2) 脈波伝播 (~ 10 m/s);
3) 音波の伝播 (~ 1500 m/s)。
動脈内の血流は通常層流であり、弁の近くでわずかな乱流が発生します。 病理学では、粘度が通常よりも低い場合、レイノルズ数が臨界値を超える可能性があり、動きが乱流になります。 乱流は体液の移動中の追加のエネルギー消費に関連しており、血液の場合は心臓の追加の仕事につながります。
乱流の血流によって生成されるノイズは、病気の診断に使用できます。 このノイズは、コロトコフ音法を使用して血圧を測定するときに上腕動脈で聞こえます。
鼻腔内の空気の流れは通常層流です。 ただし、炎症やその他の正常からの逸脱により、呼吸が乱れる可能性があり、呼吸筋の追加の作業につながります。
層流形態から乱流形態への移行は、パイプ (流路) 内の流れ中にのみ発生するのではなく、粘性流体のほぼすべての流れに特徴的です。 特に、船や潜水艦の輪郭、魚の胴体、飛行機や鳥の翼の周りの液体の流れも、層流と乱流の遷移によって特徴付けられます。この場合、流線型の特徴的なサイズが異なります。ボディとボディの形状に応じた定数を式に代入する必要があります。
関連情報。
コンクリート中の超音波の伝播速度は、その構造と強度に応じて 2800 ～ 4800 m/s の範囲です（表 2.2.2）。
表2.2.2
| 材料 | ρ、g/cm3 | v pp、m/s |
| 鋼鉄 | 7.8 | |
| ジュラルミン | 2.7 | |
| 銅 | 8.9 | |
| プレキシガラス | 1.18 | |
| ガラス | 3.2 | |
| 空気 | 1.29×10 -3 | |
| 水 | 1.00 | |
| トランスフオイル | 0.895 | |
| パラフィン | 0.9 | |
| ゴム | 0.9 | |
| 花崗岩 | 2.7 | |
| 大理石 | 2.6 | |
| コンクリート（30日以上） | 2.3-2.45 | 2800-4800 |
| レンガ: | ||
| ケイ酸塩 | 1.6-2.5 | 1480-3000 |
| 粘土 | 1.2-2.4 | 1320-2800 |
| 解決： | ||
| セメント | 1.8-2.2 | 1930-3000 |
| ライム | 1.5-2.1 | 1870-2300 |
比較的狭いエリア (平均 0.1 ～ 1 m) でこのような速度を測定することは、比較的複雑な技術的問題であり、高レベルの無線エレクトロニクスの開発によってのみ解決できます。 超音波の伝播速度を測定する既存の手法のうち、検査への応用可能性の観点から 建材、次のように区別できます。
音響干渉計法。
共鳴法;
進行波法。
パルス方式。
コンクリート中の超音波の速度を測定するには、パルス法が最も広く使用されています。 これは、30〜60 Hzの繰り返し率でコンクリートに短い超音波パルスを繰り返し送信し、サウンディングベースと呼ばれる特定の距離でこれらのパルスの伝播時間を測定することに基づいています。
したがって、超音波の速度を決定するには、パルス（サウンディングベース）が移動する距離と、超音波が発信点から受信点まで伝播する時間を測定する必要があります。 サウンディングベースは、どの装置でも 0.1mm の精度で測定できます。 最新のデバイスの超音波の伝播時間は、電子ゲートに高周波 (最大 10 MHz) の計数パルスを充填することによって測定されます。パルスの始まりはパルスの放射の瞬間に対応し、終わりはパルスの放射の瞬間に対応します。受信機に到着。 このようなデバイスの簡略化された機能図を図に示します。 2.2.49。
このスキームは次のように機能します。 マスターオシレータ 1 は、デバイスの設計に応じて 30 ～ 50 Hz の周波数の電気パルスを生成し、振幅 100 V の短い電気パルスを生成する高電圧発生器 2 を起動します。これらのパルスはエミッタに入ります。圧電効果を利用して、周波数 60 ～ 100 kHz のパック (5 ～ 15 個) の機械振動に変換され、音響潤滑剤を介して制御製品に導入されます。 同時に、電子ゲートが開き、カウント パルスが満たされ、走査ユニットがトリガーされ、電子ビームが陰極線管 (CRT) の画面上を移動し始めます。
米。 2.2.49。 超音波デバイスの簡略化された機能図:
1 - マスターオシレーター。 2 - 高電圧電気パルスの発生器。 3 - 超音波パルスエミッター。 4 - 管理された製品。 5 - 受信機。 6 - アンプ; 7 - ゲート形成ジェネレーター。 8 - カウントパルス発生器。 9 - スキャナー。 10 - インジケーター。 11 - プロセッサ。 12 - 係数入力ブロック。 13 - デジタル値インジケーター t、V、R
時間ｔをかけて長さＬの制御された積を通過した超音波機械振動のパックの先頭波は受信機５に入り、そこで電気パルスのパックに変換される。
到着したパルスのパケットは増幅器 6 で増幅され、CRT 画面上で視覚的に監視するために垂直走査ユニットに入り、このパケットの最初のパルスがゲートを閉じてカウント パルスのアクセスを停止します。 したがって、超音波振動が発せられた瞬間から超音波振動が受信機に到達するまで、パルスをカウントするために電子ゲートが開いていました。 時間t。 次に、カウンターがゲートを満たすカウントパルスの数をカウントし、結果がインジケーター 13 に表示されます。
一部では 最新のデバイス「パルサー-1.1」など、プロセッサーと係数入力ユニットがあり、これを使用して「速度と強度」の関係の解析方程式が解かれ、デジタルディスプレイには時間t、速度V、コンクリートが表示されます。強さR.
コンクリートやその他の建材内の超音波の伝播速度を測定するために、超音波装置 UKB-1M、UK-10P、UK-10PM、UK-10PMS、UK-12P、UV-90PT、Beton-5 が大量生産されました。 80年代、お勧めです。
図では、 2.2.50 に UK-10PMS デバイスの全体図を示します。
米。 2.2.50。 超音波装置 UK-10PMS
コンクリート中の超音波の伝播速度に影響を与える要因
自然界のすべての物質は、比較的均質なものと、不均一性または異質性の度合いが大きいものの 2 つの大きなグループに分けることができます。 比較的均質な材料には、ガラス、蒸留水、および通常の条件下で密度が一定で空気の混入がないその他の材料などの材料が含まれます。 彼らにとって、通常の条件下での超音波の伝播速度はほぼ一定です。 コンクリートを含むほとんどの建築材料を含む異種材料では、 内部構造、微粒子と大きな構成要素の相互作用は、体積的にも時間的にも一定ではありません。 それらの構造にはミクロ細孔とマクロ細孔、亀裂が含まれており、これらは乾燥している場合もあれば、水で満たされている場合もあります。
大きな粒子と小さな粒子の相対的な位置も変化します。 これらすべては、それらの中の超音波の伝播の密度と速度が一貫しておらず、広い範囲内で変動するという事実につながります。 テーブル内 2.2.2にいくつかの材料の密度ρと超音波伝播速度Vの値を示します。
次に、強度、組成と粗骨材の種類、セメントの量、湿度、温度、鉄筋の有無などのコンクリートのパラメータの変化が、コンクリート中の超音波の伝播速度にどのような影響を与えるかを検討します。 この知識は、超音波法を使用してコンクリートの強度を監視する可能性を客観的に評価し、これらの要因の変化に関連する監視における多くのエラーを排除するために必要です。
コンクリート強度の影響
実験研究によると、コンクリートの強度が増加すると、超音波の速度が増加します。
これは、速度の値と強度の値が構造内の接続の状態に依存するという事実によって説明されます。
グラフ（図 2.2.51）からわかるように、さまざまな組成のコンクリートの「速度と強度」の関係は一定ではありません。これは、この関係が強度に加えて他の要因の影響を受けることを意味します。
米。 2.2.51。 各種組成のコンクリートの超音波速度 V と強度 R c の関係
残念ながら、いくつかの要因は強度よりも超音波速度に影響を及ぼします。これは重大な欠点の 1 つです。 超音波法.
一定の組成のコンクリートを使用し、W/C を変えることで強度を変えた場合、他の要因の影響は一定となり、超音波の速度はコンクリートの強度のみで変化します。 この場合、速度と強度の関係はより明確になります (図 2.2.52)。
米。 2.2.52。 サマラの鉄筋コンクリート工場第 1 号で得られた、一定のコンクリート組成における速度と強度の関係
セメントの種類とグレードの影響
普通ポルトランドセメントと他のセメントを使用したコンクリートの試験結果を比較すると、鉱物組成は速度と強度の関係にほとんど影響を及ぼさないと結論付けることができます。 主な影響は、ケイ酸三カルシウムの含有量とセメントの粉砕の細かさによって影響されます。 速度と強度の関係に影響を与えるより重要な要素は、コンクリート 1 m 3 あたりのセメントの消費量です。 その投与量。 コンクリート中のセメントの量が増加すると、超音波の速度はコンクリートの機械的強度よりもゆっくりと増加します。
これは、超音波がコンクリート中を通過する際、粗骨材と骨材粒子を繋ぐモルタル部分の両方を伝播し、その速度は粗骨材内の伝播速度に大きく依存するためである。 しかし、コンクリートの強度は主にモルタル成分の強度に依存します。 セメント量がコンクリートの強度と超音波の速度に及ぼす影響を図に示します。 2.2.53。
米。 2.2.53。 依存症に対するセメント投与量の影響
「スピードの強さ」
1-400kg/m3; 2 - 350 kg/m3; 3 - 300 kg/m 3 ; 4 - 250 kg/m3; 5～200kg/m3
水セメント比の影響
W/C が減少すると、コンクリートの密度と強度が増加し、それに応じて超音波の速度も増加します。 W/C が増加すると、逆の関係が観察されます。 したがって、W/C を変更しても、確立された速度と強度の関係に大きな偏差が生じることはありません。したがって、コンクリートの強度を変更するための校正グラフを作成する場合は、異なる W/C を使用することをお勧めします。
種の影響そして 粗骨材の量
粗骨材の種類と量は、速度と強度の関係の変化に大きな影響を与えます。 骨材、特に石英、玄武岩、硬質石灰岩、花崗岩中の超音波の速度は、コンクリート中の超音波の伝播速度よりも大幅に高速です。
粗骨材の種類や量もコンクリートの強度に影響します。 一般に、骨材が強いほどコンクリートの強度が高くなる、と考えられています。 しかし、耐久性の低い砕石を使用すると、表面が粗いが、耐久性のある砂利を使用した場合よりも Re 値が高く、表面が滑らかなコンクリートが得られるという現象に対処しなければならない場合があります。
砕石の使用量が少し変わるとコンクリートの強度も若干変わります。 同時に、このような粗骨材の量の変化は超音波の速度に大きな影響を与えます。
コンクリートが砕石で飽和すると、超音波の速度が増加します。 粗骨材の種類と量は、他の要因よりも速度と強度の関係に大きな影響を与えます（図2.2.54～2.2.56）。
米。 2.2.54。 粗骨材の存在が速度と強度の関係に及ぼす影響:
1 - セメント石; 2 - サイズが 30 mm までの骨材を含むコンクリート
米。 2.2.55。 異なる骨材サイズのコンクリートの速度と強度の関係: 1 ～ 1 mm。 2-3mm; 3-7mm; 4～30mm
米。 2.2.56。 フィラーを使用したコンクリートの速度と強度の関係:
1-砂岩; 2-石灰岩。 3-花崗岩。 4-玄武岩
グラフから明らかなように、コンクリートの単位体積当たりの砕石量の増加、またはコンクリート中の超音波の速度の増加は、強度よりもコンクリート中の超音波の速度の増加につながることが明らかです。
湿度と温度の影響
コンクリートの含水量は、コンクリートの強度と超音波速度に曖昧な影響を与えます。 コンクリートの含水量が増加すると、結晶間結合の変化により圧縮強度が低下しますが、空気孔や微小亀裂が水で満たされるため、超音波の速度は増加します。 あ水中での速度は空気中よりも速い。
5〜40℃の範囲のコンクリート温度は強度と速度にほとんど影響を与えませんが、硬化したコンクリートの温度が指定範囲を超えて上昇すると、内部の微小亀裂の増加により強度と速度が低下します。
負の温度では、結合していない水が氷に変化するため、超音波の速度が増加します。 したがって、氷点下の温度で超音波法を使用してコンクリートの強度を測定することはお勧めできません。
コンクリート中の超音波の伝播
コンクリートはその構造上、モルタル部分と粗骨材を含む不均質材料です。 モルタル部分は、石英砂の粒子を含んだセメント石を固めたものです。
コンクリートの用途や強度特性に応じて、セメント、砂、砕石、水の割合は異なります。 鉄筋コンクリート製品の製造技術は、強度を確保するだけでなく、コンクリートの組成も左右します。 たとえば、カセット製造技術では、コンクリート混合物のより大きな可塑性が必要ですが、これはセメントと水の消費量の増加によって実現されます。 この場合、コンクリートのモルタル部分が増加する。
ベンチ技術の場合、特に即時剥離では、セメント消費量を削減した硬質混合物が使用されます。
この場合、粗骨材の相対体積は増加します。 したがって、コンクリートの強度特性が同じであっても、その組成は広い範囲内で変化する可能性があります。 コンクリートの構造形成は、コンクリート混合物の混合、輸送、圧縮、硬化時の熱および水分処理の品質など、製品の製造技術の影響を受けます。 このことから、硬化コンクリートの特性は多数の要因の影響を受け、その影響は本質的に曖昧かつランダムであることがわかります。 これは、コンクリートの組成と特性の両方において高度の不均一性を説明しています。 コンクリートの不均一性と異なる特性は、音響特性にも反映されます。
現在、数多くの試みにもかかわらず、コンクリートを通した超音波伝播の統一されたスキームと理論はまだ開発されていません。これは次のように説明されています。 ) まず第一に、コンクリートの強度と音響特性にさまざまな影響を与える上記の多数の要因の存在によるものです。 この状況は、まだ開発されていないという事実によってさらに悪化しています 一般理論材料を介した超音波振動の伝播 高度な異質性。 これが、コンクリート中の超音波の速度が均質な材料に対して次の式によって決定される唯一の理由です。
ここで、L は超音波が移動する経路、m (ベース)、
t は、このパスの移動に費やした時間 (μs) です。
異種材料を通る場合と同様に、コンクリートを通るパルス超音波の伝播スキームをより詳細に考えてみましょう。 しかし最初に、鉄筋コンクリート工場や建設現場で最も一般的なコンクリート混合物の組成 (セメント、川砂、粗骨材、水からなる) を考慮することで、推論が有効となる領域を限定します。 この場合、粗骨材の強度がコンクリートの強度よりも高いと仮定します。 これは、粗骨材として強度が約 40 MPa の石灰岩、大理石、花崗岩、ドロマイトなどの岩石を使用する場合に当てはまります。 従来、硬化コンクリートは、密度 ρ と速度 V の比較的均質なモルタル部分と、ρ と V の粗い骨材の 2 つの成分で構成されていると仮定します。
前述の仮定と制限を考慮すると、硬化コンクリートは音響インピーダンスを持つ固体媒体と考えることができます。
厚さ L の硬化コンクリートを通した発信器 1 から受信器 2 へのヘッド超音波の伝播の図を考えてみましょう (図 2.2.57)。
米。 2.2.57。 頭部超音波の伝播の仕組み
具体的には：
1 - エミッタ; 2 - 受信機。 3 - 接触層。 4 - 顆粒内の波の伝播。 5 - 溶液部分の波動伝播
エミッタ１からのヘッド超音波は、まず放射面とコンクリートとの間に位置する接触層３に当たる。 超音波が接触層を通過するには、接触層を導電性の液体または潤滑剤で満たす必要があります。潤滑剤は工業用ワセリンとして最もよく使用されます。 超音波は接触層を通過すると（時間 t 0 の間）、部分的に反対方向に反射され、残りはコンクリートに入ります。 波長に比べて接触層が薄いほど、反射される波は少なくなります。
コンクリートの厚さに入ると、頭部波はコンクリートのモルタル部分内でエミッターの直径に対応する領域に伝播し始めます。 一定距離走行後 Δ l1、時間Δ後 t特定の領域での 1 ヘッド波は、1 つまたは複数の粗骨材の顆粒に遭遇し、部分的に反射され、大部分が顆粒に入り、その中に伝播し始めます。 粒子の間では、波は溶液部分を通って伝播し続けます。
粗骨材中の超音波の速度がモルタル部分よりも大きいという一般的な条件を考慮すると、距離 d は砕石の直径の平均値に等しく、ある速度で粒内を伝播する波です。 V 2 が先に通過し、モルタル部分を通過する波は遅れます。
粗骨材の最初の粒子を通過した後、波はモルタル部分との界面に近づき、部分的に反射され、部分的にモルタル部分に入ります。 この場合、頭部波が通過した顆粒は、コンクリートのモルタル部分への超音波放射の基本的な球状の発生源とみなすことができ、ホイヘンスの原理を適用することができます。
隣り合う粒子間の最小距離を溶液中を通過すると、ヘッド波がそれらの粒子に入り、それらを通って伝播し始め、それらを次の基本的な発生源に変えます。 したがって、コンクリートＬの厚さ全体および第２の接触層３を通過した時間ｔの後、頭部波は受信機２に入り、そこで電気信号に変換される。
検討した図より、発信器1から受信器2までの先頭波は、粗骨材の粒とそれらを繋ぐモルタル部分を通過する経路に沿って伝播することがわかり、この経路は最小経過時間の条件から決定されます。 t.
したがって、時間 t は
ここで、 は顆粒を接続する溶液部分を通過するのに費やした時間です。
顆粒を通過するのにかかる時間。 超音波が移動する経路 L は次のとおりです。
ここで、 - 先頭波がソリューション部分を通過する合計経路。
頭部波が顆粒を通って移動する合計経路。
波は最小幾何距離に沿ってではなく最大速度の経路に沿って移動するため、先頭波が移動する合計距離 L は、発信器と受信器の間の幾何学的距離よりも大きくなる可能性があります。
超音波が接触層を通過するのに費やした時間を、合計測定時間から差し引く必要があります。
頭波に続く波も最大速度の経路に沿って伝播しますが、その移動中に粗骨材粒とモルタル部分の界面からの反射波に遭遇します。 顆粒の直径が波長またはその半分であることが判明した場合、顆粒の内部で音響共鳴が発生する可能性があります。 干渉と共鳴の影響は、異なる骨材サイズのコンクリートを通過する超音波のパケットのスペクトル分析によって観察できます。
上で説明したパルス超音波の頭部波の伝播スキームは、セクションの最初に示した特性を持つコンクリートに対してのみ有効です。 粗骨材粒子が得られる材料の機械的強度と超音波の伝播速度は、コンクリートのモルタル部分の強度と超音波の伝播速度を超えます。 石灰岩、大理石、花崗岩などの砕石を使用する鉄筋コンクリート工場や建設現場で使用されるコンクリートのほとんどがこれらの特性を持っています。 膨張粘土コンクリート、発泡コンクリート、凝灰岩フィラーを含むコンクリートでは、超音波の伝播パターンが異なる場合があります。
検討したスキームの妥当性を実験により確認する。 それでは、図から。 2.2.54 より、セメント部分に一定量の砕石を添加すると、コンクリートの強度がわずかに増加（場合によっては減少）するとともに、超音波速度が増加することがわかります。
図では、 2.2.56 より、粗骨材材料内での超音波の速度が増加すると、コンクリート内での超音波の速度も増加することが注目に値します。
より大きな骨材を使用したコンクリートの速度の増加（図 2.2.55）も、直径の増加に伴い骨材材料を通過する超音波の経路が長くなるため、このスキームによって説明されます。
提案された超音波伝播スキームにより、コンクリートの探傷および強度監視における超音波法の機能を客観的に評価できるようになります。
超音波物理学のセクションは、超音波検査に関する多くの現代のモノグラフで完全にカバーされています。 ここでは超音波のいくつかの特性のみに焦点を当てますが、その知識がなければ超音波画像を取得するプロセスを理解することは不可能です。
人間の組織の超音波速度と比波抵抗（V.N. Demidovによる）
2 つの媒体の境界に到達した超音波は、反射したり、さらに伝播したりすることがあります。 超音波の反射係数は界面での超音波抵抗の差に依存し、この差が大きいほど反射の度合いが強くなります。 反射の程度は、媒体間の界面へのビームの入射角に依存します。角度が直角に近づくほど、反射の程度は強くなります。
したがって、これを知ることで、十分な透過力を備えた最大の解像度を与える最適な超音波周波数を見つけることができます。
超音波診断装置の動作の基本原理、 - これ 広がるそして 超音波の反射.
超音波診断装置の動作原理は次のとおりです。 超音波振動の反射ある程度の音響抵抗を持つ組織の界面からの音。 界面での超音波の反射は、媒体の音響密度の差が少なくとも 1% ある場合に発生すると考えられています。 音波の反射の大きさは界面での音響密度の違いに依存し、反射の程度は超音波ビームの入射角に依存します。
超音波振動を受信する
超音波振動の生成は、直接圧電効果と逆圧電効果に基づいており、その本質は、結晶面の表面に電荷が生成されると、結晶面が圧縮および伸長し始めることです。 圧電トランスデューサの利点は、超音波発生源が同時に受信機としても機能できることです。
超音波センサーの構造図
センサーには圧電結晶が含まれており、その端に電極が固定されています。 結晶の後ろには超音波を吸収する物質の層があり、超音波は必要な方向とは反対の方向に伝播します。 これにより、生成される超音波ビームの品質が向上します。 通常、トランスデューサによって生成される超音波ビームは中心で最大のパワーを持ち、端で減少するため、中心と周辺では超音波解像度が異なります。 ビームの中心では、密度の高い物体と低い物体の両方から安定した反射を得ることが常に可能ですが、ビームの周辺では、密度の低い物体が反射を与え、密度が高い物体は密度が低いものとして反射される可能性があります。
最新の圧電材料により、センサーは広範囲の周波数にわたって超音波を送受信できます。 音響信号のスペクトルの形状を制御して、周波数帯域の歪みや中心周波数のシフトに対してより耐性のあるガウス信号形状を作成および維持することが可能です。
最近の超音波デバイスの設計では、マイクロコンピュータを使用して入出力超音波ビームを集束するダイナミック フォーカス システムと広帯域エコー フィルターを使用することで、高解像度と画像の鮮明さが確保されています。 これにより、理想的なプロファイリングと超音波ビームの改善、およびセクタースキャンで得られる深部構造の画像の横方向解像度特性が保証されます。 フォーカスパラメータは周波数とセンサータイプに応じて設定されます。 広帯域エコー フィルターは、軟組織を通過するエコーの吸収に合わせて周波数を組み合わせることで、最適な解像度を提供します。 高密度の多素子センサーの使用により、側方および後方の回折によって引き起こされる偽エコーを排除できます。
今日、世界では、最高の要件を満たす高品質のビジュアル システムを開発するために企業間で激しい競争が行われています。
特に、Acuson Corporation は、画質と臨床の多様性に関して特定の基準を設定し、臨床医がニーズに応じて臨床研究の範囲を拡大できるようにする継続的改善のためのコア モジュールである 128 XP TM プラットフォームを開発しました。
このプラットフォームは、送信と受信の両方で同時に使用できる 128 個の電子的に独立したチャネルを使用し、視野全体にわたって優れた空間解像度、組織コントラスト、および画像の均一性を提供します。
超音波診断装置は、1 次元、2 次元、3 次元の 3 つのクラスに分類されます。
1 次元スキャナでは、オブジェクトに関する情報がオブジェクトの深さに沿って 1 次元で表され、画像は垂直ピークとして記録されます。 ピークの振幅と形状は、組織の構造特性とエコー信号が反射される領域の深さを判断するために使用されます。 このタイプの装置は、脳の正中線構造の変位や体積（液体および固体）形成物を測定するため、眼科で眼の大きさ、腫瘍や異物の存在を測定するために、脳エコー検査で使用されます。エコーパルソグラフィー - 首の頸動脈および椎骨動脈、およびそれらの頭蓋内枝などの脈動を研究します。 これらの目的には、0.88 ～ 1.76 MHz の周波数が使用されます。
2Dスキャナ
2Dスキャナこれらは、手動スキャン デバイスとリアルタイムで動作するデバイスに分類されます。
現在、表面構造や内臓の研究にはリアルタイムで動作する装置のみが使用されており、画面上に情報が継続的に反映されるため、特に移動構造の研究では臓器の状態を動的に監視することが可能です。 これらのデバイスの動作周波数は 0.5 ～ 10.0 MHz です。
実際には、2.5 ～ 8 MHz の周波数のセンサーがよく使用されます。
3Dスキャナー
これらを使用するには、次のような特定の条件が必要です。
- 丸い、または輪郭の整った形をした地層の存在。
- 液体空間に位置する構造物の存在（子宮内の胎児、眼球、胆石、異物、液体で満たされた胃または腸内のポリープ、炎症性液体を背景にした虫垂、および背景のすべての腹部臓器）腹水の）;
— 座りがちな構造物（眼球、前立腺など）。
したがって、これらの要件を考慮すると、3 次元スキャナは産科の研究、他の構造とより正確に区別するための腹腔の容積病理学、泌尿器科で前立腺の構造的浸透を区別するための前立腺の研究にうまく使用できます。眼科、心臓病学、神経学、血管学におけるカプセル。
使用方法の複雑さ、機器のコストの高さ、多くの条件や制限の存在により、現在ではほとんど使用されていません。 しかし 3Dスキャン — これは未来のエコーグラフィーです.
ドップラー超音波
ドップラー超音波の原理は、移動する物体から反射された超音波信号の周波数がその速度に比例して変化し、超音波の周波数と超音波の伝播方向と流れの方向の間の角度に依存するというものです。 。 この方法は心臓病学でうまく使用されています。
この方法は、体内に造影剤を導入せずに内臓の血管の状態に関する信頼できる情報を提供できるため、内科分野でも注目されています。
初期段階で門脈圧亢進症が疑われる患者の包括的な検査、門脈循環障害の重症度の判定、門脈系の閉塞のレベルと原因の判定、門脈の変化の研究によく使用されます。肝硬変患者の薬物投与（ベータ遮断薬、ACE阻害薬など）時の血流。
すべてのデバイスには、電気機械式と電子式の 2 種類の超音波センサーが装備されています。 どちらのタイプのセンサーも、電子センサーであることが多く、用途に応じて変更が加えられています。 さまざまな地域大人と子供を診察するときの薬。
で クラシックバージョンリアルタイム4電子スキャン方式を採用 : 扇形、直線、凸、台形、それぞれが観察分野に関する特定の特徴によって特徴付けられます。 研究者は、直面しているタスクと場所に応じてスキャン方法を選択できます。
セクタスキャン
利点:
- 深い領域を探索する際の広い視野。
応用分野:
— 大きな泉門を通した新生児の頭蓋学的研究。
— 心臓病学的研究;
- 骨盤臓器（特に婦人科および前立腺検査）、後腹膜系臓器の一般的な腹部検査。
ラインスキャン
利点:
— 体の浅い領域を検査する際の広い視野。
— 多素子センサーの使用により、身体の深部を検査する際の高解像度。
応用分野:
- 表面構造。
— 心臓病学;
— 骨盤臓器および腎周囲領域の検査。
-産科で。
コンベックススキャン
利点:
— 患者の体の表面との接触面積が小さい。
— 深い領域を探索する際の広い観察範囲。
応用分野:
- 一般的な腹部検査。
台形スキャン
利点:
— 体の表面近くや深部にある臓器を検査する際の広い観察範囲。
— 断層撮影セクションの簡単な識別。
応用分野:
— 一般的な腹部検査。
- 産科および婦人科。
一般に受け入れられている古典的なスキャン方法に加えて、最新のデバイスの設計では、それらを定性的に補完できるテクノロジーが使用されています。
ベクトルスキャン形式
利点:
— 肋間腔からのアクセスとスキャンが制限されているため、最小のセンサー開口部で音響特性が得られます。 ベクトル イメージング形式により、近視野および遠視野でより広い視野が得られます。
範囲はセクター スキャンの場合と同じです。
ズームゾーンセレクトモードでスキャンする
これは、2 次元およびカラー ドップラー モードで画像の音響情報コンテンツを強化するために、オペレーターが選択した対象ゾーンの特別なスキャンです。 選択した関心領域は、フル音響およびラスター ラインを使用して表示されます。 画質の向上により、ラインとピクセルの密度が最適化され、解像度が向上し、フレーム レートが向上し、画像が大きくなります。
通常領域では同じ音響情報を残し、通常のRESズームゾーン選択形式により、解像度を高めた画像拡大とより多くの診断情報を実現します。
マルチヘルツの可視化
広帯域圧電材料は、最新のセンサーに幅広い周波数で動作する機能を提供します。 画像の均一性を維持しながら、センサーで利用可能な幅広い周波数から特定の周波数を選択する機能を提供します。 この技術により、センサーの交換に時間を費やすことなく、ボタンを押すだけでセンサーの周波数を変更できます。 これは、1 つのセンサーが 2 つまたは 3 つの特定の特性に相当することを意味し、センサーの価値と臨床的汎用性が高まります (Acuson、Siemens)。
最新のデバイス命令に必要な超音波情報は、B モード、2B モード、3D、B+B モード、4B モード、M モードのさまざまなモードで固定でき、プリンターを使用して特殊な用紙にコンピュータ上で記録できます。コンピュータ情報処理を備えたカセットまたはビデオテープ。
人体の器官やシステムの超音波視覚化は常に改善されており、新たな地平と機会が常に開かれていますが、受け取った情報の正しい解釈は常に研究者の臨床訓練のレベルに依存します。
この点で、私は最初のリアルタイム デバイスである Aloca SSD 202 D (1982 年) を委託するために当社を訪れた Aloca 社の代表者との会話をよく思い出します。 日本がコンピュータ画像処理を使った超音波装置の技術を開発したことに感心すると、彼はこう答えた。「コンピュータは良いものですが、（頭を指さして）別のコンピュータがうまく動かなかったら、そのコンピュータは何の価値もありません。」
1. 超音波の伝播速度はパイプライン内の温度と圧力によって異なります。 超音波速度 さまざまな意味水温と大気圧を表 D.1 に示します。
表 E.1
アレクサンドロフ A.A.、トラクテンゲルツ M.S. 熱物性大気圧の水。 M. スタンダード出版社、1977 年、100 ページ。 ( 公務員標準的な参考データです。 サー。 モノグラフ）。
2. 流量計を使用して給水および熱供給システムの水の流量と体積を測定する場合、超音波速度は表のデータに従って決定されます。 D.2 次の式に従って、温度と圧力を線形補間する方法による。
ここで、c(t,P) はパイプラインを流れる液体内の超音波の速度 m/s です。
c(t1) – 測定値よりも低い温度での超音波速度のテーブル値 (m/s)。
c(t2) – 測定値よりも高い温度での超音波速度のテーブル値 (m/s)。
c(P1) – 測定値よりも低い圧力での超音波速度の表値 (m/s)。
c(P2) – 測定値よりも高い圧力での超音波速度の表値 (m/s)。
t – パイプライン内の水温、°С;
P – パイプライン内の水圧、MPa;
t1、t2 – テーブル温度値、°С;
P1、P2 – 表の圧力値、MPa。
注記。
1. c(t1) と c(t2) の値は表のデータに従って決定されます。 D.1. c(P1)とc(P2)の値は表のデータに従って決定されます。 D2. パイプライン内の水温に最も近い温度で。
2. パイプライン内の水の温度と圧力の測定は、それぞれ ±0.5 °С と ±0.5 MPa 以内の誤差で実行する必要があります。
表E.2
表 E.2 の続き
アレクサンドロフ A.A.、ラーキン D.K. 幅広い温度と圧力における超音波の速度を実験的に決定します。 ジャーナル「Thermal Power Engineering」、第 2 号、1976 年、75 ページ。
3. 超音波速度の液体温度依存性の表がない場合、超音波速度は図 E.1 に示す装置を使用して決定できます。 超音波速度を測定する直前に、装置本体（鋼製ブラケット）を試験液に浸し、膜厚計を調整して超音波速度を測定します。 次に、超音波厚さ計が超音波速度を直接測定します。
液体中の超音波の速度を測定するには、US-12 IM デバイス (ShchO 2.048.045 TO) または他のタイプの厚さ計を使用することもできます。
図D.1。 液体中の超音波の速度を測定する装置。