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Velocidade de propagação do ultrassom em vários meios. Princípios físicos da ultrassonografia de tecidos e órgãos humanos

Velocidade de propagação do ultrassom em vários meios. Princípios físicos da ultrassonografia de tecidos e órgãos humanos

O ultrassom é chamado de ondas mecânicas longitudinais com frequências de oscilação acima de 20 kHz. Como ondas sonoras, uma onda ultrassônica é uma alternância de condensação e rarefação do meio. Em cada meio, a velocidade de propagação do som e do ultrassom é a mesma. Em vista disso, o comprimento das ondas ultrassônicas no ar é inferior a 17 mM (V = λ * ν; Vair = 330 m/s).

As fontes de ultrassom são emissores eletromecânicos especiais. Um tipo de emissor funciona com base no fenômeno da magnetostricção, quando as dimensões de certos corpos (por exemplo, uma barra de níquel) mudam em um campo magnético alternado. Tais emissores permitem obter oscilações com frequências de 20 a 80 kHz. De uma fonte de corrente alternada com as frequências indicadas, uma tensão é aplicada a uma haste de níquel, o tamanho longitudinal da haste muda com a frequência da corrente alternada e uma onda ultrassônica é emitida das faces laterais da amostra (Fig. 4).

O segundo tipo de radiadores funciona com base no efeito piezoelétrico, quando as dimensões de certos corpos - materiais feitos de ferroelétricos - mudam em um campo elétrico alternado. Para este tipo de radiadores, podem ser obtidas oscilações de frequência mais altas - até 500 MHz. A partir da fonte de corrente alternada, a tensão também é aplicada nas faces laterais da haste feita de ferroelétrico (quartzo, turmalina), enquanto o tamanho longitudinal da haste muda com a frequência da corrente alternada e uma onda ultrassônica é emitida a partir da fonte de corrente alternada. faces laterais da amostra (Fig. 5). Tanto no primeiro como no segundo caso, o ultrassom é emitido devido a vibrações das faces laterais da haste; no último caso, essas faces são metalizadas para fornecer corrente à amostra.

Os receptores ultrassônicos operam com base no princípio de fenômenos inversos de magnetostricção e efeito piezoelétrico: uma onda ultrassônica causa flutuações nas dimensões lineares dos corpos, quando os corpos estão no campo de uma onda ultrassônica, as flutuações de tamanho são acompanhadas pelo aparecimento de campos magnéticos alternados ou campos elétricos alternados no material. Esses campos, que aparecem no sensor correspondente, são registrados por algum indicador, por exemplo, um osciloscópio. Quanto mais intenso o ultrassom, maior a amplitude vibrações mecânicas amostra - o sensor e maior a amplitude dos campos magnéticos ou elétricos alternados resultantes.

Características do ultrassom.

Como mencionado acima, em cada meio, a velocidade de propagação do som e do ultrassom é a mesma. A característica mais importante do ultrassom é a estreiteza do feixe ultrassônico, que permite influenciar qualquer objeto. localmente. Em meios não homogêneos com pequenas inomogeneidades, quando os tamanhos das inclusões são aproximadamente iguais, mas maiores que o comprimento de onda (L ≈ λ), ocorre o fenômeno da difração. Se as dimensões das inclusões forem muito maiores que o comprimento de onda (L >> λ), então a propagação do ultrassom é retilínea. Nesse caso, é possível obter sombras ultrassônicas dessas inclusões, que são usadas quando Vários tipos diagnósticos - técnicos e médicos. Um ponto teórico importante no uso do ultrassom é a passagem do ultrassom de um meio para outro. Tal característica das ondas como frequência não muda neste caso. Pelo contrário, a velocidade e o comprimento de onda podem mudar neste caso. Assim, na água a velocidade das ondas acústicas é de 1400 m/s, no ar é de 330 m/s. A penetração do ultrassom em outro meio é caracterizada pelo coeficiente de penetração (β). É definido como a razão entre a intensidade da onda que entra no segundo meio e a intensidade da onda incidente: β = I 2 / I 1– Fig. 6. Este coeficiente depende da razão das impedâncias acústicas dos dois meios. A impedância acústica é o produto da densidade de um meio e a velocidade de propagação da onda em um determinado meio: Z 1 \u003d ρ 1 * V 1, Z 2 \u003d ρ 2 * V 2. O coeficiente de penetração é o maior - próximo da unidade, se as impedâncias acústicas dos dois meios forem aproximadamente iguais: ρ 1 * V 1 ,≈ ρ 2 * V 2. Se a impedância do segundo meio for muito maior que a do primeiro, o coeficiente de penetração é desprezível. No caso geral, o coeficiente β é calculado pela fórmula:

Para a transição do ultrassom do ar para a pele humana β = 0,08%, para a transição do glicerol para a pele β = 99,7%.

Absorção de ultrassom em vários meios.

Em meios homogêneos, o ultrassom é absorvido, como qualquer tipo de radiação - de acordo com a lei função exponencial:

O valor de L' - chamado de camada de meia-absorção - é a distância na qual a intensidade da onda é reduzida pela metade. A camada de meia absorção depende da frequência do ultrassom e do próprio tecido - o objeto. Com frequência crescente, o valor de L 1/2 -diminui. Para vários tecidos do corpo, ocorrem os seguintes valores do grau de absorção do ultrassom:

Substância	Água	Sangue	Cartilagem	Osso
EU'	300 cm	2 - 8 cm	0,24 cm	0,05 cm

O efeito do ultrassom nos tecidos do corpo.

Existem três tipos de ação do ultrassom:

mecânico,

térmico,

Químico.

O grau de impacto de um ou outro tipo é determinado pela intensidade. Nesse sentido, na medicina, existem três níveis de intensidades de ultrassom:

1 nível - até 1,5 W / cm 2,

nível 2 - de 1,5 a 3 W / cm 2,

Nível 3 - de 3 a 10 W / cm2.

Todos os três tipos de impacto do ultrassom nos tecidos estão associados ao fenômeno da cavitação - são de curto prazo (metade dos períodos de oscilação das partículas do meio) o aparecimento de cavidades microscópicas em locais onde o meio é rarefeito. Estas cavidades são preenchidas com vapor líquido, e na fase pressão alta(a outra metade do período de oscilação das partículas do meio), as cavidades formadas colapsam. Em altas intensidades de onda, o colapso de cavidades com vapores líquidos pode levar a um efeito mecânico destrutivo. Naturalmente, o colapso das microcavidades é acompanhado por um efeito térmico. O processo de colapso das microcavidades também está associado à ação química do ultrassom, pois neste caso as partículas do meio atingem altas velocidades de movimento translacional, o que pode ocasionar o fenômeno de ionização, ruptura ligações químicas, a formação de radicais. Os radicais resultantes podem interagir com proteínas, lampídeos, ácidos nucleicos e causar efeitos indesejáveis de natureza química.

6. Características do fluxo sanguíneo através de grandes vasos, vasos médios e pequenos, capilares;
fluxo sanguíneo durante a vasoconstrição, efeitos sonoros.

A taxa de fluxo sanguíneo em diferentes vasos é diferente. Os valores aproximados desta velocidade são apresentados na tabela. 2.1.

Tabela 2.1. Velocidade e pressão do sangue em vários vasos

À primeira vista, parece que os valores dados contradizem a equação da continuidade - em capilares finos, a velocidade do fluxo sanguíneo é menor do que nas artérias. No entanto, essa discrepância é aparente. A questão é que na tabela 2.1 mostra o diâmetro de um vaso, mas à medida que os vasos se ramificam, a área de cada um deles diminui e a área total de ramificação aumenta. Assim, a área total de todos os capilares (aproximadamente 2.000 cm 2) é centenas de vezes maior que a área da aorta - isso explica uma velocidade sanguínea tão baixa nos capilares (500 - 600 vezes menor que na aorta ).

No futuro, quando os capilares se fundirem em vênulas, em veias, até a veia cava, o lúmen total dos vasos diminui novamente e a taxa de fluxo sanguíneo aumenta novamente. No entanto, por vários motivos, a velocidade do fluxo sanguíneo quando a veia cava entra no coração não aumenta para o valor inicial, mas aproximadamente até ½ dele (Fig. 2.7).

Aorta Artérias Arteríolas Capilares Vênulas Veias Veias Cavas

Arroz. 2.7. Distribuição das velocidades do fluxo sanguíneo em diferentes departamentos

do sistema cardiovascular

Nos capilares e veias, o fluxo sanguíneo é constante; em outras partes do sistema cardiovascular, ondas de pulso.

A onda de aumento de pressão que se propaga pela aorta e artérias, causada pela ejeção de sangue do ventrículo esquerdo do coração durante a sístole, é chamada de onda de pulso.

Quando o músculo cardíaco se contrai (sístole), o sangue é ejetado do coração para a aorta e as artérias que se estendem a partir dela. Se as paredes desses vasos fossem rígidas, a pressão que surge no sangue na saída do coração seria transmitida para a periferia na velocidade do som. No entanto, a elasticidade das paredes dos vasos leva ao fato de que, durante a sístole, o sangue expelido pelo coração estica a aorta, as artérias e as arteríolas. Grandes vasos percebem durante a sístole mais sangue do que flui para a periferia. A pressão sistólica (PC) de uma pessoa é normalmente de aproximadamente 16 kPa. Durante o relaxamento do coração (diástole), os vasos sanguíneos distendidos diminuem e a energia potencial comunicada a eles pelo coração através do sangue é convertida em energia cinética do fluxo sanguíneo, mantendo uma pressão diastólica (D) de aproximadamente 11 kPa.

R, Pa R, Pa

1 - na aorta 2 - nas arteríolas

Arroz. 2.8. Flutuações de pressão nos vasos durante a passagem de ondas de pulso

A amplitude da onda de pulso P 0 (x) (pressão de pulso) é a diferença entre os valores máximo e mínimo de pressão em um determinado ponto do vaso (x). No início da aorta, a amplitude da onda Р 0, max é igual à diferença entre as pressões sistólica (Р С) e diastólica (Р D): Р 0, max = Р С - Р D. A atenuação do A amplitude da onda de pulso durante sua propagação ao longo dos vasos pode ser representada pela dependência:

onde β é o coeficiente de atenuação, que aumenta com a diminuição do raio do vaso.

A velocidade de propagação da onda de pulso, medida experimentalmente, é » 6 - 8 m / s, que é 20 - 30 vezes maior que a velocidade de movimento das partículas de sangue = 0,3 - 0,5 m / s. Durante o tempo de expulsão do sangue dos ventrículos (tempo de sístole) t s \u003d 0,3 s, a onda de pulso tem tempo para se propagar à distância

L p \u003d t s "2m,

isto é, para cobrir todos os grandes vasos - a aorta e as artérias. Isso significa que a frente da onda de pulso atingirá as extremidades antes que comece a queda de pressão na aorta.

A determinação experimental da velocidade da onda de pulso é a base para diagnosticar o estado dos vasos sanguíneos. Com a idade, a elasticidade dos vasos sanguíneos aumenta 2 a 3 vezes e, consequentemente, a velocidade da onda de pulso também aumenta.

Como fica claro em experimentos e em ideias gerais sobre o funcionamento do coração, a onda de pulso não é senoidal.

(harmônico) (Fig. 2.9).

1 - artéria depois de passar 2 - passa pela artéria

onda de pulso frente da onda de pulso

3 - onda de pulso na artéria 4 - diminuição da pressão arterial elevada

Arroz. 2.9. Perfil de uma artéria durante a passagem de uma onda de pulso.

A velocidade da onda de pulso em grandes vasos depende de seus parâmetros da seguinte forma (fórmula de Moens-Korteweg):

, onde E é o módulo de elasticidade (módulo de Young); ρ é a densidade da substância do vaso; h é a espessura da parede do vaso; d é o diâmetro do vaso.

É interessante comparar esta fórmula com a expressão para a velocidade de propagação do som em uma haste fina:

, E - Módulo de Young; ρ - densidade da substância do bastão

Nos humanos, com a idade, o módulo de elasticidade dos vasos sanguíneos aumenta, portanto, a velocidade da onda de pulso também aumenta.

Junto com a onda de pulso no sistema "vaso-sangue", também podem se propagar ondas sonoras, cuja velocidade é muito alta em comparação com a velocidade do movimento das partículas de sangue e a velocidade da onda de pulso. Assim, no sistema vaso-sangue, três processos principais de movimento podem ser distinguidos:

1) movimento de partículas de sangue ( = 0,5 m/s);

2) propagação da onda de pulso (~ 10 m/s);

3) propagação de ondas sonoras (~ 1500 m/s).

O fluxo de sangue nas artérias é normalmente laminar, com ligeira turbulência ocorrendo perto das válvulas. Na patologia, quando a viscosidade é menor que o normal, o número de Reynolds pode exceder o valor crítico e o movimento se tornará turbulento. O fluxo turbulento está associado ao consumo adicional de energia durante o movimento do fluido, o que, no caso do sangue, leva a um trabalho adicional do coração.

O ruído gerado pelo fluxo sanguíneo turbulento pode ser usado para diagnosticar doenças. Esse ruído é ouvido na artéria braquial ao medir a pressão arterial usando o método de som de Korotkoff.

O fluxo de ar na cavidade nasal é normalmente laminar. No entanto, com inflamação ou qualquer outra anormalidade, pode tornar-se turbulento, o que acarretará um trabalho adicional dos músculos respiratórios.

A transição de um fluxo laminar para turbulento ocorre não apenas com um fluxo em um tubo (canal), mas é característico de quase todos os fluxos de um fluido viscoso. Em particular, o fluxo de fluido em torno do perfil de um navio ou submarino, o corpo de um peixe ou a asa de uma aeronave ou um pássaro também é caracterizado por uma transição laminar-turbulenta, enquanto o tamanho característico do corpo aerodinâmico e uma constante dependendo da forma do corpo deve ser substituído na fórmula.

Informações semelhantes.

A velocidade de propagação do ultrassom no concreto varia de 2800 a 4800 m/s, dependendo de sua estrutura e resistência (Tabela 2.2.2).

Tabela 2.2.2

Material	ρ, g/cm3	v p p , m/s

Aço	7.8
duralumínio	2.7
Cobre	8.9
acrílico	1.18
Vidro	3.2
Ar	1,29x10-3
Água	1.00
óleo de transferência	0.895
Parafina	0.9
Borracha	0.9
Granito	2.7
Mármore	2.6
Concreto (mais de 30 dias)	2.3-2.45	2800-4800
Tijolo:
silicato	1.6-2.5	1480-3000
argila	1.2-2.4	1320-2800
Solução:
cimento	1.8-2.2	1930-3000
Lima	1.5-2.1	1870-2300

Medir essa velocidade em áreas relativamente pequenas (em média 0,1-1 m) é um problema técnico relativamente complexo que só pode ser resolvido com um alto nível de desenvolvimento da eletrônica de rádio. De todos os métodos existentes para medir a velocidade de propagação do ultrassom, em termos da possibilidade de sua aplicação para testes materiais de construção, pode-se distinguir:

Método do interferômetro acústico;

Método de ressonância;

Método das ondas viajantes;

método de impulso.

Para medir a velocidade do ultrassom no concreto, o método de pulso é o mais amplamente utilizado. Baseia-se no envio repetido de pulsos ultrassônicos curtos com uma taxa de repetição de 30-60 Hz no concreto e na medição do tempo de propagação desses pulsos a uma certa distância, chamada de base de sondagem, ou seja,

Portanto, para determinar a velocidade do ultrassom, é necessário medir a distância percorrida pelo pulso (a base da sondagem) e o tempo que o ultrassom leva para se propagar do local de emissão até a recepção. A base do som pode ser medida com qualquer dispositivo com precisão de 0,1 mm. O tempo de propagação do ultrassom na maioria dos dispositivos modernos é medido pelo preenchimento de portas eletrônicas com pulsos de contagem de alta frequência (até 10 MHz), cujo início corresponde ao momento em que o pulso é emitido e o final corresponde ao momento em que chega no receptor. Um diagrama funcional simplificado de tal dispositivo é mostrado na fig. 2.2.49.

O esquema funciona da seguinte forma. O oscilador mestre 1 gera pulsos elétricos com frequência de 30 a 50 Hz, dependendo do projeto do dispositivo, e aciona um gerador de alta tensão 2, que gera pulsos elétricos curtos com amplitude de 100 V. Esses pulsos entram no emissor , no qual, por efeito piezoelétrico, são convertidos em um pacote (de 5 a 15 peças) de vibrações mecânicas com frequência de 60-100 kHz e são introduzidos por lubrificação acústica no produto controlado. Ao mesmo tempo, abre-se o portão eletrônico, que é preenchido com pulsos de contagem, e o scanner é acionado, inicia-se o movimento do feixe de elétrons ao longo da tela do tubo de raios catódicos (CRT).

Arroz. 2.2.49. Diagrama funcional simplificado de um dispositivo ultrassônico:

1 - gerador mestre; 2 - gerador de impulsos elétricos de alta tensão; 3 - emissor de pulsos ultrassônicos; 4 - produto controlado; 5 - receptor; 6 - amplificador; 7 - gerador de formação de comporta; 8 - gerador de contagem de pulsos; 9 - scanner; 10 - indicador; 11 - processador; 12 - bloco de entrada de coeficientes; 13 - indicador digital de valores t,V,R

A onda frontal de um pacote de oscilações mecânicas ultrassônicas, tendo passado pelo produto controlado de comprimento L, enquanto passa o tempo t, entra no receptor 5, no qual é convertida em um pacote de impulsos elétricos.

A rajada de pulsos recebida é amplificada no amplificador 6 e entra no scanner vertical para controle visual na tela do CRT, e o primeiro pulso dessa rajada fecha o portão, interrompendo o acesso dos pulsos de contagem. Assim, as comportas eletrônicas ficavam abertas para contagem de pulsos desde o momento em que as vibrações ultrassônicas eram emitidas até o momento em que chegavam ao receptor, ou seja, tempo t. Em seguida, o contador conta o número de pulsos de contagem que preencheram o portão e o resultado é exibido no indicador 13.

Alguns dispositivos modernos, como "Pulsar-1.1", possuem um processador e uma unidade de entrada de coeficiente, com a ajuda da qual é resolvida a equação analítica da dependência "velocidade-resistência", e tempo t, velocidade V e resistência do concreto R são exibidos no mostrador digital.

Para medir a velocidade de propagação do ultrassom em concreto e outros materiais de construção nos anos 80, os dispositivos ultrassônicos UKB-1M, UK-10P, UK-10PM, UK-10PMS, UK-12P, UF-90PTs, Beton-5 foram produzidos em massa , que eles próprios recomendaram.

Na fig. 2.2.50 mostra uma visão geral do dispositivo UK-10PMS.

Arroz. 2.2.50. Dispositivo ultrassônico UK-10PMS

Fatores que afetam a velocidade de propagação do ultrassom no concreto

Todos os materiais na natureza podem ser divididos em dois grandes grupos, relativamente homogêneos e com grande grau de heterogeneidade ou heterogeneidade. Materiais relativamente homogêneos incluem materiais como vidro, água destilada e outros materiais com densidade constante em condições normais e ausência de inclusões de ar. Para eles, a velocidade de propagação do ultrassom em condições normais é quase constante. Em materiais heterogêneos, que incluem a maior parte dos materiais de construção, inclusive o concreto, a estrutura interna, a interação de micropartículas e grandes elementos constituintes não é constante tanto em volume quanto no tempo. Sua estrutura inclui micro e macroporos, rachaduras, que podem ser secas ou preenchidas com água.

O arranjo mútuo de partículas grandes e pequenas também é instável. Tudo isso leva ao fato de que a densidade e a velocidade de propagação do ultrassom neles não são constantes e variam em uma ampla faixa. Na tabela. 2.2.2 mostra os valores da densidade ρ e da velocidade de propagação do ultrassom V para alguns materiais.

A seguir, veremos como mudanças nos parâmetros do concreto, como resistência, composição e tipo de agregado graúdo, quantidade de cimento, umidade, temperatura e presença de armadura afetam a velocidade de propagação do ultrassom no concreto. Esse conhecimento é necessário para uma avaliação objetiva da possibilidade de testar a resistência do concreto pelo método ultrassônico, bem como para eliminar uma série de erros no controle associados à alteração desses fatores.

Influência da resistência do concreto

Estudos experimentais mostram que, com o aumento da resistência do concreto, a velocidade do ultrassom aumenta.

Isso se explica pelo fato de que o valor da velocidade, assim como o valor da resistência, depende da condição das ligações intraestruturais.

Como pode ser observado no gráfico (Fig. 2.2.51), a dependência "velocidade-resistência" para concretos de diversas composições não é constante, donde se conclui que outros fatores, além da resistência, também influenciam esta dependência.

Arroz. 2.2.51. Relação entre velocidade ultrassônica V e resistência R c para concretos de várias composições

Infelizmente, alguns fatores afetam mais a velocidade do ultrassom do que a força, o que é uma das sérias desvantagens do método ultrassônico.

Se pegarmos concreto de composição constante e alterarmos a resistência adotando W / C diferentes, a influência de outros fatores será constante e a velocidade do ultrassom mudará apenas da resistência do concreto. Nesse caso, a dependência "velocidade-força" se tornará mais definida (Fig. 2.2.52).

Arroz. 2.2.52. Dependência "velocidade-resistência" para uma composição constante de concreto, obtida na fábrica de produtos de concreto nº 1 em Samara

Influência do tipo e marca de cimento

Comparando-se os resultados dos ensaios de concretos com cimento Portland comum e com outros cimentos, pode-se concluir que a composição mineralógica tem pouco efeito na relação "velocidade-resistência". A principal influência é exercida pelo teor de silicato tricálcico e pela finura da moagem do cimento. Um fator mais importante que influencia a relação "velocidade-resistência" é o consumo de cimento por 1 m 3 de concreto, ou seja, a dosagem dele. Com o aumento da quantidade de cimento no concreto, a velocidade do ultrassom aumenta mais lentamente do que a resistência mecânica do concreto.

Isso se explica pelo fato de que, ao passar pelo concreto, o ultrassom se propaga tanto no agregado graúdo quanto na parte da argamassa que liga os grânulos do agregado, e sua velocidade depende em maior medida da velocidade de propagação no agregado graúdo. No entanto, a resistência do concreto depende principalmente da resistência do componente de argamassa. A influência da quantidade de cimento na resistência do concreto e na velocidade do ultrassom é mostrada na fig. 2.2.53.

Arroz. 2.2.53. Efeito da dosagem de cimento na dependência

"força de velocidade"

1 - 400 kg/m3; 2 - 350 kg/m3; 3 - 300 kg/m3; 4 - 250 kg/m3; 5 - 200 kg/m3

Influência da relação água-cimento

Com a diminuição de W / C, a densidade e a resistência do concreto aumentam, respectivamente, a velocidade do ultrassom aumenta. Com o aumento de W/C, observa-se uma relação inversa. Consequentemente, a alteração de A/C não introduz desvios significativos na dependência estabelecida "velocidade-resistência. Portanto, ao construir curvas de calibração para alteração da resistência do concreto, recomenda-se o uso de A/C diferentes.

Ver influênciae quantidade de agregado grosso

O tipo e a quantidade de filler grosso têm um impacto significativo na mudança na dependência "resistência-velocidade". A velocidade do ultrassom no agregado, principalmente em quartzo, basalto, calcário duro, granito, é muito maior que a velocidade de sua propagação no concreto.

O tipo e a quantidade de agregado graúdo também afetam a resistência do concreto. É geralmente aceito que quanto mais forte o agregado, maior a resistência do concreto. Mas às vezes você tem que lidar com tal fenômeno quando o uso de brita menos durável, mas com uma superfície áspera, permite obter concreto com um valor de Re mais alto do que com o uso de cascalho durável, mas com uma superfície lisa.

Com uma ligeira mudança no consumo de pedra britada, a resistência do concreto muda ligeiramente. Ao mesmo tempo, essa mudança na quantidade de carga grossa tem grande influência na velocidade do ultrassom.

Como o concreto está saturado com brita, o valor da velocidade ultrassônica aumenta. O tipo e a quantidade de agregado graúdo afetam a ligação "velocidade - resistência" mais do que outros fatores (Fig. 2.2.54 - 2.2.56)

Arroz. 2.2.54. A influência da presença de agregado graúdo na dependência "velocidade-resistência":

1 - pedra de cimento; 2 - concreto com tamanho de agregado até 30 mm

Arroz. 2.2.55. Dependência "velocidade-resistência" para concretos com diferentes finuras de agregados: 1-1 mm; 2-3 mm; 3-7 mm; 4-30mm

Arroz. 2.2.56. Dependência "velocidade-resistência" para concreto com enchimento de:

1-arenito; 2-calcário; 3-granito; 4-basalto

Pode-se observar nos gráficos que um aumento na quantidade de pedra britada por unidade de volume de concreto ou um aumento na velocidade do ultrassom nele leva a um aumento na velocidade do ultrassom no concreto com mais intensidade do que na resistência.

Influência da umidade e temperatura

O teor de umidade do concreto tem um efeito ambíguo em sua resistência e velocidade ultrassônica. Com o aumento do teor de umidade do concreto, a resistência à compressão diminui devido à alteração nas ligações intercristalinas, mas a velocidade do ultrassom aumenta, pois os poros de ar e as microfissuras são preenchidos com água, uma mais rápido na água do que no ar.

A temperatura do concreto na faixa de 5-40 ° C praticamente não afeta a resistência e a velocidade, mas um aumento na temperatura do concreto endurecido além da faixa especificada leva a uma diminuição de sua resistência e velocidade devido ao aumento da temperatura interna microfissuras.

Em temperaturas negativas, a velocidade do ultrassom aumenta devido à transformação da água não ligada em gelo. Portanto, não é recomendado determinar a resistência do concreto pelo método ultrassônico a uma temperatura negativa.

Propagação de ultrassom em concreto

O concreto em sua estrutura é um material heterogêneo, que inclui uma parte de argamassa e agregado graúdo. A parte da argamassa, por sua vez, é uma pedra de cimento endurecida com inclusão de partículas de areia de quartzo.

Dependendo da finalidade do concreto e de suas características de resistência, a proporção entre cimento, areia, brita e água varia. Além de garantir a resistência, a composição do concreto depende da tecnologia de fabricação de produtos de concreto armado. Por exemplo, com uma tecnologia de produção de cassetes, é necessária uma maior plasticidade da mistura de concreto, o que é alcançado por um maior consumo de cimento e água. Nesse caso, a parte de argamassa do concreto aumenta.

No caso da tecnologia de bancada, especialmente para decapagem imediata, são utilizadas misturas rígidas com consumo reduzido de cimento.

O volume relativo de agregado graúdo neste caso aumenta. Consequentemente, com as mesmas características de resistência do concreto, sua composição pode variar dentro de amplos limites. A formação da estrutura do concreto é influenciada pela tecnologia de fabricação dos produtos: a qualidade da mistura da mistura de concreto, seu transporte, compactação, tratamento térmico e de umidade durante o endurecimento. A partir disso, segue-se que a propriedade do concreto endurecido é influenciada por um grande número de fatores, e a influência é ambígua e de natureza aleatória. Isso explica o alto grau de heterogeneidade do concreto tanto na composição quanto em suas propriedades. A heterogeneidade e as diferentes propriedades do concreto também se refletem em suas características acústicas.

Atualmente, apesar de inúmeras tentativas, ainda não foi desenvolvido um esquema e teoria unificados da propagação do ultrassom através do concreto, o que é explicado por ) Em primeiro lugar, a presença dos inúmeros fatores acima que afetam a resistência e as propriedades acústicas do concreto de diferentes maneiras. Esta situação é agravada pelo facto de ainda não existirem teoria geral propagação de vibrações ultrassônicas através do material com um alto grau heterogeneidade. Esta é a única razão pela qual a velocidade do ultrassom no concreto é determinada como para um material homogêneo pela fórmula

onde L é o caminho percorrido pelo ultrassom, m (base);

t é o tempo gasto na passagem deste caminho, μs.

Vamos considerar com mais detalhes o esquema de propagação do ultrassom pulsado através do concreto como através de um material não homogêneo. Mas primeiro vamos limitar a área em que nosso raciocínio será válido considerando a composição da mistura de concreto, que é mais comum em plantas de concreto armado e canteiros de obras, consistindo de cimento, areia de rio, agregado graúdo e água. Neste caso, assumiremos que a resistência do agregado graúdo é maior que a resistência do concreto. Isso é verdade quando se usa calcário, mármore, granito, dolomita e outras rochas com resistência de cerca de 40 MPa como agregado graúdo. Vamos assumir condicionalmente que o concreto endurecido consiste em dois componentes: uma parte de argamassa relativamente homogênea com densidade ρ e velocidade V e agregado graúdo com ρ e V .

Dadas as suposições e limitações acima, o concreto endurecido pode ser considerado como um meio sólido com uma impedância acústica:

Consideremos o esquema de propagação da onda ultrassônica de cabeça do emissor 1 ao receptor 2 através do concreto endurecido de espessura L (Fig. 2.2.57).

Arroz. 2.2.57. Esquema de propagação da onda ultrassônica da cabeça

em concreto:

1 - emissor; 2 - receptor; 3 - camada de contato; 4 - propagação de ondas em grânulos; 5 - propagação da onda na parte da solução

A onda ultrassônica da cabeça do emissor 1 primeiro entra na camada de contato 3 localizada entre a superfície radiante e o concreto. Para passar pela camada de contato de uma onda ultrassônica, ela deve ser preenchida com um líquido condutor ou lubrificante, que é mais usado como vaselina técnica. Após passar pela camada de contato (no tempo t 0), a onda ultrassônica é parcialmente refletida na direção oposta, e o restante entrará no concreto. Quanto mais fina a camada de contato em comparação com o comprimento de onda, menor a parte da onda será refletida.

Tendo entrado na espessura do concreto, a onda frontal começará a se propagar na parte da argamassa do concreto sobre uma área correspondente ao diâmetro do emissor. Depois de passar uma certa distância Δ eu 1, após o tempo Δ t 1 onda frontal em uma determinada área encontrará um ou mais grânulos agregados grossos, parcialmente refletidos deles, e a maioria deles entrará nos grânulos e começará a se propagar neles. Entre os grânulos, a onda continuará a se propagar pela parte da solução.

Levando em consideração a condição aceita de que a velocidade do ultrassom no material de enchimento grosso é maior do que na parte de argamassa, a distância d, igual ao valor médio do diâmetro da brita, a onda que se propagou pelos grânulos a uma velocidade V 2 será o primeiro a passar, e a onda que passou pela parte da argamassa será atrasada.

Depois de passar pelos primeiros grânulos de agregado graúdo, a onda se aproximará da interface com a peça de argamassa, será parcialmente refletida e entrará parcialmente nela. Neste caso, os grânulos através dos quais a onda frontal passou podem ser ainda considerados como fontes esféricas elementares de radiação de ondas ultrassônicas na parte de argamassa do concreto, às quais o princípio de Huygens pode ser aplicado.

Tendo passado pela solução a distância mínima entre os grânulos vizinhos, a onda frontal entrará neles e começará a se propagar por eles, transformando-os nas próximas fontes elementares. Assim, após o tempo t, tendo passado toda a espessura do concreto L e a segunda camada de contato 3, a onda frontal entrará no receptor 2, onde será convertida em sinal elétrico.

Segue-se do esquema considerado que a onda frontal do emissor 1 ao receptor 2 se propaga ao longo do caminho que passa pelos grânulos de agregado graúdo e a parte de argamassa que liga esses grânulos, e esse caminho é determinado a partir da condição do tempo mínimo gasto t .

Portanto, o tempo t é

onde é o tempo gasto na passagem da parte da argamassa ligando os grânulos;

Tempo necessário para passar pelos grânulos. O caminho L percorrido pelo ultrassom é igual a

onde: é o caminho total percorrido pela onda frontal através da peça de argamassa;

O caminho total percorrido pela onda frontal através dos grânulos.

A distância total L que a onda de arco percorrerá pode ser maior que a distância geométrica entre o transmissor e o receptor, pois a onda se propaga ao longo do caminho de velocidade máxima, e não ao longo da distância geométrica mínima.

O tempo que o ultrassom leva para passar pelas camadas de contato deve ser subtraído do tempo total medido.

As ondas que seguem a onda frontal também se propagam ao longo do caminho de velocidade máxima, mas durante seu movimento encontrarão ondas refletidas da interface entre grânulos de agregado graúdo e a parte de argamassa. Se o diâmetro dos grânulos for igual ao comprimento de onda ou metade dele, pode ocorrer ressonância acústica dentro do grânulo. O efeito da interferência e ressonância pode ser observado na análise espectral de um pacote de ondas ultrassônicas transmitidas através de concretos com diferentes tamanhos de agregados.

O esquema de propagação da onda frontal do ultrassom pulsado considerado acima é válido apenas para concretos com as propriedades indicadas no início da seção, ou seja, a resistência mecânica e a velocidade de propagação do ultrassom no material de onde são obtidos os grânulos de agregado graúdo excedem a resistência e a velocidade na argamassa da parte do concreto. Tais propriedades são possuídas pela maioria dos concretos usados em usinas de concreto armado e canteiros de obras, que usam brita de calcário, mármore, granito. Para concreto de argila expandida, concreto de espuma, concreto com enchimento de tufo, o esquema de propagação de ultrassom pode ser diferente.

A validade do esquema considerado confirma-se por experimentos. Então, da Fig. 2.2.54 pode ser visto que quando uma certa quantidade de brita é adicionada à parte de cimento, a velocidade do ultrassom aumenta com um leve aumento (e às vezes diminuição) na resistência do concreto.

Na fig. 2.2.56 é perceptível que com o aumento da velocidade do ultrassom no material de agregado graúdo, sua velocidade no concreto aumenta.

O aumento da velocidade no concreto com agregados maiores (Fig. 2.2.55) também é explicado por este esquema, pois com o aumento do diâmetro, o caminho do ultrassom através do material agregado se alonga.

O esquema proposto de propagação de ultrassom permitirá avaliar objetivamente as capacidades do método ultrassônico para detecção de falhas e controle de resistência do concreto.

A seção da física do ultrassom é totalmente abordada em várias monografias modernas sobre ecografia. Vamos nos concentrar apenas em algumas das propriedades do ultrassom, sem o conhecimento das quais é impossível entender o processo de obtenção de imagens ultrassonográficas.

Velocidade do ultrassom e resistência de onda específica de tecidos humanos (de acordo com V.N. Demidov)

Uma onda ultrassônica, tendo atingido o limite de dois meios, pode ser refletida ou ir além. O coeficiente de reflexão do ultrassom depende da diferença na resistência ultrassônica na interface entre os meios: quanto maior essa diferença, mais forte o grau de reflexão. O grau de reflexão depende do ângulo de incidência do feixe na interface do meio: quanto mais o ângulo se aproxima de uma linha reta, mais forte é o grau de reflexão.

Assim, sabendo disso, é possível encontrar a frequência ultrassônica ideal, que dá a resolução máxima com poder de penetração suficiente.

Os princípios básicos nos quais se baseia a operação do equipamento de diagnóstico ultrassônico, - isso é Espalhar e reflexo de ultrassom.

O princípio de operação dos aparelhos de ultrassom para diagnóstico é reflexão de vibrações ultrassônicas das interfaces de tecidos com um determinado valor de resistência acústica. Acredita-se que a reflexão das ondas ultrassônicas na interface ocorra quando a diferença entre as densidades acústicas dos meios for de pelo menos 1%. A magnitude da reflexão das ondas sonoras depende da diferença de densidade acústica na interface entre os meios, e o grau de reflexão depende do ângulo de incidência do feixe ultrassônico.

Obtenção de vibrações ultrassônicas

A produção de vibrações ultrassônicas é baseada no efeito piezoelétrico direto e inverso, cuja essência reside no fato de que quando as cargas elétricas são criadas na superfície das faces do cristal, esta começa a encolher e esticar. A vantagem dos transdutores piezoelétricos é a capacidade da fonte de ultrassom de servir simultaneamente como seu receptor.

Diagrama da estrutura do sensor ultrassônico

O sensor contém um piezocristal, em cujas faces os eletrodos são fixados. Atrás do cristal há uma camada de substância que absorve o ultrassom, que se propaga na direção oposta à necessária. Isso melhora a qualidade do feixe ultrassônico resultante. Normalmente, o feixe ultrassônico gerado pelo transdutor tem potência máxima no centro e diminui nas bordas, fazendo com que a resolução do ultrassom seja diferente no centro e na periferia. No centro do feixe, você sempre pode obter reflexões estáveis de objetos mais e menos densos, enquanto na periferia do feixe, objetos menos densos podem refletir e objetos mais densos podem ser refletidos como menos densos.

Os materiais piezoelétricos modernos permitem que os transdutores enviem e recebam ultrassom em uma ampla faixa de frequências. É possível controlar a forma do espectro do sinal acústico, criando e mantendo uma forma de onda gaussiana mais resistente à distorção da banda de frequência e deslocamento da frequência central.

Nos designs mais recentes de dispositivos ultrassônicos, alta resolução e clareza de imagem são fornecidas usando um sistema de foco dinâmico e um filtro de eco de banda larga para focalizar feixes ultrassônicos de entrada e saída por meio de um microcomputador. Desta forma, o perfil ideal e o aprimoramento do feixe de ultrassom e as características de resolução lateral das imagens de estruturas profundas obtidas por varredura setorial são garantidos. Os parâmetros de foco são definidos de acordo com a frequência e o tipo de sensor. O filtro de eco de banda larga oferece uma resolução ideal combinando perfeitamente as frequências para absorver os ecos dos tecidos moles. O uso de sensores multielementos de alta densidade ajuda a eliminar ecos falsos devido à difração lateral e traseira.

Hoje, no mundo, existe uma competição acirrada entre as empresas para criar sistemas visuais de alta qualidade que atendam aos mais altos requisitos.

Em particular, a Acuson Corporation estabeleceu um padrão específico para qualidade de imagem e variedade clínica e desenvolveu a plataforma 128 XP™, um módulo fundamental para melhoria contínua que permite aos médicos expandir o escopo da pesquisa clínica com base nas necessidades.

A plataforma usa 128 canais eletronicamente independentes que podem ser usados simultaneamente para transmissão e recepção, fornecendo resolução espacial excepcional, contraste de tecido e uniformidade de imagem em todo o campo de visão.

Os instrumentos de diagnóstico por ultrassom são divididos em três classes: unidimensionais, bidimensionais e tridimensionais.

Em scanners unidimensionais, as informações sobre um objeto são apresentadas em uma dimensão ao longo da profundidade do objeto e a imagem é registrada como picos verticais. A amplitude e a forma dos picos são usadas para julgar as propriedades estruturais do tecido e a profundidade das áreas de reflexão dos sinais de eco. Este tipo de dispositivo é usado em ecoencefalografia para determinar o deslocamento das estruturas da linha média do cérebro e formações volumétricas (líquidas e sólidas), em oftalmologia - para determinar o tamanho do olho, a presença de tumores e corpos estranhos, em ecopulsografia - para estudar a pulsação das artérias carótidas e vertebrais no pescoço e seus ramos intracranianos, etc. Para esses fins, é usada uma frequência de 0,88-1,76 MHz.

scanners 2D

scanners 2D são divididos em varredura manual e dispositivos de varredura em tempo real.

Atualmente, para o estudo de estruturas de superfície e órgãos internos, são utilizados apenas instrumentos em tempo real, nos quais as informações são refletidas continuamente na tela, o que permite monitorar dinamicamente o estado do órgão, principalmente no estudo de estruturas em movimento. A frequência de operação desses dispositivos é de 0,5 a 10,0 MHz.

Na prática, os sensores com frequência de 2,5 a 8 MHz são mais usados.

Scanners 3D

Para a sua utilização, são necessárias certas condições:

- a presença de uma formação de forma arredondada ou bem contornada;

- a presença de formações estruturais localizadas nos espaços líquidos (feto no útero, globo ocular, pedras na vesícula biliar, corpo estranho, pólipo no estômago ou intestino cheio de líquido, apêndice contra o fundo de líquido inflamatório, bem como todos os abdominais órgãos contra o fundo do líquido ascítico);

- formações estruturais sedentárias (globo ocular, próstata, etc.).

Assim, levando em consideração esses requisitos, os scanners tridimensionais podem ser usados com sucesso para pesquisas em obstetrícia, com patologia volumétrica da cavidade abdominal para diferenciação mais precisa de outras estruturas, em urologia para examinar a próstata a fim de diferenciar a penetração estrutural de a cápsula, em oftalmologia, cardiologia, neurologia e angiologia.

Devido à complexidade de uso, alto custo do equipamento, presença de muitas condições e restrições, eles raramente são usados atualmente. No entanto digitalização 3D — esta é a ecografia do futuro.

ecografia Doppler

O princípio da ultrassonografia Doppler é que a frequência de um sinal ultrassônico, quando refletido de um objeto em movimento, muda proporcionalmente à sua velocidade e depende da frequência do ultrassom e do ângulo entre a direção de propagação do ultrassom e a direção do fluxo. Este método tem sido aplicado com sucesso na cardiologia.

O método também é de interesse para a medicina interna devido à sua capacidade de fornecer informações confiáveis sobre o estado dos vasos sanguíneos dos órgãos internos sem a introdução de agentes de contraste no corpo.

É mais frequentemente usado em um exame abrangente de pacientes com suspeita de hipertensão portal em seus estágios iniciais, para determinar a gravidade dos distúrbios da circulação portal, determinar o nível e a causa do bloqueio no sistema da veia porta e também para estudar alterações no sangue portal fluxo em pacientes com cirrose hepática durante a administração de medicamentos (beta-bloqueadores, inibidores da ECA, etc.).

Todos os dispositivos são equipados com sensores ultrassônicos de dois tipos: eletromecânicos e eletrônicos. Ambos os tipos de sensores, mas mais frequentemente os eletrônicos, possuem modificações para uso em várias áreas medicina no exame de adultos e crianças.

NO versão clássica 4 métodos de digitalização eletrônica são aplicados em tempo real : setorial, linear, convexo e trapezoidal, cada um dos quais é caracterizado por características específicas em relação ao campo de observação. O pesquisador pode escolher o método de escaneamento dependendo da tarefa diante dele e do local.

Varredura Setorial

Vantagens:

- grande campo de visão ao examinar áreas profundas.

Area de aplicação:

– estudos craniológicos de recém-nascidos através de uma grande fontanela;

– estudos cardiológicos;

- exames abdominais gerais dos órgãos pélvicos (especialmente em ginecologia e no estudo da próstata), órgãos do sistema retroperitoneal.

Varredura de linha

Vantagens:

- um grande campo de visão ao examinar áreas rasas do corpo;

- alta resolução no estudo de áreas profundas do corpo devido ao uso de um sensor multielemento;

Area de aplicação:

— estruturas de superfície;

— cardiologia;

– exame dos órgãos pélvicos e região perirrenal;

- em obstetrícia.

digitalização convexa

Vantagens:

- uma pequena área de contato com a superfície do corpo do paciente;

- um grande campo de observação no estudo de áreas profundas.

Area de aplicação:

- exames abdominais gerais.

Varredura trapezoidal

Vantagens:

- um grande campo de observação ao examinar perto da superfície do corpo e órgãos localizados profundamente;

— fácil identificação dos cortes tomográficos.

Area de aplicação:

— exames abdominais gerais;

- obstétrica e ginecológica.

Além dos métodos de digitalização clássicos geralmente aceitos, os designs dos dispositivos mais recentes usam tecnologias que permitem que sejam complementados qualitativamente.

Formato de digitalização vetorial

Vantagens:

— com acesso limitado e varredura do espaço intercostal, fornece características acústicas com uma abertura mínima do sensor. O formato de imagem vetorial oferece uma visão mais ampla nos campos próximos e distantes.

O escopo é o mesmo da varredura de setor.

Digitalização no modo de seleção de área de zoom

Esta é uma varredura especial da área de interesse selecionada pelo operador para aprimorar o conteúdo da informação acústica da imagem no modo Doppler bidimensional e colorido. A área de interesse selecionada é exibida com uso total de linhas acústicas e raster. A melhoria da qualidade da imagem é expressa em linha ideal e densidade de pixels, resolução mais alta, taxa de quadros mais alta e imagem maior.

Com uma seção normal, a mesma informação acústica permanece, enquanto com o formato de seleção de zona de zoom RES usual, a ampliação da imagem com maior resolução e mais informações de diagnóstico são alcançadas.

Visualização Multi-Hertz

Os materiais piezoelétricos de banda larga fornecem aos sensores modernos a capacidade de operar em uma ampla faixa de frequência; fornecem a capacidade de selecionar uma frequência específica de uma ampla banda de frequências disponíveis nos sensores, mantendo a uniformidade da imagem. Esta tecnologia permite que você altere a frequência do sensor com apenas o apertar de um botão, sem perder tempo para substituir o sensor. E isso significa que um sensor equivale a duas ou três características particulares, o que aumenta o valor e a versatilidade clínica dos sensores (Acuson, Siemens).

As informações ultrassônicas necessárias nas instruções mais recentes do dispositivo podem ser congeladas em diferentes modos: modo B, modo 2B, 3D, modo B + B, modo 4B, modo M e registrado usando uma impressora em papel especial, em um computador cassete ou fita de vídeo com processamento de informações por computador.

A imagem ultrassonográfica de órgãos e sistemas do corpo humano está em constante aprimoramento, novos horizontes e oportunidades se abrem constantemente, porém, a correta interpretação das informações recebidas sempre dependerá do nível de treinamento clínico do pesquisador.

A esse respeito, muitas vezes me lembro de uma conversa com um representante da empresa Aloca, que nos procurou para colocar em operação o primeiro dispositivo de tempo real Aloca SSD 202 D (1982). Para minha admiração pelo Japão ter desenvolvido a tecnologia ultrassônica assistida por computador, ele respondeu: “Um computador é bom, mas se outro computador (apontando para a cabeça) não funcionar bem, esse computador não vale nada.”

1. A velocidade de propagação do ultrassom depende da temperatura e pressão na tubulação. Velocidade ultrassônica em valores diferentes a temperatura da água e a pressão atmosférica são fornecidas na Tabela D.1.

Tabela E.1

Aleksandrov A.A., Trakhtengerts M.S. Propriedades termofísicaságua à pressão atmosférica. M. Publishing House of Standards, 1977, 100s. ( serviço público dados de referência padrão. Ser. monografias).

2. Ao usar um medidor de vazão para medir a vazão e o volume de água em sistemas de abastecimento de água e calor, a velocidade do ultrassom é determinada a partir dos dados da Tabela. E.2 pelo método de interpolação linear em temperatura e pressão de acordo com a fórmula:

onde c(t,P) é a velocidade do ultrassom no fluido escoando pela tubulação, m/s;

c(t1) é o valor tabular da velocidade do ultrassom a uma temperatura inferior à medida, m/s;

c(t2) é o valor tabular da velocidade do ultrassom a uma temperatura superior à medida, m/s;

c(P1) é o valor tabular da velocidade do ultrassom a uma pressão menor que a medida, m/s;

c(P2) - valor de tabela da velocidade do ultrassom a uma pressão maior que a medida, m/s;

t é a temperatura da água na tubulação, ºС;

P é a pressão da água na tubulação, MPa;

t1, t2 - valores tabulares de temperaturas, ºС;

P1, P2 - valores tabulares de pressão, MPa;

NOTA.

1. Os valores c(t1) ec(t2) são determinados a partir dos dados da Tabela. D.1. Os valores c(P1) e c(P2) são determinados a partir dos dados da Tabela. D 2. a uma temperatura mais próxima da temperatura da água na tubulação.

2. As medições de temperatura e pressão da água na tubulação devem ser realizadas com erro não superior a ±0,5 ºС e ±0,5 MPa, respectivamente.

Tabela E.2

Continuação da tabela D.2

Aleksandrov A.A., Larkin D.K. Determinação experimental da velocidade do ultrassom em uma ampla faixa de temperaturas e pressões. Journal "Heat power", №2, 1976, p.75.

3. Na ausência de tabelas da dependência da velocidade do ultrassom com a temperatura do líquido, a velocidade do ultrassom pode ser determinada usando o dispositivo mostrado na Fig. E.1. Imediatamente antes de medir a velocidade ultrassônica, o corpo do dispositivo (suporte de aço) é imerso no líquido de teste e o medidor de espessura é ajustado para medir a velocidade ultrassônica. Em seguida, um medidor de espessura ultrassônico mede diretamente a velocidade do ultrassom.

Para medir a velocidade do ultrassom em um líquido, também é possível usar o dispositivo US-12 IM (SCHO 2.048.045 TO) ou outros tipos de medidores de espessura.

Fig. E.1. Um dispositivo para medir a velocidade do ultrassom em um líquido.