Швидкість поширення ультразвуку у різних середовищах. Фізичні принципи ультразвукової візуалізації тканин та органів людини
Ультразвуком називають поздовжні механічні хвилі із частотами коливань вище 20 КГц. Як і звукові хвилі, ультразвукова хвиля є чергуванням згущень і розряджень середовища. У кожному середовищі швидкість поширення, як звуку, і ультразвуку – однакова. Зважаючи на це, довжина ультразвукових хвиль у повітрі менша ніж 17 мМ (V = λ * ν ; V повітря = 330 м/с).
Джерелами ультразвуку є спеціальні електромеханічні випромінювачі. Один тип випромінювачів працюють на основі явища магнітострикції, коли в змінному магнітному полі змінюються розміри деяких тіл (наприклад, нікелевого стрижня). Такі випромінювачі дозволяють отримати коливання із частотами від 20 до 80 КГц. Від джерела змінного струму із зазначеними частотами напруга подається на нікелевий стрижень, поздовжній розмір стрижня змінюється із частотою змінного струму, і бічними гранями зразка випромінюється ультразвукова хвиля (Рис 4).
Другий тип випромінювачів працює з урахуванням пьезоэффекта, як у змінному електричному полі змінюються розміри деяких тіл – матеріалів із сегнетоэлектриков. Для цього типу випромінювачів можна отримувати високочастотні коливання – до 500 МГц. Від джерела змінного струму напруга також подається на бічні грані стрижня виготовленого із сегнетоелектрика (кварц, турмалін), поздовжній розмір стрижня при цьому змінюється з частотою змінного струму, і бічними гранями зразка випромінюється ультразвукова хвиля (Мал. 5). І в першому і другому випадках ультразвук випромінюється внаслідок коливань бічних граней стрижня, в останньому випадку ці грані металізовані для підведення струму до зразка.
Приймачі ультразвуку працюють за принципом зворотних явищ магнітострикції та п'єзоефекту: ультразвукова хвиля викликає коливання лінійних розмірів тіл, коли тіла знаходяться в полі ультразвукової хвилі, коливання розмірів супроводжується появою або змінного магнітного або змінного електричного полів у матеріалі. Ці поля, що виникають у відповідному датчику, реєструються будь-яким індикатором, наприклад, осцилографом. Чим інтенсивніший ультразвук, тим більше амплітуда механічних коливаньзразка - датчика і тим більше амплітуда змінних, що виникають магнітного або електричного полів.
Особливості ультразвуку.
Як було зазначено вище у кожному середовищі швидкість поширення, як звуку, і ультразвуку – однакова. Найбільш важливою особливістю ультразвуку є вузькість ультразвукового пучка, що дозволяє впливати на якісь об'єкти. локально. У неоднорідних середовищах з дрібними неоднорідностями, коли розміри включень приблизно рівні але більші за довжину хвилі (L ≈ λ) має місце явище дифракції. Якщо розміри включень набагато більші за довжину хвилі (L >> λ) має місце прямолінійність поширення ультразвуку. У цьому випадку можна отримувати ультразвукові тіні від таких включень, що використовується при різних видахдіагностики – як технічної, і медичної. Важливим теоретичним моментом при використанні ультразвуку є проходження ультразвуку з одного середовища до іншого. Така характеристика хвиль, як частота у своїй не змінюється. Навпаки, швидкість і довжина хвилі можуть змінюватися. Так, у воді швидкість акустичних хвиль дорівнює 1400 м/с, коли в повітрі – 330 м/с. Проникнення ультразвуку до іншого середовища характеризується коефіцієнтом проникнення (β). Він визначається як відношення інтенсивності хвилі, що потрапила в друге середовище до інтенсивності, що падає хвилі: β = I 2 / I 1– Рис 6. Цей коефіцієнт залежить від співвідношення акустичних імпедансів двох середовищ. Акустичним імпедансом називають добуток щільності середовища на швидкість поширення хвиль у даному середовищі: Z 1 = ρ 1 * V 1, Z 2 = ρ 2 * V 2 . p align="justify"> Коефіцієнт проникнення найбільший - близький до одиниці, якщо акустичні імпеданси двох середовищ приблизно рівні: ρ 1 * V 1 ,≈ ρ 2 * V 2. У разі, якщо імпеданс другого середовища набагато більше, ніж першого, коефіцієнт проникнення – мізерно малий. У загальному випадку коефіцієнт обчислюють за формулою:
Для переходу ультразвуку з повітря до шкіри людини β = 0,08 %, для переходу з гліцерину до шкіри β = 99,7 %.
Поглинання ультразвуку у різних середовищах.
У однорідних середовищах ультразвук поглинається, як і будь-який вид випромінювань – згідно із законом показової функції: 
Величину L' - називають шаром половинного поглинання - це відстань, на якому інтенсивність хвилі зменшується вдвічі. Шар половинного поглинання залежить від частоти ультразвуку та самої тканини – об'єкта. Зі збільшенням частоти величина L 1/2 зменшується. Для різних тканин організму мають місце такі значення ступеня поглинання ультразвуку:
| Речовина | Вода | Кров | Хрящ | Кістка |
| L’ | 300 см | 2 – 8 см | 0,24 см | 0,05 см |
Дія ультразвуку на тканини організму.
Має місце три види дії ультразвуку:
Механічне,
Теплове,
Хімічна.
Ступінь дії того чи іншого виду визначається інтенсивністю. У зв'язку з цим у медицині розрізняють три рівні інтенсивностей ультразвуків:
1 рівень - до 1,5 Вт/см 2 ,
2 рівень - від 1,5 до 3 Вт/см 2 ,
3 рівень - від 3 до 10 Вт/см 2 .
Усі три види впливу ультразвуку на тканини пов'язані з явищем кавітації - це короткочасні (половини періодів коливань частинок середовища) виникнення мікроскопічних порожнин у місцях розрядження середовища. Ці порожнини заповнюються парами рідини, і у фазі підвищеного тиску(інша половина періоду коливань частинок середовища) відбувається схлопування порожнин, що утворилися. При великих інтенсивностях хвиль схлопування порожнин з парами рідини, що знаходяться в них, може привести руйнівному механічному впливу. Природно, схлопування мікропорожнин супроводжується тепловим ефектом. З процесом схлопывания мікропорожнин пов'язана і хімічна дія ультразвуку, так як при цьому частки середовища досягають великих швидкостей поступального руху, що може викликати явище іонізації, розриву хімічних зв'язків, утворення радикалів Радикали, що утворилися, можуть вступати у взаємодію з білками, лмпідами, нуклеїновими кислотамита викликати небажані впливи хімічної природи.
6.Особливості струму крові по великих судинах, середніх і дрібних судинах, капілярах;
Струм крові при звуженні судини, звукові ефекти.
Швидкість кровотоку у різних судинах різна. Орієнтовні значення цієї швидкості представлені у табл. 2.1.
Таблиця 2.1. Швидкість та тиск крові у різних судинах
На перший погляд, здається, що наведені значення суперечать рівнянню нерозривності – у тонких капілярах швидкість кровотоку менша ніж у артеріях. Однак це невідповідність здається. Річ у тім, що у табл. 2.1 наведено діаметр однієї судини, але в міру розгалуження судин площа кожної з них зменшується, а сумарна площа розгалуження зростає. Так, сумарна площа всіх капілярів (приблизно 2000 см 2 ) у сотні разів перевищує площу аорти – цим і пояснюється така мала швидкість крові у капілярах (у 500 – 600 разів менша, ніж в аорті).
Надалі, коли капіляри зливаються у венули, у вени, до порожнистої вени, сумарний просвіт судин знову зменшується і, швидкість перебігу крові знову збільшується. Однак, через ряд причин, швидкість кровотоку при впаданні порожнистої вени в серце збільшується не до вихідного значення, а приблизно до ½ від нього (рис. 2.7).
Аорта артерії артеріоли капіляри венули вени порожня вена
Мал. 2.7. Розподіл швидкостей кровотоку у різних відділах
серцево-судинної системи
У капілярах та венах кровотік постійний, в інших відділах серцево-судинної системи спостерігаються пульсові хвилі.
хвилю підвищеного тиску, що поширюється по аорті і артеріях, викликану викидом крові з лівого шлуночка серця в період систоли, називають пульсовою хвилею.
При скороченні серцевого м'яза (систола) кров викидається з серця в аорту і артерії, що відходять від неї. Якби стінки цих судин були жорсткими, то тиск, що виникає в крові на виході із серця, зі швидкістю звуку передалося б до периферії. Однак пружність стінок судин призводить до того, що під час систоли кров, що виштовхується серцем, розтягує аорту, артерії та артеріоли. Великі судини сприймають під час систоли більше крові, ніж її відтікає до периферії. Систолічний тиск (Р С) людини в нормі дорівнює приблизно 16 кПа. Під час розслаблення серця (діастола) розтягнуті кровоносні судини спадають і потенційна енергія, повідомлена ним серцем через кров, перетворюється на кінетичну енергію струму крові, у своїй підтримується діастолічний тиск (Р Д), що дорівнює 11 кПа.
Р, Па Р, Па
1 - в аорті 2 - в артеріолах
Мал. 2.8. Коливання тиску в судинах під час проходження пульсових хвиль
Амплітудою пульсової хвилі Р 0 (х) (пульсовий тиск) називається різниця між максимальним та мінімальним значеннями тисків у даній точці судини (x). На початку аорти амплітуда хвилі Р 0, max дорівнює різниці систолічного (Р С) і діастолічного (Р Д) тисків: Р 0, max = РС - Р Д. Згасання амплітуди пульсової хвилі при її поширенні вздовж судин можна уявити залежністю:
де - коефіцієнт загасання, що збільшується зі зменшенням радіусу судини.
Швидкість поширення пульсової хвилі, виміряна експериментально, становить 6 – 8 м/с, що у 20 – 30 разів більше, ніж швидкість руху частинок крові = 0,3 – 0,5 м/с. За час вигнання крові із шлуночків (час систоли) t с = 0,3 с пульсова хвиля встигає поширитися на відстань
L п = · t з » 2м,
тобто охопити всі великі судини - аорту та артерії. Це означає, що фронт пульсової хвилі досягне кінцівок раніше ніж почнеться спад тиску в аорті.
Експериментальне визначення швидкості пульсової хвилі є основою діагностики стану судин. З віком пружність судин збільшується в 2 - 3 рази, отже, зростає швидкість пульсової хвилі.
Як ясно з дослідів та із загальних уявлень про роботу серця, пульсова хвиля не є синусоїдальною
(Гармонічну) (рис. 2.9).
1 - артерія після проходження 2 - через артерію проходить
пульсової хвилі фронт пульсової хвилі
3 - пульсова хвиля в артерії 4 - спад підвищеного тиску
Мал. 2.9. Профіль артерії під час проходження пульсової хвилі.
Швидкість пульсової хвилі у великих судинах так залежить від їх параметрів (формула Моенса-Кортевега):
, де Е – модуль пружності (модуль Юнга); ρ - густина речовини судини; h – товщина стінки судини; d – діаметр судини.
Цікаво зіставити цю формулу з виразом швидкості поширення звуку в тонкому стрижні:
, Е – модуль Юнга; ρ - густина речовини стрижня
У людини з віком модуль пружності судин зростає, тому стає більше і швидкість пульсової хвилі.
Поряд з пульсовою хвилею в системі «судина-кров» можуть поширюватися і звукові хвилі, швидкість яких дуже велика в порівнянні зі швидкістю руху частинок крові та швидкістю пульсової хвилі. Таким чином, у системі судина-кров можна виділити три основні процеси руху:
1) переміщення частинок крові (=0,5 м/с);
2) поширення пульсової хвилі (~10 м/с);
3) поширення звукових хвиль (~1500 м/с).
Течія крові в артеріях в нормі є ламінарною, невелика турбулентність виникає поблизу клапанів. При патології, коли в'язкість буває меншою за норму, число Рейнольдса може перевищувати критичне значення і рух стане турбулентним. Турбулентний перебіг пов'язаний з додатковою витратою енергії при русі рідини, що у разі крові призводить до додаткової роботи серця.
Шум, що виникає при турбулентному перебігу крові, можна використовувати для діагностування захворювань. Цей шум прослуховують на плечовій артерії під час вимірювання тиску крові методом звуків Короткова.
Перебіг повітря в носовій порожнині в нормі ламінарний. Однак при запаленні або будь-яких інших відхиленнях від норми воно може стати турбулентним, що спричинить додаткову роботу дихальних м'язів.
Перехід від ламінарної форми течії до турбулентної відбувається не тільки при течії в трубі (каналі), він характерний майже для всіх в'язких течій рідини. Зокрема, обтікання рідиною профілю корабля або підводного човна, тіла риби або крила літака або птиці також характеризується ламінарно-турбулентним переходом, при цьому у формулу потрібно підставити характерний розмір тіла, що обтікається, і константу, яка залежить від форми тіла.
Подібна інформація.
Швидкість поширення ультразвуку в бетоні коливається від 2800 до 4800 м/с залежно від його структури та міцності (табл. 2.2.2).
Таблиця 2.2.2
| Матеріал | ρ, г/смЗ | vп p , м/с |
| Сталь | 7.8 | |
| Дуралюміній | 2.7 | |
| Мідь | 8.9 | |
| Оргскло | 1.18 | |
| Скло | 3.2 | |
| Повітря | 1.29x10 -3 | |
| Вода | 1.00 | |
| Олія трансф. | 0.895 | |
| Парафін | 0.9 | |
| Гума | 0.9 | |
| Граніт | 2.7 | |
| Мармур | 2.6 | |
| Бетон (понад 30 діб) | 2.3-2.45 | 2800-4800 |
| Цегла: | ||
| силікатний | 1.6-2.5 | 1480-3000 |
| глиняний | 1.2-2.4 | 1320-2800 |
| Розчин: | ||
| цементний | 1.8-2.2 | 1930-3000 |
| вапняний | 1.5-2.1 | 1870-2300 |
Вимірювання такої швидкості на відносно малих ділянках (в середньому 0.1-1 м) є порівняно складним технічним завданням, яке може бути вирішене лише за високого рівня розвитку радіоелектроніки. З усіх існуючих методів вимірювання швидкості розповсюдження ультразвуку з точки зору можливості їх застосування для випробування. будівельних матеріалів, можна виділити такі:
метод акустичного інтерферометра;
резонансний метод;
Метод хвилі, що біжить;
Імпульсний метод.
Для вимірювання швидкості ультразвуку в бетоні найбільшого поширення набув імпульсний метод. Він заснований на багаторазовій посилці в бетон коротких ультразвукових імпульсів з частотою проходження 30-60 Гц і вимірі часу розповсюдження цих імпульсів на певній відстані, яка називається базою прозвучування, тобто.
Отже, щоб визначити швидкість ультразвуку, необхідно виміряти відстань, пройдену імпульсом (база прозвучування), і час, за який ультразвук поширюється від місця випромінювання до прийому. Базу прозвучування можна виміряти будь-яким приладом із точністю до 0.1мм. Час поширення ультразвуку у більшості сучасних приладів вимірюється шляхом заповнення високочастотними (до 10 МГц) рахунковими імпульсами електронних воріт, початок яких відповідає моменту випромінювання імпульсу, а кінець - моменту приходу їх у приймач. Спрощена функціональна схема такого приладу наведена на рис. 2.2.49.
Схема працює в такий спосіб. Задає генератор 1 виробляє електричні імпульси з частотою від 30 до 50 Гц залежно від конструкції приладу і запускає високовольтний генератор 2, який виробляє короткі електричні імпульси з амплітудою 100 В. Ці імпульси надходять у випромінювач, в якому, використовуючи п'єзо від 5 до 15 шт.) механічних коливань із частотою 60-100 кГц і вводяться через акустичне мастило в контрольований виріб. У цей час відкриваються електронні ворота, які заповнюються рахунковими імпульсами, і спрацьовує блок розгортки, починається рух електронного променя екраном электроннолучевой трубки (ЕЛТ).
Мал. 2.2.49. Спрощена функціональна схема ультразвукового приладу:
1 - генератор, що задає; 2 – генератор високовольтних електричних імпульсів; 3 - випромінювач ультразвукових імпульсів; 4 - контрольований виріб; 5 – приймач; 6 – підсилювач; 7 – генератор формування воріт; 8 - генератор лічильних імпульсів; 9 – блок розгортки; 10 – індикатор; 11 – процесор; 12 - блок введення кофіцієнтів; 13 - цифровий індикатор значень t,V,R
Головна хвиля пачки ультразвукових механічних коливань, пройшовши через контрольований виріб довжиною L, при цьому витративши час t, потрапляє в приймач 5, в якому перетворюється на пачку електричних імпульсів.
Пачка імпульсів, що прийшла, посилюється в підсилювачі 6 і потрапляє в блок вертикальної розгортки для візуального контролю на екрані ЕЛТ, а першим імпульсом цієї пачки закриваються ворота, припинивши доступ лічильних імпульсів. Таким чином, електронні ворота були відкриті для рахункових імпульсів з випромінювання ультразвукових коливань до моменту приходу їх у приймач, тобто. час t. Далі лічильник вважає кількість лічильних імпульсів, що заповнили ворота, і результат видається на індикатор 13.
У деяких сучасних приладах, таких як «Пульсар-1.1», є процесор і блок введення коефіцієнтів, за допомогою яких вирішується аналітичне рівняння залежності швидкість-міцність, а на табло цифрової індикації видаються час t, швидкість V і міцність бетону R.
Для вимірювання швидкості поширення ультразвуку в бетоні та інших будівельних матеріалах у 80-ті роки серійно випускалися ультразвукові прилади УКБ-1М, УК-10П, УК-10ПМ, УК-10ПМС, УК-12П, УФ-90ПЦ, Бетон-5, які себе добре зарекомендували.
На рис. 2.2.50 наведено загальний вигляд приладу КК-10ПМС.
Мал. 2.2.50. Ультразвуковий прилад УК-10ПМС
Чинники, що впливають швидкість поширення ультразвуку в бетоні
Усі матеріали в природі можна розділити на дві великі групи», відносно однорідні та з великим ступенем неоднорідності чи гетерогенні. До відносно однорідним можна віднести такі матеріали, як скло, дистильована вода та інші матеріали з постійною для нормальних умов щільністю та відсутністю повітряних включень. Їх швидкість поширення ультразвуку в нормальних умовах практично постійна. У неоднорідних матеріалах, до яких належить більшість будівельних матеріалів, у тому числі і бетон, внутрішня будова, взаємодія мікрочастинок та великих складових елементів непостійно як за обсягом, так і за часом. У їхню структуру входять мікро- і макропори, тріщини, які можуть бути сухими або наповненими водою.
Непостійним є і взаємне розташування великих та дрібних частинок. Все це призводить до того, що щільність і швидкість поширення в них ультразвуку непостійні і коливаються у межах. У табл. 2.2.2 наведено значення щільності ρ та швидкості поширення ультразвуку V для деяких матеріалів.
Далі розглянемо, яким чином впливають зміни таких параметрів бетону, як міцність, склад та вид великого заповнювача, кількість цементу, вологість, температура та наявність арматури на швидкість поширення ультразвуку в бетоні. Ці знання необхідні для об'єктивної оцінки можливості контролю міцності бетону ультразвуковим методом, а також для виключення низки похибок під час контролю, пов'язаних із зміною зазначених факторів.
Вплив міцності бетону
Експериментальні дослідження свідчать, що з підвищенням міцності бетону швидкість ультразвуку збільшується.
Це тим, що значення швидкості, як і значення міцності, залежить від умови внутриструктурных зв'язків.
Як видно з графіка (рис. 2.2.51), залежність "швидкість-міцність" для бетонів різного складу непостійна, з чого випливає, що на цю залежність, крім міцності, впливають інші чинники.
Мал. 2.2.51. Залежність між швидкістю ультразвуку V та міцністю R c для бетонів різних складів
На жаль, деякі фактори впливають на швидкість ультразвуку більшою мірою, ніж міцність, що є одним із серйозних недоліків ультразвукового методу.
Якщо прийняти бетон постійного складу, а міцність змінювати шляхом прийняття різного В/Ц, вплив інших факторів виявиться постійним, і швидкість ультразвуку буде змінюватися тільки від міцності бетону. У цьому випадку залежність "швидкість-міцність" стане більш визначеною (рис. 2.2.52).
Мал. 2.2.52. Залежність "швидкість-міцність" для постійного складу бетону, отримана на заводі ЗБВ №1 м.Самари
Вплив виду та марки цементу
Порівнюючи результати випробувань бетонів на звичайному портландцементі та інших цементах, можна дійти невтішного висновку, що мінералогічний склад мало впливає залежність " швидкість-міцність " . Основний вплив має вміст трикальцієвого силікату і тонкість помелу цементу. Найважливішим чинником, впливає залежність " швидкість-міцність " , є витрата цементу на 1 м 3 бетону, тобто. його дозування. Зі збільшенням кількості цементу в бетоні швидкість ультразвуку зростає повільніше, ніж механічна міцність бетону.
Це пояснюється тим, що ультразвук при проходженні через бетон поширюється як по великому заповнювачу, так і по розчинній частині, що з'єднує гранули заповнювача, і його швидкість залежить від швидкості поширення у великому заповнювачі. Проте міцність бетону переважно залежить від міцності розчинної складової. Вплив кількості цементу на міцність бетону та швидкість ультразвуку наведено на рис. 2.2.53.
Мал. 2.2.53. Вплив дозування цементу на залежність
"швидкість-міцність"
1- 400 кг/м 3; 2 - 350 кг/м 3; 3 - 300 кг/м3; 4 - 250 кг/м 3; 5 - 200 кг/м3
Вплив водоцементного відношення
Зі зменшенням В/Ц збільшуються щільність та міцність бетону відповідно підвищується швидкість ультразвуку. У разі збільшення В/Ц спостерігається зворотна залежність. Отже, зміна В/Ц не вносить суттєвих відхилень у встановлену залежність "швидкість-міцність. Тому при побудові градуювальних графіків для зміни міцності бетону рекомендується застосовувати різне В/Ц.
Вплив видуі кількості великого заповнювача
Вигляд і кількість великого заповнювача істотно впливають на зміну залежності "швидкість-міцність". Швидкість ультразвуку в заповнювачі, особливо в таких як кварц, базальт, твердий вапняк, граніт, значно більша за швидкість поширення його в бетоні.
Вид та кількість великого заповнювача впливають і на міцність бетону. Зазвичай прийнято вважати, що чим міцніше заповнювач, тим вища міцність бетону. Але іноді доводиться стикатися з таким явищем, коли застосування менш міцного щебеню, але з шорсткою поверхнею дозволяє отримати бетон з більш високим значенням Re, ніж при використанні міцного гравію, але з гладкою поверхнею
При незначній зміні витрати щебеню міцність бетону незначно змінюється. Водночас така зміна кількості великого заповнювача дуже впливає на швидкість ультразвуку.
У міру насичення бетону щебенем значення швидкості ультразвуку збільшується. Вигляд та кількість великого заповнювача впливають на зв'язок "швидкість - міцність" більше, ніж інші фактори (рис. 2.2.54 – 2.2.56)
Мал. 2.2.54. Вплив наявності великого заповнювача на залежність "швидкість-міцність":
1 – цементний камінь; 2 - бетон із заповнювачем крупністю до 30 мм
Мал. 2.2.55. Залежність "швидкість-міцність" для бетонів із різною крупністю заповнювачів: 1-1 мм; 2-3 мм; 3-7 мм; 4-30 мм
Мал. 2.2.56. Залежність "швидкість-міцність" для бетонів із заповнювачем з:
1-пісковика; 2-вапняку; 3-граніту; 4-базальта
З графіків видно, що збільшення кількості щебеню на одиницю об'єму бетону або підвищення швидкості ультразвуку в ньому призводить до збільшення швидкості ультразвуку в бетоні інтенсивніше, ніж міцність.
Вплив вологості та температури
Вологість бетону неоднозначно впливає на його міцність та швидкість ультразвуку. З підвищенням вологості бетону, межа міцності при стисканні зменшується за рахунок зміни міжкристалічних зв'язків, але швидкість ультразвуку зростає, оскільки повітряні пори та мікротріщини заповнюються водою, ашвидкість у воді більша, ніж у повітрі.
Температура бетону в діапазоні 5-40 ° С практично не впливає на міцність і швидкість, але підвищення температури затверділого бетону за межі зазначеного діапазону призводить до зменшення його міцності та швидкості внаслідок збільшення внутрішніх мікротріщин.
При негативній температурі швидкість ультразвуку підвищується за рахунок перетворення незв'язаної води на лід. Тому визначати міцність бетону ультразвуковим методом за негативної температури не рекомендується.
Поширення ультразвуку в бетоні
Бетон за своєю структурою є гетерогенним матеріалом, до складу якого входять розчинна частина та великий заповнювач. Розчинна частина, у свою чергу, є затверділим цементним каменем з включенням частинок кварцового піску.
Залежно від призначення бетону та його характеристик міцності співвідношення між цементом, піском, щебенем і водою буває різним. Крім забезпечення міцності склад бетону залежить від технології виготовлення залізобетонних виробів. Наприклад, при касетній технології виробництва необхідна велика пластичність бетонної суміші, що досягається підвищеною витратою цементу та води. І тут збільшується розчинна частина бетону.
У разі стендової технології, особливо при негайній розпалубці, використовуються жорсткі суміші зі зниженою витратою цементу.
Відносний обсяг великого заповнювача у разі збільшується. Отже, при одних і тих же характеристиках міцності бетону його склад може змінюватися у великих межах. На структуроутворення бетону впливає технологія виготовлення виробів: якість перемішування бетонної суміші, її транспортування, ущільнення, термоволога під час твердіння. З цього випливає, що на властивість затверділого бетону впливає велика кількість факторів, причому неоднозначний вплив і носить випадковий характер. Цим пояснюється високий рівень неоднорідності бетону як за складом, так і за його властивостями. Неоднорідність та різні властивості бетону відбиваються і на його акустичних характеристиках.
В даний час, незважаючи на численні спроби, ще не розроблена єдина схема та теорія розповсюдження ультразвуку через бетон, що пояснюється ) насамперед, наявністю зазначених вище численних чинників, які по-різному впливають на міцнісні та акустичні властивості бетону. Таке становище посилюється і тим, що ще не розроблено загальна теоріяпоширення ультразвукових коливань через матеріал з високим ступенемнеоднорідності. Тільки тому швидкість ультразвуку в бетоні визначається як для однорідного матеріалу за формулою
де L - шлях, пройдений ультразвуком, м (база);
t - час, витрачений проходження даного шляху, мкс.
Розглянемо детальніше схему поширення імпульсного ультразвуку через бетон як через неоднорідний матеріал. Але спочатку обмежимо область, в якій будуть справедливі наші міркування, тим, що розглянемо найпоширеніший на заводах ЗБВ та будівництві склад бетонної суміші, що складається з цементу, річкового піску, великого заповнювача та води. При цьому вважатимемо, що міцність великого заповнювача вища, ніж міцність бетону. Це справедливо при використанні як великий заповнювач вапняку, мармуру, граніту, доломіту та інших порід з міцністю близько 40 МПа. Умовно приймемо, що бетон, що затвердів, складається з двох компонентів: щодо однорідної розчинної частини з щільністю ρ і швидкістю V і великого заповнювача з ρ і V .
З урахуванням зазначених припущень та обмежень затверділий бетон можна розглядати як тверде середовище з акустичним імпедансом:
Розглянемо схему поширення головної ультразвукової хвилі від випромінювача 1 до приймача 2 через затверділий бетон завтовшки L (рис. 2.2.57).
Мал. 2.2.57. Схема поширення головної ультразвукової хвилі
у бетоні:
1 – випромінювач; 2 – приймач; 3 – контактний шар; 4 - поширення хвилі у гранулах; 5 - поширення хвилі у розчинній частині
Головна ультразвукова хвиля від випромінювача 1 в першу чергу потрапляє в контактний шар 3, розташований між випромінювальною поверхнею та бетоном. Для проходження через контактний шар ультразвукової хвилі він повинен бути заповнений провідною рідиною або мастилом, якою найчастіше використовується технічний вазелін. Пройшовши через контактний шар (за час t0), ультразвукова хвиля частково відбивається у зворотному напрямку, а решта увійде до бетону. Чим тонший контактний шар у порівнянні з довжиною хвилі, тим менша частина хвилі відобразиться.
Увійшовши в товщу бетону, головна хвиля почне розповсюджуватися в розчинній частині бетону на площі, що відповідає діаметру випромінювача. Пройшовши певну відстань Δ l 1, через час Δ t 1 головна хвиля на певній площі зустріне одну або кілька гранул великого заповнювача, частково від них відіб'ється, а більшість увійде в гранули і почне в них поширюватися. Між гранулами хвиля продовжуватиме поширюватися по розчинній частині.
Враховуючи прийняту умову, що швидкість ультразвуку в матеріалі великого заповнювача більша, ніж у розчинній частині, відстань d, рівну усередненому значенню діаметра щебеню, першою пройде хвиля, яка поширювалася через гранули зі швидкістю V 2 а хвиля, що пройшла через розчинну частину, буде запізнюватися .
Пройшовши через перші гранули великого заповнювача, хвиля підійде до межі розділу з розчинною частиною, частково відіб'ється, а частково увійде до неї. При цьому гранули, через які пройшла головна хвиля, надалі можна розглядати як елементарні сферичні джерела випромінювання ультразвукової хвилі розчинну частину бетону, до якої можна застосувати принцип Гюйгенса.
Пройшовши по розчину мінімальну відстань між сусідніми гранулами, головна хвиля увійде в них і почне по них поширюватися, перетворюючи їх на чергові елементарні джерела. Таким чином, через час t, пройшовши всю товщу бетону L і другий контактний шар 3, головна хвиля потрапить у приймач 2 де перетворюється в електричний сигнал.
З розглянутої схеми слід, що головна хвиля від випромінювача 1 до приймача 2 поширюється шляхом, що проходить через гранули великого заповнювача і розчинну частину, що з'єднує ці гранули, причому цей шлях визначається з умови мінімуму витраченого часу t.
Звідси час t дорівнює
де - час, витрачений проходження розчинної частини, що з'єднує гранули;
Час, витрачений проходження через гранули. Пройдений ультразвуком шлях L дорівнює
де: - загальний шлях, пройдений головною хвилею через розчинну частину;
Загальний шлях, пройдений головною хвилею через гранули.
Повна відстань L, яку пройде головна хвиля, може бути більшою за геометричну відстань між випромінювачем і приймачем, оскільки хвиля поширюється шляхом максимальної швидкості, а не по мінімальній геометричній відстані.
Час, витрачений ультразвуком проходження через контактні шари, необхідно віднімати із загального виміряного часу.
Хвилі, які йдуть за головною, також поширюються шляхом максимальної швидкості, але при своєму русі зустрічатимуть відбиті хвилі від меж розділу гранул великого заповнювача і розчинної частини. Якщо діаметр гранул виявиться рівним довжині хвилі або її половині, може виникнути всередині гранули акустичний резонанс. Ефект інтерференції та резонансу можна спостерігати при спектральному аналізі пачки ультразвукових хвиль, що пройшли через бетон із різною крупністю заповнювача.
Розглянута вище схема поширення головної хвилі імпульсного ультразвуку справедлива лише бетонів із зазначеними на початку розділу властивостями, тобто. механічна міцність та швидкість поширення ультразвуку в матеріалі, з якого отримані гранули великого заповнювача, перевищують міцність та швидкість у розчинній частині бетону. Такими властивостями володіє більшість бетонів, що застосовуються на заводах ЗБВ та будівельних майданчиках, в яких використовується щебінь з вапняку, мармуру, граніту. Для керамзитобетону, пінобетону, бетону з туфовим заповнювачем схема розповсюдження ультразвуку може бути іншою.
Справедливість розглянутої схеми підтверджується експериментами. Так, із рис. 2.2.54 видно, що при додаванні до цементної частини певної кількості щебеню швидкість ультразвуку підвищується при незначному збільшенні (а іноді й зменшенні) міцності бетону.
На рис. 2.2.56 помітно, що з підвищенням швидкості ультразвуку в матеріалі великого заповнювача швидкість його в бетоні зростає.
Збільшення швидкості в бетоні з більшим заповнювачем (рис. 2.2.55) також пояснюється даною схемою, оскільки зі збільшенням діаметра подовжується шлях проходження ультразвуку через матеріал заповнювача.
Запропонована схема поширення ультразвуку дозволить об'єктивно оцінити можливості ультразвукового методу при дефектоскопії та контролі міцності бетону.
Розділ фізики ультразвуку досить повно висвітлений у низці сучасних монографій з ехографії. Ми зупинимося лише на деяких властивостях ультразвуку, без знання яких неможливо зрозуміти процес отримання ультразвукової візуалізації.
Швидкість ультразвуку та питомий хвильовий опір тканин людини (за В.М. Демидовим)
Ультразвукова хвиля, досягнувши межі двох середовищ, може позначитися чи піти далі. Коефіцієнт відбиття ультразвуку залежить від різниці ультразвукового опору на межі розділу середовищ: чим більша ця різниця, тим сильніший ступінь відбиття. Ступінь відбиття залежить від кута падіння променя на поверхню розділу середовищ: чим більше кут наближається до прямого, тим сильніший ступінь відбиття.
Таким чином, знаючи це, можна знайти оптимальну ультразвукову частоту, яка дає максимальну роздільну здатність при достатній проникаючій здатності.
Основні принципи, на яких ґрунтується дія ультразвукової діагностичної апаратури, - це поширенняі відображення ультразвуку.
Принцип роботи діагностичних ультразвукових приладів полягає в відображення ультразвукових коливаньвід меж розділу тканин, що мають певну величину акустичного опору. Вважається, що відображення ультразвукових хвиль на межі розділу відбувається при різниці акустичних густин середовищ не менше 1%. Розмір відображення звукових хвиль залежить від різниці акустичної щільності межі розділу середовищ, а ступінь відбиття – від кута падіння ультразвукового променя.
Отримання ультразвукових коливань
В основі отримання ультразвукових коливань лежить прямий та зворотний п'єзоелектричний ефект, сутність якого полягає в тому, що при створенні електричних зарядів на поверхні граней кристала останній починає стискатися та розтягуватися. Перевагою п'єзоелектричних перетворювачів є здатність джерела ультразвуку служити одночасно та його приймачем.
Схема будови ультразвукового датчика
Датчик містить п'єзокристал, на гранях якого закріплені електроди. Ззаду кристала знаходиться прошарок речовини, що поглинає ультразвук, який поширюється в протилежному напрямку необхідному. Це підвищує якість ультразвукового променя. Зазвичай ультразвуковий промінь, що генерується датчиком, має максимальну потужність по центру, а по краях вона знижується, в результаті чого здатність ультразвуку різна по центру і по периферії. По центру променя завжди можна отримати стійкі відбиття як від більш, так і від менш щільних об'єктів, тоді як по периферії променя менш щільні об'єкти можуть давати відображення, а щільніші відбиваються як менш щільні.
Сучасні п'єзоелектричні матеріали дозволяють датчикам посилати та приймати ультразвук у широкому діапазоні частот. Можливе проведення контролю за формою спектра акустичного сигналу, створюючи і зберігаючи гауссову форму сигналу, яка більшою мірою стійка до спотворень смуги частот і зміщення центральної частоти.
В останніх конструкціях ультразвукових приладів висока роздільна здатність і чіткість зображення забезпечуються використанням системи динамічного фокусу і широкосмугового ехофільтра фокусування вхідних і ультразвукових променів, що виходять, за допомогою мікрокомп'ютера. Таким чином забезпечуються ідеальне профільування та покращення ультразвукового променя та характеристик бічної роздільної здатності зображення глибоких структур, що отримуються при секторному скануванні. Параметри фокусування встановлюються відповідно до частоти та типу датчика. Широкосмуговий ехофільтр забезпечує оптимальну роздільну здатність за рахунок ідеального поєднання частот з урахуванням поглинання ехосигналів, що проходять через м'які тканини. Використання багатоелементних датчиків високої щільності сприяє усуненню хибних ехосигналів, що з'являються внаслідок бічної та задньої дифракції.
Сьогодні у світі відбувається жорстока конкуренція фірм щодо створення якісних візуальних систем, що відповідають найвищим вимогам.
Зокрема, корпорація «Acuson» встановила особливий стандарт якості зображення та клінічного різновиду, розробила Платформу 128 ХР TM – базовий модуль для постійних удосконалень, що дозволяє лікарям розширювати сферу клінічних досліджень залежно від потреб.
У Платформі використовуються 128 електронно-незалежних каналів, які можна використовувати одночасно як на передачі, так і на прийомі, забезпечуючи винятковий просторовий дозвіл, контрастування тканин і однорідність зображення у всьому полі огляду.
Ультразвукові діагностичні прилади поділяються на три класи: одновимірні, двовимірні та тривимірні.
В одновимірних сканерах інформація про об'єкт подається в одному вимірі по глибині об'єкта, а зображення реєструється у вигляді вертикальних піків. За амплітудою та формою піків судять про структурні властивості тканини та глибину ділянок відображення ехосигналів. Цей тип приладів використовується в ехо-енцефалографії для визначення зміщення серединних структур мозку та об'ємних (рідинних та щільних) утворень, в офтальмології – для визначення розміру ока, наявності пухлин та сторонніх тіл, в ехопульсографії – для дослідження пульсації сонних та хребетних артерій їх интракраниальных гілок тощо. Для цього використовується частота 0.88-1.76 МГц.
Двовимірні сканери
Двовимірні сканериділяться на прилади ручного сканування, що працюють у реальному режимі часу.
В даний час для дослідження поверхневих структур і внутрішніх органів використовуються лише прилади, що працюють в реальному масштабі часу, в яких інформація безперервно відбивається на екрані, що дає можливість вести динамічний нагляд за станом органу, особливо при дослідженні структур, що рухаються. Робоча частота даних пристроїв від 0.5 до 10.0 МГц.
Насправді частіше застосовуються датчики з частотою від 2.5 до 8 МГц.
Тривимірні сканери
Для їх застосування потрібні певні умови:
- Наявність освіти, що має округлу або добре контуровану форму;
- Наявність структурних утворень, що знаходяться в рідинних просторах (плід в матці, очне яблуко, камені в жовчному міхурі, стороннє тіло, поліп у заповненому рідиною шлунку або кишечнику, червоподібний відросток на тлі запальної рідини, а також всі органи черевної порожнини на тлі асцитної рідини );
- малорухливі структурні утворення (очне яблуко, простата та ін.).
Таким чином, з урахуванням цих вимог тривимірні сканери з успіхом можуть бути застосовані для дослідження в акушерстві, при об'ємній патології черевної порожнини для більш точної диференціації від інших структур, в урології для дослідження простати з метою диференціації структурної пенетрації капсули, офтальмології, кардіології, неврології та ангіології.
Через складність використання, дорожнечу апаратури, наявність багатьох умов та обмежень в даний час вони застосовуються рідко. Однак тривимірне сканування — це ехографія майбутнього.
Доплерехографія
Принцип доплерехографії полягає в тому, що частота ультразвукового сигналу при відображенні від об'єкта, що рухається, змінюється пропорційно його швидкості і залежить від частоти ультразвуку і кута між напрямом поширення ультразвуку і напрямком потоку. Цей метод успішно застосовується в кардіології.
Метод представляє інтерес і для внутрішньої медицини у зв'язку з його можливостями надавати достовірну інформацію про стан кровоносних судин внутрішніх органів без введення контрастних речовин в організм.
Найчастіше використовується в комплексному обстеженні хворих з підозрою на портальну гіпертензію на її ранніх стадіях, при визначенні ступеня вираженості порушень портального кровообігу, з'ясуванні рівня та причини блокади в системі ворітної вени, а також для вивчення зміни портального кровотоку у хворих з цирозом печінки при адмініструванні медикаментозних препаратів (бетаблокаторів, інгібіторів АПФ та ін.).
Усі прилади оснащені ультразвуковими датчиками двох типів: електромеханічними та електронними. Обидва типи датчиків, але частіше електронні, мають модифікації для використання в різних областяхмедицини при обстеженні дорослих та дітей.
У класичному варіантіреального масштабу часу застосовуються 4 методи електронного сканування : секторне, лінійне, конвексне та трапецієдальне,кожен із яких характеризується специфічними особливостями щодо поля спостереження. Дослідник може вибрати метод сканування в залежності від завдання і місця локації, що стоїть перед ним.
Секторне сканування
Переваги:
- Велике поле зору при дослідженні глибоких ділянок.
Область застосування:
- Краніологічні дослідження новонароджених через велике тім'ячко;
- Кардіологічні дослідження;
- загальні абдомінальні дослідження органів малого тазу (особливо в гінекології та при дослідженні простати), органів ретроперитонеальної системи.
Лінійне сканування
Переваги:
— велике поле зору щодо неглибоких ділянок тіла;
- Висока роздільна здатність при дослідженні глибоких ділянок тіла завдяки використанню багатоелементного датчика;
Область застосування:
- Поверхневі структури;
- Кардіологія;
- дослідження органів малого тазу та паранефральної області;
- В акушерстві.
Конвексне сканування
Переваги:
- Невелика площа контакту з поверхнею тіла пацієнта;
- Велике поле спостереження при дослідженні глибоких ділянок.
Область застосування:
- Загальні абдомінальні дослідження.
Трапецієдальне сканування
Переваги:
- велике поле спостереження при дослідженні близько до поверхні тіла та глибоко розташованих органів;
- Легка ідентифікація томографічних зрізів.
Область застосування:
- загальні абдомінальні дослідження;
- Акушерські та гінекологічні.
Окрім загальноприйнятих класичних методів сканування у конструкціях останніх приладів застосовуються технології, що дозволяють якісно доповнити їх.
Векторний формат сканування
Переваги:
— при обмеженому доступі та скануванні з міжребер'я забезпечує акустичні характеристики при мінімальній апертурі датчика. Векторний формат візуалізації дає більш широкий огляд у ближньому та далекому полі.
Область застосування така сама, як при секторному скануванні.
Сканування в режимі вибору зони збільшення
Це особливе сканування обраної оператором зони інтересу підвищення акустичного інформаційного змісту зображення в двовимірному і кольоровому доплерівському режимі. Вибрана зона інтересу відображається з повним використанням акустичних та растрових ліній. Підвищення якості зображення виявляється в оптимальній щільності ліній та пікселів, підвищеній роздільній здатності, підвищенні частоти кадрів та збільшенні зображення.
При звичайній ділянці залишається колишня акустична інформація, а при звичайному форматі вибору зони збільшення RES досягається збільшення зображення з підвищеною роздільною здатністю та великою діагностичною інформацією.
Візуалізація Мульті-Герц
Широкосмугові п'єзоелектричні матеріали забезпечують сучасним датчикам можливість працювати у широкому діапазоні частот; являють можливість вибору конкретної частоти з широкої смуги частот, що є в датчиках, зберігаючи при цьому однорідність зображення. Ця технологія дозволяє змінювати частоту датчика одним натисканням кнопки, не витрачаючи час на заміну датчика. А це означає, що один датчик еквівалентний двом або трьом приватним характеристикам, що підвищує цінність та клінічну різнобічність датчиків (Acuson, Simens).
Потрібна ультразвукова інформація в останніх інструкціях приладів може бути заморожена в різних режимах: B-mode, 2B-mode, 3D, В+В mode, 4B-mode, M-mode та реєструватися за допомогою принтера на спеціальному папері, на комп'ютерній касеті або відеострічці з комп'ютерною обробкою інформації.
Ультразвукова візуалізація органів та систем людського організму безперервно вдосконалюється, постійно відкриваються нові горизонти та можливості, проте правильна інтерпретація отриманої інформації завжди залежатиме від рівня клінічної підготовки лікаря-дослідника.
У зв'язку з цим часто згадую розмову з представником фірми «Aloca», який приїхав до нас здати в експлуатацію перший прилад у реальному масштабі часу «Aloca» SSD 202 D (1982 р.). На моє захоплення тим, що в Японії розроблено технологію ультразвукового приладу з комп'ютерною обробкою зображення, він відповів так: «Комп'ютер — це добре, але якщо інший комп'ютер (показуючи на голову) погано працює, то комп'ютер нічого не вартий».
1. Швидкість поширення ультразвуку залежить від температури та тиску у трубопроводі. Швидкість ультразвуку при різних значенняхтемператури води та атмосферному тиску наведена в табл.Д.1.
Таблиця Д.1
Александров А.А., Трахтенгерц М.С. Теплофізичні властивостіводи за атмосферного тиску. М. Видавництво стандартів, 1977, 100с. ( Державна службастандартні довідкові дані. Сер. монографії).
2. При використанні витратоміра для вимірювання витрати та об'єму води в системах водо та теплопостачання швидкість ультразвуку визначається за даними табл. Д.2 методом лінійної інтерполяції за температурою та тиском відповідно до формули:
де c(t,P) – швидкість ультразвуку в рідині, що протікає трубопроводом, м/с;
c(t1) – табличне значення швидкості ультразвуку за температури меншої, ніж виміряне, м/с;
c(t2) – табличне значення швидкості ультразвуку при температурі більшій, ніж виміряне, м/с;
c(P1) – табличне значення швидкості ультразвуку при тиску меншому, ніж виміряне, м/с;
c(P2) – табличне значення швидкості ультразвуку при тиску більшому, ніж виміряне, м/с;
t – температура води у трубопроводі, ºС;
P – тиск води у трубопроводі, МПа;
t1, t2 - табличні значення температур, ºС;
P1, P2 - табличні значення тисків, МПа;
ПРИМІТКА.
1. Значення c(t1) та c(t2) визначаються за даними табл. Д 1. Значення c(P1) та c(P2) визначається за даними табл. Д 2. при температурі, найближчій до температури води в трубопроводі.
2. Вимірювання температури та тиску води у трубопроводі повинні виконуватися з похибкою не більше ±0,5 ºС та ±0,5 МПа відповідно.
Таблиця Д.2
Продовження таблиці Д.2
Александров А.А., Ларкін Д.К. Експериментальне визначення швидкості ультразвуку у широкому діапазоні температур та тисків. Журнал "Теплоенергетика", №2, 1976, стор.75.
3. За відсутності таблиць залежності швидкості ультразвуку від температури рідини швидкість ультразвуку може визначатися за допомогою пристрою, зображеного на рис.Д.1. Безпосередньо перед вимірюванням швидкості ультразвуку корпус пристосування (скоба сталева) занурюється в досліджувану рідину, а товщиномір налаштовується для вимірювання швидкості ультразвуку. Потім ультразвуковим товщиноміром проводиться безпосередній вимір швидкості ультразвуку.
Для вимірювання швидкості ультразвуку в рідині можливе застосування приладу УС-12 ІМ (ЩО 2.048.045 ТО) або товщиномірів інших типів.
Рис.Д.1. Пристрій для вимірювання швидкості ультразвуку рідини.