U L T R A D Ź W I Ę K I

Cel: pomiar prędkości fali ultradźwiękowej w różnych materiałach

Przyrządy: ultradźwiękowy tester materiałów UNIPAN typ 543, suwmiarka, badane materiały.

Wprowadzenie teoretyczne

Podstawowe informacje o ruchu falowym

Spośród wielu rodzajów fal występujących w przyrodzie najłatwiej dostrzegalne są fale mechaniczne, których istnienie jest ściśle związane ze zjawiskami ruchu występującymi w ośrodkach sprężystych. Cechą charakterystyczną takiego ośrodka jest istnienie sił sprężystych wiążących cząstki, z których jest zbudowany. Wprowadzenie zaburzenia (wytrącanie cząsteczek z położenia równowagi) powoduje jego przenoszenie na kolejne, sąsiadujące warstwy wprawiając je w ruch drgający o określonej częstości. Takie przenoszenie drgań nazywamy ruchem falowym (falą). Inaczej mówiąc ruch falowy związany z drganiami poszczególnych cząsteczek ośrodka sprężystego dookoła ich położenia równowagi polega na transporcie energii przez ośrodek.

Podział fal mechanicznych

a)   W zależności od liczby wymiarów przestrzeni fale dzielimy na: jedno-, dwu- i trójwymiarowe.

b)   W zależności od kształtu powierzchni falowych wyróżniamy fale: płaskie, kuliste, elipsoidalne, kołowe, eliptyczne itp.

c)   W zależności od kierunku ruchu drgającego cząstek w stosunku do kierunku zaburzenia, fale dzielimy na: fale poprzeczne i podłużne.

Zasada Huyghensa (czyt. Hojhensa):

Każdy punkt ośrodka sprężystego, do którego dociera czoło fali (zaburzenia), staje się samodzielnym źródłem kulistych fal cząstkowych.

Rys.1. Rozchodzenie się fali kołowej i płaskiej

Rys.2. Ugięcie fali płaskiej na małym otworze CD. wyciętym w przeszkodzie AB.

Odbicie i załamanie fal

Fala rozchodząca się w ośrodku sprężystym (1) po dojściu do granicy ośrodka (2) o innych właściwościach fizycznych, zostaje częściowo odbita, a częściowo przepuszczona, podlegając załamaniu.

Rys.3. Zjawisko odbicia i załamania światła.

Te dwa zjawiska podlegają następującym prawom:

Fala padająca, odbita i załamana oraz normalna wystawiona w punkcie padania leżą w tej samej płaszczyźnie.

Kąt padania fali jest równy kątowi odbicia od danej powierzchni (a a

Stosunek sinusa kąta padania do sinusa kąta załamania jest równy stosunkowi prędkości rozchodzenia się fali w ośrodku pierwszym do prędkości fali w drugim ośrodku i nosi nazwę współczynnika załamania osrodka drugiego względem pierwszego. Oznaczamy go literą n

(1)

Długością fali nazywamy odległość pomiędzy dwiema najbliższymi cząsteczkami ośrodka (drgającego), które mają jednakowe fazy drgań.

(2)

gdzie:

l (lambda) - długość fali

v - prędkość ruchu falowego

n (ni) - częstość drgań ośrodka

T - okres drgań

Interferencja fal

Jeżeli przez ośrodek sprężysty przechodzą dwie (lub kilka) fale, pochodzące z różnych źródeł, to wychylenie jakiemu podlega każda z cząsteczek ośrodka będzie sumą wychyleń spowodowanych przez poszczególne fale.

Oznacza to, że każda z cząstek drgających uczestniczy w kilku wzajemnie nakładających się ruchach, które mogą się osłabiać lub wzmacniać w zależności od tego, czy drgania odbywają się w fazach zgodnych czy przeciwnych. Zjawisko polegające na wzmacnianiu i osłabianiu drgań będących wynikiem nakładania się dwóch fal o jednakowych częstościach i zgodnych fazach (fale spójne) nazywamy interferencją fal.

Fale stojące

Rys.4. Fale stojące o różnej liczbie węzłów i strzałek.

W przypadku interferencji dwóch fal o jednakowych amplitudach, częstościach i prędkościach rozchodzących się w przeciwnych kierunkach powstaje fala stojąca. Fala stojąca może powstać również na skutek interferencji (nakładania się) fali pierwotnej i odbitej od sztywnej przeszkody.

Rozchodzenie się fal w ośrodkach sprężystych

Wyobraźmy sobie długi, sprężysty pręt o długości l i przekroju poprzecznym S, na który działamy siłą F w czasie Dt (rys.4).

Rys.5. Pręt sprężysty w którym rozchodzi się fala podłużna.

Jeżeli siła zaburzająca F powoduje przesunięcie przekroju S o długości Dl, to zgodnie z II zasadą dynamiki możemy zapisać:

F Dt = m Dv

Zakładając, że odkształcenie pręta jest niewielkie przyjmujemy, że spełnione są warunki obowiązywania prawa Hooke’a (czyt. Huka)

F = S E  (4)

gdzie E - moduł Younga (czyt. Janga).

Masa pręta m = S l r (gdzie r - gęstość materiału pręta), podczas gdy zmiana prędkości cząstek wywołana zaburzeniem

Stąd mamy

oraz 

Jeżeli v - prędkość rozchodzenia zaburzenia, to

(5)

Jest to wzór Newtona, z którego wynika, że prędkość rozchodzenia się fali w pręcie zależy od modułu Younga i gęstości, czyli wielkości charakteryzujących jego właściwości materiałowe, a nie od przekroju czy wywołanego odkształcenia.

Ultradźwięki

Drgania i fale mechaniczne słyszalne dla ucha ludzkiego zajmują zakres pomiędzy 16 a 20 000 Hz (herców, gdzie 1 Hz - jedno drganie na sekundę). Fale akustyczne o częstości mniejszej od 16 Hz nazywamy infradżwiękami, natomiast zakres pomiędzy 20 000 Hz a 10¹⁰ Hz nosi nazwę ultradźwięków. Jedne i drugie nie są słyszalne dla ucha ludzkiego.

Znane są trzy podstawowe metody wytwarzania ultradźwięków: mechaniczna, wykorzystująca zjawisko piezoelektryczne i magnetostrykcyjne.

Mechaniczne wytwarzanie ultradźwięków odbywa się przy wykorzystaniu odpowiedniej konstrukcji piszczałek, generatorów gazowych (np. Hartmanna) i syren.

Najczęściej używanymi piszczałkami ultradźwiękowymi są piszczałki cieczowe. Schemat piszczałki Galtona został przedstawiony na rys.6.

Rys.6. Przekrój piszczałki Galtona.

Wdmuchiwane przez ustnik A powietrze wypływa przez szczelinę C o kształcie pierścienia i uderza w ostrze D. Na skutek tworzenia się wirów ostrze zaczyna drgać z częstością, która może być regulowana odległością d (szczeliny od ostrza), jak również zmianą ciśnienia wdmuchiwanego powietrza. Objętość wnęki rezonansowej V, która jest pobudzona do drgań za pomocą ostrza można zmieniać poprzez przesuwanie tłoka S za pomocą śruby mikrometrycznej E lub B tak, aby częstość drgań ostrza dostroić do częstości rezonansowej wnęki V. Maksymalne częstości ultradźwięków jakie mogą być uzyskiwane wynoszą od 30 do 100 kHz.

Zjawisko magnetostrykcji zostało odkryte przez Joule’a w 1847 roku. Joule badając zachowanie się różnych ciał ferromagnetycznych w zmiennym polu magnetycznym stwierdził, że podlegają one odkształceniu (skróceniu lub wydłużeniu) w kierunku linii sił pola o około 10^-6 - 10^-5 części swej pierwotnej długości.

W ciałach ferromagnetycznych orbity walencyjne atomów nie są całkowicie wypełnione elektronami skutkiem czego powstają nieskompensowane, spinowe momenty magnetyczne zwane elementarnymi magnetonami. Wewnątrz siatki krystalicznej ferromagnetyka tworzą one elementarne obszary magnetyczne (tzw. Obszary Weissa) o średnicy ok. 10 mm. (10^-6m.), które kierują wszystkie elementarne magnesy w jednym kierunku. Umieszczenie ferromagnetyka w zewnętrznym polu magnetycznym powoduje zniekształcenie anizotropowej siatki krystalicznej w kierunku wektora magnetyzacji, a tym samym jej odkształcenie. Przetworniki piezomagnetyczne mogą posiadać różne kształty: pręta, prostopadłościanu lub pierścienia.

Przetwornik w kształcie pręta składa się z rdzenia z nawiniętą cewką, przez którą płynie prąd. Powstające zmienne pole magnetyczne wywołuje zjawisko magnetostrykcyjne, polegające na tworzeniu się odkształceń i naprężeń wzdłuż osi pręta, który wykonuje drgania podłużne z częstością dwukrotnie większą od częstości płynącego prądu (kurczenie i rozszerzanie). Do budowy przetworników magnetostrukcyjnych stosujemy różne materiały ferromagnetyczne oraz ich stopy. Należą do nich: nikiel, permalloy (50% niklu i 50% żelaza), inwar (36% Ni, 64% Fe) i inne, oraz ferryty np. nikiel-cynk zwany ferroxcube (Zn0 F₂0₃, gdzie 20% Zn0).

Przetworniki tego typu mogą pracować w zakresie ultradźwiękowym od 20 do 100 kHz. Należy również wspomnieć o tym, że efekt magnetostrykcyjny zachodzi tylko wtedy, gdy dany materiał zachowuje właściwości ferromagnetyczne. Oznacza to, że wraz ze wzrostem temperatury efekt ten maleje aż do całkowitego zaniku w tzw. Temperaturze C rie w której metal traci swe właściwości ferromagnetyczne.

Zjawisko piezoelektryczne w monokryształach zostało odkryte w 1880 roku przez braci C rie, którzy stwierdzili, że ściskanie lub rozciąganie pewnych kryształów wyzwala na ich powierzchni ładunki elektryczne. Zjawisko odwrotne, polegające na wytwarzaniu w kryształach naprężeń i odkształceń pod wpływem pola elektrycznego, zwane zjawiskiem elektrostrykcyjnym, zostało odkryte znacznie później, około 1945 roku. W związku z tym przeprowadzono badania, których celem było wytworzenie materiałów wykazujących silne zjawisko elektrostrykcyjne. Do materiałów tych należą m.in. tytanian baru i inne tytaniany ziem alkalicznych. Należą one do grupy tzw. ferroelektryków, które pod względem elektrycznym i elektrostrykcyjnym mają podobne właściwości do magnetycznych i magnetostrykcyjnych właściwości ciał ferromagnetycznych. Ferroelektryki posiadają punkt C rie, jak również cechy normalnego dielektryka. W materiałach tych występują, podobnie jak w ferromagnetykach obszary zwane „domenami” (obszary Weissa), które tworzone są przez jednakowo skierowane elektrycznie dipole elementarne tak, że każda domena tworzy jeden dipol elektryczny. Skutkiem tego siatka krystaliczna takiej domeny jest zniekształcona w kierunku polaryzacji. Po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego siatka krystaliczna odkształca się w kierunku pola. Zmienne pole elektryczne będzie w tej sytuacji wywoływało efekt elektrostrykcyjny.

Inną grupą materiałów są piezoelektryczne monokryształy o budowie jonowej, które posiadają regularną siatkę krystaliczną tzn. jednokierunkowe uporządkowanie dipoli elementarnych przez wewnętrzną, spontaniczną polaryzację. Rys.7. przedstawia kryształ kwarcu, którego trwałość budowy wynika z oddziaływania ładunków elektrostatycznych tzn. dodatnich jonów krzemu i ujemnych jonów tlenu. Na podstawie rys.8 możemy stwierdzić, że w sąsiedztwie każdego dodatniego jonu krzemu znajdują się dwa podwójnie zjonizowane, ujemne atomy tlenu (wiązanie jonowe). W przypadku, gdy umieścimy taki kryształ pomiędzy dwiema metalowymi płytkami (rys.9), które następnie poddamy sile ściskającej to deformacja sieci krystalicznej doprowadzi do takiego przesunięcia atomów, że na okładkach pojawi się ładunek elektryczny. Zjawisko to nosi nazwę zjawiska piezoelektrycznego. Występuje ono w płytce kwarcowej, monokrystalicznej odpowiednio wyciętej według tzw. wykroju X lub C rie, który zapewnia odpowiednią orientację atomów sieci krystalicznej w stosunku do kierunku działających sił. Umieszczenie takiej płytki kwarcowej pomiędzy dwiema okładkami kondensatora płaskiego, do którego podłączamy szybkozmienne pole elektryczne spowoduje drgania mechaniczne płytki (zjawisko elektrostrykcyjne). Odkształcenie płytki kwarcowej o grubości 10 mm przy różnicy potencjałów między okładkami rzędu 1000 V, wynosi 21,3 A (21,3 x 10^-7 mm).

Rys.7. Rys.8. Rys.9.

W celu uzyskania dużych mocy fali ultradźwiękowej wykorzystujemy zjawisko rezonansu polegające na zsynchronizowaniu częstości zmian pola elektrycznego z częstością drgań własnych danej płytki, którą dla kwarcu można obliczyć ze wzoru:

(6)

gdzie:

n - częstość drgań własnych danej płytki o wykroju C rie,

l_k - grubość płytki w kierunku X,

E - moduł Younga w kierunku X,

r     - gęstość kwarcu [kg/m³].

Oznacza to, że uzyskanie bardzo dużych częstości jest możliwe dla stosunkowo cienkich płytek kwarcowych. Jednak przy bardzo cienkich płytkach nie można stosować silnych pól elektrycznych ze względu na możliwość ich zniszczenia. Według przeprowadzonych badań, dla płytek o grubości 2-8 mm można stosować napięcia rzędu 1500 V/mm grubości. Obecnie stosowane płytki posiadają grubość od 0,05 mm do 1,3 mm, co umożliwia uzyskanie częstości od 220 kHz do 57 MHz (1 MHz = 10⁶ Hz). Do budowy przetworników ultradźwiękowych używamy oprócz kwarcu: turmalinu, fosforanu amonowego (ADP), siarczanu litu (LSH), tytanianu baru (BAT) i innych.

Odbiorniki ultradźwiękowe

Technika miernictwa ultradźwiękowego obejmuje:

pomiary akustycznych wielkości pola takich, jak: wychylenie, prędkość cząstkowa, ciśnienie akustyczne, przyśpieszenie, natężenie dźwięku oraz jego moc,

pomiary przestrzennego rozkładu pól akustycznych,

pomiar stałych akustycznych badanego ośrodka.

Metody pomiaru dzielimy na: mechaniczne, cieplne (kalorymetryczne) i elektryczne, z których te ostatnie są najczęściej wykorzystywane. Aby przeprowadzić pomiary ultradźwięków na drodze elektrycznej należy wielkości akustyczne zamienić na elektryczne. Stosowane są do tego celu głównie przetworniki piezomagnetyczne i piezoelektryczne, które wykorzystują proces odwrotny do wytwarzania ultradźwięków.

Pomiary ciśnienia akustycznego pola ultradźwiękowego w gazach mogą być również dokonywane za pomocą specjalnych mikrofonów kondensatorowych (pojemnościowych), w których stosowane membrany mają grubość rzędu tysięcznych milimetra.

Rys.10. Piezoelektryczna sonda pomiarowa: 1 - płytka z BAT, 2 – elektrody, 3 – araldyt,  4 - kontakt sprężynowy, 5 - płytka izolacyjna, 6 - obudowa mosiężna.

W odbiornikach piezoelektrycznych wykorzystujemy proste zjawisko piezoelektryczne, w którym odkształcenia spowodowane zmianą ciśnienia akustycznego w kierunku czynnym piezoelektrycznie (w kierunku X) wyzwalają ładunki elektryczne (rys.10). Zaletą tych odbiorników jest wysoka czułość, którą można podwyższyć przez zastosowanie wzmacniacza.

Zastosowanie ultradźwięków

Możemy wyróżnić dwa sposoby wykorzystania ultradźwięków. Pierwszym sa zastosowania wynikające z małej długości fali ultradźwiękowej, drugim - wysoka i łatwo regulowana energia.

Telekomunikacja i hydrolokacja ultradźwiękowa

Ultradźwiękowa telekomunikacja podwodna.

Za pomocą nadajników ultradźwiękowych można w łatwy sposób uzyskać kierunkową wiązkę akustyczną, która może poruszać się w wodzie i być odbierana przez odpowiedni odbiornik. Fale elektromagnetyczne nie mogą rozchodzić się w wodzie, ze względu na jej dobre przewodnictwo elektryczne, stąd np. łączność ultradźwiękowa jest jedynym sposobem porozumiewania się między dwiema zanurzonymi łodziami podwodnymi bez konieczności wynurzania.

Ultradźwiękowa echosonda.

Kierunkowa wiązka ultradźwięków wysyłana jest w postaci impulsów, które po dotarciu do danego obiektu zostają odbite i powracają w kierunku sondy. Znając prędkość dźwięku możemy obliczyć odległość przeszkody od której odbiła się fala. Za pomocą echosondy można określać odległości obiektów pływających po powierzchni, jak również mierzyć głębokość i strukturę dna morskiego, ławicę ryb, wraki statków itp.

Ultradźwiękowe badania materiałów

W badaniach ultradźwiękowychj wykrywanie wad opiera się głównie na odbiciu fali na pęknięciach, rozdwojeniach, jamach osadowych, rysach i pęcherzykach powietrza, znajdujących się wewnątrz danego materiału. Odbicie fali ultradźwiękowej następuje na skutek zmiany współczynnika pochłaniania i akustycznych oporności falowych, które są powodem ugięcia, odbicia i załamania fali. Do badań mikrostruktury materiałów wykorzystuje się urządzenia zwane defektoskopami ultradźwiękowymi, które są wyposażone w oscyloskop katodowy, służący do pomiaru impulsów pochodzących z nadajnika i odbiornika.

Badania mikrostruktury ciał stałych mają na celu stwierdzenie zmian zachodzących na skutek obciążeń mechanicznych, obróbki i działania temperatury. Czujniki wpływające na mikrostrukturę danego materiału powodują zmianę prędkości oraz współczynnika pochłaniania fali ultradźwiękowej. Pomiar tych wielkości (prędkości i pochłaniania fali) w różnych materiałach o różnym stanie skupienia umożliwia wyznaczenie stałych fizycznych i chemicznych różnych ciał, np. stałe sprężystości ciał stałych, k = c_p/c_v (stosunek ciepła właściwego przy stałym ciśnieniu do ciepła właściwego przy stałej objętości) i wiele innych.

Diagnostyka ultradźwiękowa w medycynie

Opiera się ona na tym, że stałe akustyczne (tj. współczynnik pochłaniania i prędkości fali) chorej tkanki są inne niż otaczającej ją tkanki zdrowej. Natężenie używanych ultradźwięków musi być niższe od natężenia „biologicznie czynnego” tak, aby nie wywołało zmian w danym organizmie. Zastosowanie odpowiednich przetworników obrazów optyczno-akustycznych wraz z odpowiednią obróbką danych za pomocą komputera umożliwia wgląd w głąb badanego ustroju i obserwację chorych i uszkodzonych organów.

Ultradźwięki w metalurgii

Wpływ ultradźwięków na właściwości krzepnącego szkła i metali ma na celu odgazowanie tworzącego się stopu, rozdrabnianie ziaren oraz tworzenie stopów związków, które nie mieszają się w normalnych warunkach. Ultradźwięki stosowane w procesie magnesowania materiałów ferromagnetycznych powodują jego utrwalanie i zmniejszanie pozostałości magnetycznej. Przyspieszają również proces azotowania powierzchni podczas hartowania stali oraz trawienie blach w celu usuwania zgorzeliny. Lutowanie ultradźwiękowe umożliwia połączenie ze sobą za pomocą cyny elementów wykonanych z aluminium, dzięki wywołaniu efektu kawitacji (rozrywanie cieczy sprężystej, poddanej działaniu sił dynamicznych np. zmienne ciśnienie akustyczne, związane z tworzeniem się pustych obszarów w cieczy) niszczącej warstewki tlenków powstających na łączonych powierzchniach. Za pomocą ultradźwięków można usuwać różnego rodzaju zanieczyszczenia z małych elementów stosowanych w przemyśle optycznym i precyzyjnym. Wykorzystuje się tutaj silne emulgujące intensywne ruchy mieszające i wstrząsające oraz kawitację. Wybudowane do tego celu płuczki ultrdźwiękowe napełnione cieczą tj. czterochlorkiem węgla, benzyną, alkoholem, usuwają z zanurzonych tam przedmiotów warstwy oleju, tłuszczu, lakieru oraz inne zabrudzenia (np. cząstki stałe).

Obróbka materiałów twardych tj. porcelany, twardej ceramiki i syntetycznych kamieni szlachetnych jest trudna ze względu na koszty stosowania narzędzi. Metoda erozji ultradźwiękowej opiera się na oddziaływaniu drgań ultradźwiękowych z ośrodkiem erozyjnym, który działając na obrabiany materiał powoduje na odrywanie się od niego maleńkich cząsteczek. Dzięki temu erozja ultradźwiękowa umożliwia żłobienie zagłębień i wykonywanie otworów oraz wycinanie dowolnych kształtów i profilów w takich materiałach jak szkło, węglik wolframu i węglik tytanu.

Ultradźwięki w przemyśle spożywczym

Zastosowanie sprowadza się do uszlachetnienia artykułów spożywczych oraz upraszczania i skracania procesów produkcyjnych. Należą do nich m.in. ekstrakcja chmielu (do produkcji piwa) i kawy, sztuczne starzenie win i likierów. Ultradźwięki umożliwiają skrócenie czasu obróbki masy czekoladowej i kakaowej przy zachowaniu aromatu, dzięki przyspieszeniu procesów utleniania i depolimeryzacji. Oddziaływanie ultradźwięków na mleko umożliwia jego sterylizację na zimno przy równoczesnej homogenizacji. Można również stosować ultradźwięki do emulgowania półproduktów przy wyrobie margaryny oraz homogenizowania olejów przy zastosowaniu stosunkowo niskiego ciśnienia.

W przemyśle tekstylnym i papierniczym, wykorzystując fakt, że za pomocą ultradźwięków można rozpylać ciecze, stosuje się przetworniki ultradźwiękowe do suszenia taśmy papierowej i farby drukarskiej. Fale ultradźwiękowe wykorzystujemy również przy produkcji farb i lakierów, farbowaniu włókien tekstylnych oraz praniu silnie zabrudzonych wysokogatunkowych tkanin.

Ultradźwięki w przemyśle chemicznym

Znalazły zastosowanie głównie do przyspieszania reakcji chemicznych. Na skutek podwyższenia energii ruchu cząsteczek, pod wpływem fal ultradźwiękowych występuje zmiana międzycząsteczkowych sił wiążących oraz podwyższona wymiana elektronów dla wielu reakcji chemicznych. W związku z tym zaobserwowano przyspieszenie reakcji utleniania, redukcji i kondensacji oraz polimeryzacji i depolimeryzacji.

Zastosowanie ultradźwięków w energetyce

W energetyce ultradźwięki stosujemy do nadźwiękowienia wody w kotle energetycznym, co zapobiega tworzeniu się kamienia kotłowego. Istniejące warstwy kamienia zostają rozluźnione i rozbite, a strącone wapno może być usunięte przez płukanie. Szeroko prowadzone badania wykazały, że okresowo stosowane impulsy fal ultradźwiękowych o dobranych odpowiednio częstościach skutecznie chronią kocioł przed powstawaniem kamienia kotłowego.

Zastosowanie ultradźwięków w biologii i farmacji

Bakterie i wirusy poddane działaniu ultradźwięków o małym natężeniu są pobudzane do rozmnażania; przy dużych natężeniach fali ultradźwiękowej następuje niszczenie organizmów. W ten sposób, dobierając doświadczalnie natężenie fali ultradźwiękowej udało się zniszczyć pałeczki duru brzusznego, stofilokoki, streptokoki itp. Oraz wirusy wścieklizny. Przyczyną zniszczenia jest nie tylko fizyczne działanie ultradźwięków (kawitacja), lecz również działanie chemiczne, tj. depolimeryzacja łańcuchów białkowych.

Przy nadźwiękowieniu nasion i roślin kiełkujących, ultradźwiękami o małym i średnim natężeniu, w większości przypadków zaobserwowano przyśpieszenie kiełkowania i wzrostu. Oprócz tych zastosowań istnieje również możliwość zabijania szkodliwych dla nasion grzybków pleśni i drożdży. W przemyśle farmaceutycznym bakteriobójcze działanie ultradżwięków znalazło zastosowanie do sterylizacji środków farmaceutycznych. Dyspergujące działanie ultradżwięków umożliwia tworzenie trwałych emulsji i kruszenia kryształów róznych związków (np. penicyliny).

Zastosowanie ultradźwięków w medycynie

Ultradźwięki w medycynie oprócz diagnostyki znalazły zastosowanie w terapii ultradźwiękowej, które obejmuje działanie pobudzające krążenie, przeciwzapalne, znieczulające i rozkurczowe. Działanie fali ultradźwiękowej na tkanki ludzkie powoduje zmianę napięcia mechanicznego tkanek na skutek ruchu drgającego (tzw. mikromasaże) oraz jej ogrzanie wywołane pochłanianiem energii fali.

Za pomocą ultradźwięków można leczyć: mięśniobóle, stłuczenia i skręcenia, zapalenie stawów, odmrożenia i wiele innych schorzeń. Za każdym razem bardzo ważne jest określenie dawki fizycznej (pochłoniętej) dla danego schorzenia. W związku z trudnościami z tym związanymi terapeutyczne zastosowanie ultradźwięków jest ograniczone.

Pomiar prędkości fali ultradźwiękowej w różnych materiałach

W pomiarach prędkości fali ultradźwiękowej wykorzystany zostanie próbnik „Unipan 543”, który służy do pomiaru czasu przejścia fali pomiędzy głowicą nadawczą i odbiorczą. Na płycie czołowej przyrządu umieszczony jest wskaźnik cyfrowy, który pokazuje czas przejścia fali ultradźwiękowej w ms (mikrosekundach), pokrętło zerowania, gniazda do podłączania głowicy nadawczej i odbiorczej, włącznik zasilania, przełącznik dokładności odczytu oraz gniazdo ładowania akumulatorów.

Rys.11. Płyta czołowa miernika UNIPAN 543.

Wykonanie ćwiczenia

Za pomocą suwmiarki zmierzyć wysokość 10 wałków wykonanych z badanych materiałów, dostarczonych przez prowadzącego zajęcia.

Włączyć przyrząd UNIPAN 543 włącznikiem głównym (on/off BATT). Przełącznik dokładności odczytu (ACCURACY) powinien znajdować się w położeniu

Używając wkładki wzorcowej należy wykalibrować przyrząd. Przed wstawieniem wkładki pomiędzy głowice należy ją lekko posmarować gliceryną (lub parafiną). Docisk głowicy nie powinien być zbyt silny. Po włączeniu zasilania i ustawieniu przełącznika dokładności odczytu na zakresie ms, za pomocą pokrętła „zero” należy ustawić na wskaźniku wartość 2,00 ms.

Następnie zmierzyć czas przejścia fali ultradźwiękowej dla dostarczonych wałków z badanego materiału, wykonując po pięć pomiarów dla każdego z nich. Za każdym razem używać należy gliceryny jako środka zwiększającego dopasowanie materiału do głowic.

Obliczyć prędkość v fali ultradźwiękowej dla wartości średnich ze wzoru:

(7)

gdzie:

v - prędkość fali ultradźwiękowej, przechodzącej przez dany materiał w [m/s],

t - czas przejścia fali ultradźwiękowej w [s],

l - długość badanego wałka zmierzona suwmiarką w [m].

Wyniki pomiarów wpisać należy do tabeli pomiarowej.

Po wykonaniu obliczeń przeprowadzić dyskusję błędów metodą różniczkową lub pochodnej logarytmicznej, celem wyznaczenia błędu maksymalnego Dv_max pomiaru prędkości fali ultradźwiękowej w badanym materiale. Za błąd popełniony przy wyznaczaniu długości Dl przy pomocy suwmiarki przyjąć 0,1 mm, natomiast błąd popełniony przy pomiarze czasu przejścia fali przez badany materiał Dt = 0,04 mikrosekundy (0,04 ms).

Tabela

Zagadnienia

Rodzaje fal - podstawowe pojęcia, zjawiska związane z rozchodzeniem się fal, interferencja fal, prędkość fal w ośrodkach sprężystych. Ultradźwięki - sposoby otrzymywania, zjawisko piezoelektryczne, piezomagnetyczne i magnetostrykcyjne. Zastosowanie ultradźwięków.

Literatura

J. Matauschek: Technika ultradźwiękowa, Wyd. Nauk. Techn.,Wasrszawa 1981.

J.E. Elpiner: Ultradźwięki: działanie fizykochemiczne i biologiczne, PWN, Warszawa 1988.

J. Obraz: Ultradźwięki w technice pomiarowej, PWN, Warszawa 1983.

M. Skorko: Fizyka, PWN, Warszwa 1979.