Лекция Методи за приемане на акустични сигнали и за измерване на



Дата21.01.2018
Размер104.78 Kb.
#49917
ТипЛекция




Лекция 3. Методи за приемане на акустични сигнали и за измерване на

акустични полета.

В медицинските или биологични приложения необходимоста от приемане и измерване на ултразвука възниква в три обширни области:


  • За получаване на диагностична информация от пациента.

  • За измерване акустическите свойства на тъканите и други среди.

  • За измерване и контрол на акустичните полета, с които се облъчват живи тъкани, включително и тъкани на пациенти.

При това основният интерес е насочен към изясняване на връзката между

физическите параметри на въздействащото поле с възможните биологически изменения т.е. към въпросите на дозиметрията. Ултразвукът не се възприема непосредствено от човешките сенсорни органи, и затова е необходимо да се използва някакъв физически ефект, или последователност от ефекти, така че действието на ултразвука да може да се измери количествено. Очевидно, от практическа гледна точка, за предпочитане са тези ефекти, които водят непосредствено до електически сигнали, които лесно се измерват и обработват. Основнити физически ефекти използвани за за прием и измерване на акустически полета са показани на Таблица 1.

Таблица 1

Физически ефект

Измерван параметър

Пространствена разделителна способност [m]

Разделителна способност във времето [s]

Пиезоелектрически

р(налягане)

10-6

10-9

Отместване(капацитивен)

d(отместване)

10-3

10-7

Отместване(оптическа интерферометрия)

d(отместване)

10-4

10-7

Радиационно налягане

I(интензитет)

10-3

1

Калориметрия

I(интензитет)

10-4

10-3

Оптическа дифракция

р(налягане)

10-4

10-9


Пиезоелектрически приемници

Пиезоелектрическият ефект, освен за направата на излъчватели, е най-разпространения метод и за приемане на акустически вълни. Приемниците се изготвят обикновено от голям брой елементи подредени като едномерна или двумерна решетка. Така се образува достатъчно голяма апертура, която трябва да не е по-малка от 30 дължини на вълната, което е минимално изискване за за постигане на добра насоченост. Зад преобразователя се монтира поглъщащ слой за да не се получават резонансни биения, които да намалят времевата разделителна способност.

Изискванията към приемниците, предназначени за диагностика се различават значително от изискванията към приемниците за дозиметрия и за измерване свойствата на материалите.

В диагностиката основно изискване е да се получи максимална информация при зададено облъчване, на което се подлага пациента.

За измерване свойствата на материали или разтвори в тясна честотна област добър приемник е кварца, който има ниска елктромеханична ефективност, но много малки акустични загуби и оттам многа тясна резонансна крива.

При дозиметричните измервания са необходими малки физически размери на приемника и равномерна честотна характеристика, поради което се използват пиезокерамика или пиезополимери в нерезонансен режим.

Друг проблем е когато трябва да се измерват силно нееднородни акустични полета. В този случай приемникът трябва да има апертура значително по-малка от дължината на вълната в дадената среда. Използват се различни конструкции базирани или на механично сканиране на точков приемник или чрез използване на многоелементна матрица от елементарни приемници, които получават сигнали независимо един от друг.

На фиг.1 е показана конструкцията на приемник с точкова апертура и с висока пространствена разделителна способност.



Фиг.1 Конструкция на хидрофон с висока пространствена разделителна

способност.

Тук означенията са както следва: 1- мембрана; 2 – конус от алуминии; 3-акустична леща; 4-електроакустически преобразовател. Очевидно само налягането в точката на върха на конуса се измерва от сенсора 4.

Друга възможност да се избегне влиянието на крайната апертура на приемника е като се приложи математическа обработка на сигнала чрез операцията “конволюция”, с която се отделя влиянието на апертурната функция. Това, обаче води до загуба на чувствителност.

Детектори на отместване

Характеристиките на акустичното поле могат да се определят като се

измерва локалното отместване d на повърхноста на средата предизвикано от компонентите на надлъжната вълна, нормално на тази повърхност. За плоска хармонична вълна налягането се изразява чрез отместванито посредством простата връзка:

p=-idρωc (1)


1. Капацитивни приемници на отместване

Първите приемници използващи този подход са били капацитивни електростатични преобразователи, чиято геометрия наподобява кондензатор. В режим на приемане акустическата вълна пада нормално на повърхноста на електрода, който е подвижен и акустичното налягане води до малко отместване d, което променя капацитета на кондензатора. Ако се поддържа постоянно напрежение, заряда върху електродите ще се променя, и неговото измерване позволява да се определи отместването d. Този метод има малка пространствена разделителна способност, поради това че електродът е с голяма площ (апертура) за да има голям капацитет.


2. Приемници на отместване на базата на оптична интерференция

Оптичните интерференчни приемници на отместване имат следните предимства: Високо отношение сигнал-шум; защитеност от електромагнитни смущения; широк честотен диапазон (от 0 до над МНz); съвместимост с оптическите информационни канали и др.

На фиг. 2 е показана схемата на интерференчния метод. Интерференчната картина се образува от наслагване на две кохерентни оптически вълни. Едната се получава след отражение от неподвижно огледало (опорен лъч), а втората се получава след отражение от тънка податлива на деформации мемебрана, която е разположена на повърхноста на течност, в която се разпространява акустичната вълна. Чрез сканиране на мембраната с тънък лазерен лъч може да се получи разпределението на акустичните амплитуди в равнината на интърфейса. За чувствителноста на метода може да се съди по това че амплитудата на акустична вълна с интензивност 10 mW/сm2 и честота 2 MHz във вода е от порядъка на оптическата дължина на вълната λ. Недостатък на метода е че трудно се изолира измерителната установка от вибрации и затова е приложим главно в лабораторни условия.

Фиг.2 Интерференчен метод за измерване на амплитудата на акустична вълна


Друг пример за интерференчен сензор с оптични влакна е интерферометъра на Мах-Цендер, чиято схема е показана на фиг.3. Светлинният лъч от лазер 1 се разделя в две оптически влакна 3 и 4. В едното влакно 3 се разпространява опорен сигнал чиято фаза може да се настройва плавно с пиезоелемент 2. Другото влакно 4 е сензора, потопен в средата в която се разпространява акустичната вълна. Променливото акустично налягане предизвиква деформации във влакното 4 и съответни промени в коефициента на пречупване на материала, което води до фазова модулация на работния лъч. След регистрацията на двата лъча от фотоприемник 5 фазовата разлика, която е пропорционална на акустичното налягане, може да се измери с голяма точност по електронен път с помощта на фазов анализатор 6.

Фиг.3 Интерферометър на Мах-Цендер


Измерители на радиационно налягане

Известен е ефектът на възникване на постоянна сила, наречена радиационно

налягане, изпитвана от тяло, което поглъща или отразява излъчената акустична енергия. Радиационното налягане може да се измерва с голяма точност, и е свързано еднозначно с параметрите на акустичното поле. Това позволява сравнително просто да се измерват параметрите на акустичното поле. Недостатък е малката чувствителност на метода поради това че радиационното налягане зависи от интензивноста на вълната. Теорията на явлението е сложна и се описва от нелинейни акустични уравнения (втори порядък на приближение). В приближение на плоска хармонична вълна задачата съществено се упростява. Основният резултат от такъв подход ни дава проста връзка между радиационното налягане в дадена точка от идеална поглъщаща мишена Fр и интензивноста Iр =pvр в тази точка. Силата е насочена по вътрешната нормала на обекта:

(2)

където с е скороста на акустичната вълна, к е константа зависеща от геометрията на взаимодействие; за пълно поглъщане от обекта к=1, за пълно нормално отражение к=2 и за частично поглъщане или произволно отражение 0<k<2. Когато интензивноста варира в сечението на акустичния сноп общата сила се получава след интегриране по площта на мишената:



(3)

Скобките < > означават усреднение по времето. Тук средната по време излъчена от излъчвателя мощност се дава от . Тази връзка позволява от измереното радиационно налягане да се оцени пряко един параметър на акустичното поле (интензивноста).

Измерванията на акустическата радиационна сила позволява да се извършват абсолютни измервания в два случая:

Измерване на общата мощност на снопа, при което сечението на

мишената трябва да надвишава общото ефективно сечение на акустическия сноп.

Измерване на локална интензивност, когато мишената трябва да бъде

малка относно характерните размери на нееднородностите на акустичното поле.

Измервания с голяма мишена

На фиг.4 е дадена конструкция на измерител на радиационно налягяне с голяма мишена, която обикновенно е отражаваща за да се избегнат температурните аномалии свързани с нагряване на поглъщаща мишена. Радиационното налягане може да се измерва с аналитични везни, с електромагнитни компенсационни прибори с нулево отклонение, компенсационни прибори с поплавък и др. Излъчвателят е закрепен към неподвижна стена. Отразяващата пластинка (мишена) е закачена с тънки найлонови корди към точна измерителна везна. За да се избегне влиянието на температурно зависимата ефективна маса на потопената във вода пластинка, на гърба и има компенсиращ слой парафин, който е по-лек от водата.



Фиг.4 Измерител на радиационно налягане с голяма отразяваща мишена.

Измерването на радиационното налягане може да се използва за калибровка на хидрофони по следната процедура. Първо измерваме радиационното налягане F. След това сканираме с хидрофона същото сечение в акустичното поле, което се заема от мишената като измерваме получените сигнали (напрежение е на електродите на хидрофона на празен ход):

е=Мр (4)

където М е чувствителноста на хидрофона, която трябва да се определи. От известната връзка между интензивност и налягане за плоска хармонична вълна получаваме:



(5)

Накрая като използваме (3) и (5) след усредняване по времето и интегриране по площта на мишената получаваме за чувствителноста на хидрофона:



(6)

Трябва да отбележим, че този метод е приет за един от стандартите за измерване на акустични полета за медицински приложения.



Измервания с малка мишена

Ако искаме да използваме измерването на радиационнот налягане за локално измерване на акустическата интензивност трябва първо размерите на мишената да са малки спрямо пространствените промени на полето и второ лесно да се изчислява взаимодействието вълна-мишена. Затова се избира мишена във вид на малка стоманена сфера (сачмен лагер).



Фиг.5 Измерване на радиационно налягане с малка сферична мишена във вид на

махало

На фиг.5 е дадена схема за измерване на локална акустична интензивност с помощта на малка отразяваща сферична мишена, която е закачена с две тънки нишки за да се отклонява само в едно направление, и е потопена в течноста в която се разпространява акустичната вълна. За сфера може да се изчисли връзката между радиационната сила и параметрите на сферата както следва от формулата:



(7)

където L е дължината на махалото, d хоризонталното отклонение на махалото, m масата на сферата, g земното ускорение.


Калориметрични приемници

Най-универсалния метод за определяне на енергията, свързана с дадено

физическо явление, е метода основан на пълно преобразуване на енергията в таплина, която може да се измери. Калориметричните приемници са подходящи за измерване на общата акустическа мощност на излъчвателя при условие че апертурата на калориметъра е по-голяма от диаметъра на акустическия сноп. Този метод успешно се прилага, например за калибровка на мощни излъчватели, използвани за лечение болеста на Менер. На фиг.6 е показана примерна конструкция на акустичен калориметър. Акустическата вълна, излъчена от излъчвателя 1 преминава през воден слой, който изолира външната температура и се поглъща от течност 4 с голямо акустично поглъщане, например тетрахлорметан. Течноста е затворена в съд 4 с добра термоизолация, например Дюаров съд. Нарастването на температурата се измерва с термодвойка 5. Средната интензивност на звуковото поле се дава от формулата:

I = C V(T2T1)/А (8)

където А е сечение на звуковия поток, V е обема, а С е топлоемкоста на поглътителя. Времето за което калориметъра се облъчва е τ.



Фиг.6 Схема на акустичен калориметър



Фиг.7 Термоелектричния сигнал получен от термодвойка в калориметър.

Характерната форма на сигнала получен от термодвойката когато калориметъра е облъчен с акустичен импулс с дължина 1 секунда, е показан на фиг.7. Първоначалният участък на бързо нарастване на температурата се дължи на вискозното взаимодействие между измерителния проводник и средата, а следващият линеен участък на нарастване се определя от акустичното поглъщане в средата. Ако средата е с неизвестен коефициент на поглъщане един калибриран калориметър дава с голяма точност локалното поглъщане. При измерване на големи мощности калориметричния приемник има предимство пред пиезоелектричните приемници, тъй като поради своята инертност изглажда бързите нелинейни пулсации а също така не се влияе от силните електромагитни полета на излъчвателя.

Оптическа дифракция от акустични вълни

Тъй като скороста на светлината е на 6 порядъка по-голяма от скороста на звука, периодическите вариации в плътноста на средата, в която се разпространява звуковата вълна образуват дифракционна решетка, която може да считаме за неподвижна. Светлинен, монохромен лазерен лъч падащ нормално на посоката на акустичния сноп дифрагира от тази решетка и образува дифракционна картина на Раман-Нат както е показано на фиг.8. Ако отделим само първия дифракционнен порядък и регистрираме неговата интензивност с помощта на фотодиод можем да визуализираме акустичното поле на бягаща или стояща вълна, а също така еволюцията във времето на акустични вълнови пакети. Може също да се наблюдава разпространението на вълновия пакет и неговото взаимодействие с различни обекти или нееднородности.





Фиг.8 Дифракция на Раман –Нат за визуализация на акустични полета
Каталог: ~tank -> MedicalAcoustics
~tank -> Програма за изчисляване на средна стойност
MedicalAcoustics -> Лекция приложение на ултразвука в терапията и в
MedicalAcoustics -> Лекция Теоретически основи на вълновата акустика
MedicalAcoustics -> Конспект Теоретически основи на вълновата акустика
MedicalAcoustics -> Лекция 11. Биологически ефекти на акустичните вълни. Акустоелектричен ефект в електролити и дисперсни системи
MedicalAcoustics -> Лекция Нелинейни акустични ефекти в течности и биосреди
MedicalAcoustics -> Лекция Акустична кавитация в течности и биологични среди


Сподели с приятели:




©obuch.info 2024
отнасят до администрацията

    Начална страница