Лабораторная работа № 2
ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХОЛОКАЦИИ
Цели работы: изучение принципа действия эхоэнцефалоскопа; определение скорости распространения ультразвука в оргстекле; определение коэффициента поглощения ультразвука в образце.
Оборудование: эхоэнцефалоскоп ручной портативный ЭхЭр – «Сономед», зонд на 1,0 МГц, сосуд с водой, образцы из оргстекла, линейка, микрометр, вазелиновое масло.
Теория вопроса и метод выполнения работы
Ультразвуком называются механические волны с частотами от 2×104 до 1010 Гц. Верхний предел определяется межмолекулярными расстояниями и поэтому зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется ультразвуковая волна.
Для получения и приема ультразвука используют устройства, называемые ультразвуковыми излучателями и приемниками. Принцип действия таких излучателей основан на явлении обратного пьезоэлектрического эффекта.
Распространение ультразвуковых волн в среде обладает рядом особенностей. Вследствие малой длины волны ультразвук излучается в виде узких направленных пучков. Отражение ультразвуковых волн на границе раздела двух сред происходит по законам геометрической оптики. Скорость распространения и поглощения ультразвука существенно зависит от свойств среды. Скорость распространения в твердых телах значительно выше, чем в жидкостях.
Поглощение ультразвука в среде происходит по закону
где 
– интенсивность ультразвука, падающего на слой вещества; 
– интенсивность ультразвука, прошедшего слой вещества толщиной 
; µ – коэффициент поглощения.
Ультразвук очень сильно поглощается газами и во много раз слабее – жидкостями. Например, коэффициент поглощения ультразвука в воздухе примерно в 1000 раз больше, чем в воде. Поэтому контакт между ультразвуковым излучателем и облучаемым объектом не должен содержать воздушной прослойки. Поглощение ультразвука в данной среде зависит от частоты: при повышении частоты коэффициент поглощения увеличивается.
При распространении ультразвуковых волн в жидкостях возникает явление кавитации – образования и исчезновения внутренних разрывов сплошности жидкости. При этом происходит выделение энергии и нагревание жидкости.
Перечисленные свойства ультразвука позволяют широко использовать его в технике и медицине. Ультразвук ускоряет протекание процессов диффузии и растворения, оказывает влияние на скорость химических реакций. Ультразвук большой мощности вызывает гибель вирусов и бактерий, это используется для стерилизации сред. При воздействии ультразвуковых волн малой мощности увеличивается проницаемость клеточных мембран и активизируются процессы обмена в тканях.
Явление кавитации вызывает дробление материалов, помещенных в жидкость, что используется в фармацевтической промышленности для изготовления эмульсий, суспензий и аэрозолей.
В медицине ультразвук применяют для лечения и диагностики. Способность ультразвуковых волн оказывать механическое и тепловое действие на ткани лежит в основе ультразвуковой физиотерапии. В хирургии для резки костной ткани применяют ультразвуковой скальпель.
В диагностических целях ультразвук используют для определения положения и размеров неоднородных включений, полостей, внутренних органов. Различают два метода исследования: теневой и локационный (эхолокация).
Теневой метод основан на регистрации интенсивности ультразвука, прошедшего через исследуемый объект. При наличии внутри него неоднородностей с различными коэффициентами поглощения регистрирующий зонд зафиксирует «звуковые тени» этих неоднородностей.
Более распространен локационный метод, основанный на использовании одиночных импульсов, направляемых в исследуемый объект, и регистрации времени их возвращения и амплитуды после отражения от неоднородностей исследуемого объекта. Зная время, прошедшее от посылки импульса до его возвращения, и скорость распространения ультразвука в данной среде, можно определить расстояние до неоднородностей. Метод ультразвуковой локации применяют для определения опухолей и отеков головного мозга (эхоэнцефалография), положения и размеров сердца (эхокардиография) и т.д.
Метод ультразвуковой локации нашел также применение для ориентации слепых в пространстве. С помощью прибора «Ориентир» можно обнаружить предметы и определить их границы на расстоянии до 10 м.
Приборы и оборудование
Прибор позволяет выполнять диагностику объемных поражений головного мозга путем выявления межполушарной асимметрии и представляет собой локационное устройство, принцип работы которого заключается в изучении зондирующих сигналов с помощью зондов 1,0 МГц, 1,5 МГц или 2,0 МГц в головной мозг пациента, приеме и обработке эхосигналов, отраженных от внутренних структур.
Возбуждение ультразвуковых колебаний и прием эхосигналов при работе прибора выполняется зондом, в состав которого входит ультразвуковой преобразователь. Ультразвуковой преобразователь представляет собой пластину из пьезоэлектрического материала и предназначен для преобразования поступающих на него электрических сигналов в ультразвуковые волны при излучении зондирующего сигнала и, соответственно, для обратного преобразования ультразвуковых волн в электрические сигналы в процессе приема эхо-сигналов.
Ультразвуковая энергия, проходя через исследуемый объект, частично отражается от границ раздела с различными плотностями. Коэффициент отражения тем больше, чем больше разность в плотностях граничащих сред. А на границе любого вещества с воздухом происходит почти полное отражение ультразвуковой энергии. Поэтому для передачи ультразвуковой волны от зонда в исследуемый объект необходимо смазать зонд акустическим гелем.
Прибор работает в двух основных режимах: режиме сбора данных, когда производится запись эхосигнала от одного или двух зондов и в режиме измерений.
В режиме сбора данных выполняется следующие функции:
– запись и отображение в реальном масштабе времени эхосигналов от одного или двух зондов;
– запись трансмиссионного сигнала с последующей возможностью представления его на экране при фиксации изображения при работе двумя зондами.
