Метод экспресс-оценки плотности энергии в ультразвуковом поле.

Московский Государственный технический университет

Им. Н.Э. Баумана

 

Лабораторная работа

по курсу «Основы медицинской акустики»

Лабораторная работа:4

«Измерение энергетических параметров ультразвукового поля и визуализация их распределения »

 

Москва, 2017

Цель работы: экспериментально определить плотность мощности и распределение энергии в ультразвуковом поле .

Задачи работы: 1) изучить теорию распределения энергии в акустическом поле; 2) ознакомиться с основами калориметрического метода определения энергетических параметров; 3) провести измерения мощности излучаемого в жидкость ультразвука тензометрическим датчиком (электронными весами) и по изменению температуры жидкости в сосуде Дьюара, в зависимости от времени; 4) построить калибровочные кривые зависимости плотности мощности ультразвка в жидкости от показаний выходного прибора генератора ультразвука; 5) проанализировать полученные в процессе лабораторной работы результаты и сделать выводы.

 

1. Теоретическая часть

(Материал теоретической части построен на материалах литературных источников [1-9], рекомендуемых для изучения по программе Медицинская акустика»).

Введение.

Метод экспресс-оценки плотности энергии в ультразвуковом поле.

Решение ряда задач, связанных с практическим применением ультразвука, невозможно без знания характера акустического поля, то есть распределения в пространстве звукового давления или интенсивности. Известно, например, что скорость разрушения клеток крови в суспензии под действием ультразвука зависит от его интенсивности. Однако, даже плоский излучатель, используемый в установке для определения скорости ультразвукового цитолизиса, дает весьма неоднородное поле. Действие ультразвука существенно зависит от его интенсивности, меняя которую, можно получить различные эффекты. Поэтому выбор, а значит, и измерение интенсивности высокочастотного ультразвука или распределение плотностей акустической мощности требует особой тщательности. В качестве энергетической характеристики ультразвука низкой частоты следует пользоваться плотностью мощности или энергии в поле, т.к. интенсивность – по определению – величина, характеризуемая энергией плоскойволны, переносимой за единицу времени через единичную поверхность. При низких же частотах ультразвука, когда размеры его излучателя больше длины волны (λ=с/f) , плоская волна просто не может возникнуть.

Измерение энергии, излучаемой ультразвуковым преобразователем, является основным параметром ультразвуковых установок и определяет качество и интенсивность процессов в ультразвуковом поле.

Имеется ряд физических явлений, которые используются для регистрации и измерения параметров акустических полей. В случаях, когда появляется необходимость определять средние значения мощности ультразвука или плотности энергии в ультразвуковом поле, практическое преимущество имеют способы, основанные на измерении механических усилий, возникающих в ультразвуковом поле за счет радиационного давления. Радиационное давление- физическое явление испытываемое телом, которое поглощает или отражает пучок излучаемой энергии и наблюдаемое в ультразвуковом поле. 

Эту силу можно измерить с большой точностью, ее измерение лежит в основе относительно простого способа оценки акустического поля в основных физических единицах.  На настоящий момент этот метод признан международным стандартом для измерения акустической мощности в жидкостях.

Устройства, реализующие метод, основанный на измерении радиационного давления, отличаются друг от друга по чувствительности и по методу измерения силы. Имеются приборы, основанные на стандартных аналитических весах, на электромагнитных компенсационных приборах нулевого отклонения, на датчиках деформаций и компенсационных приборах поплавкового типа.

Все эти измерители имеют относительно сложную конструкцию и предназначены для измерения не слишком высокой мощности ультразвукового излучения (от 0,05 Вт до 30 Вт), и только с частотами от 0,5 до 12 МГц.  Однако, упомянутые устройства не могут обеспечить измерение ультразвукового излучения с частотой 20 – 50 кГц с мощностью 100 Вт и выше. В связи с тем, что длина волны ультразвука при частотах 20 – 50 кГц намного превышает размеры излучателя, распространение таких волн, в отличие от высокочастотных волн, практически не подчиняется законам геометрической оптики, и не может быть представлена «… в виде коллимированного, сфокусированного или несколько расходящегося пучка ультразвуковой энергии в воде…»

Для измерения энергии, излучаемой мощным низкочастотным преобразователем ультразвука, используется калориметрический метод - самый известный метод определения акустической энергии ультразвуковых установок. В то же время это и  наиболее универсальный метод определения энергии, связанной с различными физическими явлениями, — такими как полное преобразование этой энергии - в тепло; и далее в измеряемый подъем температуры среды в теплоизолированном объеме с известной теплоемкостью и плотностью среды:

                                                              

где,   ΔT=Т₂-Т_1, t - время воздействия ультразвуком на жидкость в теплоизолированной емкости, С – теплоемкость среды, Ρ – плотность среды.     

Использование калориметрического метода для определения акустической мощности, также как и других методов, описанных выше, имеет ряд недостатков:

- процесс измерения занимает достаточно много времени;

- процесс измерения требует проведения различных измерений и вычислений;

- отсутствие какой-либо автоматизации увеличивает погрешность измерений.

Соответственно, в настоящее время не существует простых, удобных и дешевых измерителей мощности низкочастотного ультразвука.

Усредненное значение плотности энергии в ультразвуковом поле можно с достаточной точностью оценить тензометрически, основываясь на способности ультразвука инициировать акустические потоки в жидкости, вызывающие в дополнение к гидростатическому, также и появление гидродинамического давления на преграду.

 

Рис.1 Способ экспресс-измерения плотности мощности в ультразвуковом поле низкочастотных (например, хирургических) излучателей. 1-излучатель ультразвука, 2- сосуд с водой, 3- лабораторные весы.

 

Дополнительное гидродинамическое давление зависит от мощности излучения и коэффициента поглощения ультразвука, который для разбавленных водных растворов можно считать практически одинаковым. Для измерения гидродинамического давления можно использовать любое тензометрическое устройство, например электронные лабораторные весы.

Градуировка осуществляется  сравнением вычисленных значений мощности ультразвука, полученных калориметрическим методом, с показаниями весов, выполняющих роль тензометрического устройства. Градуировку следует проводить с использованием теплоизолированного объема (сосуда Дьюара). Поскольку практически вся акустическая энергия переходит в тепловую, измерение разности температуры Δt, позволяет по приведенной формуле вычислить величину акустической мощности. Ниже приведен пример градуировки для лабораторного ультразвукового дезинтегратора.

 

 

(Показания весов)

Рис.2. Калибровка лабораторного ультразвукового дезинтегратора.

 

Представляет самостоятельный интерес и распределение интенсивности (плотности энергии) в ультразвуковом поле, так как эта величина может меняться в зависимости от формы ультразвукового реактора и особенностей конструкции излучателя. Так, например, распределение интенсивности вдоль диаметра плоского излучателя, излучающего ультразвук в воду или другую жидкость, на некотором расстоянии от него измеряют точеч­ным приемником ультразвука и координатным устройством из двух взаимно перпендикулярных линеек. (Рис. 1а).

а

б

Рис. 3   Регистрация распределения интенсивности ультра­звука вдоль диаметра высокочастотного излучателя. а) 1- из­лучатель ультразвука; 2 - кювета с жидкостью; 3 - ультразвуковой зонд, 4 - координатное устройство; 5 - чувствительный элемент зонда - дифференциальная термопара, один из спаев которой сенсибилизирован эпоксидной смолой; 5 - градуированный график, б) - распределение интенсив­ности для излучателя с диаметром 40 мм.

 

 

I max

I ср

Диаметр излучателя

Площадь под экспериментальной кривой пропорциональна энергии ультразвука. (Рис.4). Средняя интенсивность соответствует высоте прямоугольника, построенного на том же основании, что и экспериментальная кривая, причем площадь прямоугольника равна площади, ограниченной экспериментальной кривой.

Рис.4 . Распределение интенсивностей

в поле терапевтического излучателя.  

 

Особенно актуальна оценка распределения интенсивности в поле медицинских ультразвуковых излучателей при определении порогов действия ультразвука, поскольку в центре, над плоским излучателем физиотерапевтических аппаратов интенсивность может быть втрое, вчетверо (теоретически,  в 4,3 раза) выше средних значений.

Все известные методы оценки распределение интенсивности (плотности энергии) в ультразвуковом поле, требуют для своей реализации специального инструментального оснащения и не всегда удобны для экспресс оценок.

Известен способ визуализации распределения плотности ультразвуковой энергии в водном растворе красителя по окрашиванию опущенной в раствор бумаги [1], а также способ определения формы ультразвукового поля с использованием ткани клубня картофеля по окрашиванию, обусловленному взаимодействием фонофоретически введенного в ткань клубня ионов йода с крахмалом, в присутствии перекиси водорода. Известны также бумаги реактивные (индикаторные бумаги), впитывающие бумаги с закрепленными на них реагентами, изменяющими цвет при взаимодействии с определяемыми веществами.

Для экспресс-оценки распределения интенсивности удобно пользоваться специальной индикаторной бумагой, содержащей слои крахмала, йодистого калия и гидроперита. Это вещество представляет собой клатрат пероксида водорода с карбамидом CO(NH₂)₂, и при растворении в воде дает раствор пероксида водорода и карбамида . Содержание пероксида водорода в соединении - 35 %.  

 При пропитке индикаторной бумаги водой, обеспечивающей взаимодействие ионов йода с крахмалом в присутствии перекиси водорода, возникает характерное сине-фиолетовое окрашивание, а поскольку скорость пропитки зависит от плотности энергии ультразвука, то в неоднородном ультразвуковом поле скорость пропитки в разных местах индикаторной бумаги, а, следовательно, и степень ее окрашивания оказывается различной. Ниже приведен пример распределения интенсивности фокусированного ультразвука в кювете ультразвукового ингалятора.

1

2

3

Рис.5. Пример распределения плотности энергии на трех разных уровнях (расстояниях) от излучателя фокусированного ультразвука.

 

ЗАДАНИЕ

1. Планировать эксперимент с целью определения условий проведения и количества опытов, при которых удастся получить надежную и достоверную информацию об исследуемом процессе при минимальном количестве измерений, а также представить эту информацию в удобной форме с количественной оценкой погрешности измерений. При планировании эксперимента учесть стандартные требования к построению зависимостей и количеству измерений для оценки погрешностей.

2. Измерить плотность мощности ультразвука в жидкости калориметрическим и механическим (тензометрическим) способами

3. Построить калибровочные кривые

4. Оценить погрешность измерения плотности мощности в акустическом поле по калибровочной кривой.