Ultrasuoni - Si tratta di vibrazioni meccaniche elastiche con una frequenza superiore a 18 kHz, che è la soglia superiore di udibilità dell'orecchio umano. A causa dell'aumento della frequenza, le vibrazioni ultrasoniche (USV) hanno una serie di caratteristiche specifiche (capacità di focalizzazione e direttività della radiazione), che consentono di concentrare l'energia acustica su piccole aree della superficie emessa.

Dalla sorgente delle oscillazioni, gli ultrasuoni vengono trasmessi nel mezzo sotto forma di onde elastiche e possono essere rappresentati sotto forma di un'equazione d'onda per un'onda piana longitudinale:

Dove l- spostamento della particella oscillante; T- tempo; X- distanza dalla fonte di vibrazione; Con-velocità del suono nel mezzo.

La velocità del suono è diversa per ciascun mezzo e dipende dalla sua densità ed elasticità. Tipi particolari dell'equazione delle onde consentono di descrivere la propagazione delle onde per molti casi pratici.

Forma d'onda degli ultrasuoni

Le onde ultrasoniche provenienti dalla sorgente di vibrazione si propagano in tutte le direzioni. Vicino ad ogni particella del mezzo ci sono altre particelle che vibrano con essa nella stessa fase. Viene chiamato un insieme di punti che hanno la stessa fase di oscillazione superficie dell'onda.

Si chiama la distanza percorsa da un'onda in un tempo pari al periodo di oscillazione delle particelle del mezzo lunghezza d'onda.

Dove T - periodo di oscillazione; / - frequenza di oscillazione.

Fronte d'ondaè l'insieme dei punti ai quali giungono le oscillazioni in un certo punto nel tempo. In ogni momento c'è un solo fronte d'onda, e si muove continuamente, mentre le superfici d'onda rimangono immobili.

A seconda della forma della superficie dell'onda si distinguono onde piane, cilindriche e sferiche. Nel caso più semplice le superfici delle onde sono piatte e le onde vengono chiamate Piatto, e la fonte della loro eccitazione è l'aereo. Cilindrico sono chiamate onde le cui superfici d'onda sono cilindri concentrici. Le sorgenti di eccitazione di tali onde appaiono sotto forma di una linea retta o di un cilindro. Sferico le onde sono create da sorgenti puntiformi o sferiche i cui raggi sono molto più piccoli della lunghezza d'onda. Se il raggio supera la lunghezza d'onda, può essere considerato piatto.

Equazione di un'onda piana che si propaga lungo un asse X, se la sorgente di eccitazione compie oscillazioni armoniche con frequenza angolare ñ e ampiezza А 0, ha la forma

La fase iniziale a dell'onda è determinata dalla scelta dell'origine delle coordinate X E tempo T.

Quando si analizza il passaggio di una singola onda, l'origine viene solitamente scelta in questo modo UN= 0. Allora l'equazione (3.2) può essere scritta come

L'ultima equazione descrive un'onda viaggiante che si propaga verso valori crescenti (+) o decrescenti (-). È una delle soluzioni dell'equazione delle onde (3.1) per un'onda piana.

A seconda della direzione di vibrazione delle particelle del mezzo rispetto alla direzione di propagazione dell'onda, si distinguono diversi tipi di onde ultrasoniche (Fig. 3.1).

Se le particelle del mezzo oscillano lungo una linea coincidente con la direzione di propagazione dell'onda, tali onde vengono chiamate longitudinale(Fig. 3.1, UN). Quando lo spostamento delle particelle del mezzo avviene in direzione perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda, le onde vengono chiamate trasversale(Fig. 3.1, B).

Riso. 3.1. Schema degli spostamenti oscillatori delle particelle del mezzo per vari tipi di onde: UN- longitudinale; B- trasversale; V- flessione

Solo le onde longitudinali possono propagarsi nei liquidi e nei gas, poiché le deformazioni elastiche in essi si verificano durante la compressione e non si verificano durante il taglio. Sia le onde longitudinali che quelle trasversali possono propagarsi nei solidi, poiché i solidi hanno elasticità di forma, cioè sforzarsi di mantenere la loro forma quando esposti a forze meccaniche. In essi si verificano deformazioni elastiche e sollecitazioni non solo durante la compressione, ma anche durante il taglio.

Nei solidi di piccole dimensioni, come aste e piastre, lo schema di propagazione delle onde è più complesso. In tali corpi si formano onde che sono una combinazione di due tipi principali: torsione, flessione, superficie.

Il tipo di onda in un solido dipende dalla natura dell'eccitazione delle vibrazioni, dalla forma del solido, dalla sua dimensione in relazione alla lunghezza d'onda e in determinate condizioni possono esistere contemporaneamente onde di diversi tipi. Una rappresentazione schematica di un'onda flettente è mostrata in Fig. 3.1, c. Come si può vedere, lo spostamento delle particelle del mezzo avviene sia perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'onda, sia lungo essa. Pertanto, un'onda flettente ha caratteristiche comuni sia alle onde longitudinali che a quelle trasversali.

Dmitrij Levkin

Ultrasuoni- vibrazioni meccaniche situate al di sopra della gamma di frequenze udibili dall'orecchio umano (solitamente 20 kHz). Le vibrazioni ultrasoniche viaggiano in forme d'onda, simili alla propagazione della luce. Tuttavia, a differenza delle onde luminose, che possono viaggiare nel vuoto, gli ultrasuoni richiedono un mezzo elastico come un gas, un liquido o un solido.

, (3)

Per le onde trasversali è determinato dalla formula

Dispersione del suono- dipendenza della velocità di fase delle onde sonore monocromatiche dalla loro frequenza. La dispersione della velocità del suono può essere dovuta sia alle proprietà fisiche del mezzo, sia alla presenza di inclusioni estranee in esso, sia alla presenza di confini del corpo in cui si propaga l'onda sonora.

Tipi di onde ultrasoniche

La maggior parte delle tecniche ad ultrasuoni utilizzano onde longitudinali o di taglio. Esistono anche altre forme di propagazione degli ultrasuoni, comprese le onde di superficie e le onde di Lamb.

Onde ultrasoniche longitudinali– onde, la cui direzione di propagazione coincide con la direzione degli spostamenti e delle velocità delle particelle del mezzo.

Onde ultrasoniche trasversali– onde che si propagano in una direzione perpendicolare al piano in cui giacciono le direzioni degli spostamenti e delle velocità delle particelle del corpo, come le onde di taglio.

Onde ultrasoniche di superficie (Rayleigh). hanno movimento ellittico delle particelle e si diffondono sulla superficie del materiale. La loro velocità è circa il 90% della velocità di propagazione delle onde di taglio e la loro penetrazione nel materiale è pari a circa una lunghezza d'onda.

Onda di agnello- un'onda elastica che si propaga in una piastra solida (strato) con confini liberi, in cui lo spostamento oscillatorio delle particelle avviene sia nella direzione di propagazione dell'onda che perpendicolare al piano della piastra. Le onde di agnello sono uno dei tipi di onde normali in una guida d'onda elastica, in una piastra con confini liberi. Perché queste onde devono soddisfare non solo le equazioni della teoria dell'elasticità, ma anche le condizioni al contorno sulla superficie della piastra; il loro schema di movimento e le loro proprietà sono più complessi di quelli delle onde nei solidi illimitati.

Visualizzazione delle onde ultrasoniche

Per un'onda sinusoidale piana, l'intensità degli ultrasuoni I è determinata dalla formula

, (5)

IN onda viaggiante sferica L'intensità degli ultrasuoni è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente. IN onda stazionaria I = 0, cioè in media non c'è flusso di energia sonora. Intensità degli ultrasuoni in Onda viaggiante nel piano armonico pari alla densità di energia dell'onda sonora moltiplicata per la velocità del suono. Il flusso di energia sonora è caratterizzato dal cosiddetto Vettore Umov- il vettore della densità del flusso energetico dell'onda sonora, che può essere rappresentato come il prodotto dell'intensità degli ultrasuoni per il vettore normale dell'onda, cioè un vettore unitario perpendicolare al fronte d'onda. Se il campo sonoro è una sovrapposizione di onde armoniche di frequenze diverse, allora per il vettore della densità media del flusso di energia sonora esiste additività dei componenti.

Per gli emettitori che creano un'onda piana, si parla di intensità della radiazione, intendendo con questo densità di potenza dell’emettitore, ovvero la potenza sonora irradiata per unità di area della superficie radiante.

L'intensità del suono è misurata in unità SI in W/m2. Nella tecnologia a ultrasuoni, la gamma di variazioni dell'intensità degli ultrasuoni è molto ampia: da valori soglia di ~ 10 -12 W/m2 a centinaia di kW/m2 al centro dei concentratori a ultrasuoni.

Tabella 1 - Proprietà di alcuni materiali comuni

Attenuazione degli ultrasuoni

Una delle caratteristiche principali degli ultrasuoni è la loro attenuazione. Attenuazione degli ultrasuoniè una diminuzione dell'ampiezza e, quindi, di un'onda sonora mentre si propaga. L'attenuazione degli ultrasuoni si verifica a causa di una serie di motivi. I principali sono:

Il primo di questi motivi è dovuto al fatto che man mano che un'onda si propaga da una sorgente puntiforme o sferica, l'energia emessa dalla sorgente si distribuisce su una superficie sempre crescente del fronte d'onda e, di conseguenza, l'energia fluisce attraverso un'unità la superficie diminuisce, cioè . Per un'onda sferica, la cui superficie d'onda aumenta con la distanza r dalla sorgente come r 2, l'ampiezza dell'onda diminuisce proporzionalmente, e per un'onda cilindrica - proporzionalmente.

Il coefficiente di attenuazione è espresso in decibel per metro (dB/m) o in decibel per metro (Np/m).

Per un'onda piana, il coefficiente di attenuazione dell'ampiezza con la distanza è determinato dalla formula

, (6)

Viene determinato il coefficiente di attenuazione rispetto al tempo

, (7)

In questo caso, per misurare il coefficiente viene utilizzata anche l'unità dB/m

, (8)

Il decibel (dB) è un'unità logaritmica di misura del rapporto tra energie o potenze in acustica.

, (9)

• dove A 1 è l'ampiezza del primo segnale,
• A 2 – ampiezza del secondo segnale

Allora il rapporto tra le unità di misura (dB/m) e (1/m) sarà:

Riflessione degli ultrasuoni dall'interfaccia

Quando un'onda sonora cade sull'interfaccia, parte dell'energia verrà riflessa nel primo mezzo e il resto dell'energia passerà nel secondo mezzo. Il rapporto tra l'energia riflessa e l'energia che passa nel secondo mezzo è determinato dalle impedenze d'onda del primo e del secondo mezzo. In assenza di dispersione della velocità del suono impedenza caratteristica non dipende dalla forma d'onda ed è espresso dalla formula:

I coefficienti di riflessione e trasmissione saranno determinati come segue

• dove D è il coefficiente di trasmissione della pressione sonora

Vale anche la pena notare che se il secondo mezzo è acusticamente più “morbido”, cioè Z 1 >Z 2, quindi riflettendo la fase dell'onda cambia di 180˚.

Il coefficiente di trasmissione dell'energia da un mezzo all'altro è determinato dal rapporto tra l'intensità dell'onda che passa nel secondo mezzo e l'intensità dell'onda incidente

, (14)

Interferenza e diffrazione delle onde ultrasoniche

Interferenza sonora- distribuzione spaziale non uniforme dell'ampiezza dell'onda sonora risultante a seconda della relazione tra le fasi delle onde che si sviluppano in un punto o nell'altro nello spazio. Quando vengono aggiunte onde armoniche della stessa frequenza, la distribuzione spaziale risultante delle ampiezze forma una figura di interferenza indipendente dal tempo, che corrisponde a un cambiamento nella differenza di fase delle onde componenti quando si spostano da un punto all'altro. Per due onde interferenti, questa configurazione su un piano ha la forma di bande alternate di amplificazione e attenuazione dell'ampiezza di un valore che caratterizza il campo sonoro (ad esempio, la pressione sonora). Per due onde piane, le strisce sono rettilinee con un'ampiezza che varia attraverso le strisce in base al cambiamento della differenza di fase. Un importante caso speciale di interferenza è l'aggiunta di un'onda piana con la sua riflessione da un confine piano; in questo caso si forma un'onda stazionaria con i piani dei nodi e degli antinodi posti parallelamente al confine.

Diffrazione del suono- deviazione del comportamento del suono dalle leggi dell'acustica geometrica, dovuta alla natura ondulatoria del suono. Il risultato della diffrazione del suono è la divergenza dei raggi ultrasonici quando si allontanano dall'emettitore o dopo aver attraversato un foro nello schermo, la flessione delle onde sonore nella regione d'ombra dietro ostacoli grandi rispetto alla lunghezza d'onda, l'assenza di un'ombra dietro ostacoli piccoli rispetto alla lunghezza d'onda, ecc. n. I campi sonori creati dalla diffrazione dell'onda originale su ostacoli posti nel mezzo, su disomogeneità del mezzo stesso, nonché su irregolarità e disomogeneità dei confini del mezzo, sono chiamati campi sparsi. Per gli oggetti su cui avviene la diffrazione del suono che sono grandi rispetto alla lunghezza d'onda, il grado di deviazione dal modello geometrico dipende dal valore del parametro d'onda

, (15)

• dove D è il diametro dell'oggetto (ad esempio, il diametro di un emettitore di ultrasuoni o di un ostacolo),
• r - distanza del punto di osservazione da questo oggetto

Emettitori di ultrasuoni

Emettitori di ultrasuoni- dispositivi utilizzati per eccitare vibrazioni e onde ultrasoniche in mezzi gassosi, liquidi e solidi. Gli emettitori di ultrasuoni convertono l'energia di qualche altro tipo in energia.

Gli emettitori di ultrasuoni più utilizzati sono trasduttori elettroacustici. Nella stragrande maggioranza degli emettitori di ultrasuoni di questo tipo, vale a dire in trasduttori piezoelettrici , convertitori magnetostrittivi, emettitori elettrodinamici, emettitori elettromagnetici ed elettrostatici, l'energia elettrica viene convertita in energia vibrazionale di un corpo solido (piastra radiante, asta, diaframma, ecc.), che emette onde acustiche nell'ambiente. Tutti i convertitori elencati sono, di regola, lineari e, quindi, le oscillazioni del sistema radiante riproducono in forma il segnale elettrico eccitante; Solo con ampiezze di oscillazione molto grandi vicino al limite superiore della gamma dinamica dell'emettitore di ultrasuoni possono verificarsi distorsioni non lineari.

I convertitori progettati per emettere onde monocromatiche sfruttano questo fenomeno risonanza: operano su una delle oscillazioni naturali di un sistema oscillatorio meccanico, sulla cui frequenza è sintonizzato il generatore di oscillazioni elettriche, il convertitore eccitatore. I trasduttori elettroacustici che non dispongono di un sistema radiante allo stato solido vengono utilizzati relativamente raramente come emettitori di ultrasuoni; tra questi rientrano ad esempio gli emettitori di ultrasuoni basati su una scarica elettrica in un liquido o sull'elettrostrizione di un liquido.

Caratteristiche dell'emettitore di ultrasuoni

Le caratteristiche principali degli emettitori di ultrasuoni includono la loro spettro di frequenze, emesso potenza sonora, direttività della radiazione. Nel caso della radiazione monofrequenza, le caratteristiche principali sono frequenza operativa emettitore di ultrasuoni e suoi banda di frequenza, i cui confini sono determinati da una diminuzione della potenza irradiata pari alla metà rispetto al suo valore alla frequenza di massima radiazione. Per i trasduttori elettroacustici risonanti, la frequenza operativa è frequenza naturale convertitore f 0 e La larghezza della lineaΔf è determinato da its fattore di qualità Q.

Gli emettitori di ultrasuoni (trasduttori elettroacustici) sono caratterizzati da sensibilità, efficienza elettroacustica e propria impedenza elettrica.

Sensibilità dell'emettitore di ultrasuoni- il rapporto tra la pressione sonora alla massima caratteristica direzionale ad una certa distanza dall'emettitore (il più delle volte a una distanza di 1 m) e la tensione elettrica ai suoi capi o la corrente che scorre in esso. Questa caratteristica si applica agli emettitori di ultrasuoni utilizzati nei sistemi di allarme audio, sonar e altri dispositivi simili. Per gli emettitori per scopi tecnologici, utilizzati, ad esempio, nella pulizia ad ultrasuoni, nella coagulazione e nell'influenza sui processi chimici, la caratteristica principale è la potenza. Oltre alla potenza irradiata totale, stimata in W, gli emettitori di ultrasuoni sono caratterizzati da potere specifico, ovvero la potenza media per unità di superficie della superficie emittente, ovvero l’intensità media della radiazione in campo vicino, stimata in W/m2.

L'efficienza dei trasduttori elettroacustici che emettono energia acustica nell'ambiente sonoro è caratterizzata dalla loro grandezza efficienza elettroacustica, che è il rapporto tra la potenza acustica emessa e la potenza elettrica spesa. In acustoelettronica, per valutare l'efficienza degli emettitori di ultrasuoni, si utilizza il cosiddetto coefficiente di perdita elettrica, pari al rapporto (in dB) tra la potenza elettrica e la potenza acustica. L'efficienza degli strumenti ad ultrasuoni utilizzati nella saldatura ad ultrasuoni, nella lavorazione e simili è caratterizzata dal cosiddetto coefficiente di efficienza, che è il rapporto tra il quadrato dell'ampiezza dello spostamento oscillatorio all'estremità di lavoro del concentratore e la potenza elettrica consumata dal trasduttore. A volte il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico effettivo viene utilizzato per caratterizzare la conversione dell'energia negli emettitori di ultrasuoni.

Campo sonoro dell'emettitore

Il campo sonoro del trasduttore è diviso in due zone: zona vicina e zona lontana. Zona vicina questa è l'area direttamente davanti al trasduttore dove l'ampiezza dell'eco passa attraverso una serie di massimi e minimi. La zona vicina termina all'ultimo massimo, che si trova a una distanza N dal convertitore. È noto che la posizione dell'ultimo massimo è il fuoco naturale del trasduttore. Zona lontana Questa è l'area oltre N, dove la pressione del campo sonoro diminuisce gradualmente fino a zero.

La posizione dell'ultimo massimo N sull'asse acustico, a sua volta, dipende dal diametro e dalla lunghezza d'onda e per un emettitore a disco circolare è espressa dalla formula

, (17)

Tuttavia, poiché D è solitamente molto più grande, l'equazione può essere semplificata nella forma seguente

Le caratteristiche del campo sonoro sono determinate dal design del trasduttore ultrasonico. Di conseguenza, la propagazione del suono nell'area studiata e la sensibilità del sensore dipendono dalla sua forma.

Applicazioni degli ultrasuoni

Le diverse applicazioni degli ultrasuoni, in cui vengono utilizzate le sue varie funzionalità, possono essere suddivise in tre aree. è associato all'ottenimento di informazioni attraverso le onde ultrasoniche, - all'influenza attiva sulla materia e - all'elaborazione e trasmissione dei segnali (le direzioni sono elencate nell'ordine della loro formazione storica). Per ogni specifica applicazione vengono utilizzati gli ultrasuoni con un determinato intervallo di frequenza.

Gli ultrasuoni rappresentano onde longitudinali che hanno una frequenza di oscillazione superiore a 20 kHz. Questa è superiore alla frequenza delle vibrazioni percepite dall'apparecchio acustico umano. Una persona può percepire frequenze nell'intervallo 16-20 KHz, chiamate suono. Le onde ultrasoniche sembrano una serie di condensazioni e rarefazioni di una sostanza o di un mezzo. Grazie alle loro proprietà, sono ampiamente utilizzati in molti campi.

Cos'è questo

La gamma degli ultrasuoni comprende frequenze che vanno da 20mila a diversi miliardi di hertz. Si tratta di vibrazioni ad alta frequenza che vanno oltre la gamma udibile dell'orecchio umano. Tuttavia, alcune specie di animali percepiscono abbastanza bene le onde ultrasoniche. Questi sono delfini, balene, ratti e altri mammiferi.

Secondo le loro proprietà fisiche, le onde ultrasoniche sono elastiche, quindi non sono diverse dalle onde sonore. Di conseguenza, la differenza tra il suono e le vibrazioni ultrasoniche è molto arbitraria, perché dipende dalla percezione soggettiva dell’udito di una persona ed è uguale al livello superiore del suono udibile.

Ma la presenza di frequenze più alte, e quindi di una lunghezza d'onda corta, conferisce alle vibrazioni ultrasoniche alcune caratteristiche:

• Le frequenze ultrasoniche hanno diverse velocità di movimento attraverso diverse sostanze, grazie alle quali è possibile determinare con elevata precisione le proprietà dei processi in corso, la capacità termica specifica dei gas, nonché le caratteristiche di un solido.
• Le onde di intensità significativa hanno determinati effetti soggetti all'acustica non lineare.
• Quando le onde ultrasoniche si muovono con potenza significativa in un mezzo liquido, si verifica il fenomeno della cavitazione acustica. Questo fenomeno è molto importante perché di conseguenza viene creato un campo di bolle formato da particelle submicroscopiche di gas o vapore in un mezzo acquoso o altro. Pulsano con una certa frequenza e si chiudono con un'enorme pressione locale. Ciò crea onde d'urto sferiche, che portano alla comparsa di flussi acustici microscopici. Utilizzando questo fenomeno, gli scienziati hanno imparato a pulire le parti contaminate e a creare siluri che si muovono nell'acqua più velocemente della velocità del suono.
• Gli ultrasuoni possono essere focalizzati e concentrati, consentendo la creazione di modelli sonori. Questa proprietà è stata utilizzata con successo nell'olografia e nella visione del suono.
• Un'onda ultrasonica può benissimo agire come un reticolo di diffrazione.

Proprietà

Le onde ultrasoniche hanno proprietà simili alle onde sonore, ma hanno anche caratteristiche specifiche:

• Lunghezza d'onda corta. Anche per un bordo basso la lunghezza è inferiore a pochi centimetri. Una lunghezza così piccola porta alla natura radiale del movimento delle vibrazioni ultrasoniche. Direttamente accanto all'emettitore, l'onda viaggia sotto forma di un raggio, che si avvicina ai parametri dell'emettitore. Trovandosi però in un ambiente disomogeneo, il raggio si muove come un raggio di luce. Può anche essere riflesso, disperso, rifratto.
• Il periodo di oscillazione è breve, rendendo possibile l'utilizzo delle vibrazioni ultrasoniche sotto forma di impulsi.
• Gli ultrasuoni non sono udibili e non creano un effetto irritante.
• Se esposti alle vibrazioni ultrasoniche su determinati supporti, è possibile ottenere effetti specifici. Ad esempio è possibile creare riscaldamento locale, degasaggio, disinfezione dell'ambiente, cavitazione e molti altri effetti.

Principio operativo

Vari dispositivi vengono utilizzati per creare vibrazioni ultrasoniche:

• Meccanico, dove la fonte è l'energia di un liquido o di un gas.
• Elettromeccanico, dove l'energia ultrasonica viene creata dall'energia elettrica.

Fischi e sirene alimentati da aria o liquido possono fungere da emettitori meccanici. Sono convenienti e semplici, ma hanno i loro svantaggi. Quindi la loro efficienza è compresa tra il 10 e il 20%. Creano un ampio spettro di frequenze con ampiezza e frequenza instabili. Ciò porta al fatto che tali dispositivi non possono essere utilizzati in condizioni in cui è richiesta precisione. Molto spesso vengono utilizzati come dispositivi di segnalazione.

I dispositivi elettromeccanici utilizzano il principio dell'effetto piezoelettrico. La sua particolarità è che quando si formano cariche elettriche sulle facce del cristallo, questo si contrae e si allunga. Di conseguenza, si creano oscillazioni con una frequenza che dipende dal periodo di potenziale cambiamento sulle superfici del cristallo.

Oltre ai trasduttori che si basano sull'effetto piezoelettrico, possono essere utilizzati anche trasduttori magnetostrittivi. Sono utilizzati per creare un potente raggio ultrasonico. Il nucleo, costituito da materiale magnetostrittivo, posto in un avvolgimento conduttivo, cambia la propria lunghezza in base alla forma del segnale elettrico che entra nell'avvolgimento.

Applicazione

Gli ultrasuoni sono ampiamente utilizzati in un'ampia varietà di campi.

Molto spesso viene utilizzato nelle seguenti aree:

• Ottenere dati su una sostanza specifica.
• Elaborazione e trasmissione del segnale.
• Impatto sulla sostanza.

Pertanto, con l'aiuto delle onde ultrasoniche studiano:

• Processi molecolari in varie strutture.
• Determinazione della concentrazione di sostanze nelle soluzioni.
• Determinazione della composizione, caratteristiche di resistenza dei materiali e così via.

Nella lavorazione ad ultrasuoni, viene spesso utilizzato il metodo di cavitazione:

• Metallizzazione.
• Pulizia ad ultrasuoni.
• Degasaggio di liquidi.
• Dispersione.
• Ricevere aerosol.
• Sterilizzazione ad ultrasuoni.
• Distruzione di microrganismi.
• Intensificazione dei processi elettrochimici.

Le seguenti operazioni tecnologiche vengono eseguite nell'industria sotto l'influenza delle onde ultrasoniche:

• Coagulazione.
• Combustione in ambiente ultrasonico.
• Essiccazione.
• Saldatura.

In medicina, le onde ultrasoniche vengono utilizzate nella terapia e nella diagnostica. La diagnostica prevede metodi di localizzazione che utilizzano radiazioni pulsate. Questi includono la cardiografia ad ultrasuoni, l'ecoencefalografia e una serie di altri metodi. In terapia, le onde ultrasoniche vengono utilizzate come metodi basati su effetti termici e meccanici sui tessuti. Ad esempio, durante le operazioni viene spesso utilizzato un bisturi ad ultrasuoni.

Le vibrazioni ultrasoniche svolgono anche:

• Micromassaggio delle strutture tissutali mediante vibrazione.
• Stimolazione della rigenerazione cellulare e dello scambio intercellulare.
• Aumento della permeabilità delle membrane tissutali.

Gli ultrasuoni possono agire sui tessuti mediante inibizione, stimolazione o distruzione. Tutto ciò dipende dalla dose applicata di vibrazioni ultrasoniche e dalla loro potenza. Tuttavia, non tutte le aree del corpo umano possono utilizzare tali onde. Quindi, con una certa cautela, agiscono sul muscolo cardiaco e su una serie di organi endocrini. Il cervello, le vertebre cervicali, lo scroto e numerosi altri organi non sono affatto colpiti.

Le vibrazioni ultrasoniche vengono utilizzate nei casi in cui è impossibile utilizzare i raggi X in:

• La traumatologia utilizza un metodo ecografico che rileva facilmente il sanguinamento interno.
• In ostetricia, le onde vengono utilizzate per valutare lo sviluppo del feto e i suoi parametri.
• Cardiologia permettono di esaminare il sistema cardiovascolare.

Gli ultrasuoni nel futuro

Attualmente gli ultrasuoni sono ampiamente utilizzati in vari campi, ma in futuro troveranno ancora più applicazioni. Già oggi stiamo progettando di creare dispositivi fantastici per oggi.

• La tecnologia dell'ologramma acustico a ultrasuoni è in fase di sviluppo per scopi medici. Questa tecnologia prevede la disposizione di microparticelle nello spazio per creare l'immagine richiesta.
• Gli scienziati stanno lavorando per creare una tecnologia per dispositivi contactless che sostituirà i dispositivi touch. Ad esempio, sono già stati realizzati dispositivi di gioco che riconoscono i movimenti umani senza contatto diretto. Si stanno sviluppando tecnologie che prevedono la creazione di pulsanti invisibili che possono essere sentiti e controllati con le mani. Lo sviluppo di tali tecnologie consentirà di creare smartphone o tablet senza contatto. Inoltre, questa tecnologia amplierà le capacità della realtà virtuale.
• Con l'aiuto delle onde ultrasoniche è già possibile far levitare piccoli oggetti. In futuro potrebbero apparire macchine che galleggeranno sopra il suolo a causa delle onde e, in assenza di attrito, si muoveranno a una velocità incredibile.
• Gli scienziati suggeriscono che in futuro gli ultrasuoni insegneranno a vedere ai ciechi. Questa fiducia si basa sul fatto che i pipistrelli riconoscono gli oggetti utilizzando onde ultrasoniche riflesse. È già stato creato un casco che converte le onde riflesse in suono udibile.
• Già oggi le persone si aspettano di estrarre minerali nello spazio, perché lì c’è tutto. Quindi gli astronomi hanno trovato un pianeta diamante pieno di pietre preziose. Ma come si possono estrarre materiali così solidi nello spazio? Sono gli ultrasuoni che aiuteranno nella perforazione di materiali densi. Tali processi sono del tutto possibili anche in assenza di atmosfera. Tali tecnologie di perforazione consentiranno di raccogliere campioni, condurre ricerche ed estrarre minerali dove oggi ciò è considerato impossibile.

Capitolo del volume I della guida alla diagnostica ecografica, scritta dai dipendenti del Dipartimento di diagnostica ecografica dell'Accademia medica russa di formazione post-laurea (CD 2001), a cura di V.V. Mitkov.

(L'articolo è stato trovato su Internet)

1. Proprietà fisiche degli ultrasuoni
2. Riflessione e dispersione
3. Sensori e onde ultrasoniche
4. Dispositivi di scansione lenti
5. Dispositivi di scansione veloce
6. Dispositivi per dopplerografia
7. Artefatti
8. Controllo qualità delle apparecchiature ad ultrasuoni
9. Effetto biologico degli ultrasuoni e sicurezza
10. Nuove direzioni nella diagnostica ecografica
11. Letteratura
12. Domande di prova

PROPRIETÀ FISICHE DEGLI ULTRASUONI

L'uso degli ultrasuoni nella diagnostica medica è associato alla possibilità di ottenere immagini di organi e strutture interne. La base del metodo è l'interazione degli ultrasuoni con i tessuti del corpo umano. L'acquisizione effettiva dell'immagine può essere divisa in due parti. Il primo è l'emissione di brevi impulsi ultrasonici diretti nei tessuti esaminati, il secondo è la formazione di un'immagine basata sui segnali riflessi. Comprendere il principio di funzionamento di un'unità diagnostica a ultrasuoni, conoscere la fisica di base degli ultrasuoni e la sua interazione con i tessuti del corpo umano aiuterà a evitare l'uso meccanico e sconsiderato del dispositivo e, quindi, ad adottare un approccio più competente al processo diagnostico.

Il suono è un'onda meccanica longitudinale in cui le vibrazioni delle particelle si trovano sullo stesso piano della direzione di propagazione dell'energia (Fig. 1).

Riso. 1. Rappresentazione visiva e grafica dei cambiamenti di pressione e densità in un'onda ultrasonica.

Un'onda trasporta energia, ma non materia. A differenza delle onde elettromagnetiche (luce, onde radio, ecc.), il suono necessita di un mezzo per propagarsi: non può propagarsi nel vuoto. Come tutte le onde, il suono può essere descritto da una serie di parametri. Questi sono frequenza, lunghezza d'onda, velocità di propagazione nel mezzo, periodo, ampiezza e intensità. Frequenza, periodo, ampiezza e intensità sono determinati dalla sorgente sonora, la velocità di propagazione è determinata dal mezzo e la lunghezza d'onda è determinata sia dalla sorgente sonora che dal mezzo. La frequenza è il numero di oscillazioni (cicli) complete in un periodo di tempo di 1 secondo (Fig. 2).

Riso. 2. Frequenza delle onde ultrasoniche 2 cicli in 1 s = 2 Hz

Le unità di frequenza sono hertz (Hz) e megahertz (MHz). Un hertz è una vibrazione al secondo. Un megahertz = 1.000.000 di hertz. Cosa rende il suono "ultra"? Questa è la frequenza. Il limite superiore del suono udibile, 20.000 Hz (20 kilohertz (kHz)), è il limite inferiore della gamma ultrasonica. I localizzatori di pipistrelli ad ultrasuoni funzionano nell'intervallo 25÷500 kHz. I moderni dispositivi a ultrasuoni utilizzano ultrasuoni con una frequenza di 2 MHz e superiore per ottenere immagini. Il periodo è il tempo necessario per ottenere un ciclo completo di oscillazioni (Fig. 3).

Riso. 3. Periodo dell'onda ultrasonica.

Le unità del periodo sono secondo (s) e microsecondo (μs). Un microsecondo è un milionesimo di secondo. Periodo (μs) = 1/frequenza (MHz). La lunghezza d'onda è la lunghezza che una vibrazione occupa nello spazio (Fig. 4).

Riso. 4. Lunghezza d'onda.

Le unità di misura sono metro (m) e millimetro (mm). La velocità degli ultrasuoni è la velocità con cui l'onda viaggia attraverso un mezzo. Le unità di velocità di propagazione degli ultrasuoni sono metri al secondo (m/s) e millimetri al microsecondo (mm/μs). La velocità di propagazione degli ultrasuoni è determinata dalla densità e dall'elasticità del mezzo. La velocità di propagazione degli ultrasuoni aumenta con l'aumentare dell'elasticità e con la diminuzione della densità del grano. La tabella 2.1 mostra la velocità di propagazione degli ultrasuoni in alcuni tessuti del corpo umano.

La velocità media di propagazione degli ultrasuoni nei tessuti del corpo umano è di 1540 m/s: la maggior parte dei dispositivi diagnostici a ultrasuoni sono programmati per questa velocità. La velocità di propagazione degli ultrasuoni (C), la frequenza (f) e la lunghezza d'onda (λ) sono legate tra loro dalla seguente equazione: C = f × λ. Poiché nel nostro caso la velocità è considerata costante (1540 m/s), le restanti due variabili f e λ sono legate tra loro da una relazione inversamente proporzionale. Maggiore è la frequenza, minore è la lunghezza d'onda e minore è la dimensione degli oggetti che possiamo vedere. Un altro parametro ambientale importante è l'impedenza acustica (Z). La resistenza acustica è il prodotto tra la densità del mezzo e la velocità di propagazione degli ultrasuoni. Resistenza (Z) = densità (p) × velocità di propagazione (C).

Per ottenere un'immagine nella diagnostica ecografica, non sono gli ultrasuoni emessi continuamente da un trasduttore (onda costante), ma gli ultrasuoni emessi sotto forma di brevi impulsi (impulso). Viene generato applicando brevi impulsi elettrici all'elemento piezoelettrico. Ulteriori parametri vengono utilizzati per caratterizzare gli ultrasuoni pulsati. La frequenza di ripetizione degli impulsi è il numero di impulsi emessi per unità di tempo (secondo). La frequenza di ripetizione degli impulsi viene misurata in hertz (Hz) e kilohertz (kHz). La durata dell'impulso è la durata temporale di un impulso (Fig. 5).

Riso. 5. Durata dell'impulso ultrasonico.

Misurato in secondi (s) e microsecondi (μs). Il fattore di occupazione è la frazione di tempo durante la quale vengono emessi gli ultrasuoni (sotto forma di impulsi). L'estensione spaziale dell'impulso (SPR) è la lunghezza dello spazio in cui viene posizionato un impulso ultrasonico (Fig. 6).

Riso. 6. Estensione spaziale dell'impulso.

Per i tessuti molli l'estensione spaziale dell'impulso (mm) è pari al prodotto tra 1,54 (velocità di propagazione degli ultrasuoni in mm/μs) e il numero di oscillazioni (cicli) dell'impulso (n) diviso per la frequenza in MHz. Oppure PPI = 1,54 × n/f. È possibile ridurre l'estensione spaziale dell'impulso (e questo è molto importante per migliorare la risoluzione assiale) riducendo il numero di oscillazioni nell'impulso o aumentando la frequenza. L'ampiezza dell'onda ultrasonica è la deviazione massima della variabile fisica osservata dal valore medio (Fig. 7).

Riso. 7. Ampiezza dell'onda ultrasonica

L'intensità degli ultrasuoni è il rapporto tra la potenza dell'onda e l'area su cui è distribuito il flusso ultrasonico. Si misura in watt per centimetro quadrato (W/cmq). A parità di potenza di radiazione, minore è l'area del flusso, maggiore è l'intensità. L'intensità è anche proporzionale al quadrato dell'ampiezza. Quindi, se l’ampiezza raddoppia, l’intensità quadruplica. L'intensità non è uniforme sia sull'area del flusso che, nel caso degli ultrasuoni pulsati, nel tempo.

Quando si passa attraverso qualsiasi mezzo, si verificherà una diminuzione dell'ampiezza e dell'intensità del segnale ultrasonico, chiamata attenuazione. L'attenuazione del segnale ultrasonico è causata dall'assorbimento, dalla riflessione e dalla diffusione. L'unità di attenuazione è il decibel (dB). Il coefficiente di attenuazione è l'attenuazione di un segnale ultrasonico per unità di lunghezza del percorso di questo segnale (dB/cm). Il coefficiente di attenuazione aumenta con l'aumentare della frequenza. I coefficienti medi di attenuazione dei tessuti molli e la diminuzione dell'intensità del segnale eco in funzione della frequenza sono presentati nella Tabella 2.2.

RIFLESSIONE E DISPERSIONE

Quando gli ultrasuoni attraversano il tessuto all'interfaccia di mezzi con diversa resistenza acustica e velocità degli ultrasuoni, si verificano fenomeni di riflessione, rifrazione, diffusione e assorbimento. A seconda dell'angolo si parla di incidenza perpendicolare e obliqua (ad angolo) del raggio ultrasonico. Quando il fascio ultrasonico incide perpendicolarmente, può essere completamente riflesso o parzialmente riflesso, parzialmente attraversato dal confine di due mezzi; in questo caso la direzione degli ultrasuoni nel passaggio da un mezzo all'altro non cambia (Fig. 8).

Riso. 8. Incidenza perpendicolare del fascio ultrasonico.

L'intensità degli ultrasuoni riflessi e degli ultrasuoni che hanno superato il confine del mezzo dipende dall'intensità iniziale e dalla differenza nella resistenza acustica dei mezzi. Il rapporto tra l'intensità dell'onda riflessa e l'intensità dell'onda incidente è chiamato coefficiente di riflessione. Il rapporto tra l'intensità dell'onda ultrasonica che passa attraverso il confine del mezzo e l'intensità dell'onda incidente è chiamato coefficiente di conduttività degli ultrasuoni. Pertanto, se i tessuti hanno densità diverse, ma la stessa resistenza acustica, non ci sarà riflessione degli ultrasuoni. D'altra parte, con una grande differenza nella resistenza acustica, l'intensità della riflessione tende al 100%. Un esempio di ciò è l'interfaccia aria/tessuti molli. Al confine di questi mezzi si verifica una riflessione quasi completa degli ultrasuoni. Per migliorare la conduzione degli ultrasuoni nel tessuto del corpo umano, vengono utilizzati mezzi di collegamento (gel). Con un'incidenza obliqua del raggio ultrasonico si determinano l'angolo di incidenza, l'angolo di riflessione e l'angolo di rifrazione (Fig. 9).

Riso. 9. Riflessione, rifrazione.

L'angolo di incidenza è uguale all'angolo di riflessione. La rifrazione è un cambiamento nella direzione di propagazione di un raggio ultrasonico quando attraversa il confine di mezzi con velocità ultrasoniche diverse. Il seno dell'angolo di rifrazione è uguale al prodotto del seno dell'angolo di incidenza per il valore ottenuto dividendo la velocità di propagazione degli ultrasuoni nel secondo mezzo per la velocità nel primo. Maggiore è il seno dell'angolo di rifrazione e, di conseguenza, l'angolo di rifrazione stesso, maggiore è la differenza nelle velocità di propagazione degli ultrasuoni in due mezzi. La rifrazione non si osserva se le velocità di propagazione degli ultrasuoni nei due mezzi sono uguali o se l'angolo di incidenza è pari a 0. Parlando di riflessione, va tenuto presente che nel caso in cui la lunghezza d'onda è molto maggiore della dimensione del irregolarità della superficie riflettente, si verifica la riflessione speculare (descritta sopra). Se la lunghezza d'onda è paragonabile alle irregolarità della superficie riflettente o vi è disomogeneità del mezzo stesso, si verifica la diffusione degli ultrasuoni.

Riso. 10. Retrodiffusione.

Con la retrodiffusione (Fig. 10), gli ultrasuoni vengono riflessi nella direzione da cui proveniva il raggio originale. L'intensità dei segnali diffusi aumenta con l'aumentare dell'eterogeneità del mezzo e con l'aumento della frequenza (cioè con la diminuzione della lunghezza d'onda) degli ultrasuoni. La diffusione dipende relativamente poco dalla direzione del fascio incidente e, quindi, consente una migliore visualizzazione delle superfici riflettenti, per non parlare del parenchima degli organi. Affinché il segnale riflesso sia posizionato correttamente sullo schermo, è necessario conoscere non solo la direzione del segnale emesso, ma anche la distanza dal riflettore. Questa distanza è pari a 1/2 il prodotto tra la velocità degli ultrasuoni nel mezzo e il tempo che intercorre tra l'emissione e la ricezione del segnale riflesso (Fig. 11). Il prodotto tra velocità e tempo è diviso a metà, poiché gli ultrasuoni percorrono un doppio percorso (dall'emettitore al riflettore e ritorno) e a noi interessa solo la distanza dall'emettitore al riflettore.

Riso. 11. Misurazione della distanza mediante ultrasuoni.

SENSORI E ONDA ULTRASUONI

Per ottenere gli ultrasuoni vengono utilizzati convertitori speciali: trasduttori che convertono l'energia elettrica in energia ultrasonica. La produzione di ultrasuoni si basa sull'effetto piezoelettrico inverso. L'essenza dell'effetto è che se la tensione elettrica viene applicata a determinati materiali (piezoelettrici), la loro forma cambierà (Fig. 12).

Riso. 12. Effetto piezoelettrico inverso.

A questo scopo, nei dispositivi a ultrasuoni vengono spesso utilizzati piezoelettrici artificiali, come lo zirconato o il titanato di piombo. In assenza di corrente elettrica, l'elemento piezoelettrico ritorna alla sua forma originale e, quando cambia la polarità, la forma cambierà nuovamente, ma nella direzione opposta. Se viene applicata una corrente alternata veloce a un elemento piezoelettrico, l'elemento inizierà a comprimersi ed espandersi ad alta frequenza (cioè oscillerà), generando un campo ultrasonico. La frequenza operativa del trasduttore (frequenza di risonanza) è determinata dal rapporto tra la velocità di propagazione degli ultrasuoni nell'elemento piezoelettrico e il doppio spessore di questo elemento piezoelettrico. Il rilevamento dei segnali riflessi si basa sull'effetto piezoelettrico diretto (Fig. 13).

Riso. 13. Effetto piezoelettrico diretto.

I segnali di ritorno fanno oscillare l'elemento piezoelettrico e sui suoi bordi appare una corrente elettrica alternata. In questo caso l'elemento piezoelettrico funziona come un sensore a ultrasuoni. In genere, i dispositivi a ultrasuoni utilizzano gli stessi elementi per emettere e ricevere ultrasuoni. Pertanto i termini “convertitore”, “trasduttore”, “sensore” sono sinonimi. I sensori a ultrasuoni sono dispositivi complessi e, a seconda del metodo di scansione dell'immagine, sono suddivisi in sensori per dispositivi a scansione lenta (elemento singolo) e scansione rapida (scansione in tempo reale) - meccanici ed elettronici. I sensori meccanici possono essere a elemento singolo o multielemento (anulari). La scansione del fascio ultrasonico può essere ottenuta facendo oscillare l'elemento, ruotando l'elemento o facendo oscillare lo specchio acustico (Fig. 14).

Riso. 14. Sensori del settore meccanico.

L'immagine sullo schermo in questo caso ha la forma di un settore (sensori a settore) o di un cerchio (sensori circolari). I sensori elettronici sono multielemento e, a seconda della forma dell'immagine risultante, possono essere settoriali, lineari, convessi (convessi) (Fig. 15).

Riso. 15. Sensori elettronici multielemento.

La scansione dell'immagine in un sensore settoriale si ottiene oscillando il raggio ultrasonico con la sua messa a fuoco simultanea (Fig. 16).

Riso. 16. Sensore elettronico a settore con antenna fasata.

Nei sensori lineari e convessi, la scansione dell'immagine si ottiene eccitando un gruppo di elementi con il loro movimento passo-passo lungo la schiera di antenne con messa a fuoco simultanea (Fig. 17).

Riso. 17. Sensore lineare elettronico.

I sensori a ultrasuoni differiscono in dettaglio l'uno dall'altro nel design, ma il loro schema elettrico è presentato nella Figura 18.

Riso. 18. Dispositivo sensore ad ultrasuoni.

Un trasduttore discoidale a elemento singolo in modalità di emissione continua produce un campo ultrasonico la cui forma cambia a seconda della distanza (Fig. 19).

Riso. 19. Due campi di un trasduttore non focalizzato.

A volte si possono osservare ulteriori “flussi” ultrasonici, chiamati lobi laterali. La distanza dal disco per la lunghezza del campo vicino (zona) è chiamata zona vicina. La zona oltre il confine vicino è chiamata lontana. La lunghezza della zona vicina è pari al rapporto tra il quadrato del diametro del trasduttore e 4 lunghezze d'onda. Nella zona lontana, il diametro del campo ultrasonico aumenta. Il punto in cui il raggio ultrasonico si restringe maggiormente è chiamato area di messa a fuoco, mentre la distanza tra il trasduttore e l'area di messa a fuoco è chiamata lunghezza focale. Esistono diversi modi per focalizzare il fascio di ultrasuoni. Il metodo di messa a fuoco più semplice è una lente acustica (Fig. 20).

Riso. 20. Messa a fuoco utilizzando una lente acustica.

Con il suo aiuto, puoi focalizzare il raggio ultrasonico ad una certa profondità, che dipende dalla curvatura della lente. Questo metodo di messa a fuoco non consente di modificare rapidamente la lunghezza focale, il che è scomodo nel lavoro pratico. Un altro metodo di messa a fuoco consiste nell'utilizzare uno specchio acustico (Fig. 21).

Riso. 21. Messa a fuoco utilizzando uno specchio acustico.

In questo caso variando la distanza tra specchio e trasduttore modificheremo la lunghezza focale. Nei dispositivi moderni con sensori elettronici multielemento, la base della messa a fuoco è la messa a fuoco elettronica (Fig. 17). Con un sistema di messa a fuoco elettronico potremo modificare la lunghezza focale dal cruscotto, tuttavia per ogni immagine avremo una sola area di messa a fuoco. Poiché per ottenere le immagini vengono utilizzati impulsi ultrasonici molto brevi, emessi 1000 volte al secondo (frequenza di ripetizione dell'impulso 1 kHz), l'apparecchio funziona nel 99,9% dei casi come ricevitore di segnali riflessi. Avendo una tale riserva di tempo, è possibile programmare il dispositivo in modo tale che quando l'immagine viene acquisita per la prima volta, venga selezionata la zona di messa a fuoco vicina (Fig. 22) e le informazioni ricevute da questa zona vengano salvate.

Riso. 22. Metodo di messa a fuoco dinamica.

Successivo: seleziona l'area di interesse successiva, ricevi informazioni, salva. E così via. Il risultato è un'immagine composita focalizzata in tutta la sua profondità. Va tuttavia notato che questo metodo di messa a fuoco richiede una notevole quantità di tempo per ottenere un'immagine (fotogramma), il che provoca una diminuzione della frequenza dei fotogrammi e uno sfarfallio dell'immagine. Perché è necessario così tanto sforzo per focalizzare il fascio di ultrasuoni? Il fatto è che più stretto è il raggio, migliore è la risoluzione laterale (laterale, azimutale). La risoluzione laterale è la distanza minima tra due oggetti situati perpendicolarmente alla direzione di propagazione dell'energia, che vengono presentati sullo schermo del monitor come strutture separate (Fig. 23).

Riso. 23. Metodo di messa a fuoco dinamica.

La risoluzione laterale è pari al diametro del fascio ultrasonico. La risoluzione assiale è la distanza minima tra due oggetti situati lungo la direzione di propagazione dell'energia, che vengono presentati sullo schermo del monitor come strutture separate (Fig. 24).

Riso. 24. Risoluzione assiale: più breve è l'impulso ultrasonico, migliore è.

La risoluzione assiale dipende dall'estensione spaziale dell'impulso ultrasonico: più breve è l'impulso, migliore è la risoluzione. Per abbreviare l'impulso viene utilizzato lo smorzamento meccanico ed elettronico delle vibrazioni ultrasoniche. Di norma, la risoluzione assiale è migliore della risoluzione laterale.

DISPOSITIVI A SCANSIONE LENTA

Attualmente, i dispositivi di scansione lenti (manuali, complessi) sono di solo interesse storico. Sono morti moralmente con l'avvento dei dispositivi di scansione veloce (dispositivi che funzionano in tempo reale). Tuttavia, i loro componenti principali sono conservati nei dispositivi moderni (naturalmente, utilizzando una base di elementi moderna). Il cuore è il principale generatore di impulsi (nei dispositivi moderni - un potente processore), che controlla tutti i sistemi del dispositivo ad ultrasuoni (Fig. 25).

Riso. 25. Schema a blocchi di uno scanner portatile.

Il generatore di impulsi invia impulsi elettrici al trasduttore, che genera un impulso ultrasonico e lo invia al tessuto, riceve i segnali riflessi, convertendoli in vibrazioni elettriche. Queste oscillazioni elettriche vengono quindi inviate ad un amplificatore a radiofrequenza, al quale di solito è collegato un controller di guadagno di ampiezza tempo (VAG), un regolatore per la compensazione dell'assorbimento dei tessuti in profondità. A causa del fatto che l'attenuazione del segnale ultrasonico nei tessuti avviene secondo una legge esponenziale, la luminosità degli oggetti sullo schermo diminuisce progressivamente con l'aumentare della profondità (Fig. 26).

Riso. 26. Compensazione per l'assorbimento dei tessuti.

Utilizzando un amplificatore lineare, ad es. un amplificatore che amplificasse proporzionalmente tutti i segnali comporterebbe una sovraamplificazione dei segnali nelle immediate vicinanze del sensore quando si tenta di migliorare l'imaging di oggetti profondi. L'uso di amplificatori logaritmici può risolvere questo problema. Il segnale ultrasonoro viene amplificato in proporzione al tempo di ritardo del suo ritorno: più tardi ritorna, più forte è l'amplificazione. Pertanto, l'uso di VAG consente di ottenere un'immagine sullo schermo con la stessa luminosità in profondità. Il segnale elettrico RF così amplificato viene poi inviato al demodulatore, dove viene raddrizzato e filtrato e nuovamente amplificato da un amplificatore video e inviato allo schermo del monitor.

Per salvare l'immagine sullo schermo del monitor, è necessaria la memoria video. Può essere diviso in analogico e digitale. I primi monitor hanno permesso di presentare le informazioni in forma analogica bistabile. Un dispositivo chiamato discriminatore permetteva di modificare la soglia di discriminazione: i segnali la cui intensità era inferiore alla soglia di discriminazione non la attraversavano e le aree corrispondenti dello schermo rimanevano scure. I segnali la cui intensità superava la soglia di discriminazione venivano presentati sullo schermo come punti bianchi. In questo caso, la luminosità dei punti non dipendeva dal valore assoluto dell'intensità del segnale riflesso: tutti i punti bianchi avevano la stessa luminosità. Con questo metodo di presentazione dell'immagine - chiamato "bistabile" - i confini degli organi e delle strutture altamente riflettenti (ad esempio il seno renale) erano chiaramente visibili, tuttavia non era possibile valutare la struttura degli organi parenchimali. La comparsa negli anni '70 di dispositivi che permettevano di trasmettere sfumature di grigio sullo schermo di un monitor ha segnato l'inizio dell'era dei dispositivi in ​​scala di grigio. Questi dispositivi hanno permesso di ottenere informazioni irraggiungibili utilizzando dispositivi con immagine bistabile. Lo sviluppo dell'informatica e della microelettronica rese presto possibile il passaggio dalle immagini analogiche a quelle digitali. Le immagini digitali nelle macchine ad ultrasuoni sono formate su matrici di grandi dimensioni (solitamente 512×512 pixel) con un numero di livelli di scala di grigio pari a 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 bit). Quando si esegue il rendering a una profondità di 20 cm su una matrice di 512 × 512 pixel, un pixel corrisponderà a dimensioni lineari di 0,4 mm. Sui dispositivi moderni si tende ad aumentare le dimensioni del display senza perdita di qualità dell'immagine, mentre sui dispositivi di fascia media sta diventando comune uno schermo da 12 pollici (30 cm di diagonale).

Il tubo a raggi catodici (display, monitor) di un dispositivo a ultrasuoni utilizza un fascio di elettroni fortemente focalizzato per produrre un punto luminoso su uno schermo rivestito con uno speciale fosforo. Usando le piastre di deflessione, questo punto può essere spostato sullo schermo.

A Un tipo spazzata (Ampiezza) la distanza dal sensore viene tracciata lungo un asse e l'intensità del segnale riflesso viene tracciata lungo l'altro (Fig. 27).

Riso. 27. Scansione del segnale di tipo A.

Nei dispositivi moderni, la scansione di tipo A non viene praticamente utilizzata.

Tipo B scansione (Luminosità - luminosità) consente di ottenere informazioni lungo la linea di scansione sull'intensità dei segnali riflessi sotto forma di differenze nella luminosità dei singoli punti che compongono questa linea.

Esempio di schermata: scansione a sinistra B, sulla destra - M e cardiogramma.

Tipo M (a volte TM) spazzata (Movimento) consente di registrare il movimento (movimento) delle strutture riflettenti nel tempo. In questo caso, i movimenti delle strutture riflettenti sotto forma di punti di diversa luminosità vengono registrati verticalmente e orizzontalmente - lo spostamento della posizione di questi punti nel tempo (Fig. 28).

Riso. 28. Scansione di tipo M.

Per ottenere un'immagine tomografica bidimensionale è necessario spostare in un modo o nell'altro la linea di scansione lungo il piano di scansione. Nei dispositivi a scansione lenta, ciò veniva ottenuto spostando manualmente il sensore lungo la superficie del corpo del paziente.

DISPOSITIVI DI SCANSIONE RAPIDA

I dispositivi di scansione veloce o, come vengono più spesso chiamati, dispositivi in ​​tempo reale, hanno ormai completamente sostituito i dispositivi di scansione lenti o manuali. Ciò è dovuto a una serie di vantaggi offerti da questi dispositivi: la capacità di valutare il movimento di organi e strutture in tempo reale (cioè quasi nello stesso momento); una forte riduzione del tempo dedicato alla ricerca; la capacità di condurre ricerche attraverso piccole finestre acustiche.

Se i dispositivi a scansione lenta possono essere paragonati a una fotocamera (che ottiene immagini fisse), i dispositivi in ​​tempo reale possono essere paragonati al cinema, dove le immagini fisse (fotogrammi) si sostituiscono ad alta frequenza, creando l'impressione di movimento.

I dispositivi di scansione veloce utilizzano, come menzionato sopra, sensori di settore meccanici ed elettronici, sensori lineari elettronici, sensori convessi (convessi) elettronici e sensori radiali meccanici.

Qualche tempo fa, i sensori trapezoidali sono comparsi su una serie di dispositivi, il cui campo visivo aveva una forma trapezoidale; tuttavia, non presentavano alcun vantaggio rispetto ai sensori convessi, ma presentavano essi stessi una serie di svantaggi.

Attualmente il miglior sensore per l'esame degli organi addominali, dello spazio retroperitoneale e della pelvi è quello convesso. Ha una superficie di contatto relativamente piccola e un campo visivo molto ampio nelle zone centrali e lontane, il che semplifica e velocizza l'esame.

Quando si esegue la scansione con un raggio ultrasonico, il risultato di ogni passaggio completo del raggio viene chiamato fotogramma. La cornice è formata da un gran numero di linee verticali (Fig. 29).

Riso. 29. Formazione di un'immagine con linee separate.

Ogni linea è almeno un impulso ultrasonico. La frequenza di ripetizione degli impulsi per ottenere un'immagine in scala di grigi nei dispositivi moderni è di 1 kHz (1000 impulsi al secondo).

Esiste una relazione tra la frequenza di ripetizione degli impulsi (PRF), il numero di linee che formano un frame e il numero di frame per unità di tempo: PRF = numero di linee × frequenza fotogrammi.

Sullo schermo del monitor la qualità dell'immagine risultante sarà determinata soprattutto dalla densità delle linee. Per un sensore lineare, la densità di linea (linee/cm) è il rapporto tra il numero di linee che formano una cornice e la larghezza della parte del monitor su cui si forma l'immagine.

Per un sensore di tipo settoriale, la densità delle linee (linee/gradi) è il rapporto tra il numero di linee che formano un fotogramma e l'angolo del settore.

Maggiore è la frequenza dei fotogrammi impostata nel dispositivo, minore (a una determinata frequenza di ripetizione degli impulsi) il numero di linee che formano il fotogramma, minore è la densità delle linee sullo schermo del monitor e minore è la qualità dell'immagine risultante. Ma con un frame rate elevato abbiamo una buona risoluzione temporale, che è molto importante per gli studi ecocardiografici.

DISPOSITIVI GRAFICI DOPPLER

Il metodo di ricerca ad ultrasuoni consente di ottenere non solo informazioni sullo stato strutturale di organi e tessuti, ma anche di caratterizzare i flussi nei vasi. Questa capacità si basa sull'effetto Doppler: un cambiamento nella frequenza del suono ricevuto quando ci si muove rispetto all'ambiente della sorgente o del ricevitore del suono o su un suono di diffusione del corpo. Si osserva per il fatto che la velocità di propagazione degli ultrasuoni in qualsiasi mezzo omogeneo è costante. Pertanto, se una sorgente sonora si muove a velocità costante, le onde sonore emesse nella direzione del movimento vengono compresse, aumentando la frequenza del suono. Le onde emesse nella direzione opposta sembrano allungarsi, provocando una diminuzione della frequenza del suono (Fig. 30).

Riso. 30. Effetto Doppler.

Confrontando la frequenza ultrasonica originale con quella modificata è possibile determinare lo spostamento di Doller e calcolarne la velocità. Non importa se il suono viene emesso da un oggetto in movimento o se l'oggetto riflette le onde sonore. Nel secondo caso, la sorgente ultrasonica può essere fissa (sensore ultrasonico) e i globuli rossi in movimento possono fungere da riflettore delle onde ultrasoniche. Lo spostamento Doppler può essere positivo (se il riflettore si muove verso la sorgente sonora) o negativo (se il riflettore si allontana dalla sorgente sonora). Se la direzione di incidenza del fascio ultrasonico non è parallela alla direzione di movimento del riflettore, è necessario correggere lo spostamento Doppler mediante il coseno dell'angolo q tra il raggio incidente e la direzione di movimento del riflettore (Fig 31).

Riso. 31. Angolo tra il raggio incidente e la direzione del flusso sanguigno.

Per ottenere informazioni Doppler, vengono utilizzati due tipi di dispositivi: onda costante e pulsata. In un dispositivo Doppler ad onda continua, il sensore è costituito da due trasduttori: uno di essi emette costantemente ultrasuoni, l'altro riceve costantemente segnali riflessi. Il ricevitore rileva lo spostamento Doppler, che solitamente è -1/1000 della frequenza della sorgente ultrasonica (gamma udibile) e trasmette il segnale agli altoparlanti e, in parallelo, al monitor per la valutazione qualitativa e quantitativa della forma d'onda. I dispositivi a onda continua rilevano il flusso sanguigno lungo quasi l'intero percorso del fascio ultrasonoro o, in altre parole, hanno un ampio volume di controllo. Ciò potrebbe causare l'ottenimento di informazioni inadeguate quando più vasi entrano nel volume di controllo. Tuttavia, un volume di riferimento ampio è utile per calcolare la caduta di pressione nella stenosi valvolare.

Per valutare il flusso sanguigno in un'area specifica, è necessario posizionare un volume di controllo nell'area di interesse (ad esempio all'interno di un vaso specifico) sotto controllo visivo sullo schermo di un monitor. Ciò può essere ottenuto utilizzando un dispositivo a impulsi. Esiste un limite superiore allo spostamento Doppler che può essere rilevato dagli strumenti pulsati (a volte chiamato limite di Nyquist). Corrisponde a circa la metà della frequenza di ripetizione dell'impulso. Quando viene superato, si verifica una distorsione dello spettro Doppler (aliasing). Maggiore è la frequenza di ripetizione dell'impulso, maggiore è lo spostamento Doppler che può essere determinato senza distorsioni, ma minore è la sensibilità del dispositivo ai flussi a bassa velocità.

A causa del fatto che gli impulsi ultrasonici inviati al tessuto contengono un gran numero di frequenze oltre a quella principale, e anche per il fatto che le velocità delle singole sezioni del flusso non sono le stesse, l'impulso riflesso è costituito da un grande numero di frequenze diverse (Fig. 32).

Riso. 32. Grafico dello spettro degli impulsi ultrasonici.

Utilizzando la trasformata veloce di Fourier, il contenuto in frequenza dell'impulso può essere rappresentato sotto forma di uno spettro, che può essere visualizzato sullo schermo del monitor sotto forma di curva, dove le frequenze di spostamento Doppler sono tracciate orizzontalmente e l'ampiezza di ogni componente è tracciato verticalmente. Utilizzando lo spettro Doppler, è possibile determinare un gran numero di parametri di velocità del flusso sanguigno (velocità massima, velocità di fine diastole, velocità media, ecc.), Tuttavia, questi indicatori dipendono dall'angolo e la loro precisione dipende estremamente dalla precisione della correzione dell'angolo. E se nei grandi vasi non tortuosi la correzione dell'angolo non causa problemi, nei piccoli vasi tortuosi (vasi tumorali) è abbastanza difficile determinare la direzione del flusso. Per risolvere questo problema sono stati proposti numerosi indici quasi indipendenti dall'angolo, i più comuni dei quali sono l'indice di resistenza e l'indice di pulsazione. L'indice di resistenza è il rapporto tra la differenza tra la velocità massima e minima e la velocità massima del flusso (Fig. 33). L'indice di pulsazione è il rapporto tra la differenza tra la velocità massima e minima e la velocità media del flusso.

Riso. 33. Calcolo dell'indice di resistenza e dell'indice del pulsatore.

L'ottenimento di uno spettro Doppler da un singolo volume di controllo consente di valutare il flusso sanguigno in un'area molto piccola. L'imaging del flusso a colori (mappatura color Doppler) fornisce informazioni 2D in tempo reale sul flusso sanguigno oltre all'imaging 2D in scala di grigi convenzionale. L'imaging Color Doppler espande le capacità del principio dell'imaging pulsato. I segnali riflessi dalle strutture stazionarie vengono riconosciuti e presentati in una scala di grigi. Se il segnale riflesso ha una frequenza diversa da quella emessa significa che è stato riflesso da un oggetto in movimento. In questo caso viene determinato lo spostamento Doppler, il suo segno e il valore della velocità media. Questi parametri vengono utilizzati per determinare il colore, la sua saturazione e luminosità. Tipicamente, la direzione del flusso verso il sensore è codificata in rosso e quella lontano dal sensore in blu. La brillantezza del colore è determinata dalla velocità del flusso.

Negli ultimi anni è emersa una variante della mappatura color Doppler, denominata “Power Doppler”. Con il power Doppler non viene determinato il valore dello spostamento Doppler del segnale riflesso, ma la sua energia. Questo approccio consente di aumentare la sensibilità del metodo alle basse velocità e renderlo quasi indipendente dall'angolo, anche se a costo di perdere la capacità di determinare il valore assoluto della velocità e della direzione del flusso.

ARTEFATTI

Un artefatto nella diagnostica ecografica è la comparsa di strutture inesistenti nell'immagine, l'assenza di strutture esistenti, la posizione errata delle strutture, la luminosità errata delle strutture, i contorni errati delle strutture, le dimensioni errate delle strutture. Il riverbero, uno degli artefatti più comuni, si verifica quando un impulso ultrasonico viene colpito tra due o più superfici riflettenti. In questo caso, parte dell'energia dell'impulso ultrasonico viene riflessa ripetutamente da queste superfici, ritornando ogni volta parzialmente al sensore a intervalli regolari (Fig. 34).

Riso. 34. Riverbero.

Il risultato di ciò sarà la comparsa sullo schermo del monitor di superfici riflettenti inesistenti, che si troveranno dietro il secondo riflettore ad una distanza pari alla distanza tra il primo e il secondo riflettore. Talvolta è possibile ridurre il riverbero modificando la posizione del sensore. Una variante del riverbero è un artefatto chiamato “coda di cometa”. Si osserva quando gli ultrasuoni provocano vibrazioni naturali di un oggetto. Questo artefatto si osserva spesso dietro piccole bolle di gas o piccoli oggetti metallici. Poiché non sempre l'intero segnale riflesso ritorna al sensore (Fig. 35), appare un artefatto sulla superficie riflettente effettiva, che è più piccola della superficie riflettente reale.

Riso. 35. Superficie riflettente efficace.

A causa di questo artefatto, la dimensione delle pietre determinata dagli ultrasuoni è solitamente leggermente inferiore alla dimensione reale. La rifrazione può causare il posizionamento errato di un oggetto nell'immagine risultante (Figura 36).

Riso. 36. Superficie riflettente efficace.

Se il percorso degli ultrasuoni dal sensore alla struttura riflettente e viceversa non è lo stesso, si verifica una posizione errata dell'oggetto nell'immagine risultante. Gli artefatti speculari sono l'aspetto di un oggetto situato su un lato di un forte riflettore sull'altro lato (Fig. 37).

Riso. 37. Artefatto specchio.

In prossimità dell'apertura si verificano spesso artefatti speculari.

L'artefatto dell'ombra acustica (Fig. 38) si verifica dietro strutture che riflettono o assorbono fortemente gli ultrasuoni. Il meccanismo di formazione di un'ombra acustica è simile alla formazione di un'ombra ottica.

Riso. 38. Ombra acustica.

L'artefatto della pseudo-amplificazione distale del segnale (Fig. 39) si verifica dietro strutture che assorbono debolmente gli ultrasuoni (formazioni liquide, contenenti liquidi).

Riso. 39. Eco distale pseudo-potenziato.

L'artefatto delle ombre laterali è associato alla rifrazione e, talvolta, all'interferenza delle onde ultrasoniche quando il fascio ultrasonico cade tangenzialmente su una superficie convessa (cisti, cistifellea cervicale) di una struttura, la cui velocità degli ultrasuoni è significativamente diversa dai tessuti circostanti (Fig. 40).

Riso. 40. Ombre laterali.

Gli artefatti associati ad un'errata determinazione della velocità degli ultrasuoni sorgono a causa del fatto che la velocità effettiva di propagazione degli ultrasuoni in un particolare tessuto è maggiore o minore della velocità media (1,54 m/s) per la quale è programmato il dispositivo (Fig. 41).

Riso. 41. Distorsione dovuta a differenze nella velocità degli ultrasuoni (V1 e V2) da parte di mezzi diversi.

Gli artefatti da spessore del fascio di ultrasuoni sono la comparsa, soprattutto negli organi contenenti fluidi, di riflessioni sulle pareti dovute al fatto che il fascio di ultrasuoni ha uno spessore specifico e parte di questo fascio può formare contemporaneamente un'immagine dell'organo e un'immagine delle strutture adiacenti ( Figura 42).

Riso. 42. Artefatto relativo allo spessore del fascio ultrasonico.

CONTROLLO QUALITÀ DELLE APPARECCHIATURE A ULTRASUONI

Il controllo di qualità delle apparecchiature ad ultrasuoni comprende la determinazione della sensibilità relativa del sistema, la risoluzione assiale e laterale, la zona morta, il corretto funzionamento del distanziometro, l'accuratezza della registrazione, il corretto funzionamento del VAG, la determinazione della gamma dinamica della scala dei grigi, ecc. Per controllare la qualità del funzionamento dei dispositivi a ultrasuoni, vengono utilizzati oggetti di prova speciali o fantasmi equivalenti ai tessuti (Fig. 43). Sono disponibili in commercio, ma non sono ampiamente utilizzati nel nostro Paese, il che rende quasi impossibile la verifica in loco delle apparecchiature diagnostiche a ultrasuoni.

Riso. 43. Oggetto del test dell'American Institute of Ultrasound in Medicine.

EFFETTO BIOLOGICO DEGLI ULTRASUONI E SICUREZZA

L’effetto biologico degli ultrasuoni e la loro sicurezza per il paziente sono costantemente dibattuti in letteratura. La conoscenza degli effetti biologici degli ultrasuoni si basa sullo studio dei meccanismi degli ultrasuoni, sullo studio dell'effetto degli ultrasuoni su colture cellulari, studi sperimentali su piante, animali e, infine, studi epidemiologici.

Gli ultrasuoni possono causare effetti biologici attraverso effetti meccanici e termici. L'attenuazione del segnale ultrasonico si verifica a causa dell'assorbimento, ad es. convertendo l'energia delle onde ultrasoniche in calore. Il riscaldamento dei tessuti aumenta con l'aumentare dell'intensità degli ultrasuoni emessi e della loro frequenza. La cavitazione è la formazione in un liquido di bolle pulsanti riempite di gas, vapore o una miscela di entrambi. Una delle cause della cavitazione potrebbe essere un'onda ultrasonica. Quindi gli ultrasuoni sono dannosi o no?

Le ricerche relative agli effetti degli ultrasuoni sulle cellule, i lavori sperimentali su piante e animali e gli studi epidemiologici hanno portato l'American Institute of Ultrasound in Medicine a fare la seguente affermazione, confermata l'ultima volta nel 1993:

"Non sono mai stati documentati effetti biologici nei pazienti o negli operatori dei dispositivi causati dall'irradiazione (ultrasuoni) con l'intensità tipica delle attuali strutture diagnostiche ad ultrasuoni. Sebbene sia possibile che tali effetti biologici possano essere identificati in futuro, le prove attuali indicano che il Il beneficio per il paziente derivante dall’uso prudente degli ultrasuoni diagnostici supera il potenziale rischio, se presente."

NUOVE DIREZIONI NELLA DIAGNOSTICA ULTRASONICA

C'è un rapido sviluppo della diagnostica ecografica, un miglioramento costante dei dispositivi diagnostici ecografici. Possiamo assumere diverse direzioni principali per lo sviluppo futuro di questo metodo diagnostico.

È possibile migliorare ulteriormente le tecniche Doppler, in particolare il power Doppler e l'imaging dei tessuti a colori Doppler.

L'ecografia tridimensionale potrebbe diventare in futuro un'area molto importante della diagnostica ecografica. Attualmente sono disponibili in commercio diverse unità diagnostiche a ultrasuoni che consentono la ricostruzione tridimensionale dell'immagine, tuttavia il significato clinico di questa direzione rimane poco chiaro.

Il concetto di utilizzo di agenti di contrasto ecografici è stato proposto per la prima volta da R.Gramiak e P.M.Shah alla fine degli anni sessanta durante studi ecocardiografici. Attualmente è disponibile in commercio un agente di contrasto Echovist (Schering) utilizzato per l'imaging del lato destro del cuore. Recentemente è stato modificato per ridurre la dimensione delle particelle di contrasto e può essere riciclato nel sistema circolatorio umano (Levovist, Schering). Questo farmaco migliora significativamente il segnale Doppler, sia spettrale che cromatico, che può essere essenziale per valutare il flusso sanguigno del tumore.

L'ecografia intracavitaria che utilizza sensori ultrasottili apre nuove opportunità per lo studio di organi e strutture cavi. Tuttavia, attualmente, la diffusione di questa tecnica è limitata dall'elevato costo dei sensori specializzati, che peraltro possono essere utilizzati per la ricerca un numero limitato di volte (1÷40).

L'elaborazione delle immagini al computer per oggettivare le informazioni ottenute è un'area promettente che in futuro potrebbe migliorare l'accuratezza della diagnosi di piccoli cambiamenti strutturali negli organi parenchimali. Sfortunatamente, i risultati ottenuti fino ad oggi non hanno un significato clinico significativo.

Ciò nonostante, quello che solo ieri sembrava un lontano futuro della diagnostica ecografica, oggi è diventato una pratica comune di routine e, probabilmente, nel prossimo futuro assisteremo all'introduzione di nuove tecniche diagnostiche ecografiche nella pratica clinica.

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DOMANDE DI PROVA

1. La base del metodo di ricerca ecografica è:
   A. visualizzazione di organi e tessuti sullo schermo del dispositivo
   B. interazione degli ultrasuoni con i tessuti del corpo umano
   B. ricezione dei segnali riflessi
   D. radiazione ultrasonica
   D. rappresentazione in scala di grigi dell'immagine sullo schermo del dispositivo
2. L'ultrasuono è un suono la cui frequenza non è inferiore a:
   A. 15 kHz
   B.20000 Hz
   B. 1 MHz D. 30 Hz E. 20 Hz
3. La velocità di propagazione degli ultrasuoni aumenta se:
   A. la densità del mezzo aumenta
   B. la densità del mezzo diminuisce
   B. l'elasticità aumenta
   D. aumento della densità e dell'elasticità
   D. la densità diminuisce, l'elasticità aumenta
4. La velocità media di propagazione degli ultrasuoni nei tessuti molli è:
   A. 1450 m/s
   B.1620 m/s
   B.1540 m/s
   G.1300 m/s
   D.1420 m/s
5. La velocità di propagazione degli ultrasuoni è determinata da:
   A. frequenza
   B. ampiezza
   B. lunghezza d'onda
   periodo G
   D. ambiente
6. Lunghezza d'onda nei tessuti molli con frequenza crescente:
   A. diminuisce
   B. rimane invariato
   B. aumenta
7. Avendo i valori di velocità e frequenza di propagazione degli ultrasuoni possiamo calcolare:
   A. ampiezza
   periodo B
   B. lunghezza d'onda
   D. ampiezza e periodo D. periodo e lunghezza d'onda
8. Con l’aumentare della frequenza, il coefficiente di attenuazione nei tessuti molli è:
   A. diminuisce
   B. rimane invariato
   B. aumenta
9. Quale dei seguenti parametri determina le proprietà del mezzo attraverso il quale passano gli ultrasuoni:
   A. resistenza
   B. intensità
   B. ampiezza
   Frequenza G
   D. periodo
10. Quale dei seguenti parametri non può essere determinato tra gli altri disponibili:
    A. frequenza
    periodo B
    B. ampiezza
    D. lunghezza d'onda
    D. velocità di propagazione
11. Gli ultrasuoni vengono riflessi dal confine dei mezzi che differiscono in:
    R. Densità
    B. impedenza acustica
    B. velocità di propagazione degli ultrasuoni
    G. elasticità
    D. Velocità ed elasticità di propagazione degli ultrasuoni
12. Per calcolare la distanza dal riflettore, è necessario sapere:
    A. attenuazione, velocità, densità
    B. attenuazione, resistenza
    B. attenuazione, assorbimento
    D. tempo di ritorno del segnale, velocità
    D. densità, velocità
13. Gli ultrasuoni possono essere focalizzati:
    A. elemento curvo
    B. riflettore curvo
    B. lente
    G. antenna in fase
    D. tutto quanto sopra
14. La risoluzione assiale è determinata da:
    A. focalizzazione
    B. distanza dall'oggetto
    B. tipo di sensore
    D. ambiente
15. La risoluzione trasversale è determinata da:
    A. focalizzazione
    B. distanza dall'oggetto
    B. tipo di sensore
    D. numero di oscillazioni in un impulso
    Ambiente D

Capitolo dal volume I del manuale sulla diagnostica ecografica,

scritto dal personale del Dipartimento di Diagnostica Ecografica

Accademia medica russa di formazione post-laurea

Gli ultrasuoni sono il nome dato alle onde elastiche (onde che si propagano in mezzi liquidi, solidi e gassosi a causa dell'azione di forze elastiche), la cui frequenza si trova al di fuori della gamma udibile dall'uomo - circa 20 kHz e oltre.

Caratteristiche utili delle onde ultrasoniche

E sebbene gli ultrasuoni abbiano fisicamente la stessa natura del suono udibile, differendo solo condizionatamente (in una frequenza più alta), è proprio grazie alla loro frequenza più alta che gli ultrasuoni sono applicabili in una serie di aree utili. Pertanto, quando si misura la velocità degli ultrasuoni in una sostanza solida, liquida o gassosa, si ottengono errori molto insignificanti durante il monitoraggio di processi veloci, quando si determina la capacità termica specifica (gas), quando si misurano le costanti elastiche dei solidi.

L'alta frequenza a piccole ampiezze consente di ottenere maggiori densità di flusso energetico, poiché l'energia di un'onda elastica è proporzionale al quadrato della sua frequenza. Inoltre le onde ultrasoniche, utilizzate nel modo giusto, permettono di ottenere una serie di effetti e fenomeni acustici molto particolari.

Uno di questi fenomeni insoliti è la cavitazione acustica, che si verifica quando una potente onda ultrasonica viene diretta in un liquido. In un liquido, nel campo degli ultrasuoni, minuscole bolle di vapore o gas (dimensioni submicroscopiche) iniziano a crescere fino a raggiungere frazioni di millimetri di diametro, pulsando alla frequenza dell'onda e collassando nella fase di pressione positiva.

La bolla che collassa genera un impulso localmente ad alta pressione, misurato in migliaia di atmosfere, diventando una fonte di onde d’urto sferiche. I microflussi acustici formati vicino a tali bolle pulsanti hanno avuto applicazioni utili per produrre emulsioni, pulire parti, ecc.

Focalizzando gli ultrasuoni, nell'olografia acustica e nei sistemi di imaging sonoro si ottengono immagini sonore che concentrano l'energia sonora in modo da formare una radiazione diretta con caratteristiche direzionali specificate e controllate.

Utilizzando un'onda ultrasonica come reticolo di diffrazione della luce, per determinati scopi è possibile modificare gli indici di rifrazione della luce, poiché la densità in un'onda ultrasonica, come in un'onda elastica in linea di principio, cambia periodicamente.

Infine, caratteristiche legate alla velocità di propagazione degli ultrasuoni. Nei mezzi inorganici, gli ultrasuoni si propagano ad una velocità che dipende dall'elasticità e dalla densità del mezzo.

Per quanto riguarda i mezzi organici, la velocità è influenzata dai confini e dalla loro natura, cioè la velocità di fase dipende dalla frequenza (dispersione). Gli ultrasuoni si attenuano quando il fronte d'onda si allontana dalla sorgente: il fronte diverge, gli ultrasuoni vengono dispersi e assorbiti.

L'attrito interno del mezzo (viscosità di taglio) porta all'assorbimento classico degli ultrasuoni; inoltre, l'assorbimento del rilassamento per gli ultrasuoni supera l'assorbimento classico. Gli ultrasuoni sono attenuati più fortemente nei gas e molto più deboli nei solidi e nei liquidi. Nell'acqua, ad esempio, svanisce 1000 volte più lentamente che nell'aria. Pertanto, le applicazioni industriali degli ultrasuoni sono quasi interamente legate a solidi e liquidi.

Ultrasuoni in ecolocalizzazione e sonar (industria alimentare, difesa, mineraria)

Il primo prototipo di sonar fu creato dall'ingegnere russo Shilovsky insieme al fisico francese Langevin nel 1912 per prevenire le collisioni di navi con banchi di ghiaccio e iceberg.

Il dispositivo utilizzava il principio di riflessione e ricezione delle onde sonore. Il segnale è stato inviato fino a un certo punto e, in base al ritardo del segnale di risposta (eco), conoscendo la velocità del suono, è stato possibile giudicare la distanza dall'ostacolo che rifletteva il suono.

Shilovsky e Langevin iniziarono a esplorare a fondo l'idroacustica e presto crearono un dispositivo in grado di rilevare sottomarini nemici nel Mar Mediterraneo a una distanza massima di 2 chilometri. Tutti i sonar moderni, compresi quelli militari, discendono proprio da quello strumento.

I moderni ecoscandagli per lo studio della topografia del fondale sono costituiti da quattro blocchi: trasmettitore, ricevitore, trasduttore e schermo. La funzione del trasmettitore è quella di inviare impulsi ultrasonici in profondità nell'acqua (50 kHz, 192 kHz o 200 kHz), che si propagano attraverso l'acqua ad una velocità di 1,5 km/s, dove vengono riflessi da pesci, pietre, altri oggetti e il fondo, quindi l'eco raggiunge il ricevitore e viene elaborato dal convertitore e il risultato viene visualizzato sul display in una forma comoda per la percezione visiva.

Ultrasuoni nell'industria elettronica ed energetica

Molte aree della fisica moderna non possono fare a meno degli ultrasuoni. La fisica dello stato solido e dei semiconduttori, così come l'acustoelettronica, sono per molti versi strettamente legate ai metodi di ricerca sugli ultrasuoni, con impatti a frequenze di 20 kHz e superiori. L'acustoelettronica occupa un posto speciale qui, dove le onde ultrasoniche interagiscono con i campi elettrici e gli elettroni all'interno dei corpi solidi.

Le onde ultrasoniche volumetriche vengono utilizzate sulle linee di ritardo e nei risonatori al quarzo per stabilizzare la frequenza nei moderni sistemi elettronici per l'elaborazione e la trasmissione delle informazioni. Le onde acustiche superficiali occupano un posto speciale nei filtri passa-banda per la televisione, nei sintetizzatori di frequenza, nei dispositivi per il trasferimento di carica mediante un'onda acustica, nei dispositivi di memoria e di lettura delle immagini. Infine, i correlatori e i convolutori utilizzano l'effetto acustoelettrico trasversale nel loro lavoro.

Radioelettronica e ultrasuoni

Le linee di ritardo ultrasoniche sono utili per ritardare un segnale elettrico rispetto a un altro. L'impulso elettrico viene convertito in un'oscillazione meccanica pulsata di frequenza ultrasonica, che si propaga molte volte più lentamente dell'impulso elettromagnetico; la vibrazione meccanica viene poi riconvertita in impulso elettrico, producendo un segnale ritardato rispetto a quello originariamente applicato.

Per tale conversione vengono solitamente utilizzati trasduttori piezoelettrici o magnetostrittivi, motivo per cui le linee di ritardo sono chiamate piezoelettriche o magnetostrittive.

In una linea di ritardo piezoelettrica, un segnale elettrico viene fornito ad una piastra di quarzo (trasduttore piezoelettrico) collegata rigidamente ad un'asta metallica.

Un secondo trasduttore piezoelettrico è fissato all'altra estremità dell'asta. Il trasduttore di ingresso riceve il segnale, crea vibrazioni meccaniche che si propagano lungo l'asta e quando le vibrazioni raggiungono il secondo trasduttore attraverso l'asta si ottiene nuovamente un segnale elettrico.

La velocità di propagazione delle vibrazioni lungo l'asta è molto inferiore a quella di un segnale elettrico, pertanto il segnale che attraversa l'asta è ritardato rispetto a quello fornito di una quantità legata alla differenza tra le velocità delle vibrazioni elettromagnetiche e ultrasoniche.

La linea di ritardo magnetostrittiva conterrà il trasduttore di ingresso, i magneti, il condotto audio, il trasduttore di uscita e gli assorbitori. Il segnale di ingresso viene alimentato alla prima bobina, nel condotto sonoro dell'asta in materiale magnetostrittivo iniziano oscillazioni della frequenza ultrasonica - oscillazioni meccaniche - il magnete qui crea una polarizzazione costante nella zona di conversione e un'induzione magnetica iniziale.

Ultrasuoni nell'industria manifatturiera (taglio e saldatura)

Tra la sorgente degli ultrasuoni e il pezzo viene interposto un materiale abrasivo (sabbia di quarzo, diamante, pietra, ecc.). Gli ultrasuoni agiscono sulle particelle abrasive, che a loro volta colpiscono il pezzo alla frequenza degli ultrasuoni. Il materiale della parte viene distrutto sotto l'influenza di un numero enorme di piccoli impatti di grani abrasivi: ecco come avviene la lavorazione.

Il taglio è combinato con il movimento di avanzamento, le vibrazioni longitudinali di taglio sono le principali. La precisione della lavorazione ad ultrasuoni dipende dalla dimensione del grano dell'abrasivo e raggiunge 1 micron. In questo modo si rendono necessari tagli complessi nella produzione di parti metalliche, molatura, incisione e foratura.

Se è necessario saldare metalli diversi (o anche polimeri) o combinare una parte spessa con una piastra sottile, gli ultrasuoni vengono nuovamente in soccorso. Questo è il cosiddetto. Sotto l'influenza degli ultrasuoni nella zona di saldatura, il metallo diventa molto duttile; le parti possono essere ruotate molto facilmente durante la connessione con qualsiasi angolazione. E non appena si disattivano gli ultrasuoni, le parti si collegheranno e si imposteranno immediatamente.

È particolarmente degno di nota il fatto che la saldatura avviene a una temperatura inferiore al punto di fusione delle parti e la loro connessione avviene praticamente allo stato solido. Ma l'acciaio, il titanio e persino il molibdeno vengono saldati in questo modo. I fogli sottili sono i più facili da saldare. Questo metodo di saldatura non richiede una preparazione speciale della superficie delle parti; questo vale sia per i metalli che per i polimeri.

Ultrasuoni in metallurgia (rilevamento di difetti ad ultrasuoni)

Il rilevamento dei difetti ad ultrasuoni è uno dei metodi più efficaci per il controllo di qualità delle parti metalliche senza distruzione. Nei mezzi omogenei, gli ultrasuoni si propagano direzionalmente senza rapida attenuazione ed sono caratterizzati dalla riflessione ai confini del mezzo. Pertanto, le parti metalliche vengono controllate per la presenza di cavità e crepe al loro interno (interfaccia aria-metallo) e viene rilevata una maggiore fatica del metallo.

Gli ultrasuoni sono in grado di penetrare una parte fino a una profondità di 10 metri e la dimensione dei difetti rilevati è dell'ordine di 5 mm. Sono disponibili: ombra, impulso, risonanza, analisi strutturale, visualizzazione, - cinque metodi di rilevamento dei difetti ad ultrasuoni.

Il metodo più semplice è il rilevamento dei difetti ad ultrasuoni ombra; questo metodo si basa sull'indebolimento di un'onda ultrasonica quando incontra un difetto mentre attraversa una parte, poiché il difetto crea un'ombra ultrasonica. Funzionano due convertitori: il primo emette un'onda, il secondo la riceve.

Questo metodo è insensibile, un difetto viene rilevato solo se la sua influenza modifica il segnale di almeno il 15% ed è anche impossibile determinare la profondità in cui si trova il difetto nella parte. Il metodo ad ultrasuoni pulsati fornisce risultati più accurati; mostra anche la profondità.