Как зависит энергия ультразвука от частоты

Физика ультразвука, пьезоэлементы (кристаллы) и правильный выбор ультразвуковых датчиков

Уважаемые коллеги и друзья, мы начнем серию кратких статей которые описывают принципы ультразвуковой диагностики и применяемые в ней технологии. Мы намеренно будем подавать данные в кратком виде, не вдаваясь глубоко в принципы физических и математических методов построения изображений и работы программных и аналоговых фильтров. Цель написания данной серии статей – в форме брифинга представить посетителю сайта информацию о том, что и почему важно при выборе ультразвукового диагностического аппарата и принадлежностей к нему, а также какие функции и надстройки полезны, какова их практика применения и нужны ли они персонально Вам.

Сегодня статья посвящена физическим принципам диагностического ультразвука. Мы хотим в краткой форме осветить лишь то, что важно пользователю и покупателю ультразвуковой диагностической системы. Если вы хотите получить углубленные знания, мы рекомендуем вам обратится к замечательной книге, написанной профессором, доктором медицинских наук, замечательным авторитетным преподавателем кафедры биомедицинских систем и технологий Львом Васильевичем Осиповым – «Ультразвуковые диагностические приборы».

Мы намеренно не будем касаться очевидных вещей: применение того или иного датчика в зависимости от формы апертуры или частоты генерируемого ультразвука. Мы заглянем немного глубже и определим что же еще крайне важно знать при выборе ультразвукового датчика.

Физика ультразвука

По своей сути звук является механической волной с продольным распространением. Сам же ультразвук, который применяется в диагностической медицине, не что иное как механическая волна (звук) определенной частоты (от 1 МГц до 25 МГц).

Для того, чтобы ультразвук распространялся необходим субстрат (вещество), при этом колебания одной частицы вещества будут передавать другой и, таким образом, будет происходить передача энергии и распространение ультразвука.

Для того, чтобы получить ультразвук необходимой характеристики, используют ультразвуковые датчики в строении апертуры которых находятся пьезокристаллы (пьезоэлементы) – именно с помощью них и происходит генерация ультразвука, который потом, из-за плотного прилегания апертуры датчика к коже человека (благодаря использованию ультразвукового геля) передается от частицы к частице в теле человека. Сами ультразвуковые колебания генерируются с помощью пьезоэлектрического эффекта, который возникает при подаче электрического импульса на пьезокристалл в ультразвуковом датчике.

Сам пьезоэлектрический эффект разделяют на прямой и обратный. Именно пьезоэффект делает возможным использование отраженного эхосигнала ультразвуковым прибором. Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в возникновении электрического потенциала на гранях пьезокристалла при их смещении в следствии воздействия механических внешних сил (пьезокристалл сжимается и расширяется).

Получение обратного пьезоэлектрического эффекта связано с воздействием на пьезокристалл с помощью электрического напряжения (в следствии подобного воздействия также происходит смещение граней пьезокристалла). На пьезокристалл подается переменное напряжение высокой частоты, пьезокристалл начинает с высокой частотой сжиматься и расширяться, вокруг него возникает высокочастотное изменение давления, что и приводит к возникновению направленных колебаний, а это и есть необходимый нам ультразвук.

Выбор ультразвуковых датчиков.

В современном диагностическом приборе в апертуре ультразвукового датчика под специальным защитным материалом (похожим на резину) находятся пьезокристаллы — главный элемент, который отвечает за генерацию ультразвука нужной частоты. Сами пьезокристаллы выращивают органическим путем на специальных производствах и качество получаемого диагностического изображения линейно связано с качеством произведенного пьезокристалла. Также важно количество пьезокристаллов в апертуре, ведь чем больше пьезоэлементов, которые генерируют ультразвук, тем больше отраженного эхосигнала может получить прибор и, соответственно, тем более информативным будет диагностическое изображение.

При выборе датчика не стоит опираться только на форму апертуры и применение (линейный, конвексный, секторный фазированный, внутриполостной и т.д.). Форма апертуры и самого датчика прежде всего определяет его применимость в различных исследований. А вот на качество изображения будет влиять именно плотность расположения пьезоэлементов (пьезокристаллов) в датчике и однородность характеристик отдельных пьезоэлементов.

Подведем итог всего вышеописанного в некой произвольной форме, которая, как нам кажется, будет полезна посетителю нашего сайта:

1. 1.Датчик если не самый важный элемент аппарата для УЗИ, то один из главных. От него зависит около 70% качества диагностического изображения;
2. 2.Выбирая датчик, обратите внимание на количество пьезоэлементов и плотность их расположения (например: линейный датчик с апертурой 38мм может содержать как 128 так и 192, 256, 512, 1000+ элементов).
3. 3.Если вы рассматриваете к покупке не оригинальный ультразвуковой датчик, а совместимый (стороннего производства), то подходите к такой покупке крайне аккуратно.

О совместимых датчиках хотелось бы добавить следующее: Производитель ультразвукового прибора крайне претенциозно относится к контролю качества над производством датчиков (и не удивительно, так как при плохом датчике обязательно будет плохая визуализация у любой, самой технологичной ультразвуковой системы). Производителю совместимого датчика, напротив, совсем не нужно так внимательно следить за качеством, такие производители преследуют свои цели: снижение себестоимости для того, чтобы успешно конкурировать с другими, более крупными и официальными производствами.

Безусловно не нужно расценивать выше написанное как информацию о том, что все совместимые датчики плохие. Конечно нет. Просто производство и продажа не оригинального совместимого датчика для ультразвукового аппарата оставляет огромное поле для маневра в случае, если кто-то захочет вас обмануть. Посудите сами: будете ли вы спрашивать количество элементов внутри датчика перед приобретением? Сможете ли вы проверить, что элементов именно столько, сколько вам назвали? Есть ли у вас возможность воспользоваться очень дорогим фантомом для определения КПД кристаллов датчика?

Как и в абсолютно любом деле, осведомленность и знания очень важны. Если вы планируете приобрести ультразвуковую диагностическую систему и/или ультразвуковой датчик, то обязательно обращайте внимание на описанные выше немаловажные детали. Если же вы планируете покупку в нашей компании, то вы можете задать все необходимые вопросы одному из наших менеджеров по контактным данным, опубликованным на сайте.

Мы желаем вам удачной покупки!

Коллектив ООО «Медфорд»

Как зависит энергия ультразвука от частоты

Ниже вы найдете ответы на наиболее общие вопросы, касающиеся ультразвуковой обработки. Если вы не найдете ответа на ваш вопрос, обратитесь к нам. Мы будем рады помочь вам.

• Могу ли я обработать ультразвуком растворитель?
• Какая мощность ультразвука необходима в моем случае?
• Влияет ли ультразвук на людей? Какие предосторожности необходимы при работе с ультразвуком?
• Какие различия между магнитострикционными и пъезоэлектрическими преобразователями?
• Почему проба нагревается при ультразвуковой обработке?
• Есть ли общие рекомендации для ультразвуковой обработки проб?
• Предлагает ли Hielscher сменные наконечники для волноводов?

Могу ли я обработать ультразвуком растворитель?

Теоретически горючий растворитель может воспламениться при ультразвуковой обработке, потому что горючие или взрывоопасные летучие вещества могут возникнуть в процессе кавитации. По этой причине необходимо использовать ультразвуковые устройства и их аксессуары, которые пригодны для этого вида применения. Если Вам необходимо обработать ультразвуком растворители, пожалуйста, свяжитесь с нами, и мы рекомендуем Вам подходящие варианты.

Какая мощность ультразвука необходима в моем случае?

Необходимая мощность ультразвука зависит от нескольких факторов, таких, как:

• Экспонируемый объем вещества для обработки
• Общий объем для обработки
• Время обработки общего объема
• Обрабатываемый материал
• Ожидаемый результат ультразвуковой обработки

Как правило, чем больше объем, тем больше требуется мощности (Вт) или больше времени на обработку. Для большинства типов волноводов мощность, в основном, распределяется по поверхности наконечника. Поэтому зонды меньших диаметров генерируют более сфокусированное поле кавитации. Более высокая интенсивность ультразвука (выраженная в мощности на объем) будет приводить к более высокой эффективности процесса.

Влияет ли ультразвук на людей? Какие предосторожности необходимы при работе с ультразвуком?

Сама по себе частота ультразвука выше человеческого звукового диапазона. Ультразвуковые вибрации хорошо распространяются в твердых веществах и жидкости, где они могут вызывать ультразвуковую кавитацию. По этой причине не следует прикасаться к вибрирующим частям ультразвуковой установки или к обрабатываемой жидкости. Передача ультразвуковых волн по воздуху не имеет документально подтвержденного негативного влияния на тело человека, поскольку уровень передачи очень низкий.

При обработке ультразвуком жидкости разрушение кавитационных пузырьков генерирует визжащий звук. Уровень этого звука зависит от нескольких факторов, таких, как мощность, давление и амплитуда. В добавление к этому может возникнуть шум суб-гармоники (с более низкой частотой). Этот звуковой шум и его эффекты сравнимы с обычным шумом от других машин, таких, как двигатели, насосы или воздуходувки. По этой причине мы рекомендуем использовать соответствующие беруши при нахождении рядом с работающей системой длительное время. Как альтернатива. Мы предлагаем звукоизолирующие боксы для наших ультразвуковых устройств.

Какие различия между магнитострикционными и пъезоэлектрическими преобразователями?

В магнитострикционных преобразователях электрическая мощность используется для генерирования электромагнитного поля, которое вызывает вибрацию магнитострикционного материала. В пьезоэлектрических преобразователях электрическая мощность прямо конвертируется в продольные вибрации. По этой причине пьезоэлектрические преобразователи имеют более высокую эффективность конвертации. Это в свою очередь уменьшает требования по охлаждению. На сегодня пъезоэлектрические преобразователи преобладают в отрасли.

Почему проба нагревается при ультразвуковой обработке?

Ультразвуковая обработка передает мощность в жидкость. Механические колебания ведут к турбулентностям и трению внутри жидкости. По этой причине при ультразвуковой обработке возникает значительный нагрев. Для того, чтобы уменьшить возрастание температуры, необходимо эффективное охлаждение. Маленькие пробы, пробирки или стеклянные мензурки следует держать в ледяной ванне для рассеяния тепла.

Кроме потенциально негативного влияния повышающейся температуры на пробы, например, на ткани, эффективность кавитации уменьшается при более высокой температуре.

Есть ли общие рекомендации для ультразвуковой обработки проб?

Для ультразвуковой обработки следует использовать маленькие сосуды, так как в них эффективность распределяется более равномерно, чем в больших пробирках. Волновод должен быть опущен достаточно глубоко в жидкость, чтобы избежать образования пены. Жесткие ткани должны быть размочены, размолоты или распылены (например, в жидком азоте) перед ультразвуковой обработкой. Во время обработки могут появиться свободные радикалы, которые могут взаимодействовать с материалом. Промывка жидкого материала жидким азотом или раствором с поглотителями, например, дитиотреитол, цистеин или другие SH-соединения в среде, может уменьшить повреждения, вызванные окислительной способностью свободных радикалов.

Предлагает ли Hielscher сменные наконечники для волноводов?

Hielscher не поставляет сменные наконечники для волноводов. Жидкости с низкой силой поверхностно натяжения, такие, как растворители, как правило, проникают в соединение между волноводом и сменным наконечником. Эта проблема увеличивается с ростом амплитуды колебаний. Жидкость может переносить частицы в резьбовое соединение. Это вызывает износ резьбы, что ведет к изолированию наконечника от волновода. Если наконечник изолирован, он не будет резонировать на рабочей частоте и устройство не будет работать. Поэтому мы поставляем только цельные зонды.

Глоссарий

Ультразвуковой генератор

Ультразвуковой генератор (источник мощности) генерирует электрические колебания ультразвуковой частоты (выше звуковой частоты, например, 19 кГц). Эта энергия передается в волновод.

Волновод/зонд

Волновод (также зонд или воронка) – это механический элемент, который передает ультразвуковые вибрации от преобразователя в материал, который нужно обработать. Он должен быть смонтирован очень плотно для того, чтобы избежать фрикции и потери. В зависимости от геометрии волновода механические вибрации усиливаются или ослабевают в нем. Через поверхность волновода механические колебания передаются в жидкость. Это приводит к образованию микроскопических пузырьков (кавитации), которые увеличиваются во время циклов низкого давления и быстр срастаются в циклах высокого давления. Это явление называют кавитацией. Кавитация генерирует мощные деформирующие силы в наконечнике волновода и вызывает интенсивное перемешивание обрабатываемого материала.

Пьезоэлектрический преобразователь

Ультразвуковой преобразователь (конвертер) – электромеханический элемент, который конвертирует электрические колебания в механические вибрации. Эти электрические колебания генерируются генератором. Механические вибрации передаются в волновод.

Амплитуда вибраций

Амплитуда вибраций описывает величину колебаний наконечника волновода. Она измеряется как наибольший из пиков. Это расстояние между положением наконечника зонда при максимальном выдвижении и максимальном сокращении волновода. Типичный диапазон амплитуды волновода – 20 – 250 мкм.

Особенности ультразвуковых генераторов

Чтобы преобразовать 50-герцевую частоту электросети в ультразвуковую (с частотой выше 20 кГц), необходимую для питания некоторых специализированных установок, используют спецальные ультразвуковые генераторы. Схема работы таких устройств предусматривает одновременное производство тока подмагничивания — он нужен для получения максимально возможной амплитуды колебаний частоты.

Использование генераторов

Источники ультразвука широко используются в промышленности и даже в быту. На основе звуковых волн такой высокой частоты работают отпугиватели собак, насекомых, грызунов. В промышленности такая энергия используется в:

• типографском деле — для повышения качества промывки и сокращения времени травления печатных плат;
• промышленных прачечных — для уменьшения периода замачивания белья в емкостях;
• химическом производстве — для ускорения протекания процессов;
• металлообработке — в сфере ультразвуковой очистки металлов, сварки;
• в электронике — при пайке и лужении схем.

Еще одна распространенная область использования звуковых волн высокой частоты — неразрушающий контроль качества продукции (УЗ-дефектоскопия). Также генераторы нужны в:

• металлургии — для уменьшения пористости готового металла, удаления из расплавов ненужных примесей;
• горном деле — для поиска полезных ископаемых, корректировки подземных схем и планов;
• сельском хозяйстве — для обработки семян в целях повышения их всхожести;
• пищевой промышленности — для дезинфекции, пастеризации, стерилизации продуктов;
• медицине — для диагностики заболеваний (УЗИ).

Все применяемые генераторы УЗ-энергии делятся на:

1. Универсальные генераторы, рассчитанные на работу с широким спектром технологических установок. На таком оборудовании можно вносить корректировки в схему их работы и задавать параметры частоты на выходе в достаточно обширном диапазоне. У некоторых моделей можно менять емкость используемых конденсаторов.
2. Специализированные генераторы, работающие по схеме, заданной производителем, применяемые там, где необходимость задавать рабочие значения частоты в большом диапазоне отсутствует. Емкость используемых конденсаторов также не может быть изменена.

Работают генераторы на базе ламп или резисторов-полупроводников, могут иметь в основе функционирования схему с независимым или самостоятельным возбуждением. Вторые модели более простые по конструкции, но по стабильности выдаваемых частот могут уступать первым вариантам.

В конструктивном плане аппарат состоит из нескольких узлов, которые называются блоками или каскадами:

• задающего, работающего с током стандартной частоты и преобразующего его в ультразвуковые импульсы, пока еще маломощные;
• промежуточного, несколько усиливающего мощность полученной энергии;
• выходного, который окончательно усиливает импульсы нужной частоты до мощности, требуемой на выходе прибора.

Любой генератор имеет ряд электротехнических характеристик, отражающихся на КПД. Рабочая частота соответствует общепринятым промышленным стандартам, например, 44±4,4 или 18±1,35 кГц. Мощность на выходе имеет диапазон от 0,25 до 10 кВт (с возможностью регулировать этот параметр плавно или ступенчато). Стабильность частоты выражается в отклонении этого параметра от первоначально заявленного диапазона.

Коэффициент полезного действия УЗ генератора

КПД генераторов определяется как отношение его мощности, получаемой на выходе, к общей, которая потребляется из электрической сети. Этот показатель зависит от множества факторов — режима работы и основной схемы генератора, выдаваемых частот, производителя устройства, качества его сборки и изготовления отдельных компонентов и узлов.

Ламповые генераторы мощностью не выше 0,4 кВт должны иметь КПД не меньше, чем 0,3, их резисторные аналоги — не меньше, чем 0,5. КПД генераторов с мощностью в диапазоне 2,5-10 кВт должен быть не менее 0,5 для генераторов ламповых и не менее 0,65 для резисторных.

Применение в микросварке

Генераторы ультразвука активно применяется в микросварке, когда нужно, например:

• соединить тончайшие лепестки металлической фольги;
• присоединить к детали микроскопическую проволоку;
• сварить миниатюрную емкость из пластмассы.

Традиционная сварка для этого использоваться не может: малейший нагрев приведет материалы в негодность. Менее мощные токовые импульсы в диапазоне ультравысоких частот, создаваемые УЗ генераторами, используются также для неразъемного соединения полимеров.

Метод сварки на УЗ-частотах был разработан сравнительно недавно. Это «холодная» операция, не изменяющая структуру и свойства свариваемых изделий. Это важно для разных сфер промышленности, в частности, для работы с некоторыми металлами, используемыми в силовой электронике для резисторных и других схем.

Физическая характеристика ультразвуковой терапии

[vc_row][vc_column][vc_column_text] В физиотерапевтической практике используют ультразвуковые колебания частотой от 800 до 3000 кГц, в ультразвуковой хирургии — от 20 до 100 кГц. Дотирование осуществляется по интенсивности ультразвука, длительности воздействия, а также по режиму генерации ультразвука (непрерывный, импульсный). Интенсивность ультразвука до 0,4 Вт/см2 считается низкой, в пределах 0,5—0,8 Вт/см2 — средней, 0,9—1 Вт/см2 и выше — высокой. Как правило, в лечебных целях используют ультразвук интенсивностью не выше 1 Вт/см2. В непрерывном режиме генерируется поток ультразвуковых волн на протяжении всего времени воздействия. Импульсный режим предусматривает применение импульсов ультразвука с частотой 50 Гц и длительностью 2, 4 и 10 мс.

Поглощение ультразвука патологическими тканями зависит от их акустических свойств и частоты ультразвуковых колебаний. Интенсивность ультразвука частотой 800—900 кГц уменьшается примерно вдвое в мягких тканях на глубине 4—5 см, а при частоте около 3000 кГц — на глубине 1,5—2 см. Жировая ткань поглощает ультразвук примерно в 4 раза, мышечная — в 10 раз, а костная — в 75 раз сильнее, чем кровь. Наиболее сильное поглощение ультразвука наблюдается на границе тканей, обладающих разными акустическими свойствами (кожа — подкожная клетчатка, фасция — мышца, надкостница — кость). Поглощение ультразвука заметно меняется при изменении состояния ткани в связи с развитием в ней патологического процесса (отек, инфильтрация, фиброз и др.). На границах двух сред поглощается не только прямая, но и отраженная энергия. Слой воздуха 0, 01 мм почти полностью поглощает ультразвук, поэтому при проведении лечебных процедур для создания безвоздушного пространства применяются контактные среды. Скорость распространения ультразвука максимальная в твердых средах, минимальная — в газообразных. Ультразвук вызывает перепады давления — сжатие и разрежение среды. Разница в давлениях может достигать 260 кПа (2, 6 атм.). При больших интенсивностях ультразвука (в эксперименте) может возникать кавитация — разрыв тканей и жидкости с образованием полостей.

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_text_separator title=»Цены лечения и отзывы пациентов» el_class=»custom-text-caption-red»][vc_column_text]

Каковы цены лечения в медицинском центре «Здоровье +»? Обычно она рассчитывается индивидуально, исходя из набора процедур одного дня лечения. Конкретное количество манипуляций и их сочетание назначается специалистом после обследования.

Отзывы о медицинском центре «Здоровье +» в основном положительные. Избранными отзывами мы делимся на нашем сайте в разделе «Отзывы».

[/vc_column_text][vc_basic_grid post_type=»post» max_items=»10″ show_filter=»yes» item=»masonryGrid_SlideoOutFromRight» grid_id=»vc_gid:1479194992247-7500f334-e405-1″ taxonomies=»6″ filter_source=»post_tag»][vc_column_text el_class=»custom-text-box-green»]

Стоит лишь добавить, что если вы страдаете от проблем со спиной, то обращайтесь в медицинский центр «Здоровье+» по адресу: г.Рязань, ул. Дзержинского, д.59 и получайте квалифицированную помощь профессионалов.

[/vc_column_text][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_text_separator title=»Похожие статьи»][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_basic_grid post_type=»post» max_items=»10″ style=»pagination» items_per_page=»4″ element_width=»3″ paging_design=»pagination_square» paging_color=»green» item=»masonryGrid_SlideFromLeft» grid_id=»vc_gid:1479194992261-9e94dc1a-6fec-0″ taxonomies=»3″][/vc_column][/vc_row][vc_row][vc_column][vc_column_text][/vc_column_text][/vc_column][/vc_row]