Тензометрия - измерение напряжений и деформаций в твердых телах. Акустическая тензометрия основана на явлении акустоупругости которое заключается в изменении скорости распространения упругих волн под влиянием напряжений.

Упругая деформация твердых тел описывается законом Гука.

Рис. 1.

Модуль Юнга характеризует упругие свойства твердых тел при деформации растяжения - сжатия. Он численно равен величине напряжения, которое вызывает изменение длины образца вдвое, если деформация при этом остается упругой. С другой стороны, модуль Юнга можно понимать как величину, численно равную объемной энергии деформации при удвоении размеров образца. Закон Гука справедлив лишь для идеально упругих тел. Для реальных же тел наблюдаются различные отклонения от этого закона. На рис. 1. представлена характерная диаграмма растяжения твердого тела. Строгая пропорциональность между относительным удлинением и напряжением наблюдается лишь при сравнительно небольших нагрузках, на участке 0А.

Максимальное напряжение п , при котором еще выполняется закон Гука, называется пределом пропорциональности.

Максимальное напряжение уп , при котором еще не возникают заметные остаточные деформации (относительная остаточная деформация не превышает 0,1%), называется пределом упругости. Ему соответствует точка В на диаграмме деформации.

Предел текучести - это напряжение, которое характеризует такое состояние деформируемого тела, после которого удлинение возрастает без увеличения действующей силы (горизонтальный участок ВС).

Пределом прочности пр (точка D) называется напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой телом перед разрушением.

Отклонения от закона Гука в области напряжений, не превосходящих предела упругости, объединяются общим понятием неупругости. Проявлением неупругости являются, например, упругие последействия и упругий гистерезис, подлежащий экспериментальному наблюдению в данной работе.

Явление упругого последействия заключается в изменении со временем деформационного состояния при неизменной величине напряжения. В этом случае после приложения нагрузки к образцу деформация возникает не мгновенно, а продолжает увеличиваться с течением времени (прямое упругое последействие); также и после снятия нагрузки: деформация образца исчезает не мгновенно, а продолжает уменьшаться во времени (обратное упругое последействие).

Закон Гука, согласно которому напряжение б и деформация е пропорциональны, выполняется приближенно. Более точная зависимость имеет вид степенного ряда.

Степени выше второй не учитывают. Это выражение следует понимать как упрощенное, не учитывающее наличия и взаимодействия деформаций разного типа. Коэффициенты типа С1 называют упругими постоянными или модулями упругости, а коэффициенты типа С2 (в изотропном твердом теле их три) обычно называют коэффициентами Мурнагана или другими терминами. В вопрос рассматривается упрощенно и показано, что

Таким образом, изменение скорости пропорционально напряжению или деформации в контролируемом объекте. Связь между ними определяется акустоупругим коэффициентом. При деформации растяжения скорость уменьшается, а при деформации сжатия - увеличивается. В области пластических деформаций скорость остается практически постоянной. Измерение абсолютных значений скорости с необходимой точностью - трудная задача. Она облегчается тем, что обычно требуется измерить не абсолютную величину, а изменение скорости под влиянием приложенных напряжении (как и в других вариантах тензометрии). Важное достоинство акустической тензометрии - измерение напряжений не только на поверхности, но также внутри ОК.

Определение напряжений в материалах, обладающих собственной анизотропией, требует учета реальной скорости звука в направлении измеряемых напряжений. Например, текстура, возникающая при прокатке дюралюминия Д16, может вызвать изменение скорости по разным направлениям до 0,26%, а изменение скорости под влиянием напряжений - порядка 0,08%; для стали 45 соответственно 0,64% и 0,04%.

Явление динамической акустоупругости заключается в воздействии на ОК переменного поля напряжений скорость ультразвука под их воздействием изменяется приблизительно так же, как в стационарном режиме. Следовательно явление может быть использовано для контроля переменных напряжений. В представлены данные о величине акустоупругого взаимодействия в зависимости от направления приложенного напряжения (рис 2).

Рис. 2. Относительные изменении скорости под влиянием приложенных напряжений: о - измерения непрерывными волнами методом прохождения; * - импульсные измерения эхо-методом

Теорию акустоупругого взаимодействия с логарифмической формой представления конечной деформации считают перспективной. Изменение скорости под влиянием напряжений очень мало, измерениям сильно мешают температурные эффекты, микронеоднородности, текстура. Схемы выполнявшихся экспериментов показаны на рис. 3.

В качестве образцов использовали алюминево-магниевый сплав, технический алюминиевый сплав и оптическое стекло. Для них измерены акустоупругие коэффициенты. Измерения выполняли импульсным методом с учетом изменения фазы импульса и методом непрерывных волн с наложением модуляции. Точность первого метода была на 10% выше, результаты показаны на (рис. 4).

Рис.

Рис.

Применительно к сталям У8 и ШХI 5 установлено, что амплитуда сигнала, возбуждаемого ЭМА-преобразователем, однозначно и практически линейно уменьшается с увеличением микроискажений кристаллической решетки (е), характеризующих микронапряжения. Значение (е) измеряли рентгеноструктурным методом. Уменьшается также резонансная частота колебаний образца, возбуждаемого ЭМА способом, но в значительно меньшей степени.

Обнаруженный эффект дает возможность использовать ЭМА-преобразование для оценки внутренних напряжений при термической обработке углеродистых и слаболегировынных сталей. Это тем более важно, что эффект проявляется при температурах отпуска 200… 600 град. где магнитные и электрические методы контроля неэффективны.

В таблице , в которой приведены скорости звука в различных лег сталях в разных состояниях обработки, различия в обеих скоростях звука составляют менее 5%. По влиянию легирующих элементов никакой систематики не усматривается, однако со стояния обработки (отжиг, закалка, термическое улучшение, холодная деформация) сказываются на скорости звука гораздо сильнее, чем легирующие элементы. Как правило, обе скорости звука под влиянием легирующих примесей уменьшаются; обычно это относится и к затуханию звука. Отклоненными от величины с 5,93 км/с для многих практических целей можно пренебречь, но в случае точного измерения толщины стенки это недопустимо. Между тем отклонение поперечной скорости звука на 1% уже приводит к изменению угла преломления на 1,5° при его исходном значении 70°. Следовательно, в критических случаях, например при предельном угле для поверхностных или головных волн, это отклонение нужно учитывать. В таком случае определенную роль играет и уменьшение скорости звука с температурой .

Термическая или механическая обработка металла приводит к перестройке структуры и появлению микродефектов. Например, в процессе усталостных испытаний изменяется дислокационная структура и накапливаются усталостные повреждения. Следователь но, есть основания ожидать изменений скорости ультразвука при механических нагружениях. Напряжения акустических колебаний, используемые в ультразвуковых измерениях, значительно меньше напряжений трения, поэтому скорость ультразвука может характеризовать перестроение и закрепление дислокаций, возникновение микропор в процессе циклических нагружений. Кривые изменения модуля упругости в процессе усталости представляют собой как бы зеркальное отображение аналогичных кривых внутреннего трения. Как правило, моменту появления микротрещин усталости соответствует одновременное заметное увеличение внутреннего трения и уменьшение модуля упругости. Перераспределение примесных атомов в металле может быть зарегистрировано по скорости ультразвука. Единственной физической характеристикой, которая изменяется (растет) вместе с развитием отпускной хрупкости, является внутреннее трение.

Глава из I тома руководства по ультразвуковой диагностике, написанного сотрудниками кафедры ультра­звуковой диагностики Российской медицинской академии после­дипломного образования (CD 2001 г) под ред.Митькова В.В.

(Статья обнаружена на просторах Интернета)

1. Физические свойства ультразвука
2. Отражение и рассеивание
3. Датчики и ультразвуковая волна
4. Приборы медленного сканирования
5. Приборы быстрого сканирования
6. Приборы для допплерографии
7. Артефакты
8. Контроль качества работы ультразвуковой аппаратуры
9. Биологическое действие ультразвука и безопасность
10. Новые направления в ультразвуковой диагностике
11. Литература
12. Тестовые вопросы

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УЛЬТРАЗВУКА

Применение ультразвука в медицинской диагностике связано с возможностью получения изображения внутренних органов и структур. Основой метода является взаимодействие ультразвука с тканями тела человека. Собственно получение изображения можно разделить на две части. Первая - излучение коротких ультразвуковых импульсов, направленное в исследуемые ткани, и второе - формирование изображения на основе отраженных сигналов. Понимание принципа работы ультразвуковой диагностической установки, знание основ физики ультразвука и его взаимодействия с тканями тела человека помогут избежать механического, бездумного использования прибора, и, следовательно, более грамотно подходить к процессу диагностики.

Звук - это механическая продольная волна, в которой колебания частиц находятся в той же плоскости, что и направление распространения энергии (рис. 1).

Рис. 1. Визуальное и графическое представление изменений давления и плотности в ультразвуковой волне.

Волна переносит энергию, но не материю. В отличие от электромагнитных волн (свет, радиоволны и т.д.) для распространения звука необходима среда - он не может распространяться в вакууме. Как и все волны, звук можно описать рядом параметров. Это частота, длина волны, скорость распространения в среде, период, амплитуда и интенсивность. Частота, период, амплитуда и интенсивность определяются источником звука, скорость распространения - средой, а длина волны - и источником звука, и средой. Частота - это число полных колебаний (циклов) за период времени в 1 секунду (рис. 2).

Рис. 2. Частота ультразвуковой волны 2 цикла в 1 с = 2 Гц

Единицами измерения частоты являются герц (Гц) и мегагерц (МГц). Один герц - это одно колебание в секунду. Один мегагерц = 1000000 герц. Что же делает звук "ультра"? Это частота. Верхняя граница слышимого звука - 20000 Гц (20 килогерц (кГц)) - является нижней границей ультра­звукового диапазона. Ультра­звуковые локаторы летучих мышей работают в диапазоне 25÷500 кГц. В современных ультра­звуковых приборах для получения изображения используется ультразвук частотой от 2 МГц и выше. Период - это время, необходимое для получения одного полного цикла колебаний (рис. 3).

Рис. 3. Период ультразвуковой волны.

Единицами измерения периода являются секунда (с) и микросекунда (мкс). Одна микросекунда является одной миллионной долей секунды. Период (мкс) = 1/частота (МГц). Длина волны - это длина, которую занимает в пространстве одно колебание (рис. 4).

Рис. 4. Длина волны.

Единицы измерения - метр (м) и миллиметр (мм). Скорость распространения ультразвука - это скорость, с которой волна перемещается в среде. Единицами скорости распространения ультразвука являются метр в секунду (м/с) и миллиметр в микросекунду (мм/мкс). Скорость распространения ультразвука определяется плотностью и упругостью среды. Скорость распространения ультразвука увеличивается при увеличении упругости и уменьшении плотности срелы. В таблице 2.1 представлены скорости распространения ультразвука в некоторых тканях тела человека.

Усредненная скорость распространения ультразвука в тканях тела человека составляет 1540 м/с - на эту скорость запрограммировано большинство ультразвуковых диагностических приборов. Скорость распространения ультразвука (С), частота (f) и длина волны (λ) связаны между собой следующим уравнением: С = f × λ. Так как в нашем случае скорость считается постоянной (1540 м/с), то оставшиеся две переменные f и λ связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью. Чем выше частота, тем меньше длина волны и тем меньше размеры объектов, которые мы можем увидеть. Еще одним важным параметром среды является акустическое сопротивление (Z). Акустическое сопротивление - это произведение значения плотности среды и скорости распространения ультразвука. Сопротивление (Z) = плотность (р) × скорость распространения (С).

Для получения изображения в ультразвуковой диагностике используется не ультразвук, который излучается трансдьюсером непрерывно (постоянной волной), а ультразвук, излучаемый в виде коротких импульсов (импульсный). Он генерируется при приложении к пьезоэлементу коротких электрических импульсов. Для характеристики импульсного ультразвука используются дополнительные параметры. Частота повторения импульсов - это число импульсов, излучаемых в единииу времени (секунду). Частота повторения импульсов из меряете я в герцах (Гц) и килогерцах (кГц). Продолжительность импульса - это временная протяженность одного импульса (рис. 5).

Рис. 5. Продолжительность ультразвукового импульса.

Измеряется в секундах (с) и микросекундах (мкс). Фактор занятости - это часть времени, в которое происходит излучение (в форме импульсов) ультразвука. Пространственная протяженность импульса (ППИ) - это длина пространства, в котором размещается один ультразвуковой импульс (рис. 6).

Рис. 6. Пространственная протяженность импульса.

Для мягких тканей пространственная протяженность импульса (мм) равна произведению 1,54 (скорость распространения ультразвука в мм/мкс) и числа колебаний (циклов) в импульсе (n), отнесенному к частоте в МГц. Или ППИ = 1,54 × n/f. Уменьшения пространственной протяженности импульса можно достичь (а это очень важно для улучшения осевой разрешающей способности) за счет уменьшения числа колебаний в импульсе или увеличения частоты. Амплитуда ультразвуковой волны - это максимальное отклонение наблюдаемой физической переменной от среднего значения (рис. 7).

Рис. 7. Амплитуда ультразвуковой волны

Интенсивность ультразвука - это отношение мощности волны к площади, по которой распределяется ультразвуковой поток. Измеряется в ваттах на квадратный сантиметр (Вт/кв.см). При равной мощности излучения чем меньше площадь потока, тем выше интенсивность. Интенсивность также пропорциональна квадрату амплитуды. Так, если амплитуда удваивается, то интенсивность учетверяется. Интенсивность неоднородна как по площади потока, так и, в случае импульсного ультразвука, во времени.

При прохождении через любую среду будет наблюдаться уменьшение амплитуды и интенсивности ультразвукового сигнала, которое называется затуханием. Затухание ультразвукового сигнала вызывается поглощением, отражением и рассеиванием. Единицей затухания является децибел (дБ). Коэффициент затухания - это ослабление ультразвукового сигнала на единииу длины пути этого сигнала (дБ/см). Коэффициент затухания возрастает с увеличением частоты. Усредненные коэффициенты затухания в мягких тканях и уменьшение интенсивности эхосигнала в зависимости от частоты представлены в таблице 2.2.

ОТРАЖЕНИЕ И РАССЕИВАНИЕ

При прохождении ультразвука через ткани на границе сред с различным акустическим сопротивлением и скоростью проведения ультразвука возникают явления отражения, преломления, рассеивания и поглощения. В зависимости от угла говорят о перпендикулярном и наклонном (под углом) падения ультразвукового луча. При перпендикулярном падении ультразвукового луча он может быть полностью отражен или частично отражен, частично проведен через границу двух сред; при этом направление ультразвука, перешедшего из одной среды в другую среду, не изменяется (рис. 8).

Рис. 8. Перпендикулярное падение ультразвукового луча.

Интенсивность отраженного ультразвука и ультразвука, прошедшего границу сред, зависит от исходной интенсивности и разности акустических сопротивлений сред. Отношение интенсивности отраженной волны к интенсивности падающей волны называется коэффициентом отражения. Отношение интенсивности ультразвуковой волны, прошедшей через границу сред, к интенсивности падающей волны называется коэффициентом проведения ультразвука. Таким образом, если ткани имеют различные плотности, но одинаковое акустическое сопротивление - отражения ультразвука не будет. С другой стороны, при большой разнице акустических сопротивлений интенсивность отражения стремится к 100%. Примером этого служит граница воздух/мягкие ткани. На границе этих сред происходит практически полное отражение ультразвука. Чтобы улучшить проведение ультразвука в ткани тела человека, используют соединительные среды (гель). При наклонном падении ультразвукового луча определяют угол падения, угол отражения и угол преломления (рис. 9).

Рис. 9. Отражение, преломление.

Угол падения равен углу отражения. Преломление - это изменение направления распространения ультразвукового луча при пересечении им границы сред с различными скоростями проведения ультразвука. Синус угла преломления равен произведению синуса угла падения на величину, полученную от деления скорости распространения ультразвука во второй среде на скорость в первой. Синус угла преломления, а, следовательно, и сам угол преломления тем больше, чем больше разность скоростей распространения ультразвука в двух средах. Преломление не наблюдается, если скорости распространения ультразвука в двух средах равны или угол падения равен 0. Говоря об отражении, следует иметь в виду, что в том случае, когда длина волны много больше размеров неровностей отражающей поверхности, имеет место зеркальное отражение (описанное выше). В случае, если длина волны сопоставима с неровностями отражающей поверхности или имеется неоднородность самой среды, происходит рассеивание ультразвука.

Рис. 10. Обратное рассеивание.

При обратном рассеивании (рис. 10) ультразвук отражается в том направлении, откуда пришел исходный луч. Интенсивность рассеянных сигналов увеличивается с увеличением неоднородности среды и увеличением частоты (т.е. уменьшением длины волны) ультразвука. Рассеивание относительно мало зависит от направления падающего луча и, следовательно, позволяет лучше визуализировать отражающие поверхности, не говоря уже о паренхиме органов. Для того, чтобы отраженный сигнал был правильно расположен на экране, необходимо знать не только направление излученного сигнала, но и расстояние до отражателя. Это расстояние равно 1/2 произведения скорости ультразвука в среде на время между излучением и приемом отраженного сигнала (рис. 11). Произведение скорости на время делится пополам, так как ультразвук проходит двойной путь (от излучателя до отражателя и назад), а нас интересует только расстояние от излучателя до отражателя.

Рис. 11. Измерение расстояния с помощью ультразвука.

ДАТЧИКИ И УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ВОЛНА

Для получения ультразвука используются специальные преобразователи - трансдьюсеры, которые превращают электрическую энергию в энергию ультразвука. Получение ультразвука базируется на обратном пьезоэлектрическом эффекте. Суть эффекта состоит в том, что если к определенным материалам (пьезоэлектрикам) приложить электрическое напряжение, то произойдет изменение их формы (рис. 12).

Рис. 12. Обратный пьезоэлектрический эффект.

С этой целью в ультразвуковых приборах чаще всего применяются искусственные пьезоэлектрики, такие, как цирконат или титанат свинца. При отсутствии электрического тока пьезоэлемент возвращается к исходной форме, а при изменении полярности вновь произойдет изменение формы, но уже в обратном направлении. Если к пьезоэлементу приложить быстропеременный ток, то элемент начнет с высокой частотой сжиматься и расширяться (т.е. колебаться), генерируя ультразвуковое поле. Рабочая частота трансдьюсера (резонансная частота} определяется отношением скорости распространения ультразвука в пьезоэлементе к удвоенной толщине этого пьезоэлемента. Детектирование отраженных сигналов базируется на прямом пьезоэлектрическом эффекте (рис. 13).

Рис. 13. Прямой пьезоэлектрический эффект.

Возвращающиеся сигналы вызывают колебания пьезоэлемента и появление на его гранях переменного электрического тока. В этом случае пьезоэлемент функционирует как ультразвуковой датчик. Обычно в ультразвуковых приборах для излучения и приема ультразвука используются одни и те же элементы. Поэтому термины "преобразователь", "трансдьюсер", "датчик" являются синонимами. Ультразвуковые датчики представляют собой сложные устройства и, в зависимости от способа развертки изображения, делятся на датчики для приборов медленного сканирования (одноэлементные) и быстрого сканирования (сканирования в реальном времени) - механические и электронные. Механические датчики могут быть одно- и многоэлементные (анулярные). Развертка ультразвукового луча может достигаться за счет качания элемента, вращения элемента или качания акустического зеркала (рис. 14).

Рис. 14. Механические секторные датчики.

Изображение на экране в этом случае имеет форму сектора (секторные датчики) или окружности (круговые датчики). Электронные датчики являются многоэлементными и в зависимости от формы получаемого изображения могут быть секторными, линейными, конвексными (выпуклыми) (рис. 15).

Рис. 15. Электронные многоэлементные датчики.

Развертка изображения в секторном датчике достигается за счет качания ультразвукового луча с его одновременной фокусировкой (рис. 16).

Рис. 16. Электронный секторный датчик с фазированной антенной.

В линейных и конвексных датчиках развертка изображения достигается путем возбуждения группы элементов с пошаговым их перемещением вдоль антенной решетки с одновременной фокусировкой (рис. 17).

Рис. 17. Электронный линейный датчик.

Ультразвуковые датчики в деталях отличаются устройством друг от друга, однако их принципиальная схема представлена на рисунке 18.

Рис. 18. Устройство ультразвукового датчика.

Одноэлементный трансдьюсер в форме диска в режиме непрерывного излучения образует ультразвуковое поле, форма которого меняется в зависимости от расстояния (рис. 19).

Рис. 19. Два поля нефокусированного трансдьюсера.

Иногда могут наблюдаться дополнительные ультразвуковые "потоки", получившие названия боковых лепестков. Расстояние от диска на длину протяженности ближнего поля (зоны) называется ближней зоной. Зона за границей ближней называется дальней. Протяженность ближней зоны равна отношению квадрата диаметра трансдьюсера к 4 длинам волны. В дальней зоне диаметр ультразвукового поля увеличивается. Место наибольшего сужения ультразвукового луча называется зоной фокуса, а расстояние между трансдьюсером и зоной фокуса - фокусным расстоянием. Существуют различные способы фокусировки ультразвукового луча. Наиболее простым способом фокусировки является акустическая линза (рис. 20).

Рис. 20. Фокусировка с помощью акустической линзы.

С ее помощью можно сфокусировать ультразвуковой луч на определенной глубине, которая зависит от кривизны линзы. Данный способ фокусировки не позволяет оперативно изменять фокусное расстояние, что неудобно в практической работе. Другим способом фокусировки является использование акустического зеркала (рис. 21).

Рис. 21. Фокусировка с помощью акустического зеркала.

В этом случае, изменяя расстояние между зеркалом и трансдьюсером, мы будем менять фокусное расстояние. В современных приборах с многоэлементными электронными датчиками основой фокусировки является электронная фокусировка (рис. 17). Имея систему электронной фокусировки, мы можем с панели прибора изменять фокусное расстояние, однако, для каждого изображения мы будем иметь только одну зону фокуса. Так как для получения изображения используются очень короткие ультразвуковые импульсы, излучаемые 1000 раз в секунду (частота повторения импульсов 1 кГц), то 99,9% времени прибор работает как приемник отраженных сигналов. Имея такой запас времени, возможно запрограммировать прибор таким образом, чтобы при первом получении изображения была выбрана ближняя зона фокуса (рис. 22) и информация, полученная с этой зоны, была сохранена.

Рис. 22. Способ динамической фокусировки.

Далее - выбор следующей зоны фокуса, получение информации, сохранение. И так далее. В результате получается комбинированное изображение, сфокусированное по всей глубине. Следует, правда, отметить, что такой способ фокусировки требует значительных временных затрат на получение одного изображения (кадра), что вызывает уменьшение частоты кадров и мерцание изображения. Почему же столько усилий прикладывается для фокусировки ультразвукового луча? Дело в том, что чем уже луч, тем лучше боковая (латеральная, по азимуту) разрешающая способность. Боковая разрешающая способность - это минимальное расстояние между двумя объектами, расположенными перпендикулярно направлению распространения энергии, которые представляются на экране монитора в виде раздельных структур (рис. 23).

Рис. 23. Способ динамической фокусировки.

Боковая разрешающая способность равна диаметру ультразвукового луча. Осевая разрешающая способность - это минимальное расстояние между двумя объектами, расположенными вдоль направления распространения энергии, которые представляются на экране монитора в виде раздельных структур (рис. 24).

Рис. 24. Осевая разрешающая способность: чем короче ультразвуковой импульс, тем она лучше.

Осевая разрешающая способность зависит от пространственной протяженности ультразвукового импульса - чем короче импульс, тем лучше разрешение. Для укорочения импульса используется как механическое, так и электронное гашение ультразвуковых колебаний. Как правило, осевая разрешающая способность лучше боковой.

ПРИБОРЫ МЕДЛЕННОГО СКАНИРОВАНИЯ

В настоящее время приборы медленного (ручного, сложного) сканирования представляют лишь исторический интерес. Морально они умерли с появлением приборов быстрого сканирования (приборов, работающих в реальном времени). Однако их основные компоненты сохраняются и в современных приборах (естественно, с использованием современной элементной базы). Сердцем является главный генератор импульсов (в современных аппаратах - мощный процессор), который управляет всеми системами ультразвукового прибора (рис. 25).

Рис. 25. Блок-схема ручного сканера.

Генератор импульсов посылает электрические импульсы на трансдьюсер, который генерирует ультразвуковой импульс и направляет его в ткани, принимает отраженные сигналы, преобразовывая их в электрические колебания. Эти электрические колебания далее направляются на радиочастотный усилитель, к которому обычно подключается временно-амплитудный регулятор усиления (ВАРУ) - регулятор компенсации тканевого поглощения по глубине. Ввиду того, что затухание ультразвукового сигнала в тканях происходит по экспоненциальному закону, яркость объектов на экране с увеличением глубины прогрессивно падает (рис. 26).

Рис. 26. Компенсация тканевого поглощения.

Использование линейного усилителя, т.е. усилителя, пропорционально усиливающего все сигналы, привело бы к переусилению сигналов в непосредственной близости от датчика при попытке улучшения визуализации глубоко расположенных объектов. Использование логарифмических усилителей позволяет решить эту проблему. Ультразвуковой сигнал усиливается пропорционально времени задержки его возвращения - чем позже вернулся, тем сильнее усиление. Таким образом, применение ВАРУ позволяет получить на экране изображение одинаковой яркости по глубине. Усиленный таким образом радиочастотный электрический сигнал подается затем на демодулятор, где он выпрямляется и фильтруется и еще раз усиленный на видеоусилителе подается на экран монитора.

Для сохранения изображения на экране монитора необходима видеопамять. Она может быть разделена на аналоговую и цифровую. Первые мониторы позволяли представлять информацию в аналоговой бистабильной форме. Устройство, называемое дискриминатором, позволяло изменять порог дискриминации - сигналы, интенсивность которых была ниже порога дискриминации, не проходили через него и соответствующие участки экрана оставались темными. Сигналы, интенсивность которых превышала порог дискриминации, представлялись на экране в виде белых точек. При этом яркость точек не зависела от абсолютного значения интенсивности отраженного сигнала - все белые точки имели одинаковую яркость. При таком способе представления изображения - он получил название «бистабильный» - хорошо были видны границы органов и структуры с высокой отражающей способностью (например, почечный синус), однако, оценить структуру паренхиматозных органов не представлялось возможным. Появление в 70-х годах приборов, которые позволяли передавать на экране монитора оттенки серого цвета, знаменовало начало эры серошкальных приборов. Эти приборы давали возможность получать информацию, которая была недостижима при использовании приборов с бистабильным изображением. Развитие компьютерной техники и микроэлектроники позволило вскоре перейти от аналоговых изображений к цифровым. Цифровые изображения в ультразвуковых установках формируются на больших матрицах (обычно 512 × 512 пикселов) с числом градаций серого 16-32-64-128-256 (4-5-6-7-8 бит). При визуализации на глубину 20 см на матрице 512 × 512 пикселов один пиксел будет соответствовать линейным размерам в 0,4 мм. На современных приборах имеется тенденция к увеличению размеров дисплеев без потери качества изображения и на приборах среднего класса 12-дюймовый (30 см по диагонали) экран становится обычным явлением.

Электронно-лучевая трубка ультразвукового прибора (дисплей, монитор) использует остро сфокусированный пучок электронов для получения яркого пятна на экране, покрытом специальным фосфором. С помощью отклоняющих пластин это пятно можно перемещать по экрану.

При А-типе развертки (Amplitude) по одной оси откладывается расстояние от датчика, по другой - интенсивность отраженного сигнала (рис. 27).

Рис. 27. А-тип развертки сигнала.

В современных приборах А-тип развертки практически не используется.

В-тип развертки (Brightness - яркость) позволяет вдоль линии сканирования получить информацию об интенсивности отраженных сигналов в виде различия яркости отдельных точек, составляющих эту линию.

Пример экрана: слева развёртка B , справа - M и кардиограмма.

М-тип (иногда ТМ) развертки (Motion - движение) позволяет регистрировать движение (перемещение) отражающих структур во времени. При этом по вертикали регистрируются перемещения отражающих структур в виде точек различной яркости, а по горизонтали - смещение положения этих точек во времени (рис. 28).

Рис. 28. М-тип развертки.

Для получения двумерного томографического изображения необходимо тем или иным образом произвести перемещение линии сканирования вдоль плоскости сканирования. В приборах медленного сканирования это достигалось перемещением датчика вдоль поверхности тела пациента вручную.

ПРИБОРЫ БЫСТРОГО СКАНИРОВАНИЯ

Приборы быстрого сканирования, или, как их чаще называют, приборы, работающие в реальном времени, в настоящее время полностью заменили приборы медленного, или ручного, сканирования. Это связано с целым рядом преимуществ, которыми обладают эти приборы: возможность оценивать движение органов и структур в реальном времени (т.е. практически в тот же момент времени); резкое уменьшение затрат времени на исследование; возможность проводить исследования через небольшие акустические окна.

Если приборы медленного сканирования можно сравнить с фотоаппаратом (получение неподвижных изображений), то приборы, работающие в реальном времени - с кино, где неподвижные изображения (кадры) с большой частотой сменяют друг друга, создавая впечатление движения.

В приборах быстрого сканирования используются, как уже говорилось выше, механические и электронные секторные датчики, электронные линейные датчики, электронные конвексные (выпуклые) датчики, механические радиальные датчики.

Некоторое время назад на ряде приборов появились трапециевидные датчики, поле зрения которых имело трапециевидную форму, однако, они не показали преимуществ относительно конвексных датчиков, но сами имели целый ряд недостатков.

В настоящее время наилучшим датчиком для исследования органов брюшной полости, забрюшинного пространства и малого таза является конвексный. Он обладает относительно небольшой контактной поверхностью и очень большим полем зрения в средней и дальней зонах, что упрощает и ускоряет проведение исследования.

При сканировании ультразвуковым лучом результат каждого полного прохода луча называется кадром. Кадр формируется из большого количества вертикальных линий (рис. 29).

Рис. 29. Формирование изображения отдельными линиями.

Каждая линия - это как минимум один ультразвуковой импульс. Частота повторения импульсов для получения серошкального изображения в современных приборах составляет 1 кГц (1000 импульсов в секунду).

Существует взаимосвязь между частотой повторения импульсов (ЧПИ), числом линий, формирующих кадр, и количеством кадров в единицу времени: ЧПИ = число линий × частота кадров .

На экране монитора качество получаемого изображения будет определяться, в частности, плотностью линий. Для линейного датчика плотность линий (линий/см) является отношением числа линий, формирующих кадр, к ширине части монитора, на котором формируется изображение.

Для датчика секторного типа плотность линий (линий/градус) - отношение числа линий, формирующих кадр, к углу сектора.

Чем выше частота кадров, установленная в приборе, тем (при заданной частоте повторения импульсов) меньше число линий, формирующих кадр, меньше плотность линий на экране монитора, ниже качество получаемого изображения. Зато при высокой частоте кадров мы имеем хорошее временное разрешение, что очень важно при эхо­кардио­графичес­ких исследованиях.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ДОППЛЕРОГРАФИИ

Ультразвуковой метод исследования позволяет получать не только информацию о структурном состоянии органов и тканей, но и характеризовать потоки в сосудах. В основе этой способности лежит эффект Допплера - изменение частоты принимаемого звука при движении относительно среды источника или приемника звука или тела, рассеивающего звук. Он наблюдается из-за того, что скорость распространения ультразвука в любой однородной среде является постоянной. Следовательно, если источник звука движется с постоянной скоростью, звуковые волны, излучаемые в направлении движения как бы сжимаются, увеличивая частоту звука. Волны, излучаемые в обратном направлении, как бы растягиваются, вызывая снижение частоты звука (рис. 30).

Рис. 30. Эффект Допплера.

Путем сопоставления исходной частоты ультразвука с измененной возможно определить долллеровский сдвиг и рассчитать скорость. Не имеет значения, излучается ли звук движущимся объектом или этот объект отражает звуковые волны. Во втором случае источник ультразука может быть неподвижным (ультразвуковой датчик), а в качестве отражателя ультразвуковых волн могут выступать движущиеся эритроциты. Допплеровский сдвиг может быть как положительным (если отражатель движется к источнику звука), так и отрицательным (если отражатель движется от источника звука). В том случае, если направление падения ультразвукового луча не параллельно направлению движения отражателя, необходимо скорректировать допплеровский сдвиг на косинус угла q между падающим лучом и направлением движения отражателя (рис. 31).

Рис. 31. Угол между падающим лучом и направлением тока крови.

Для получения допплеровской информации применяются два типа устройств - постоянно­волновые и импульсные. В постоянно­волновом допплеровском приборе датчик состоит из двух трансдьюсеров: один из них постоянно излучает ультразвук, другой постоянно принимает отраженные сигналы. Приемник определяет допплеровский сдвиг, который обычно составляет-1/1000 частоты источника ультразвука (слышимый диапазон) и передает сигнал на громкоговорители и, параллельно, на монитор для качественной и количественной оценки кривой. Постоянно­волновые приборы детектируют кровоток почти по всему ходу ультразвукового луча или, другими словами, имеют большой контрольный объем. Это может вызвать получение неадекватной информации при попадании в контрольный объем нескольких сосудов. Однако большой контрольный объем бывает полезен при расчете падения давления при стенозе клапанов сердца.

Для того, чтобы оценить кровоток в какой-либо конкретной области, небходимо разместить контрольный объем в исследуемой области (например, внутри определенного сосуда) под визуальным контролем на экране монитора. Это может быть достигнуто при использовании импульсного прибора. Существует верхний предел допплеровского сдвига, который может быть детектирован импульсными приборами (иногда его называют пределом Найквиста). Он составляет примерно 1/2 частоты повторения импульсов. При его превышении происходит искажение допплеровского спектра (aliasing). Чем выше частота повторения импульсов, тем больший допплеровский сдвиг может быть определен без искажений, однако тем ниже чувствительность прибора к низко­скоростным потокам.

Ввиду того, что ультразвуковые импульсы, направляемые в ткани, содержат большое количество частот помимо основной, а также из-за того, что скорости отдельных участков потока неодинаковы, отраженный импульс состоит из большого количества различных частот (рис. 32).

Рис. 32. График спектра ультразвукового импульса.

С помощью быстрого преобразования Фурье частотный состав импульса может быть представлен в виде спектра, который может быть изображен на экране монитора в виде кривой, где по горизонтали откладываются частоты допплеровского сдвига, а по вертикали - амплитуда каждой составляющей. По допплеровскому спектру возможно определять большое количество скоростных параметров кровотока (максимальная скорость, скорость в конце диастолы, средняя скорость и т.д.), однако эти показатели являются угол­зависимыми и их точность крайне зависит от точности коррекции угла. И если в крупных неизвитых сосудах коррекция угла не вызывает проблем, то в мелких извитых сосудах (сосуды опухоли) определить направление потока достаточно сложно. Для решения этой проблемы был предложен ряд почти угол­независимых индексов, наиболее рас­простра­нен­ными из которых являются индекс резистентности и пульсаторный индекс. Индекс резистентности является отношением разности максимальной и минимальной скоростей к максимальной скорости потока (рис. 33). Пульсаторный индекс является отношением разности максимальной и минимальной скоростей к средней скорости потока.

Рис. 33. Расчет индекса резистентности и пульсаторного индекса.

Получение допплеровского спектра с одного контрольного объема позволяет оценивать кровоток в очень небольшом участке. Цветовая визуализация потоков (цветовое допплеровское картирование) позволяет получать двумерную информацию о кровотоках в реальном времени в дополнение к обычной серошкальной двумерной визуализации. Цветовая допплеровская визуализация расширяет возможности импульсного принципа получения изображения. Сигналы, отраженные от неподвижных структур, распознаются и представляются в серошкальном виде. Если отраженный сигнал имеет частоту, отличную от излученного, то это означает, что он отразился от движущегося объекта. В этом случае производится определение допплеровского сдвига, его знак и величина средней скорости. Эти параметры используются для определения цвета, его насыщенности и яркости. Обычно направление потока к датчику кодируется красным, а от датчика - синим цветом. Яркость цвета определяется скоростью потока.

В последние годы появился вариант цветового допплеровского картирования, получивший название "энергетического допплера" (Power Doppler). При энергетическом допплере определяется не значение допплеровского сдвига в отраженном сигнале, а его энергия. Такой подход позволяет повысить чувствительность метода к низким скоростям, сделать его почти угол­независимым, правда, ценой потери возможности определения абсолютного значения скорости и направления потока.

АРТЕФАКТЫ

Артефакт в ультразвуковой диагностике - это появление на изображении несуществующих структур, отсутствие существующих структур, неправильное расположение структур, неправильная яркость структур, неправильные очертания структур, неправильные размеры структур. Реверберация, один из наиболее часто встречающихся артефактов, наблюдается в том случае, если ультразвуковой импульс попадает между двумя или более отражающими поверхностями. При этом часть энергии ультразвукового импульса многократно отражается от этих поверхностей, каждый раз частично возвращаясь к датчику через равные промежутки времени (рис. 34).

Рис. 34. Реверберация.

Результатом этого будет появление на экране монитора несуществующих отражающих поверхностей, которые будут располагаться за вторым отражателем на расстоянии равном расстоянию между первым и вторым отражателями. Уменьшить реверберации иногда удается изменением положения датчика. Вариантом реверберации является артефакт, получивший название "хвост кометы". Он наблюдается в том случае, когда ультразвук вызывает собственные колебания объекта. Этот артефакт часто наблюдается позади мелких пузырьков газа или мелких металлических предметов. Ввиду того, что далеко не всегда весь отраженный сигнал возвращается к датчику (рис. 35), возникает артефакт эффективной отражательной поверхности, которая меньше реальной отражательной поверхности.

Рис. 35. Эффективная отражательная поверхность.

Из-за этого артефакта определяемые с помощью ультразвука размеры конкрементов обычно немного меньше, чем истинные. Преломление может вызывать неправильное положение объекта на полученном изображении (рис. 36).

Рис. 36. Эффективная отражательная поверхность.

В том случае, если путь ультразвука от датчика к отражающей структуре и назад не является одним и тем же, возникает неправильное положение объекта на полученном изображении. Зеркальные артефакты - это появление объекта, находящегоя по одну сторону сильного отражателя с его другой стороны (рис. 37).

Рис. 37. Зеркальный артефакт.

Зеркальные артефакты часто возникают около диафрагмы.

Артефакт акустической тени (рис. 38) возникает за сильно отражающими или сильно поглощающими ультразвук структурами. Механизм образования акустической тени аналогичен формированию оптической.

Рис. 38. Акустическая тень.

Артефакт дистального лсевдоусиления сигнала (рис. 39) возникает позади слабо поглощающих ультразвук структур (жидкостные, жидкостьсодержащие образования).

Рис. 39. Дистальное псевдоусиление эха.

Артефакт боковых теней связан с преломлением и, иногда, интерференцией ультразвуковых волн при падении ультразвукового луча по касательной на выпуклую поверхность (киста, шеечный отдел желчного пузыря) структуры, скорость прохождения ультразвука в которой существенно отличается от окружающих тканей (рис. 40).

Рис. 40. Боковые тени.

Артефакты, связанные с неправильным определением скорости ультразвука, возникают из-за того, что реальная скорость распространения ультразвука в той или иной ткани больше или меньше усредненной (1,54 м/с) скорости, на которую запрограммирован прибор (рис. 41).

Рис. 41. Искажения из-за различия в скорости проведения ультразвука (V1 и V2) различными средами.

Артефакты толщины ультразвукового луча - это появление, главным образом в жидкостьсодержащих органах, пристеночных отражений, обусловленных тем, что ультразвуковой луч имеет конкретную толщину и часть этого луча может одновременно формировать изображение органа и изображение рядом расположенных структур (рис. 42).

Рис. 42. Артефакт толщины ультразвукового луча.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА РАБОТЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ АППАРАТУРЫ

Контроль качества ультразвукового оборудования включает в себя определение относительной чувствительности системы, осевой и боковой разрешающей способностей, мертвой зоны, правильности работы измерителя расстояния, точности регистрации, правильности работы ВАРУ, определение динамического диапазона серой шкалы и т.д. Для контроля качества работы ультразвуковых приборов используются специальные тест-объекты или тканево-эквивалентные фантомы (рис. 43). Они являются коммерчески доступными, однако в нашей стране мало распространены, что делает практически невозможным провести поверку ультразвукового диагностического оборудования на местах.

Рис. 43. Тест-объект Американского института ультразвука в медицине.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА И БЕЗОПАСНОСТЬ

Биологическое действие ультразвука и его безопасность для больного постоянно дискутируется в литературе. Знания о биологическом воздействии ультразвука базируются на изучении механизмов воздействия ультразвука, изучении эффекта воздействия ультразвука на клеточные культуры, экспериментальных исследованиях на растениях, животных и, наконец, на эпидемиологических исследованиях.

Ультразвук может вызывать биологическое действие путем механических и тепловых воздействий. Затухание ультразвукового сигнала происходит из-за поглощения, т.е. превращения энергии ультразвуковой волны в тепло. Нагрев тканей увеличивается с увеличением интенсивности излучаемого ультразвука и его частоты. Кавитация - это образование в жидкости пульсирующих пузырьков, заполненных газом, паром или их смесью. Одной из причин возникновения кавитации может являться ультразвуковая волна. Так вреден ультразвук или нет?

Исследования, связанные с воздействием ультразвука на клетки, экспериментальные работы на растениях и животных, а также эпидемиологические исследования позволили сделать Американскому институту ультразвука в медицине следующее заявление, которое в последний раз было подтверждено в 1993 году:

"Никогда не сообщалось о подтвержденных биологических эффектах у пациентов или лиц, работающих на приборе, вызванных облучением (ультразвуком), интенсивность которого типична для современных ультразвуковых диагностических установок. Хотя существует возможность, что такие биологические эффекты могут быть выявлены в будущем, современные данные указывают, что польза для больного при благоразумном использовании диагностического ультразвука перевешивает потенциальный риск, если таковой вообще существует".

НОВЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКЕ

Происходит бурное развитие ультразвуковой диагностики, постоянное совершенствование ультразвуковых диагностических приборов. Можно предположить несколько основных направлений будущего развития этого диагностического метода.

Возможно дальнейшее совершенствование допплеровских методик, особенно таких, как энергетический допплер, допплеровская цветовая визуализация тканей.

Трехмерная эхография в будущем может стать весьма важным направлением ультразвуковой диагностики. В настоящий момент существуют несколько коммерчески доступных ультразвуковых диагностических установок, позволяющих проводить трехмерную реконструкцию изображений, однако, пока клиническое значение этого направление остается неясным.

Концепция применения ультразвуковых контрастов была впервые выдвинута R.Gramiak и P.M.Shah в конце шестидесятых при эхокардиографическом исследовании. В настоящее время существует коммерчески доступный контраст "Эховист" (Шеринг), применяемый для визуализации правых отделов сердца. Недавно он был модифицирован с уменьшением размеров частиц контраста и может рециркулировать в кровеносной системе человека ("Левовист", Шеринг). Этот препарат существенно улучшает допплеровский сигнал, как спектральный, так и цветовой, что может оказаться существенным для оценки опухолевого кровотока.

Внутриполостная эхография с использованием ультратонких датчиков открывает новые возможности для исследования полых органов и структур. Однако в настоящее время широкое применение этой методики ограничивается высокой стоимостью специализированных датчиков, которые к тому же могут применяться для исследования ограниченное число раз (1÷40).

Компьютерная обработка изображений с целью объективизации получаемой информации является перспективным направлением, которое может в будущем улучшить точность диагностики незначительных структурных изменений в паренхиматозных органах. К сожалению, полученные к настоящему времени результаты существенного клинического значения не имеют.

Тем не менее то, что еще вчера казалось в ультразвуковой диагностике далеким будущим, стало сегодня обычной рутинной практикой и, вероятно, в ближайшее время мы станем свидетелями внедрения новых ультразвуковых диагностических методик в клиническую практику.

ЛИТЕРАТУРА

1. American Institute of Ultrasound in Medicine. AIUM Bioeffects Committee. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2: R14.
2. AIUM Evaluation of Biological Effects Research Reports. Bethesda, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1984.
3. American Institute of Ultrasound in Medicine. AIUM Safety Statements. - J. Ultrasound Med.- 1983; 2: R69.
4. American Institute of Ultrasound in Medicine. Statement on Clinical Safety. - J. Ultrasound Med. - 1984; 3: R10.
5. Banjavic RA. Design and maintenance of a quality assurance for diagnostic ultrasound equipment. - Semin. Ultrasound - 1983; 4: 10-26.
6. Bioeffects Committee. Safety Considerations for Diagnostic Ultrasound. Laurel, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1991.
7. Bioeffects Conference Subcommittee. Bioeffects and Safety of Diagnostic Ultrasound. Laurel, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1993.
8. Eden A. The Search for Christian Doppler. New York, Springer-Verlag, 1992.
9. Evans DH, McDicken WN, Skidmore R, et al. Doppler Ultrasound: Physics, Instrumentation, and Clinical Applications. New York, Wiley & Sons, 1989.
10. Gill RW. Measurement of blood flow by ultrasound: accuracy and sources of errors. - Ultrasound Med. Biol. - 1985; 11: 625-641.
11. Guyton AC. Textbook of Medical Physiology. 7th edition. Philadelphia, WB Saunders, 1986, 206-229.
12. Hunter ТВ, Haber K. A comparison of real-time scanning with conventional static B-mode scanning. - J. Ultrasound Med. - 1983; 2: 363-368.
13. Kisslo J, Adams DB, Belkin RN. Doppler Color Flow Imaging. New York, Churchill Livingstone, 1988.
14. Kremkau FW. Biological effects and possible hazards. In: Campbell S, ed. Ultrasound in Obstetrics and Gynecology. London, WB Saunders, 1983, 395-405.
15. Kremkau FW. Doppler angle error due to refraction. - Ultrasound Med. Biol. - 1990; 16: 523-524. - 1991; 17: 97.
16. Kremkau FW. Doppler shift frequency data. - J. Ultrasound Med. - 1987; 6: 167.
17. Kremkau FW. Safety and long-term effects of ultrasound: What to tell your patients. In: Platt LD, ed. Perinatal Ultrasound; Clin. Obstet. Gynecol.- 1984; 27: 269-275.
18. Kremkau FW. Technical topics (a column appearing bimonthly in the Reflections section). - J. Ultrasound Med. - 1983; 2.
19. Laing FC. Commonly encountered artifacts in clinical ultrasound. - Semin. Ultrasound -1983; 4: 27-43.
20. Merrit CRB, ed. Doppler Color Imaging. New York, Churchill Livingstone, 1992.
21. MilnorWR. Hemodynamics. 2nd edition. Baltimore, Williams & Wilkins, 1989.
22. Nachtigall PE, Moore PWB. Animal Sonar. New York, Plenum Press, 1988.
23. Nichols WW, O"Rourke MF. McDonald"s Blood Flow in Arterials. Philadelphia, Lea &Febiger, 1990.
24. Powis RL, Schwartz RA. Practical Doppler Ultrasound for the Clinician. Baltimore, Williams & Wilkins, 1991.
25. Safety Considerations for Diagnostic Ultrasound. Bethesda, MD, American Institute of Ultrasound in Medicine, 1984.
26. Smith HJ, Zagzebski J. Basic Doppler Physics. Madison, Wl, Medical Physics Publishing, 1991.
27. Zweibel WJ. Review of basic terms in diagnostic ultrasound. - Semin. Ultrasound - 1983; 4: 60-62.
28. Zwiebel WJ. Physics. - Semin. Ultrasound - 1983; 4:1-62.
29. П. Голямина, гл. ред. Ультразвук. Москва, "Советская Энциклопедия", 1979.

ТЕСТОВЫЕ ВОПРОСЫ

1. Основой ультразвукового метода исследования является:
   A. визуализация органов и тканей на экране прибора
   Б. взаимодействие ультразвука с тканями тела человека
   B. прием отраженных сигналов
   Г. излучение ультразвука
   Д. серошкальное представление изображения на экране прибора
2. Ультразвук - это звук, частота которого не ниже:
   A. 15 кГц
   Б. 20000 Гц
   B. 1 МГц Г. 30 Гц Д. 20 Гц
3. Скорость распространения ультразвука возрастает, если:
   A. плотность среды возрастает
   Б. плотность среды уменьшается
   B. упругость возрастает
   Г. плотность, упругость возрастают
   Д. плотность уменьшается, упругость возрастает
4. Усредненная скорость распространения ультразвука в мягких тканях составляет:
   A. 1450 м/с
   Б. 1620 м/с
   B. 1540 м/с
   Г. 1300 м/с
   Д. 1420 м/с
5. Скорость распространения ультразвука определяется:
   A. частотой
   Б. амплитудой
   B. длиной волны
   Г. периодом
   Д. средой
6. Длина волны в мягких тканях с увеличением частоты:
   A. уменьшается
   Б. остается неизменной
   B. увеличивается
7. Имея значения скорости распространения ультразвука и частоты, можно расчитать:
   A. амплитуду
   Б. период
   B. длину волны
   Г. амплитуду и период Д. период и длину волны
8. С увеличением частоты коэффициент затухания в мягких тканях:
   A. уменьшается
   Б. остается неизменным
   B. увеличивается
9. Какой из следующих параметров определяет свойства среды, через которую проходит ультразвук:
   A. сопротивление
   Б. интенсивность
   B. амплитуда
   Г частота
   Д. период
10. Какой параметр из следующих не может быть определен из имеющихся остальных:
    A. частота
    Б. период
    B. амплитуда
    Г. длина волны
    Д. скорость распространения
11. Ультразвук отражается от границы сред, имеющих различия в:
    A. плотности
    Б. акустическом сопротивлении
    B. скорости распространения ультразвука
    Г. упругости
    Д. скорости распространения ультразвука и упругости
12. Для того, чтобы расчитать расстояние до отражателя, нужно знать:
    A. затухание, скорость, плотность
    Б. затухание, сопротивление
    B. затухание, поглощение
    Г. время возвращения сигнала, скорость
    Д. плотность, скорость
13. Ультразвук может быть сфокусирован:
    A. искривленным элементом
    Б. искривленным отражателем
    B. линзой
    Г. фазированной антенной
    Д. всем вышеперечисленным
14. Осевая разрешающая способность определяется:
    A. фокусировкой
    Б. расстоянием до объекта
    B. типом датчика
    Д. средой
15. Поперечная разрешающая способность определяется:
    A. фокусировкой
    Б. расстоянием до объекта
    B. типом датчика
    Г. числом колебаний в импульсе
    Д средой

Глава из I тома руководства по ультразвуковой диагностике,

написанного сотрудниками кафедры ультра­звуковой диагностики

Российской медицинской академии после­дипломного образования

Ультразвук - механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

, (3)

Для поперечных волн она определяется по формуле

Дисперсия звука - зависимость фазовой скорости монохроматической звуковых волн от их частоты . Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическим свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны – волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны – волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны .

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны .

Волна Лэмба - упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе – в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Визуализация ультразвуковых волн

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность ультразвука I определяется по формуле

, (5)

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова - вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения , понимая под этим удельную мощность излучателя , т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м 2 . В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик - от пороговых значений ~ 10 -12 Вт/м 2 до сотен кВт/м 2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Таблица 1 - Свойства некоторых распространенных материалов

Материал	Плотность, кг/м 3	Скорость продольной волны, м/c	Скорость поперечной волны, м/c	, 10 3 кг/(м 2 *с)
Акрил	1180	2670	-	3,15
Воздух	0,1	330	-	0,00033
Алюминий	2700	6320	3130	17,064
Латунь	8100	4430	2120	35,883
Медь	8900	4700	2260	41,830
Стекло	3600	4260	2560	15,336
Никель	8800	5630	2960	49,544
Полиамид (нейлон)	1100	2620	1080	2,882
Сталь (низколегированный сплав)	7850	5940	3250	46,629
Титан	4540	6230	3180	26,284
Вольфрам	19100	5460	2620	104,286
Вода (293К)	1000	1480	-	1,480

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. . Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r 2 , амплитуда волны убывает пропорционально , а для цилиндрической волны - пропорционально .

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле

, (6)

Коэффициент затухания от времени определяется

, (7)

Для измерения коэффициента также используют единицу дБ/м, в этом случае

, (8)

Децибел (дБ) – логарифмическая единица измерения отношения энергий или мощностей в акустике .

, (9)

• где A 1 – амплитуда первого сигнала,
• A 2 – амплитуда второго сигнала

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м) будет:

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

, (12)

, (13)

• где D – коэффициент прохождения звукового давления

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т.е. Z 1 >Z 2 , то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ .

Коэффициент пропускания энергии из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

, (14)

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука - неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции - сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука - отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука - расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны , степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

, (15)

• где D - поперечник объекта (например, поперечник ультразвукового излучателя или препятствия),
• r - расстояние точки наблюдения от этого объекта

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука - устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи . В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях , магнитострикционных преобразователях , электродинамических излучателях , электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса : они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости .

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр , излучаемая мощность звука , направленность излучения . В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса , границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f 0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука - отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью , т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м 2 .

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия , представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля .

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

, (17)

Однако поскольку D обычно значительно больше , уравнение можно упростить и привести к виду

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, - с активным воздействием на вещество и - с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Ультразву́к - упругие колебания в среде с частотой за пределом слышимости человека. Обычно под ультразвуком понимают частоты от 20 000 Герц до нескольких миллионов Герц.

Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов совершенных за одну секунду называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено в формуле:

Область частот упругих волн от 10 до 10 12 -10 13 Гц принято называтьгиперзвуком.По частоте У. удобно подразделять на 3 диапазона: У. низких частот (1,5·10 4 -10 5 Гц), У. средних частот (10 5 -10 7 Гц), область высоких частот У. (10 7 - 10 9 Гц). Каждый из этих диапазонов характеризуется своими специфич. особенностями генерации, приёма, распространения и применения.

Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 000 колебаний в секунду (Гц)

Генерация ультразвука . Для излучения У. служат разнообразные устройства, к-рые могут быть разделены на 2 группы-механические и эл--механические. Механич. излучатели У. (воздушные и жидкостные свистки и сирены) отличаются простотой устройства и эксплуатации, не требуют дорогостоящей электрич. энергии высокой частоты. Их недостатки-широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды, что не позволяет использовать их для контрольно-измерит. целей; они применяются гл. обр. в промышленной УЗ-технологии и частично как средства сигнализации.

Осн. излучателями У. являются эл--механические, преобразующие электрич. колебания в механические. В диапазоне У. низких частот возможно использование эл--динамич. и эл--статич. излучателей. Широкое применение в этом диапазоне частот нашли магнитострикционные преобразователи , основанные на эффекте магнитострикции . Для излучения У. средних и высоких частот служат гл. обр. пьезоэлектрич. преобразователи, использующие явление пьезоэлектричества. Для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности, как правило, применяются резонансные колебания магнитострикционных и пьезоэлектрич. элементов на их собств. частоте.

Предельная интенсивность излучения У. определяется прочностными и нелинейными свойствами материала излучателей, а также особенностями использования излучателей. Диапазон интенсивности при генерации У. в области ср. частот чрезвычайно широк; интенсивности от 10 -14 -10 -15 Вт/см 2 до 0,1 Вт/см 2 считаются малыми. Для достижения больших интенсивностей, к-рые могут быть получены с поверхности излучателя, пользуются фокусировкой У. (см. Фокусировка звука ).Так, в фокусе параболоида, внутр. стенки к-рого выполнены из мозаики кварцевых пластинок или из пьезокерамики, на частоте 0,5 МГц удаётся получать в воде интенсивности У. > 10 5 Вт/см 2 . Для увеличения амплитуды колебаний твёрдых тел в диапазоне У. низких частот часто пользуются стержневыми УЗ-концентраторами (см. Концентратор а к у с т и ч е с к и й), позволяющими получать амплитуды смещения 10 -4 см.

Хотя о существовании ультразвука известно давно, его практическое использование достаточно молодо. В наше время ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах позволяет с весьма малыми погрешностями определять, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоёмкости газов, упругие постоянные твёрдых тел.

Свойства ультразвука и особенности его распространения . По физ. природе У. представляет собой упругие волны, и в этом он не отличается от звука, поэтому частотная граница между звуковыми и УЗ-волнами условна. Однако благодаря более высоким частотам и, следовательно, малым длинам волн (так, длины волн У. высоких частот в воздухе составляют 3,4·10 -3 -3,4·10 -5 см, в воде-1,5·10 -2 -1,5·10 -4 см, в стали - 5·10 -2 - 5·10 -4 см) имеет место ряд особенностей распространения У.

Гидролокация . В конце Первой мировой войны появилась одна из первых практических ультразвуковых систем, предназначенная для обнаружения подводных лодок. Пучок ультразвукового излучения может быть сделан остронаправленным, и по отраженному от цели сигналу (эхо-сигналу) можно определить направление на эту цель. Измеряя время прохождения сигнала до цели и обратно, определяют расстояние до нее. К настоящему времени система, именуемая гидролокатором, или сонаром, стала неотъемлемым средством мореплавания.

Если направить импульсное ультразвуковое излучение в сторону дна и измерить время между посылом импульса и его возвратом, можно определить расстояние между излучателем и приемником, т.е. глубину. Основанные на этом сложные системы автоматической регистрации применяются для составления карт дна морей и океанов, а также русел рек. Соответствующие навигационные системы атомных подводных лодок позволяют им совершать безопасные переходы даже под полярными льдами.

Дефектоскопия . Зондирование ультразвуковыми импульсами применяется и для исследований свойств различных материалов и изделий из них. Проникая в твердые тела, такие импульсы отражаются от их границ, а также от различных инородных образований в толще исследуемой среды, таких, как полости, трещины и др., указывая на их расположение. Ультразвук «проверяет» материал, не вызывая в нем разрушений. Такими неразрушающими методами контроля проверяют качество массивных стальных поковок, алюминиевых блоков, железнодорожных рельсов, сварных швов машин.

Ультразвуковой расходомер . Принцип действия такого прибора основан на эффекте Доплера. Импульсы ультразвука направляются попеременно по потоку и против него. При этом скорость прохождения сигнала то складывается из скорости распространения ультразвука в среде и скорости потока, то эти величины вычитаются. Возникающая разность фаз импульсов в двух ветвях измерительной схемы регистрируется электронным оборудованием, и в итоге измеряется скорость потока, а по ней и массовая скорость (расход). Этот измеритель не вносит изменений в поток жидкости и может применяться как к потоку в замкнутом контуре, например, для исследований кровотока в аорте или системы охлаждения атомного реактора, так и к открытому потоку, например реки.

Химическая технология . Вышеописанные методы относятся к категории маломощных, в которых физические характеристики среды не изменяются. Но существуют и методы, в которых на среду направляют ультразвук большой интенсивности. При этом в жидкости развивается мощный кавитационный процесс (образование множества пузырьков, или каверн, которые при повышении давления схлопываются), вызывая существенные изменения физических и химических свойств среды (см . КАВИТАЦИ). Многочисленные методы ультразвукового воздействия на химически активные вещества объединяются в научно-техническую отрасль знаний, называемую ультразвуковой химией. В ней исследуются и стимулируются такие процессы, как гидролиз, окисление, перестройка молекул, полимеризация, деполимеризация, ускорение реакций.

Ультразвуковая пайка . Кавитация, обусловленная мощными ультразвуковыми волнами в металлических расплавах и разрушающая окисную пленку алюминия, позволяет проводить его пайку оловянным припоем без флюса. Изделия из спаянных ультразвуком металлов стали обычными промышленными товарами.

Ультразвуковая механическая обработка . Энергия ультразвука успешно используется при машинной обработке деталей. Наконечник из малоуглеродистой стали, выполненный в соответствии с формой поперечного сечения желаемого отверстия (или полости), крепится твердым припоем к концу усеченного металлического конуса, на который воздействует ультразвуковой генератор (при этом амплитуда вибраций составляет до 0,025 мм). В зазор между стальным наконечником и обрабатываемой деталью подается жидкая суспензия абразива (карбида бора). Поскольку в таком методе режущим элементом выступает абразив, а не стальной резец, он позволяет обрабатывать очень твердые и хрупкие материалы – стекло, керамику, алнико (Fe–Ni–Co–Al-сплав), карбид вольфрама, закаленную сталь; кроме того, ультразвуком можно обрабатывать отверстия и полости сложной формы, так как относительное движение детали и режущего инструмента может быть не только вращательным.

Ультразвуковая очистка . Важной технологической проблемой является очистка поверхности металла или стекла от мельчайших посторонних частиц, жировых пленок и других видов загрязнения. Там, где слишком трудоемка ручная очистка или необходима особая степень чистоты поверхности, применяется ультразвук. В кавитирующую омывающую жидкость вводится мощное ультразвуковое излучение (создающее переменные ускорения с частотой до 10 6 Гц), и схлопывающиеся кавитационные пузырьки срывают с обрабатываемой поверхности нежелательные частицы. В промышленности используется много различного ультразвукового оборудования для очистки поверхностей кварцевых кристаллов и оптического стекла, малых прецизионных шарикоподшипников, снятия заусенец с малогабаритных деталей; применяется оно и на конвейерных линиях.

Применение в биологии и медицине . То, что ультразвук активно воздействует на биологические объекты (например, убивает бактерии), известно уже более 70 лет. Ультразвуковые стерилизаторы хирургических инструментов применяются в больницах и клиниках. Электронная аппаратура со сканирующим ультразвуковым лучом служит целям обнаружения опухолей в мозгу и постановки диагноза, используется в нейрохирургии для инактивации отдельных участков головного мозга мощным сфокусированным высокочастотным (порядка 1000 кГц) пучком. Но наиболее широко ультразвук применяется в терапии – при лечении люмбаго, миалгии и контузий, хотя до сих пор среди медиков нет единого мнения о конкретном механизме воздействия ультразвука на больные органы. Высокочастотные колебания вызывают внутренний разогрев тканей, сопровождаемый, возможно, микромассажем.

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука – это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

убывание амплитуды волны с расстоянием от источника, обусловленное формой и волновыми размерами источника;

рассеяние ультразвука на неоднородностях среды, в результате чего уменьшается поток энергии в первоначальном направлении распространения;

поглощение ультразвука , т.е. необратимый переход энергии звуковой волны в другие формы, в частности в тепло.

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т.е. интенсивность звука . Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r 2 , амплитуда волны убывает пропорционально , а для цилиндрической волны - пропорционально.

Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды – её плотности и модулей упругости - на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде - пузырьки воздуха, в твёрдых телах - различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.

Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.

3атухание звука, обусловленное рассеянием и поглощением, описывается экспоненциальным законом убывания амплитуды с расстоянием, т. е. амплитуда пропорциональна , а интенсивность –в отличие от степенного закона убывания амплитуды при расхождении волны, где– коэффициент затухания звука.

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Историческая справка. Первые работы по У. были сделаны ещё в 19 в. Французский учёный Ф. Савар (1830) пытался установить верхний предел по частоте слышимости уха человека; изучением У. занимались английский учёный Ф. Гальтон (1883), немецкий физик В. Вин (1903), русский физик П. Н. Лебедев и его ученики (1905). Существенный вклад был сделан французским физиком П. Ланжевеном (1916), который впервые использовал пьезоэлектрические свойства кварца для излучения и приёма У. при обнаружении подводных лодок и измерениях глубин моря. Г. В. Пирс в США (1925) создал прибор для измерения с большой точностью скорости и поглощения У. в газах и жидкостях (так называемый интерферометр Пирса). Р. Вуд (США) (1927) добился рекордных для своего времени интенсивностей У. в жидкости, наблюдал ультразвуковой фонтан и исследовал влияние У. на живые организмы. Советский учёный С. Я. Соколов в 1928 положил начало ультразвуковой дефектоскопии металлических изделий, предложив использовать У. для обнаружения трещин, раковин и др. дефектов в твёрдых телах.

В 1932 Р. Люка и П. Бикар во Франции, П. Дебай и Ф. В. Сирс в Германии обнаружили явление дифракции света на ультразвуковых волнах, которое далее начинает играть большую роль в изучении структуры жидких и твёрдых тел, а также в ряде технических приложений. В начале 30-х гг. Х. О. Кнезером в Германии было открыто аномальное поглощение и дисперсия У. в многоатомных газах; далее это явление было также обнаружено в ряде сложных (например, органических) жидкостей. Правильное теоретическое объяснение этим релаксационным явлениям было дано в общей форме советскими учёными Л. И. Мандельштамом и М. А. Леонтовичем (1937). Релаксационная теория явилась впоследствии основой молекулярной акустики.

В 50-60-х гг. широкое развитие получают различные промышленные технологические применения У., в разработку физических основ которых в СССР был сделан большой вклад Л. Д. Розенбергом и его сотрудниками. Получение всё больших интенсивностей У. обусловило изучение особенностей распространения мощных волн У. в газах, жидкостях, твёрдых телах; быстро развивается нелинейная акустика, в становлении которой большую роль сыграли работы советских учёных Н. Н. Андреева, В. А. Красильникова, Р. В. Хохлова и др., а также американских и английских учёных.

В 70-х гг., в особенности после работы Хадсона, Мак-Фи и Уайта (США) (1961), обнаруживших явление усиления и генерации У. в пьезополупроводниках, быстро развивается акустоэлектроника.

Материал	Плотность, кг/м 3	Скорость продольной волны, м/c	Скорость поперечной волны, м/c	Акустический импеданс , 10 3 кг/(м 2 *с)
Алюминий
Полиамид (нейлон)
Сталь (низколегированный сплав)
Вольфрам
Вода (293К)

Сколько стоит написать твою работу?

Выберите тип работы Дипломная работа (бакалавр/специалист) Часть дипломной работы Магистерский диплом Курсовая с практикой Курсовая теория Реферат Эссе Контрольная работа Задачи Аттестационная работа (ВАР/ВКР) Бизнес-план Вопросы к экзамену Диплом МВА Дипломная работа (колледж/техникум) Другое Кейсы Лабораторная работа, РГР Он-лайн помощь Отчет о практике Поиск информации Презентация в PowerPoint Реферат для аспирантуры Сопроводительные материалы к диплому Статья Тест Чертежи далее »

Спасибо, вам отправлено письмо. Проверьте почту .

Хотите промокод на скидку 15% ?

Получить смс
с промокодом

Успешно!

?Сообщите промокод во время разговора с менеджером.
Промокод можно применить один раз при первом заказе.
Тип работы промокода - "дипломная работа ".

Введение

Современная диагностика состояния конструкционных материалов, располагающая большим арсеналом различных физических методов и средств, уже не ограничивается задачами дефектоскопии, но все более широко используется при решении задач определения механических характеристик материалов, причем основное место здесь занимают методы и средства измерения остаточных и рабочих внутренних напряжений.

В связи с этим обстоятельством на первый план выходят методы технической диагностики, сочетающие механику разрушений, металловедения и неразрушающего контроля. К таким методам относятся, в первую очередь, методы контроля напряженно-деформированного состояния.

Металлические конструкции и детали машин в процессе эксплуатации подвергаются действию переменных во времени механических нагрузок, которые могут стать причиной усталостных изменений структуры металла и накопления микродефектов, а следовательно, образования макродефектов, зарождения трещин и разрушения изделия. Все это может привести не только к материальным потерям, но и в определенных ситуациях к негативному влиянию на окружающую среду и гибели людей.

Одним из представителей такого рода конструкций можно считать ВЛЭП, а вернее протянутые между вышками тросы. За годовой цикл они могут испытать перепады температур от -50 до +50 градусов, при этом на них воздействуют различные виды деформаций: растяжение, сжатие, кручение и другие. Это все может привести к колоссальным потерям.

Подъемная техника используется во многих областях жизнедеятельности человека. В нашем повседневном быту мы используем лифты, при строительстве используем краны, в метро нас спускает эскалатор, где основная часть нагрузки приходиться на проволоки и тросы.

Еще одним из примеров, где проводят оценку напряженно-деформированного состояния, является трубопроводные обвязки. Подвижки грунта, а также нарушение технологии в ходе ремонтных работ могут привести к значительным отклонениям положения трубопроводных обвязок основного оборудования газоперекачивающих компрессорных станций от начального проектного положения. Таким образом, кроме проектных нагрузок, таких как внутреннее расчетное давление, собственный вес труб и арматуры и давление грунта на подземную часть, на трубопроводных обвязках могут действовать напряжения, вызванные деформацией вследствие непроектных смещений обвязки. Данные нагрузки не учитываются проектом и, как показывает практика расчетов, порой даже не очень значительные смещения от проектного положения (на 4-10 мм) могут привести к превышению напряжениями предельно допустимых значений . Это, в свою очередь, ведет к увеличению риска зарождения и развития в зонах действия повышенных напряжений опасных трещиноподобных дефектов.

Существуют различные методы измерения механических напряжений:

рентгеновское определение напряжений – деформацию определяют по изменению межплоскостных расстояний напряженного кристаллита;

тензорезистор – принцип измерения состоит в том, что при деформации изменяется его активное сопротивление;

магнитоанизотропный – определения механических напряжений по величине магнитной анизотропии, вызываемой напряжениями в изотропном ферромагнитном материале;

оптический метод определения внутренних напряжений – при прохождении света в оптически прозрачных материалах возникает двойное лучепреломление, величина которого характеризует степень напряженного состояния контролируемого объекта;

акустическая тензометрия – основана на регистрации изменения скорости распространения упругих волн под влиянием напряжений.

Под действием циклических нагружений микродефекты перерастают в трещины, и их концентрация становится опасной для дальнейшей эксплуатации. Большинство методов позволяет выявить только наличие достаточно крупных трещин. Однако гораздо важнее распознать более раннюю стадию накопления дефектности – образование микротрещин.

Одним из способов решение этой задачи является метод, основанный на регистрации изменения скорости распространения упругих волн под влиянием механических напряжений.

Распространение упругих колебаний в ограниченном объеме по сравнению с безграничной средой налагает на волновой процесс дополнительные условия, которые обычно сводятся к равенству нулю давления на свободных поверхностях или к равенству нулю скорости на абсолютно жестких поверхностях. При этом волновые уравнения колебаний тел ограниченной формы всегда имеют общую структуру: один член уравнения содержит вторую производную по времени смещения, а другой – комбинацию пространственных производных, умноженных на коэффициент, определяемый упругими свойствами и плотностью тела.

Строгое решение уравнений, описывающих колебания тел ограниченной формы с учетом всех граничных условий, особенно в случае твердых тел, в которых связаны три составляющих смещений и шесть составляющих напряжений, часто наталкивается на непреодолимые математические трудности. Поэтому обычно используют определенные упрощения на основе преимущественного характера соотношений между деформациями и смещениями. Это позволяет свести любой сложный волновой процесс к суперпозиции элементарных нормальных волн.

1. Связь скорости ультразвука с механическими напряжениями

1.1 Акустотензометрия

Тензометрия – измерение напряжений и деформаций в твердых телах. Акустическая тензометрия основана на явлении акустоупругости которое заключается в изменении скорости распространения упругих волн под влиянием напряжений.

Упругая деформация твердых тел описывается законом Гука .

Рис. 1. Диаграмма растяжения твердого тела

Модуль Юнга характеризует упругие свойства твердых тел при деформации растяжения – сжатия. Он численно равен величине напряжения, которое вызывает изменение длины образца вдвое, если деформация при этом остается упругой. С другой стороны, модуль Юнга можно понимать как величину, численно равную объемной энергии деформации при удвоении размеров образца. Закон Гука справедлив лишь для идеально упругих тел. Для реальных же тел наблюдаются различные отклонения от этого закона. На рис. 1. представлена характерная диаграмма растяжения твердого тела. Строгая пропорциональность между относительным удлинением и напряжением наблюдается лишь при сравнительно небольших нагрузках, на участке 0А.

Максимальное напряжение sп, при котором еще выполняется закон Гука, называется пределом пропорциональности.

Максимальное напряжение sуп, при котором еще не возникают заметные остаточные деформации (относительная остаточная деформация не превышает 0,1%), называется пределом упругости. Ему соответствует точка В на диаграмме деформации.

Предел текучести – это напряжение, которое характеризует такое состояние деформируемого тела, после которого удлинение возрастает без увеличения действующей силы (горизонтальный участок ВС).

Пределом прочности sпр (точка D) называется напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой телом перед разрушением.

Отклонения от закона Гука в области напряжений, не превосходящих предела упругости, объединяются общим понятием неупругости. Проявлением неупругости являются, например, упругие последействия и упругий гистерезис, подлежащий экспериментальному наблюдению в данной работе.

Явление упругого последействия заключается в изменении со временем деформационного состояния при неизменной величине напряжения. В этом случае после приложения нагрузки к образцу деформация возникает не мгновенно, а продолжает увеличиваться с течением времени (прямое упругое последействие); также и после снятия нагрузки: деформация образца исчезает не мгновенно, а продолжает уменьшаться во времени (обратное упругое последействие).

Закон Гука, согласно которому напряжение б и деформация е пропорциональны, выполняется приближенно. Более точная зависимость имеет вид степенного ряда.

Степени выше второй не учитывают. Это выражение следует понимать как упрощенное, не учитывающее наличия и взаимодействия деформаций разного типа. Коэффициенты типа С1 называют упругими постоянными или модулями упругости, а коэффициенты типа С2 (в изотропном твердом теле их три) обычно называют коэффициентами Мурнагана или другими терминами. В вопрос рассматривается упрощенно и показано, что

Таким образом, изменение скорости пропорционально напряжению или деформации в контролируемом объекте. Связь между ними определяется акустоупругим коэффициентом. При деформации растяжения скорость уменьшается, а при деформации сжатия – увеличивается. В области пластических деформаций скорость остается практически постоянной. Измерение абсолютных значений скорости с необходимой точностью – трудная задача. Она облегчается тем, что обычно требуется измерить не абсолютную величину, а изменение скорости под влиянием приложенных напряжении (как и в других вариантах тензометрии). Важное достоинство акустической тензометрии – измерение напряжений не только на поверхности, но также внутри ОК.

Определение напряжений в материалах, обладающих собственной анизотропией, требует учета реальной скорости звука в направлении измеряемых напряжений. Например, текстура, возникающая при прокатке дюралюминия Д16, может вызвать изменение скорости по разным направлениям до 0,26%, а изменение скорости под влиянием напряжений – порядка 0,08%; для стали 45 соответственно 0,64% и 0,04%.

Явление динамической акустоупругости заключается в воздействии на ОК переменного поля напряжений скорость ультразвука под их воздействием изменяется приблизительно так же, как в стационарном режиме. Следовательно явление может быть использовано для контроля переменных напряжений. В представлены данные о величине акустоупругого взаимодействия в зависимости от направления приложенного напряжения (рис 2).

Рис. 2. Относительные изменении скорости под влиянием приложенных напряжений: о – измерения непрерывными волнами методом прохождения; – импульсные измерения эхо-методом

Теорию акустоупругого взаимодействия с логарифмической формой представления конечной деформации считают перспективной. Изменение скорости под влиянием напряжений очень мало, измерениям сильно мешают температурные эффекты, микронеоднородности, текстура. Схемы выполнявшихся экспериментов показаны на рис. 3.

В качестве образцов использовали алюминево-магниевый сплав, технический алюминиевый сплав и оптическое стекло. Для них измерены акустоупругие коэффициенты. Измерения выполняли импульсным методом с учетом изменения фазы импульса и методом непрерывных волн с наложением модуляции. Точность первого метода была на 10% выше, результаты показаны на (рис. 4).

Рис. 4. Относительные изменения скорости дс/с в зависимости от деформаций для вариантов, показанных на рис. 3

Применительно к сталям У8 и ШХI 5 установлено, что амплитуда сигнала, возбуждаемого ЭМА-преобразователем, однозначно и практически линейно уменьшается с увеличением микроискажений кристаллической решетки (е), характеризующих микронапряжения. Значение (е) измеряли рентгеноструктурным методом. Уменьшается также резонансная частота колебаний образца, возбуждаемого ЭМА способом, но в значительно меньшей степени.

Обнаруженный эффект дает возможность использовать ЭМА-преобразование для оценки внутренних напряжений при термической обработке углеродистых и слаболегировынных сталей. Это тем более важно, что эффект проявляется при температурах отпуска 200… 600 град. где магнитные и электрические методы контроля неэффективны.

В таблице , в которой приведены скорости звука в различных лег сталях в разных состояниях обработки, различия в обеих скоростях звука составляют менее 5%. По влиянию легирующих элементов никакой систематики не усматривается, однако со стояния обработки (отжиг, закалка, термическое улучшение, холодная деформация) сказываются на скорости звука гораздо сильнее, чем легирующие элементы. Как правило, обе скорости звука под влиянием легирующих примесей уменьшаются; обычно это относится и к затуханию звука. Отклоненными от величины с 5,93 км/с для многих практических целей можно пренебречь, но в случае точного измерения толщины стенки это недопустимо. Между тем отклонение поперечной скорости звука на 1% уже приводит к изменению угла преломления на 1,5° при его исходном значении 70°. Следовательно, в критических случаях, например при предельном угле для поверхностных или головных волн, это отклонение нужно учитывать. В таком случае определенную роль играет и уменьшение скорости звука с температурой .

Термическая или механическая обработка металла приводит к перестройке структуры и появлению микродефектов. Например, в процессе усталостных испытаний изменяется дислокационная структура и накапливаются усталостные повреждения. Следователь но, есть основания ожидать изменений скорости ультразвука при механических нагружениях. Напряжения акустических колебаний, используемые в ультразвуковых измерениях, значительно меньше напряжений трения, поэтому скорость ультразвука может характеризовать перестроение и закрепление дислокаций, возникновение микропор в процессе циклических нагружений. Кривые изменения модуля упругости в процессе усталости представляют собой как бы зеркальное отображение аналогичных кривых внутреннего трения. Как правило, моменту появления микротрещин усталости соответствует одновременное заметное увеличение внутреннего трения и уменьшение модуля упругости. Перераспределение примесных атомов в металле может быть зарегистрировано по скорости ультразвука. Единственной физической характеристикой, которая изменяется (растет) вместе с развитием отпускной хрупкости, является внутреннее трение.

1.2 Усталостные микроповреждения

Металлические конструкции и детали машин в процессе эксплуатации подвергаются действию переменных во времени механических нагрузок, которые могут стать причиной усталостных изменений структуры металла и накопления микродефектов, а следовательно, образования макродефектов, зарождения трещин и разрушения изделия. Для обнаружения микротрещин можно воспользоваться методом, основанным на изменении скорости звука в металле в зависимости от структуры и накопления микродефектов при эксплуатации под воздействием циклически меняющихся нагрузок и температуры. Определяя закономерности кинетики накопления микродефектов в металле при усталостном нагружении, можно установить порог, выше которого формируются опасные для дальнейшей эксплуатации трещины.

Скорость распространения ультразвука измеряли по принципу автоциркуляции импульсов. Исследования зависимости скорости ультразвука от различных параметров усталостных испытаний выполняли на плоских образцах из стали 45. Предварительная термическая обработка образцов состояла из нагрева при 870 гр. в течение 0,5 ч и охлаждения на воздухе. Образцы циклически нагружали в нулевом цикле напряжений (R=0) при двух температурах: 20 и 200 гр. с частотой цикла 5 Гц и уровнями максимальных напряжений цикла 320, 400 и 550 МПа. Число циклов доводили до 10е5.

Рис. 5. Кривая усталости для исследованной стали с коэффициентом асимметрии R=0 (б) (N – количество циклов)

Скорость звука измеряли до и после приложения нагрузок. Часть образцов испытали до разрушения методом малоцикловой усталости. Скорость поверхностных волн измеряли периодически, по мере возрастания числа наработанных циклов N. Согласно (рис. 5) с ростом числа циклов, уровня циклических напряжений и температуры испытаний скорость волн в образце уменьшается.

Выяснилось , что практически все структурные изменения, вызванные термической обработкой или деформацией, приводят к малым, но измеримым изменениям СУЗ. Перспективным оказалось применение методики измерения СУЗ для диагностики материала при усталостном нагружении. На рис. 6. представлены данные о изменении СУЗ в ходе усталостного испытания образцов из стали 45 по схеме изгибных колебаний. Аналогичные зависимости были получены и для образцов из рельсовой стали М76. Измерения, проведенные методом автоциркуляции звуковых импульсов на несущей частоте 2.5 МГц с помощью прибора ИСП-12 , указывают на качественно одинаковый для всех испытанных образцов вид зависимости скорости поперечных ультразвуковых волн от числа циклов нагружения n. Во всех случаях Vt (n) состоит из трех последовательных стадий снижения СУЗ, но уровень и темп количественных изменений для каждого конкретного образца индивидуален (рис. 6). Характерно, что трехстадийная кинетика изменения некоторых свойств металлов при усталостных испытаниях отмечалась и при использовании других методик.

Рис. 6. Относительное изменение СУЗ в ходе усталостных испытаний образцов из стали 45

Понимание существа процессов, ответственных за подобную стадийность кривых, достигается при микроструктурном анализе металла, подвергнутого усталостным испытаниям. Оказывается, на стадиях 1 и 2 в микроструктуре еще практически незаметны какие-либо изменения, но по мере приближения стадии 3 появляются следы пластической деформации, а сразу после начала крутого спада зависимости Vt (n) отмечены признаки разрушения в виде микротрещин размером ≥ 0.01 мм. Таким образом, есть надежные основания считать, что переход к стадии 3 зависимости СУЗ от числа циклов нагружения сигнализирует о приближении катастрофической стадии усталости и исчерпании ресурса изделия.

Рис. 7. Зависимость изменения СУЗ на 1 цикл испытания от числа циклов

Таким образом, способ измерения скорости распространения ультразвукового импульса позволяет достаточно уверенно диагностировать накопление дефектов при усталостном нагружении и регистрировать переход от стадии нормальной эксплуатации к стадии предразрушения.

Представляется, что подобный вид зависимости Vt (n) может быть полезен для объяснения известного в теории надежности U – образного характера зависимости интенсивности отказов (их числа в единицу времени) от времени эксплуатации t. Действительно, U – образной является показанная на рис. 7. зависимость dVt /dn от n (очевидно, n – t), построенная по данным рис 6: в терминах теории надежности, ее начальный этап соответствует приработочным отказам, стадия медленного спада СУЗ – периоду внезапных отказов (нормальная эксплуатация), а быстрый спад СУЗ сигнализирует о переходе к наиболее опасному периоду износовых отказов.

2. Методы измерения скорости ультразвука

Изменение скорости распространения ультразвука в сплавах в зависимости от их структуры или термической обработки не превышает 3%. Следовательно, для изучения природы связи структуры и скорости распространения звука нужны ультразвуковые методы исследования с точностью лучше 0,05%, причем погрешность устройств для неразрушающего контроля по скорости распространения ультразвука не должна превышать 0,1%.

Резонансный метод, предназначенный для измерения малых изменений скорости распространения ультразвука, является, довольно точным, 0,05% и лучше. Такой метод легко реализуется экспериментально с помощью высокоточных промышленных приборов (генераторов ультразвуковых колебаний, частотомеров, милливольт метров). Поскольку в устройстве, реализующем данный метод, используются нетиповые пьезопреобразователи и образцы, необходимо оценить его точность.

Импульсные и автоциркуляционные методы пригодны как для промышленных, так и для исследовательских целей. Поскольку они могут быть реализованы с использованием поверхностных, например рэлеевских, волн практически исключается влияние на точность измерений формы и размеров образцов, свойственное резонансному методу, за счет жесткой фиксации расстояния между пьезопреобразователями.

2.1 Резонансный метод

Резонансный метод, основанный на смещении амплитудно-частотной характеристики ультразвукового сигнала, прошедшего через образец наиболее распространен в экспериментальных исследованиях . Заключается он в следующем. В образце возбуждают непрерывные ультразвуковые колебания, частоту которых плавно меняют в некотором диапазоне и измеряют зависимость амплитуды прошедшего сигнала от его частоты. При выполнении условия резонанса в исследуемой акустической системе, когда на длине образца укладывается целое число полуволн, амплитуда прошедшего сигнала достигает максимума, что соответствует резонансному пику на амплитудно-частотной характеристике. После термической обработки образца, изменяющей структуру и свойства, наблюдают смещение частот его резонансных пиков и судят об изменении скорости распространения ультразвуковых волн в металле.

На рис. 8 представлена блок-схема экспериментальной установки, реализующей резонансный метод. Непрерывные ультразвуковые колебания в образце возбуждаются пьезопреобразователем (ПЭП) из титаната бария с резонансной частотой 2,5 МГц, питаемым от генератора колебаний. Прошедший через образец акустический сигнал принимается другим аналогичным ПЭП, преобразующим акустические колебания в переменное напряжение той же частоты, измеряемое ламповым милливольтметром. Частота колебаний регистрируется электронно-счетным частотомером.

Рис. 8 Блок-схема ультра звуковой резонансной установки: 1 – частотомер Ч3–3З; 2 – генератор колебаний ГЗ (Г4 68); 3 – вода; 4 и б – излучающий и приемный пьезопреобразователи; 5 – цилиндрический образец; 7 – милливольт метр ВЗ-38; 8 – термометр

Для исключения влияния акустического контакта на результаты измерений образец вместе с преобразователями помещается в иммерсионную ванну, заполненную водой. Температура воды и соответственно образца измеряется термометром с точностью 0,1 К. Для акустических исследований резонансным методом наиболее удобны образцы в форме цилиндра диаметром 20–21 и длиной 80–90 мм с шероховатостью поверхности Rmax = 3,2 – 12,5 мкм. Их геометрические размеры можно контролировать с ошибкой 5 мкм микрометром и измерительным микроскопом. Для установления корреляций между резонансными ликами исследуемого образца после различных термообработок амплитудно-частотные зависимости необходимо снимать в диапазоне частот от 2,2 до 2,9 МГц, охватывающем не менее десяти резонансных ликов. Положение экстремальных точек этой зависимости определяется с ошибкой 0,1 кГц. На рис. 9. приведен участок амплитудно-частотной характеристики одного из образцов.

Рис. 9. Участок амплитудно-частотной характеристики одного из образцов

2.2 Импульсный метод

Выше описанный метод применим на практике лишь для контроля деталей, имеющих форму цилиндра с малым разбросом размеров. Кроме того, для резонансного метода сложна обработка результатов измерений. Устранить погрешность, связанную с размерным фактором, и упростить интерпретацию получаемых данных можно с помощью фиксации расстояния, проходимого ультразвуковой волной. А это возможно с применением поверхностных акустических волн, например рэлеевских. Очевидно, наиболее просто метод контроля с помощью этих волн можно реализовать импульсным методом возбуждения ультразвуковых колебаний. Использование импульсного сигнала позволяет применить жесткое, без демпфирующих прокладок, соединение пьезопреобразователей друг с другом и повысить тем самым точность измерений скорости звука по времени прохождения импульсом фиксированного расстояния между излучающим и приемным пьезопреобразователями. Рассмотрим работу импульсного прибора с осциллоскопической индикацией , его блок-схему и временные диаграммы. Принцип действия устройства заключается в следующем. Генератор импульсов (ГИ) формирует короткие импульсы амплитудой 35… 100 В, которые подаются на излучающий пьезопреобразователь В1. Ультразвуковой импульс проходит по образцу и через промежуток времени t достигает приемного пьезопреобразователя В2, где преобразуется в электрический импульс, который усиливается усилителем Ус и подается на вертикальный вход (Вх «У’) электронно-лучевого осциллографа ЭО. При постоянной скорости развертки положение импульса на экране зависит от времени прохождения ультразвуком расстояния между пьезопреобразователями и, следовательно, от скорости распространения ультразвука в образце. Запуск ждущей развертки осциллографа происходит не в момент формирования в блоке ГИ импульса, а по истечении промежутка времени t0 несколько меньшего времени t пробега ультразвуковым импульсом расстояния между пьезопреобразователями (рис. 10).

Рис. 10. Блок-схема импульсного прибора (а): ГИ – генератор импульсов; В1 и В2 – излучающий и приемный пьезопреобразователи; Об – образец (изделие); Ус (А1) – усилитель; БЭВ – блок задержки времени; ФИ – формирователь импульсов; Т – Трйггер; ГПН – генератор пилообразного напряжения; ПВ – пиковый (амплитудный) вольтметр, ЭО – электронно-лучевой осциллограф

Временная задержка сигнала осуществляется специальным блоком задержки времени (БЭВ), который запускается импульсом, поступающим с ГИ, и формирует прямоугольный импульс длительности t0. По окончании времени задержки на выходе БЗВ появляется импульс отрицательной полярности, преобразуемый формирователем импульсов (ФИ) в импульс положительной полярности, который подается на электронно-лучевой осциллограф и запускает генератор ждущей развертки. Введение блока задержки времени позволяет существенно увеличить скорость развертки и тем самым повысить точность измерений.

Если обозначить t’ время от момента включения развертки до появления на экране осциллографа импульса от приемного пьезопреобразователя, то время прохождения импульса по образцу

Расстояние х, проходимое лучом на экране осциллографа от момента запуска генератора развертки до прихода импульса с приемного пьезопреобразователя, будет

где V – скорость развертки. Но

где l – расстояние между излучающим и приемным пьезопреобразователями; Vr – скорость распространения ультразвука в образце.

Подставив (4.13) в уравнение (4.12), получим

Очевидно, точность измерения будет тем выше, чем больше х, но это значение не может превышать размеров экрана трубки осциллографа. При заданных размерах экрана большую точность можно получить, увеличивая скорость развертки V при уменьшении времени t’. Применение осциллографа С1–54 дает точность измерений до 0,2%.

2.3 Импульсно-фазовый метод

Импульсно-фазовый способ измерения скорости, обеспечивающий высокую точность измерения основан на компенсации акустического импульса, прошедшего ОК, и электрического импульса, прошедшего через емкостную связь во входную цепь приемника. Генератор высокой частоты 1 (рис. 11 а) вырабатывает непрерывные гармонические колебания, частота которых измеряется электронным частотомером 5. Из них блоком 2 формируются два сдвинутых относительно друг друга радиоимпульса

(рис. 12 6). длительность ч амплитуда У время задержки т и период повторения импульсов задаются модулятором б (рис. 12 а). с помощью пьезоэлектрических излучателя ИП и приемника ПП импульсы проходят как акустические колебания. Приемный тракт прибора 4 состоит из аттенюатора и усилителя. сигналы наблюдают на осциллографе 7.

Рис. 12. Измерение скорости импульсно-фазовым способом (а) и электрические колебания, используемые при измерении скорости импульсно-фазовым способом: I – непрерывные гармонические колебания генератора высокой частоты; II импульсы, вырабатываемые модулятором; III – электрические сигналы, создаваемые акустическими импульсами; IУ – электрические сигналы, прошедшие через емкость связи во входную цепь приемника (6)

Измерение скорости производится путем сравнения сигнала 1а, создаваемого акустическим импульсом, и сигнала 26, прошедшего через регулируемую емкость связи. Время задержки регулируют так, чтобы эти импульсы совместились. Регулировкой емкости и уменьшением амплитуды добиваются компенсации им пульсов на экране осциллоскопа. Частота генератора совпадает с частотой преобразователей, и измерения проводят в окрестностях этой частоты. Не приводя алгоритма довольно сложных настроек и измерений, отметим , что погрешность измерений прибора типа «Фонон» не более 0,1%, а воспроизводимость результатов – тысячные доли процента.

2.4 Метод автоциркуляции импульса

Импульсный прибор обладает хорошей помехозащищенностью, но для исследовательских целей точность его недостаточна. Кроме того, измерения по сетке на экране осциллографа довольно трудоемки. Расстояние между пьезопреобразователями должно быть не менее 100–150 мм. Однако многие детали не имеют таких площадок для установки пьезопреобразователей. Например, ширина сварочных швов паропроводов 20–30 мм, а для столь малых расстояний применение импульсного метода требует значительного уменьшения длительности вводимого в деталь ультразвукового им пульса, что технически осуществить весьма трудно.

При этом частота импульсов автоциркуляции зависит от времени пробега импульсом расстояния между пьезопреобразователями, а значит (при неизменном расстоянии между преобразователями), – от скорости распространения ультразвука в образце. Рассмотрим подробно вариант автоциркуляционного прибора (рис. 13).

Рис. 13. Блок-схема автоциркуляционного прибора

ГЗИ генератор запускающих импульсов; УсI импульсный усилитель; В1 и В2 – излучающий и приемный пьезопреобразователи; Об – образец (деталь); Ус2 - широкополосный усилитель; ФИI, ФИ2 – формирователь соответственно коротких и прямоугольных импульсов; Ч частотомер ЧЗ-З3; 51 – включатель; См – смеситель: ОГ генератор опорной частоты; ФНЧ – фильтр нижних частот; ИЧ – аналоговый измеритель частот.

Генератор запускающих импульсов ГЗИ подает импульсы на вход импульсного усилителя УсI, с выхода которого импульсы поступают на излучающий пьезопреобразователь В1. Прошедший по образцу ультразвуковой импульс возбуждает приемный пьезопреобразователь В2, электрический сигнал с которого поступает на вход широкополосного усилителя Ус2. Сигнал на выходе Ус2 представляет собой затухающие высокочастотные колебания. Из этого сигнала ФИ 1 формирует короткие импульсы, используемые для запуска ФИ2. Задача блока ФИ2 – формирование прямоугольных импульсов длительностью, несколько большей половины периода следования импульсов, чем устраняется опасность возникновения колебаний на кратных частотах. С выхода ФИ2 импульсы подаются на вход импульсного усилителя УсI, тем самым цепь автоциркуляции замыкается. После появления устойчивых колебаний генератор запускающих импульсов ГЗИ отключается выключателем $1. Частота следования импульсов измеряется цифровым частотомером (ЧЗ-33), вход которого подключается к выходу импульсного усилителя.

Малые габариты и масса, а также незначительное потребление энергии от источника питания дают возможность изготовить переносной вариант прибора, что требует применения малогабаритного частотомера, например аналогового, с использованием метода биений.

Данные испытания не только показали, что прибор устойчиво работает при малых, вплоть до 10… 15 мм, расстояниях между пьезопреобразователями, но и подтвердили его высокую помехоустойчивость и отсутствие акустической связи между пьезопреобразователями.

2.5 Гетеродинный метод

Гетеродинный способ основан на интерференции опорного (гетеродинного) сигнала и первого УЗ-импульса, прошедшего через ОК и буфер-звукопровод. Высокочастотный сигнал генератора 2 (рис. 14) модулируется прямоугольным импульсом от генератора 1 и через аттенюатор 8 поступает на осциллоскоп 10 (синхронизуемый генератором 1) в качестве опорного сигнала.

Рис. 14. Измерение скорости гетеродинным способом

Импульс от 2, усиленный в 4, возбуждает пьезопреобразователь 5, проходит через буфер 6, обеспечивающий временную задержку, ОК 7, принимается преобразователем 5’ и через широкополосный усилитель 9 также подается на осциллоскоп 10. Частота колебаний измеряется блоком 3.

Длительность импульса подбирается несколько большей времени его прохождения через буфер и ОК, так, чтобы опорный сигнал перекрывался и интерферировал с прошедшим импульсом. Изменяя частоту генератора 2, можно добиться то го, чтобы оба сигнала находились в противофазе, тогда на экране можно добиться их взаимного гашения.

2.5 Метод измерения углов отражения и преломления ультразвуковых волн на границе двух сред

скорость ультразвук анизотропия напряжение

Особенно удобно измерение критических углов, при которых одна из преломленных или отраженных волн определенного типа распространяется вдоль поверхности. Критический угол определяется в основном соотношением скоростей распространения волн в двух средах. Однако на отражение и преломление упругих волн также влияет затухание ультразвука, а величина критических углов определяется одновременно скоростью продольных и поперечных волн. Это открывает возможность комбинированного измерения скорости и затухания волн различных типов по измерению критических углов и коэффициента отражения.

Этот способ имеет ограниченное применение . Он пригоден только для материалов со сравнительно малым поглощением УЗК, и для проведения эксперимента требуется создать специальные условия (например, погрузить образец в жидкость).

Список литературы

– Муравьев В.В., Зуев Л.Б., Комаров К.Л. «Скорость звука и структура сталей и сплавов», Новосибирск «Наука», 1996

– Неразрушающий контроль, т. 3, Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. – Ультразвуковой контроль, М. «Машиностроение», 2004

– Выборнов Б.И. «Ультразвуковая дефектоскопия», изд. второе, перераб. и дополн., М «Металлургия», 1985

– Ермолов И.Н. «Теория и практика ультразвукового контроля», М. «Машиностроение», 1981

– Общий физический практикум, Часть I, МЕХАНИКА

– Крауткремер Й., Крауткремер Г. – Ультразвуковой контроль материалов. Справочник, М. Металлургия, 1991

– Алешин Н.П., Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия, 1987

– Агранат Б.А. Основы физики и техники ультразвука, М. Высшая школа, 1987

– Муравьев В.В. «Погрешности измерений при ультразвуковой структуроскопии», Дефектоскопия, 1988, №7

– Физическая акустика /под редакцией У. Мэзона.М. Мир.1966, т1, ч.А

– Л.Б. Зуев, В.Я. Целлермаер, В.Е. Громов, В.В. Муравьев Журнал технической физики, 1997, том 67, №9

– www.encotes (По материалам научно-технического семинара «Применение метода акустоупругости для измерения механических напряжений в изделиях и конструкциях», состоявшегося 19 мая 2005 года в рамках IV Международной выставки «NDT -2005»)

Размещено на

Похожие рефераты:

Физические основы ультразвукового неразрушающего контроля, природа и типы, параметры, затухание, отражение, преломление и трансформация волн. Технологические средства: дефектоскоп и стандартный образец предприятия. Проведения ультразвукового контроля.

Методы и необходимость совершенствования конструкции изделия РЭС. Сущность и порядок реализации электроэрозионной обработки материалов. Электрохимическая обработка, основанная на явлении анодного растворения. Ультразвуковые и лучевые методы обработки.

Изучение свойств материалов, установления величины предельных напряжений. Условный предел текучести. Механические характеристики материалов. Испытание на растяжение, сжатие, кручение, изгиб хрупких материалов статической нагрузкой. Измерение деформаций.

Параметры радиоприемников. Повышенная помехоустойчивость. Структурная схема настройки и регулировки УНЧ. Детекторы и их настройка и регулировка. Частотный детектор. Регулировка и настройка цепи АРУ. Настройка и регулировка ВЧ тракта радиоприемников.

Акустическая эмиссия: ее основные параметры, понятия и определения. Методы выделения сигналов АЭ на фоне помех. Методика электролитического наводороживания металлических образцов. Назначение прибора АФ-15. Источники акустической эмиссии в металлах.

Основные свойства материалов

Зависимость работоспособности машин и агрегатов от свойств материалов. Прочность, твердость, триботехнические характеристики. Внедрение в материал более твердого тела – индентора. Температурные, электрические и магнитные характеристики материалов.

Возникновение вибраций при обработке резанием. Опасность резонансных режимов, наступающих при совпадении частоты собственных колебаний заготовки с частотой колебаний других звеньев технологической системы. Выбор технического ршения задачи.

Свойства материалов при расчетах на прочность, жесткость и устойчивость определяются механическими характеристиками. Испытания над материалами проводят на деформацию растяжения, сжатия, кручения, изгиба при действии статической или переменной нагрузок.

Телевизор рассчитан на прием телевизионных программ, передаваемых в метровом и дециметровом диапазонах по стандартам СЕКАМ D,K и ПАЛ D,K и выпускается с устройством ДУ.

Особенности и технология проектирования малогабаритного частотомера. Расчет надежности и резонансной частоты печатной платы и частот собственных колебаний пластины. Анализ нормативно-технической документации изделия и методы расчета теплового режима.

Контроль качества

Нахождение дефектов в изделии с помощью ультразвукового дефектоскопа. Визуально-оптический контроль сварных соединений на наличие дефектов. Методы капиллярной дефектоскопии: люминесцентный, цветной и люминесцентно-цветной. Магнитный метод контроля.

Ультразвуковая обработка поверхностей как одно из направлений существенного повышения производительности и качества механической обработки материалов. Изучение практического опыта применения ультразвука в процессах абразивной обработки и их шлифования.

Качественные и количественные методы исследования коррозии металлов и ее оценки. Определение характера и интенсивности коррозионного процесса с помощью качественного метода с применением индикаторов. Измерение скорости коррозии металла весовым методом.

Состав технических устройств контроля ГПС, распространенные средства прямого контроля с высокой точностью заготовок, деталей и инструмента. Модули контроля деталей вне станка. Характеристика и возможности координатно-измерительной машины КИМ-600.

Под устойчивостью понимают свойство стержня сохранять свою первоначальную форму равновесия под действием внешних и внутренних сил. Усталостное разрушение материала – длительный процесс, связанный с многократным нагружением и напряжением изделия.

Предпосылки для развития отрасли, выпускающей контрольно-измерительные приборы. Изобретения известных учёных в области измерительных приборов. Вольтметры и осциллографы, их назначение и области применения, классификация, принцип действия, конструкции.