Ultradźwięki. Literatura: A. Śliwiński, Ultradźwięki i ich zastosowania, WNT, Warszawa 2003 Notatki z wykładów (prezentacje)

Transkrypt

1 Ultradźwięki Tomasz Hornowski Instytut Akustyki Zakład Akustyki Molekularnej dyżury: wtorek i czwartek hornaku@amu.edu.pl; tel strona internetowa: Literatura: A. Śliwiński, Ultradźwięki i ich zastosowania, WNT, Warszawa 2003 Notatki z wykładów (prezentacje)

2 Co to są ultradźwięki? Ultradźwięki są to fale sprężyste o częstotliwościach większych od słyszalnych. Ultradźwięki o niższych częstotliwościach potrafi wytwarzać i odbierać wiele gatunków zwierząt. W praktyce technicznej i medycznej największą rolę odgrywają sztucznie wytwarzane ultradźwięki o częstotliwościach powyżej 100 khz.

3 Dlaczego ultradźwięki? Natura fal sprężystych w każdym zakresie częstotliwości jest taka sama - mechanizm powstawania i rozchodzenia się fal opisują te same prawa fizyczne. Proces oddziaływania fal sprężystych z materią (z ośrodkiem, w którym się rozchodzą) silnie zależy od długości fal. Fale krótsze w mniejszym stopni ulegają dyfrakcji i można przyjąć, że rozchodzą się po liniach prostych. c f

4 Prędkości fal ultradźwiękowych w materii w różnych stanach skupienia aa

5 Zastosowania fal ultradźwiękowych ZASTOSOWANIA BIERNE fale ultradźwiękowe o małej amplitudzie ZASTOSOWANIA CZYNNE fale ultradźwiękowe o amplitudzie skończonej

6 Techniczne zastosowania fal ultradźwiękowych Nieniszczące badania materiałów (NDT) Silniki i sensory ultradźwiękowe. Pomiary ciśnienia i prędkości przepływu cieczy. Spajanie i lutowanie. Koagulacja i dyspergowanie. Mycie i czyszczenie. Echolokacja (hydroakustyka).

7 Medyczne i biologiczne zastosowania ultradźwięków Badanie przepływu krwi i drożności tętnic (sonoangiografia) Obrazowanie ultradźwiękowe (ultrasonografia, elastografia) Rozbijanie kamieni (litotrypsja) Chirurgia ultradźwiękowa (FUS) Diagnostyka osteoporozy (ultradźwiękowe badanie kości)

8 Zastosowania ultradźwięków do badania materii Wnioskowanie o procesach molekularnych zachodzących w płynach (gazy+ciecze) na podstawie zależności stałych propagacji (prędkości fali, współczynnika pochłaniania i rozpraszania) od częstotliwości fali (spektroskopia ultradźwiękowa). Wyznaczanie parametrów termodynamicznych (stała Poissona, ściśliwość) ośrodka na podstawie zależności prędkości fal ultradźwiękowej od temperatury i ciśnienia. Wyznaczanie rozmiaru cząsteczek i długości łańcuchów polimerów za pomocą pomiaru prędkości fali. Wyznaczanie funkcji rozkładu cząsteczek w roztworach koloidalnych na podstawie zależności współczynnika tłumienia od częstotliwości.

9 Plan wykładu Elementy termodynamiki Prędkość propagacji fal ultradźwiękowych w różnych stanach materii Mechanizmy tłumienia fal ultradźwiękowych Rozchodzenie się fal sprężystych w ośrodkach anizotropowych kryształach Rozchodzenie się fal ultradźwiękowych w miękkiej materii Nieliniowe rozchodzenie się fal ultradźwiękowych

10 Ciśnienie promieniowania W przypadku fal o amplitudzie skończonej w ośrodku rzeczywistym fali towarzyszy ciśnienie promieniowania. Jest to siła, jaką wywiera czoło fali na powierzchnię przekroju wiązki. Ciśnienie promieniowania jest szczególnie duże na powierzchni rozgraniczającej ośrodki o różnych impedancjach Ciśnienie promieniowania wyraża wzór: p0 u, 0u c Na powierzchni dzielącej dwa ośrodki o impedancjach Z 1 i Z 2 ciśnienie promieniowania wynosi 0 0 I c p (1 R ), 2 2 1c1 R Z Z 1 1 Z Z 2 2

11 Lewitacja akustyczna Lewitacja akustyczna jest to unoszenie obiektów wywołane ciśnieniem promieniowania Zależność odległości lewitacji h od ciężaru na jednostkę powierzchni obiektu lewitującego przy stałej wartości ciśnienia promieniowania.

12 Lewitacja demonstracje

13 Kawitacja Kawitacja oznacza proces powstawania w cieczy pulsujących pęcherzyków pod wpływem dużych sił rozciągających, spowodowanych nagłym obniżeniem ciśnienia i rozerwaniem ośrodka. Powstające w fazie rozrzedzeń fali pęcherzyki na ogół w fazie zagęszczeń zapadają się, powodując powstanie fali udarowej i emisję szumów kawitacyjnych. Niektóre pęcherzyki przeżywają fazę zagęszczeń, rozrastając się i pulsując przez czas dłuższy niż okres fali. Widmo szumów kawitacyjnych składa się więc z dyskretnego widma pulsujących pęcherzyków o składowych harmonicznych i subharmonicznych (kawitacja czynna lub stabilna) nałożonego na szerokopasmowe widmo fal udarowych (kawitacja bierna lub przejściowa).

14 Kawitacja przykłady Generacja pęcherzyków kawitacyjnych w wodzie Usuwanie pęcherzyków kawitacyjnych z żywicy epoksydowej

15 Ultradźwiękowa litotrypsja Litorypsja jest procesem polegającym na rozkruszaniu kamieni nerkowych, żółciowych falą udarową, których fragmenty o wielkości nie przekraczającej 2 mm są wydalane z moczem drogą naturalną. Rozbicie kamieni w polu fali ultradźwiękowej jest spowodowane z jednej strony bezpośrednio falą udarową (LSW, lithotripter shock wave), a z drugiej strony pośrednio rozpadem pęcherzyków kawitacyjnych na granicy tkanka-kamień. Kamienie nerkowe, żółciowe itp. są w ogólności dość kruche i mniej wytrzymałe na ściskanie niż na rozciągnie, przy czym maksimum wytrzymałości w obu przypadkach wynosi 1-2 MPa i 0,5-1 MPa. Wartości te są dużo mniejsze od osiąganych w litotrypterach, gdzie sięgają od 30 do 100 MPa.

16 Schemat i struktura sygnału litotryptera Obliczone i zmierzone profile impulsów ciśnienia akustycznego generowanych przez litotrypter w ognisku i ogniskiem.

17

18 Ultradźwiękowa liposukcja Ultradźwięki rozbijają błony komórkowe komórek tłuszczowych, co prowadzi do pozbycia się zbędnych kilogramów oraz do ładnego wymodelowania sylwetki. W odróżnieniu od tradycyjnej liposukcji, zabieg ten nie narusza integralności skóry. Kawitacja rozbija komórki tłuszczowe i przekształca je w emulsję, następuje też drenaż limfatyczny oraz poprawa elastyczności skóry. Polepsza się również metabolizm, a rozpuszczony tłuszcz i toksyny są usuwane z organizmu.

19

20 Sonoluminescencja Sonoluminescencją nazywa się świecenie zapadającego się podczas kawitacji pęcherzyka gazowego w polu fali ultradźwiękowej.

21 Sonoluminescencja a fuzja jądrowa Przyjmując, że początkowy promień pęcherzyka kawitacyjnego, do którego dyfundują deuter i tryt, wynosi R 0 = 0,2 m, to przy częstotliwości f = 2 khz i ciśnieniu akustycznym P a = 10 MPa w ujemnej fazie pęcherzyk rozszerzy się do R max = 2680 m, natomiast w fazie zagęszczenia skurczy się do R min = 0,012 m. Stąd w warunkach przemiany adiabatycznej Rmax 5 Vmax ,2 10, 1,1 10, T 4,22 10 K, P 1,67 10 R V min min W takich warunkach temperatury i ciśnienia mogą zajść reakcje syntezy jądrowej 11 MPa 1 1 H H H H H H 4,03 MeV H n 17,6 MeV o 2

22 Sonoluminescencja - prezentacja

23 Silniki ultradźwiękowe Silniki ultradźwiękowe działają na zasadzie wytwarzania siły posuwistej (silniki liniowe) lub momentu obrotowego za pomocą odpowiednio wygenerowanych modów drgań ultradźwiękowych w elementach piezoelektrycznych

24