Elastik muhitdagi to'lqinlar
elastik moddadan tashkil topgan muhitda tarqalishi mumkin . Elastiklik har qanday tashqi kuchlar ta'sirida joy almashgan muhit zarralarining dastlabki holatiga qaytishini ta'minlaydi.
Agar elastik muhitdagi piston kichik masofaga siljigan bo'lsa , unda bosim ostida piston oldidagi materiya qatlami siqilib, keyin qo'shni qatlamni siqib, kengayishni boshlaydi, bu esa o'z navbatida kengayish bilan siqiladi. keyingi qatlam. Natijada, muhitda siqilish va kamdan-kam holatlar ketma-ketligi yuzaga keladi, bu akustik to'lqinlar muhitda tarqalib, porshen yaqinida sodir bo'ladigan buzilishlarni yangi va yangi materiya qatlamlariga uzatadi (1.1-rasm). Bunda muhit zarralari to'lqin tarqalish yo'nalishi bo'yicha o'tkazilmaydi, faqat muvozanat holati atrofida tebranadi.
Agar zarrachalar tebranishlari yo‘nalishi to‘lqin tarqalish yo‘nalishiga to‘g‘ri kelsa, to‘lqinlar uzunlamasına deyiladi. Agar bu yo'nalishlar o'zaro perpendikulyar bo'lsa, u holda to'lqinlar ko'ndalang deyiladi.
Guruch. 1.1. Muhitdagi akustik elastik to'lqinlar:
a - uzunlamasına; b - ko'ndalang; in - grafik tasvir tugallangan; o'qlar va Va zarrachalarning tebranish yo'nalishini ko'rsating
Agar to'lqindagi zarrachalarning tebranish amplitudasi kichik bo'lsa va vaqt o'tishi bilan o'zgarmasa, muhitda tekis akustik to'lqin tarqaladi, bu tenglama bilan tavsiflanadi.
bu yerda s - muhit zarrasining muvozanat holatidan siljishi;
A - zarrachaning muvozanat holatiga (amplitudaga) nisbatan maksimal siljishi;
t - vaqt;
x - to'lqin tarqaladigan yo'nalishda zarrachaning koordinata o'qidagi holati;
- siklik tebranish chastotasi, - tebranish chastotasi (vaqt birligidagi tebranishlar soni), T - tebranish davri;
- to'lqin raqami, bu erda - to'lqin uzunligi (ikki qo'shni siqish yoki nodirlanish orasidagi masofa);
- boshlang'ich bosqich.
Yuqoridagi formula bilan tasvirlangan zarrachalar harakati sinusoidal qonunga bo'ysunadi va garmonik tebranish deyiladi.
gazsimon va suyuq jismlarda, jumladan, 75% gacha suv bo'lgan hayvonlarning yumshoq to'qimalarida tarqaladi . Istisno - suyuqliklar yuzasida to'lqinlar. Qattiq jismlarda, xususan, odam va hayvonlar skeletining suyaklarida bo'ylama, ko'ndalang, siljish to'lqinlari bilan birga ham paydo bo'lishi mumkin.
Tebranish chastotasi gertsda o'lchanadi. Bir gerts soniyada bitta tebranishga teng . Qulaylik uchun bir nechta o'lchov birliklari qo'llaniladi: 1000 Hz = 103 Hz = 1 kHz; 1000000 Hz - 106 Hz = 1 MGts; 103 MGts - 1 gigagerts (gigahertz).
Guruch. 1.2. Akustik tebranishlar va ho'kizlarning diapazonlarga shartli bo'linishi
Chastotaga qarab akustik tebranishlar bir necha diapazonlarga bo'linadi (1.2-rasm).
Akustik tebranishlarning alohida diapazonlarini ajratib turadigan chegaralar juda o'zboshimchalik bilan. Ovoz va ultratovush o'rtasidagi chegara, masalan, inson eshitishining individual xususiyatlariga bog'liq. Ba'zi odamlar 10 kHz chastotali tovushlarni eshitmaydilar, boshqalari esa 25 kHz gacha bo'lgan tovushlarni qabul qilishlari mumkin.
Ko'pgina hayvonlar odamlarga qaraganda ancha yuqori chastotalarda tovushlarni eshitadilar. Itlar tovush tebranishlarini 44 kHz gacha, kalamushlar - 72 kHz gacha, yarasalar - 115 kHz gacha. Ovozni idrok etishning yuqori chegarasi ma'lum darajada quloqlar orasidagi masofaga bog'liq. Quloqlar qanchalik yaqin bo'lsa, hayvonning tovushlari shunchalik baland bo'ladi. Masalan, fil faqat 12 kHz gacha bo'lgan tovush tebranishlarini sezadi.
Ultrasonik diapazonning yuqori chegarasi elastik to'lqinlarning fizik tabiati bilan bog'liq bo'lib , ular to'lqin uzunligi gazlardagi molekulalarning o'rtacha erkin yo'lidan yoki suyuqliklar va qattiq moddalardagi molekulalararo (interatomik) masofadan kattaroq bo'lgan taqdirdagina muhitda tarqalishi mumkin. Bunga asoslanib, gazlardagi ultratovush diapazonining yuqori chegarasi taxminan 1 gigagertsli (109 Gts), qattiq jismlarda esa - taxminan 1013 Gts ekanligini hisoblash oson.
1 gigagertsdan ortiq chastotali ultratovush ba'zan alohida diapazonga ajratiladi va gipertovush deb ataladi.
Shubhasiz, garmonik tebranishlarni bajaradigan zarrachaning tezligi ham garmonik qonunga muvofiq o'zgaradi. Tebranish tezligining amplitudasi tebranish paytida muhitning zarralari harakatlanadigan maksimal tezlik ekanligini ko'rsatish oson . Bunday holda, tebranuvchi zarrachaning tezligi bir xil chastota bilan davriy ravishda 0 dan vm gacha o'zgaradi . Zarrachalar tezlashishi ham xuddi shunday o'zgaradi. Bunday holda, tezlashtirish amplitudasi .
Yuqoridagi piston misoli shuni ko'rsatadiki, har bir qatlamda muvozanat holati atrofida tebranayotgan zarrachalarning tebranishi qatlamdan qatlamga to'lqin tarqalishi x yo'nalishi bo'yicha uzatiladi. Shunday qilib, akustik to'lqinda energiya materiyani o'tkazmasdan uzatiladi.
suyuqlikning zichligi qayerda ;
Qattiq jismlarda bo'ylama to'lqinlarning tezligi:
bosimning o'zgarishi bilan hajmning nisbiy o'zgarishiga teng adiabatik siqilish koeffitsienti . Koeffitsient formula bo'yicha hisoblanadi
bu erda E - moddaning elastik xususiyatlarini tavsiflovchi Young moduli.
Elastik (akustik) to'lqinlarning tarqalish tezligi havoda 25 ° C da 333 m / s, suv va yumshoq biologik to'qimalarda - taxminan 1500 m / s, suyak to'qimalarida - taxminan 3500 m / s.
Elastik to'lqinning tarqalish tezligi amalda chastotaga bog'liq emas va to'lqin uzunligi bilan oddiy bog'liqlik bilan bog'liq :
ya'ni chastota qanchalik katta bo'lsa , to'lqin uzunligi shunchalik qisqa bo'ladi.
1 MGts chastotali ultratovushning 1500 m / s) suvda tarqalishi bilan uning to'lqin uzunligi 1,5 10 3 m yoki 1,5 mm bo'ladi .
Kichik to'lqin uzunliklari tufayli ultratovush geometrik optika qonunlariga bo'ysungan holda muhitda tarqaladi. Xuddi yorug'lik kabi, ultratovush ham bir hil muhitda to'g'ri chiziqda tarqaladi, turli akustik xususiyatlarga ega bo'lgan muhit chegaralarida aks etadi va sinadi. Uni linzalar va sferik nometall yordamida yo'naltirish mumkin.
Akustik to'lqin tarqaladigan materiya bilan to'ldirilgan bo'shliq akustik maydon deb ataladi.
har bir nuqtada o'zgaruvchan tovush bosimi va tarqaladigan to'lqinning intensivligi bilan tavsiflanadi .
moddaning har bir qatlamining davriy siqilishi va kengayishini amplitudasi teng bo'lgan o'zgaruvchan bosim ta'siri natijasida ko'rib chiqish mumkin:
qayerda i - zarrachalarning tebranish tezligining amplitudasi.
Vm qiymati har doim to'lqinning o'zining tarqalish tezligidan ancha past bo'ladi c.
Miqdor akustik maydonda to'lqin energiyasining tarqalishini tavsiflaydi va muhitning akustik empedansi deb ataladi. Birlik
o'lchovlar - kg / m 2. Bilan.
Akustik impedans, o'zgaruvchan akustik bosim va tebranish tezligi amplitudasi o'rtasidagi munosabat R = P / vm sifatida ifodalanishi mumkin . Bu ifoda Ohm qonunining akustik analogidir (P - elektr kuchlanishining analogi va vm - oqim kuchi).
Muhitda tarqaladigan akustik to'lqin o'zi bilan energiya olib yuradi.
To'lqinning tarqalish yo'nalishiga perpendikulyar bo'lgan birlik maydoni orqali birlik vaqtga to'lqin tomonidan olib boriladigan Vt energiyasiga son jihatdan teng bo'lgan qiymat ultratovush intensivligi deb ataladi, o'lchov birligi Vt / m2. Tekis sinusoidal to'lqinning intensivligi ekanligini ko'rsatish oson ;
Oldingi ifodadan quyidagicha:
to'lqinning intensivligini , uning chastotasini va muhitning akustik qarshiligini bilib, zarrachalar siljishining A amplitudasini, ularning tebranish tezligini vm , tebranish tezlashishini va tekis elastik to'lqindagi o'zgaruvchan bosimni hisoblash mumkin.
Shunday qilib, suvda yoki yaqin akustik qarshilikka ega muhitda tarqaladigan 1 MGts chastotali ultratovush to'lqinida , Vt / m2 (1 Vt / sm2) intensivlikda zarrachalar A = 0,02 mkm amplituda, tezlik amplitudasi bilan tebranadi. tebranish zarralarining 0, 1 m/s ga etadi, tezlanish esa 700 m/s2 ni tashkil etadi, bu Yerdagi jismlarning erkin tushish tezlashuvidan taxminan 70 marta yuqoridir. Bunday sharoitlarda ultratovush to'lqinidagi akustik bosimning amplitudasi 1,8 ga teng bo'ladi . 105 Pa (~1,8 atm ).
Biroq, berilgan raqamlar biologik hujayraning tovush maydoniga ta'siri haqida hech narsa aytmaydi. Ushbu effektlarning qiymatlarini hujayraning o'lchamini va ultratovush to'lqinini tavsiflovchi qiymatlar orasidagi maksimal farq to'lqin uzunligining yarmiga teng bo'lgan masofa / 2 ga teng ekanligini hisobga olgan holda aniqlash oson. Siqilish, tezlik, tezlanish va bosim segmentdagi masofaga qarab chiziqli ravishda o'zgaradi deb faraz qilsak , biz ularning gradientlarini taxmin qilishimiz mumkin:
uzunlikdagi segmentdagi siljishlar, tezliklar, tezlanishlar va bosimlarning amplitudalari qayerda .
Grad A, grad v, grad B va grad P ni hujayra o'lchamiga ko'paytirsak , mos ravishda hujayra hajmiga teng masofada siljish, tezlik, tezlanish va bosimdagi farq olinadi.
Yuqoridagi formulalarga ko'ra, 1 MGts ultratovush chastotasida va 1 Vt / sm2 intensivlikda, biologik muhitda siljish amplitudasi A 2 -10-6 sm, gradus A. 8 . 10-5. Bunday sharoitda har bir hujayra 5 ga teng. 10-3 sm (masalan, eritrotsitlar) vaqti-vaqti bilan 5-10-7 sm gacha bo'lgan deformatsiyani boshdan kechiradi.Bunday deformatsiya mexanoreseptorlarning impulsli bioelektrik faolligi paydo bo'lishiga olib keladigan chegara siljishlari bilan kattalik tartibiga to'g'ri keladi .
izolyatsiya qilingan mexanoreseptorlarning qo'zg'alishiga sabab bo'lishi ko'rsatilgan - A = 2 10 ~ 6 sm (0,4 ... 2,5 Vt / sm2; 0,48 MGts) o'zgaruvchan siljishlar amplitudasida Pacini jismlari va A da inson qo'lida teginish hissi. 10 5 sm (8 ... 10 Vt / sm2, 0,48 MGts). Yuqoridagi hisob-kitoblardan kelib chiqadiki, ultratovush to'lqini (1 Vt / sm2, 1 MGts) hech bo'lmaganda maxsus hujayralarga sezilarli ta'sir ko'rsatishi mumkin - mexanoreseptorlar .
Xuddi shu sharoitda (1 Vt/sm2, 1 MGts) o'zgaruvchan tezlik amplitudasi vm taxminan 12 em/s, agradv 500 s- 1 ga teng. Biologik muhitning yopishqoqligi suvning yopishqoqligidan o'rtacha 25 marta yuqori ekanligini hisobga olsak , hujayraga ta'sir qiluvchi siljish kuchining amplitudasi taxminan 10 N/m2 bo'lishini ko'rsatish mumkin.Bu qiymat ancha kam. hujayralarni yo'q qilish uchun zarur bo'lgan kuchdan ko'ra,
Eritrositlar, masalan, 37 ° C dan yuqori bo'lmagan haroratda, 40N / m2 dan ortiq kesish kuchlari bilan yo'q qilinadi. Biroq, kamroq kuchli tuzilmalar, ehtimol, sezilarli darajada kamroq harakat bilan ham sezilarli o'zgarishlarga duch kelishi mumkin . Shunday qilib, hujayradagi tiksotropik hodisalar - jelga o'xshash tuzilmaning yo'q bo'lib ketishi natijasida yopishqoqlikning qaytariladigan o'zgarishi - 0,04 Vt / sm2 tartibli ultratovush intensivligida allaqachon kuzatiladi.
chastotali va 1 Vt / sm intensivlikdagi ultratovush to'lqinida homilador tezlashuvning amplitudasi 700 m / s2 bo'ladi grad B - 2,8 10-6s-2 Shunday qilib, qarama-qarshi qutblarning tezlashuvidagi farq. 5,10-3 sm o'lchamdagi hujayraning 1 ,4 -104 sm/s2 ga teng bo'ladi. Agar hujayraning butun massasi teng bo'lingan va uning qarama-qarshi qutblarida to'plangan deb faraz qilsak, u holda ham qutblarga ta'sir qiladigan kuchlarning maksimal farqi 0,5,10-13 N ni tashkil qiladi va aniqki, hujayraga sezilarli ta'sir ko'rsatmaydi. hujayra. Shuni ta'kidlash kerakki, real sharoitlarda hujayra massasining bir xil taqsimlanishini hisobga olgan holda, kuchlardagi bu farq ancha kichikroq bo'lib chiqadi.
Bunday sharoitlarda tovush bosimining amplitudasi (1 MGts; 1 Vt/sm2) 18 N/m2, grad 2.6. 10-4 N / m3 va hujayraga ta'sir qiluvchi kuchning amplitudasi 2 10-10 N ga teng bo'ladi. Bu qiymat hujayraning kuchini tavsiflovchi qiymatlardan ancha past va muhim ahamiyatga ega bo'lmaydi. uning tuzilishi va funktsiyalariga ta'siri.
ultratovush maydonida paydo bo'ladigan doimiy (radiatsiya) bosimi 1 Vt / sm2 ultratovush intensivligida 10 N / m2 bo'ladi , ts. hujayraga ta'sir qiluvchi kuch 10-7 N dan oshmaydi.
Hisoblash natijalarini taqqoslash shuni ko'rsatadiki, fizioterapiyada qo'llaniladigan ultratovush intensivligida faqat tezlik gradientida yuzaga keladigan siljishlar va kesish kuchlari hujayraga bevosita ta'sir ko'rsatishi mumkin. Biroq, ma'lum sharoitlarda, hatto zaif nurlanish kuchlari ham ba'zi biologik ta'sirlarni keltirib chiqarishi mumkin, masalan, qurbaqa va tovuq embrionining tomirlarida qon pıhtılarının shakllanishi.
Veterinariya va biotibbiyot amaliyotida qo'llaniladigan ultratovush intensivligi diapazoni juda keng: diagnostika asboblari emitentlari sohasida 10-3 Vt / sm2 dan chuqur tuzilmalarni yo'q qilish uchun ishlatiladigan fokusli emitentlarning fokusli hududida 104 Vt / sm2 gacha. atrofdagi to'qimalarga zarar etkazish.
Fizioterapiyada ishlatiladigan intensiv post ultratovushning umumiy qabul qilingan oralig'i 0,05 ... 1 Vt / sm2, kamroq tez-tez 2 .. 3 Vt / sm2 gacha. Istisno hollarda, masalan, Mignère kasalligini davolashda yoki hayvonlardan mahrum bo'lganda , intensivlik 10 Vt / sm2 gacha oshiriladi.0,05 Vt / sm2 dan past intensivlikda ultratovush davolash uchun amalda samarasiz va 1 Vt dan ortiq intensivlikda. / sm2, bu tananing fiziologik funktsiyalarini bostirish, to'qimalarning haddan tashqari qizishi, hujayralar va hujayra organellalarini yo'q qilish kabi istalmagan ta'sirga olib kelishi mumkin.
Diagnostik maqsadlarda doimiy past intensivlikdagi ultratovush va ancha yuqori intensivlikdagi impulsli ultratovush, ammo qisqa impulslar va past takrorlash tezligi qo'llaniladi (1.1-jadval).
Ultratovush diagnostikasida ancha yuqori intensivlikdan foydalanish bo'yicha alohida hisobotlar mavjud. Ichki organlardagi bo'shliqlarni ko'rish uchun impuls uchun 500 Vt / sm2 gacha intensivlikdagi ultratovushdan foydalanish tajribasi ma'lum. Biroq, bunday urinishlar istisno hisoblanadi, chunki diagnostika maqsadida ultratovushdan foydalanishning mumkin bo'lgan xavfi uning intensivligini doimiy ravishda pasaytirish tendentsiyasini keltirib chiqaradi.
1.1-jadval
Usullari
|
Ultratovush chastotasi, MGts
|
intensivligi , Vt/sm2
|
Takrorlash chastotasi _ _ impulslar , kHz
|
Pulsning davomiyligi , _
ISS
|
O'rtacha niyat -
sivnost ,
mVt/sm2
|
Umumiy o'lchash vaqti, min
|
Ekografiya va ichki organlarni vizualizatsiya qilishning puls usullari
|
2-10
|
10-150
|
1-2
|
1-5
|
10-100
|
5-15
|
Doppler effektiga asoslangan usullar (uzluksiz ultratovush)
|
1-5
|
-
|
-
|
-
|
50-500
|
1-5
|
Diagnostik ultratovushning xarakterli parametrlari
Vazifa shartlariga va ta'sir qilish rejimiga qarab, ultratovush nurlangan hajmdagi maksimal intensivlik (Space Peak - SP) yoki fazoda o'rtacha (Space Average - SA) intensivligi bilan tavsiflanadi.
(Time Peak - TP) yoki o'rtacha vaqt (Time Average - TA) intensivligi, shuningdek, makon va vaqt bo'yicha o'rtacha intensivlik (SATA), vaqt va makonda maksimal (SPTP), vaqt davomida maksimal bilan tavsiflanadi. kosmosda o'rtacha (SATP) yoki vaqt bo'yicha o'rtacha kosmosda maksimal (SPTA).
Kosmosda o'rtacha intensivlik ( ) - bu to'lqin tarqalishiga perpendikulyar bo'lgan maydon orqali vaqt birligiga o'tkazilgan umumiy energiyaning ushbu maydonning butun yuzasiga nisbati bilan o'lchanadigan qiymat .
Ko'rinib turibdiki, ultratovushli tovushning intensivligi saytning turli qismlarida har xil bo'lishi mumkin.
Shunday qilib, biotibbiyot va veterinariya amaliyotida qo'llaniladigan tekis piezokeramik radiatorlar markazining oldida , intensivlik odatda radiatorning chetlariga qaraganda ancha yuqori va 3-4 baravar yuqori (nazariy jihatdan kosmosda o'rtacha ko'rsatkichdan ko'ra ).
- nurlanish rejimini hisobga olmagan holda, vaqt birligida to'lqin tarqalish yo'nalishiga perpendikulyar birlik maydoni orqali uzatiladigan energiya} bilan o'lchanadigan qiymat .
Agar soniyaning birinchi yarmida u o'rtacha qiymatdan ikki baravar yuqori bo'lsa va ikkinchi yarmida u nolga teng bo'lsa yoki umumiy energiya energiyasiga teng bo'lgan impulslar seriyasi bo'lsa, o'rtacha vaqt intensivligi bir xil bo'ladi . soniya davomida uzluksiz nurlanish chiqariladi.
Diagnostik ultratovush impulslarining yuqori intensivligida vaqt va makonning o'rtacha intensivligi (SATA) Vt / sm2 ning atigi mingdan bir qismini tashkil etishini hisoblash oson . Bu qiymat terapiyada ishlatiladigan intensivliklardan ancha past.
Do'stlaringiz bilan baham: |
