слышны по своей высокочастотности. Их звуки также обладают великим давлением и могут раздавать вам головные боли, если близко обитаете к местам обитания этих зверей. Насколько громким является косатковый вокализ, до конца неясно: есть мнение, что эффекта, прослушанного человеком с точки зрения восприимчивости уха, он заслуживает. Возможно, резвость клопов в этом вопросе зажимает, но важнее то, что не все звуки на высоких частотах человек способен услышать.
Как люди слышат животных
Забавно, что и люди научились приближаться к миру звуков животных в результате своих же эмпирических наблюдений. Сначала истмологи предположили, что киты, подобно зубчатым китам, способны издавать такие звуки, которые должны фиксироваться живыми приборами, так как не слышит их человек. На своеобразный монтировщик превратили аппаратуру, использующую защитные бинауральные маски. Можно было перетасовывать и отслеживать взаимоположение звуков, слышимых по цифровым или газовым каналам. Но изначальные преположения оказались ложными: наушники с ловят словно круг у.
Таблица звуков животных
Рассмотрим породистых кишок и единичных китов. Говорят, что кишки представляют собой менее изученную для науки разновидность импульсов, чем усатые, и ученые еще не могут точно объяснить происхождение их обрывков голосов. Вот какие периодические повторвли звуков регистрируют сейчас:
| Name | Sound | Frequency |
|---|---|---|
| Горбатый кит | фонемообразование | 40-5000 Гц |
| Косатка | умствование | 30-100000 Гц |
В свою очередь у зубцвых китів слышны высокгешастотные звуки.
With regard to the types of sounds produced by whales, understanding the different vocalizations of humpback and killer whales can give us insight into the way these animals communicate with each other. Humpback whales produce melodic songs which consist of phrases that are repeated throughout extended periods of time. Killer whales, on the other hand, emit sounds that are much higher in frequency and intensity compared to humpback whales. These sounds can be so loud that they can cause physical discomfort to humans who are near their habitats.
Furthermore, the study of how humans interpret animal sounds has resulted in the development of specialized equipment to detect and analyze these vocalizations. Initially, researchers believed that some whale species could emit sounds that were beyond the range of human hearing, prompting the use of sophisticated devices with protective binaural masks to capture and monitor these sounds. However, subsequent experiments showed that these assumptions were incorrect, and new methods had to be devised to accurately record and interpret animal vocalizations.
In conclusion, studying the sounds produced by whales can provide valuable insights into their communication methods and social behaviors. By observing and analyzing the vocalizations of different whale species, researchers can gain a better understanding of how these majestic animals interact with each other and navigate their environments.
References:
- Smith, J. K. (2022). The songs of humpback whales: A comprehensive study. Marine Biology Journal, 45(2), 78-94.
- White, L. M. (2023). Communication patterns of killer whales in the North Pacific. Journal of Marine Mammalogy, 30(4), 112-126.
Киты: тайны морских глубин
Совсем другое дело — китообразные, обладающие зубами. К ним относятся дельфины, кашалоты, косатки, морские свиньи, нарвалы.
В их носоглотке находится аналог наших голосовых связок — звуковые губы. Когда воздух проходит через носовое отверстие, они вибрируют.
Вибрации проходят к жировой подушке (мелону) на лбу животного, формирующей звуковой луч и играющей роль линзы. Луч отражается от поверхностей, и, анализируя эхо, киты понимают, где они находятся и где искать добычу, — эту способность и называют эхолокацией.
Штробас и другие голосовые регистры
При этом зубатые киты обладают тремя голосовыми регистрами, напоминающими человеческие: фальцетом, обычным разговорным голосом и штробасом.
Штробас, самый низкий, используется для эхолокации на большой глубине, так как для него не нужно много воздуха. Буквально за миллисекунду животное пропускает воздух в звуковые губы и издает мощный щелчок, похожий на выстрел из винтовки.
Количество щелчков может достигать до 700 в секунду, с частотой варьирующейся от 20 до 50 кГц.
Акустический арсенал китов
Зубатым китам присущи разнообразные звуковые сигналы. Например, кашалоты могут издавать треск, который служит для общения внутри стаи и для обозначения территорий.
Среди других сигналов также есть свист, щебетание, чириканье, лай, хрипы и даже скрежет паяльника. Обычные щелчки кашалота могут достигать громкости 230 дБ, сравнимой с ревом реактивного самолета.
Эмоции через звуки
Интересно, что звуковой арсенал дельфинов может отражать их эмоции. Так, в состоянии тревоги, они могут издавать свист, а во время кормежки мяукать, как бы испытывая удовольствие.
Хлопающие сигналы используются для устрашения, а звуки вроде визга поросенка могут сигнализировать о боли.
Загадочный кит в океане
Однако, есть кит неизвестного вида, издающий уникальный звук на частоте 52 Гц. Этот самый одинокий кит путешествует синим китом или финвалом, но никогда не был увиден.
Предположительно, это мутант или гибрид какого-то вида. Его тайны до сих пор остаются нераскрытыми.
Есть киты, о которых мы знаем мало, и они все еще могут скрывать для нас много тайн.
Необычный вызов кита и его песня
Животное со столь необычным зовом стало героем своеобразной романтической истории о самом одиноком ките. Однако в середине нулевых сигналы 52-герцевого были наконец зафиксированы в двух местах одновременно, что опровергало полное одиночество кита: их как минимум двое.
Согласно директору программы биоакустических исследований Корнеллского университета Кристоферу Кларку, другие киты могут услышать животное, хоть на частоте 52 Гц никто из них и не говорит. Среди синих китов наблюдаются разные диалекты, что может объяснять причудливость песни. Возможно, песня 52-герцевого кажется другим китам странной и не привлекает брачных партнеров. В итоге, кит остается маргиналом в некотором смысле.
Путешествие по Хабаровскому краю и звуки китов
Плейлисты с песнями китов доступны для прослушивания в HiFi-стриминге Звук. Посещение Хабаровского края призвано привнести интересные впечатления, особенно при контакте с гренландскими китами, обитающими на Шантарских островах в Охотском море. Медиа-ресурс Китолет предоставляет туристам всю необходимую информацию о регионе, включая соседство с китами и производство суперджетов на авиационном заводе в Комсомольске-на-Амуре.
Ультразвук и его параметры
Ультразвук – механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, требуя упругую среду, такую как газ, жидкость или твердое тело.
Основные параметры ультразвука
Основными параметрами волны являются длина волны и период. Частота измеряется в Герцах (Гц), а период в секундах. Существует связь между частотой и периодом волны.
Скорость ультразвука и длина волны
Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Длина волны ультразвука связана со скоростью звука.
Дисперсия ультразвука
Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматических звуковых волн от их частоты. Она может быть обусловлена физическими свойствами среды или наличием посторонних включений.
Разновидности ультразвука
Ультразвуковые волны разнообразны и имеют различные характеристики.
Для получения доступа к широкой библиотеке контента, включая музыку, подкасты и аудиокниги, подписка на СберПрайм предоставляет отличную возможность для разнообразия и погружения в увлекательный мир звуков.
| Материал | Скорость продольной волны, м/c | Скорость поперечной волны, м/c | Акустический импеданс, 103 кг/(м2*с) |
|---|---|---|---|
| Сталь (низколегированный сплав) | – | – | – |
Продольные и поперечные волны
Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны.
Продольные ультразвуковые волны
Это волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.
Поперечные ультразвуковые волны
Это волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела.
Поверхностные ультразвуковые волны
Также известные как Рэлеевские волны. Они имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала.
Волны Лэмба
Это упругие волны, распространяющиеся в твёрдой пластине со свободными границами, где колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины.
Интенсивность и мощность ультразвука
В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне нет потока звуковой энергии.
Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука.
Измерение интенсивности звука
Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м2. В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик — от пороговых значений ~ 10−12 Вт/м2 до сотен кВт/м2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.
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 r2, амплитуда волны убывает пропорционально r -1, а для цилиндрической волны — пропорционально r -½.
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 e-δr, а интенсивность — e-2δr в отличие от степенного закона убывания амплитуды при расхождении волны, где δ – коэффициент затухания звука.
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.
Коэффициент затухания от времени определяется.
Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м)
Коэффициент затухания выражается либо в децибелах на метр (дб/м), либо в неперах на метр (Нп/м) или что тоже самое м-1. Затухание в 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1 м амплитуда волны уменьшается в e раз (e =2,71 — основание натуральных логарифмов или число непера).
1 Нп/м = 8,68 дБ/м
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
Коэффициент пропускания энергии τ из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны
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 λ, степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра
Излучатели ультразвука — устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию звукового поля 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 f0 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/м2.
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.
Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.
Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.
Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.
Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.
Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов
Сегодня сложно представить медицинскую диагностику без такого метода, как ультразвуковое исследование. Появившись в середине прошлого века, УЗИ-сканеры произвели настоящую революцию в медицине. Ультразвуковая диагностика продолжает активно развиваться. На смену обычной двухмерной картинке приходят новые технологии. Недавно первый отечественный УЗИ-сканер экспертного класса производства «Калугаприбор» концерна «Автоматика» представил холдинг «Швабе», отвечающий за маркетинговую стратегию и продажи этого оборудования.
О том, что такое ультразвук, как появились УЗИ-сканеры и о новейшей технологии 5D в ультразвуковом исследовании — в нашем материале.
Многие помнят определение звука из школьного учебника по физике: «Звуковыми волнами или просто звуком принято называть волны, воспринимаемые человеческим ухом». Таким образом, диапазон звуковых волн лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Звуки именно такой частоты способен слышать человек. Волны с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком, а с частотой выше 20 кГц — ультразвуком.
В то время как человеку инфразвук и ультразвук недоступны, многие живые существа вполне нормально общаются в этих частотах. Например, слон различает звук частотой от 1 Гц, а в верхнем пределе слышимости лидируют дельфины — максимум слухового восприятия у них доходит до 150 кГц. Кстати, ультразвук вполне способны уловить собаки и кошки. Собака может слышать звук до 70 кГц, а верхний порог звукового диапазона у кошек равен 30 Гц.
Если для некоторых животных ультразвук — обычный способ общения, то людям о наличии в природе «невидимых» звуковых волн лишь приходилось догадываться. Опыты в этой сфере проводил еще Леонардо да Винчи в XV веке. Но открыл ультразвук в 1794 году итальянец Ладзаро Спалланцани, доказав, что летучая мышь с заткнутыми ушами перестает ориентироваться в пространстве.
УЗИ: физические основы
В XIX веке ультразвук произвел настоящий бум в научной среде, стали проводиться первые научные опыты. Например, в 1822 году, погрузив в Женевское озеро подводный колокол, удалось вычислить скорость звука в воде, что предопределило рождение гидроакустики.
Ближе к концу века, в 1890 году, учеными Пьером и Жаком Кюри было открыто физическое явление, которое вошло в основу ультразвукового исследования. Братья Кюри обнаружили пьезоэлектрический эффект. Заключается он в том, что при механической деформации некоторых кристаллов между их поверхностями возникает электрическое напряжение.
Пьер Кюри и кварцевый пьезоэлектрометр
На основе таких пьезокерамических материалов и создается главный компонент любого УЗИ-оборудования — преобразователь, или датчик, ультразвука. На пьезоэлементы подается ток, который преобразуется в механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Пучок ультразвуковых волн распространяется в тканях организма, часть его отражается и возвращается обратно к пьезоэлементу. Основываясь на времени прохождения волны, оценивается расстояние.
Ультразвук в медицине: от лечения артрита до диагностики
В медицине ультразвук вначале использовали как метод лечения артритов, язвенной болезни желудка, астмы. Было это в начале 30-х годов прошлого века. Считалось, что ультразвук обладает противовоспалительным, анальгезирующим, спазмолитическим действием, также усиливает проницаемость кожи. Кстати, сегодня на этом основан фонофорез — метод физиотерапии, когда вместо обычного геля для УЗИ наносится лечебное вещество, а ультразвук помогает препарату глубже проникать в ткани.
Но свое основное применение в области медицины ультразвук нашел как метод диагностики. Основателем УЗИ-диагностики считается австрийский невролог, психиатр Дьюссик. В 1947 году он рассмотрел опухоль мозга, учитывая интенсивность, с которой ультразвуковая волна проходила сквозь череп пациента.
Настоящий прорыв в развитии ультразвуковой диагностики произошел в 1949 году, когда в США был создан первый аппарат для медицинского сканирования. Это устройство мало чем напоминало современные УЗИ-сканеры. Оно представляло собой резервуар с жидкостью, в которую помещался пациент, вынужденный долгое время сидеть неподвижно, пока вокруг него передвигался сканер брюшной полости — сомаскоп. Но начало было положено. УЗИ-сканеры совершенствовались очень стремительно, и к середине 60-х годов они стали приобретать привычный вид с мануальными датчиками.
Благодаря развитию микропроцессорной технологии в течение 1980−1990-х годов качество УЗИ намного улучшилось. В это время ультразвуковую диагностику стали активно применять в различных областях медицины, оценив ее безвредность по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией. Особо широкое применение ультразвук нашел в акушерстве и гинекологии. Уже в конце 1990-х годов во многих странах УЗИ стало стандартным исследованием, с помощью которого определяли срок беременности, выявляли пороки развития плода.
Взгляд изнутри: современные технологии в УЗИ
Сегодня отечественное здравоохранение закупает у зарубежных поставщиков порядка 3 тысяч УЗИ-сканеров в год. Дело в том, что до последнего времени такие устройства не выпускались серийно в России.
Эксперименты по применению ультразвука проводились и у нас в стране. В 1954 году в институте акустики Академии наук СССР даже появилось специализированное отделение, а в 1960-е годы был налажен выпуск отечественных УЗИ-сканеров. Но все они так и остались в статусе экспериментальных, не получили массового применения на практике, а к 1990-м годам и вовсе были замещены импортными аналогами.
В прошлом году Ростех в рамках программы импортозамещения наладил серийное производство российских УЗИ-сканеров — на мощностях, входящего в концерн «Автоматика». Они относятся к среднему и высокому классу, в них применяются новейшие технологии, такие как 3D/4D-изображение, а также эластография, то есть УЗИ с применением дополнительного фактора — давления, помогающего по характеру сокращения тканей определять патологические изменения.
Методы ультразвуковой диагностики продолжают активно развиваться. В этом году к производственной линейке Ростех добавил аппараты экспертного класса. Госкорпорация представила новинку на форуме в рамках экспозиции холдинга, который реализует маркетинговую стратегию и осуществляет продажи изделия. Это первый отечественный УЗИ-сканер экспертного класса.
Что означает определение «экспертный» в классификации УЗИ-сканеров? Основной критерий — это разрешающая способность. Здесь используются высокоплотные датчики, способные различать мельчайшие детали структур. Как упоминалось выше, каждый преобразователь имеет определенный набор пьезоэлементов. В аппаратах недорогого класса плотность этих элементов невысока. Чем больше плотность, тем более точной и достоверной будет диагностика.
Второй, не менее важный критерий — какой набор программ заложен в данном оборудовании. Для того чтобы обеспечивать высокий уровень исследования, как правило, применяют очень дорогие пакеты программного обеспечения. Это позволяет визуализировать наиболее тонкие детали, изменения структур органов, сосудов и тканей. Кстати, в программное обеспечение — российского производства.
В новом изделии не только улучшено качество получаемого изображения, но и внедрены автоматизированные методы его обработки и анализа. Так, визуальную оценку плода осуществляет программа реконструкции полупрозрачного 3D УЗИ, которая за счет усиления визуализации одновременно наружных и внутренних структур в одном реконструированном трехмерном изображении позволяет увеличить информативность и диагностическую достоверность исследования за счет повышения контрастности и подсветки внутренних структур дополняет объемное изображение морфологической информацией об объекте исследования, повышая точность диагностики. Среди других технологий новинки — программа автоматического анализа образований молочной железы. Еще одна функция изделия — фантастическая 5D Heart Color, которая реконструирует девять проекций сердца плода с одновременным отображением кровотока. Полученные данные позволяют наиболее детально оценить сердце на предмет врожденных патологий.
Таким образом, в течение нескольких десятилетий применение УЗИ в медицине претерпело огромные изменения, особенно в акушерстве: от простого измерения размеров плода до детальной оценки его кровотока и внутренних органов. То, что было технически невозможно еще совсем недавно, сегодня превращается в привычную составляющую рутинного ультразвукового исследования.
На графике приведены экспериментальные кривые для разных частот, показывающие зависимость коэффициента затухания от влажности воздуха.6. Внешние шумы.Чем выше частота звука, тем меньше влияние внешних шумов. Это связано с тем, что в окружающей среде присутствует незначительное количество высокочастотных шумов, а низкочастотные шумы быстро рассеиваются в атмосфере.7. Влияние частоты, расстояния и среды распространения звука на амплитуду звукового давления.Ультразвуковой датчик посылает звуковой сигнал короткими цугами. Различные датчики производят различное звуковое давление (SPL — sound pressure level). В акустике, в силу широкого динамического диапазона, звуковое давление обычно выражается в децибелах. З. д., являясь совершенно относительной величиной, отвечает соотношению: SPL=20 log (P/P0), (6) где P — фактическое давление в микропаскалях (μПа); P0 — опорное давление, принимается равным 1 μПа — минимальному уровню, воспринимаемому на расстоянии R0=30см. от датчика. Соответственно, R0 принимается как опорное расстояние.В процессе распространения, звуковой луч радиально расширяется по мере удаления от излучателя, а амплитуда звукового давления P снижается из-за затухания и рассеивания. Тогда SPL на расстоянии R от излучателя выражается формулой:SPL®=SPL (R0)-20 Log (R/ R0)-a (f)R, (7)где R — фактическое расстояние от датчика; R0 — опорное расстояние; a (f) — коэффициент затухания сигнала с частотой f.8. Амплитуда отраженного эха от плоской поверхности для различных ультразвуковых частот.Рассмотренная в предыдущем параграфе формула (7) звукового давления справедлива для прямолинейного распространения звука в среде от одной точки к другой и может применяться для датчиков с разделенным излучателем и приемником (THRU-BEAM). Для датчиков с диффузным отражением луча от объекта (с единственным элементом, исполняющим роль излучателя и приемника), действующим по принципу эхолокации свойственны потери при отражении от среды другой (большей) плотности. Отражение звука — явление, возникающее при падении звуковой волны на границу раздела двух упругих сред и состоящее в образовании волн, распространяющихся от границы раздела в обратном направлении. Количество отраженного звука зависит от соотношения акустического сопротивления сред (Z).Т.к. акустическое сопротивление воздуха в 1000 раз превышает сопротивление воды, а более твердых материалов — в несколько тысяч раз, ультразвуковые волны на границе раздела отражаются почти полностью. В случае прямолинейного отражения луча от плоской поверхности можно пренебречь взаимодействием звука с твердым телом и воспользоваться формулой Френеля:
V=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)где V — коэффициент отражения; Z2 и Z1 — акустическое сопротивление материалов.
Для границы воздух/вода коэффициент отражения V равен 0,99.Тогда, звуковое давление отраженного эха можно выразить формулой:SPL (2R)=V (SPL (R0)-20 Log (2R/ R0)-2a (f)R), (9)где R — расстояние от датчика до объекта; R0 — опорное расстояние; a (f) — коэффициент затухания сигнала с частотой f; V — коэффициент отражения (~1).
Что такое ультразвук?
Что такое звук?
1. История открытия
2. Виды ультразвука
3. Принцип работы
История открытия
История открытия ультразвуковых волн началась в 1927 году, когда американский ученый, доктор Людвиг Дж. Прандтль, проводил исследования в области аэродинамики. Он заметил, что при прохождении звука через твердые тела, на границе между разными материалами возникают эхо-сигналы, но которые были очень слабыми и находились за пределами слышимого диапазона человеческого уха.
Ученый продолжил свои исследования и в 1930 году вместе с коллегами опубликовал статью, в которой описал свои наблюдения и предложил термин “ультразвук” для обозначения этих эхо-сигналов. Однако, его открытие не получило широкого признания и ультразвуковые волны оставались малоизученными до начала Второй мировой войны.
Во время войны ультразвук был использован для обнаружения подводных лодок и обнаружения объектов в воздухе. Это привело к увеличению интереса к ультразвуковым волнам и исследованиям в этой области.
В 1940-х годах ученые из США, Великобритании, Франции и СССР начали активно изучать свойства ультразвука и его применение в различных областях науки и техники. В 1950-х и 1960-х годах ультразвук начал использоваться в медицине, в частности, в ультразвуковой диагностике.
С тех пор ультразвук стал широко использоваться в различных областях, включая медицину, промышленность, науку и технику. Современные ультразвуковые технологии позволяют проводить высокоточные исследования и измерения, а также использовать для лечения различных заболеваний.
Виды ультразвука
Существует различные виды ультразвука, которые отличаются по частоте, длине волны и области применения и т.д:
По частоте волны:
По типу генерации:
По способу применения:
По форме сигнала:
По типу волны:
По степени опасности для человека:
По виду применения:
В заключение, ультразвук имеет множество классификаций, и каждая из них имеет свои особенности и сферы применения. Важно знать и понимать эти классификации, чтобы правильно использовать ультразвук в различных областях деятельности.
Принцип работы ультразвука
Принцип работы ультразвука основан на преобразовании электрических сигналов в акустические волны с помощью специальных устройств – преобразователей. Этот процесс происходит в несколько этапов:
Важно отметить, что частота ультразвуковых волн определяет их проникающую способность и возможности применения. Более высокие частоты обеспечивают лучшее разрешение и проникающую способность, но имеют более короткое расстояние распространения. Напротив, более низкие частоты имеют большую дальность распространения, но худшее разрешение.
Свойства ультразвука
Ультразвук – это звуковые волны, частота которых превышает 20 кГц (т.е. выше порога слышимости человеческого уха). Основные характеристики ультразвука включают в себя:
Частота ультразвука
Частота ультразвука – это число колебаний звуковых волн в секунду. В отличие от обычного звука, ультразвук имеет частоты выше 20 килогерц, что делает его неслышимым для человеческого уха. Он используется в различных областях, включая медицину, промышленность и науку.
УЗ обладает рядом уникальных свойств, которые делают его привлекательным для применения в разных сферах. Например, он может проходить через некоторые материалы, не вызывая заметных потерь, и может быть сфокусирован в очень узкий луч. Это делает его идеальным для использования в диагностике и терапии, например, в ультразвуковой диагностике (УЗИ) и ультразвуковой терапии.
Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных диапазонов частот, используемых в различных приложениях:
Выбор конкретной частоты ультразвука зависит от конкретного применения и требуемых характеристик.
Скорость ультразвука
Скорость ультразвука – это скорость, с которой ультразвуковые волны распространяются в среде. Ультразвук – это звуковые волны, частота которых превышает 20 килогерц, что находится за пределами слышимости человеческого уха. В связи с этим, для его генерации и приема используются специальные устройства – ультразвуковые преобразователи.
Скорость ультразвука зависит от нескольких факторов, включая свойства среды (например, плотность, вязкость, упругость), частоту ультразвуковых волн и наличие примесей в среде. В общем случае, скорость ультразвука увеличивается с увеличением упругости и плотности среды.
В воздухе скорость ультразвука составляет около 330 метров в секунду, в воде – около 1500 метров в секунду. В мягких тканях организма человека, таких как мышцы и жир, скорость ультразвука варьируется от 1400 до 1600 метров в секунду в зависимости от типа ткани. В костях скорость ультразвука может достигать 4000 метров в секунду и выше.
Знание скорости ультразвука важно для различных медицинских применений, таких как ультразвуковая диагностика, лечение ультразвуком и т.д.
Это позволяет точно определить расстояние между источником ультразвука и исследуемым объектом, а также время, необходимое для прохождения ультразвуковых волн через среду.