Univerzitet u Novom Sadu

Prirodno–matematički fakultet

Departman za Fiziku

ULTRAZVUK

Seminarski rad iz predmeta

OSCILACIJE I TALASI

Ime, prezime i broj indeksa studenta:

Filip Uljarević 156/10

Novi Sad, januar, 2012.

Ultrazvuk

SADRŽAJ

KARAKTERISTIKE .................................................................................................................. 3

PROSTIRANJE ULTRAZVUKA .............................................................................................. 4

GENERISANJE ULTRAZVUKA ............................................................................................. 6

Elektrostrikcija ....................................................................................................................... 6

Magnetostrikcija ..................................................................................................................... 7

DEJSTVO ULTRAZVUKA ...................................................................................................... 8

Fizičko dejstvo.........................................................................................................................8

Hemijsko dejstvo.....................................................................................................................8

Biološko dejstvo......................................................................................................................9

PRIMENA ULTRAZVUKA .................................................................................................... 10

Počeci primene ..................................................................................................................... 10

Ispitivanje homogenosti sastava materijala .......................................................................... 11

Primena u medicini ............................................................................................................... 12

Ultrazvuk i priroda................................................................................................................ 14

LITERATURA ......................................................................................................................... 16

Ultrazvuk

PROSTIRANJE ULTRAZVUKA

Ultrazvuk se  od normalnog zvuka izdvaja  po tome sto ga ne mozemo čuti i što ima mnogo
vecu  frekvenciju  i  prodornu  moć,kao  i  po  tome  što  se  slabije  prostire  kroz  gasovite
sredine..Sve sto vazi za zvuk vazi isto i za ultrazvuk.Limit od 20 kHz je grubo uzet,jer gornja
granica čujnosti varira od osobe do osobe .

Prostiranje ultrazvučnih talasa kroz realne nehomogene elastične sredine praćeno je talasnim
pojavama  delimičnog  odbijanja(refleksije),  prelamanja(refrakcije),doplerovog  efekta  i
apsorpcije.

U viskoznim sredinama sa povećanjem rastojanja od izvora zvuka amplituda talasa a time i
intezitet zvuka ce opadati.

U homogenoj sredini intezitet opada po eksponencijalnom zakonu i važi:

gdje je

α – koeficijent prigušenja
2 α-koeficijent apsorpcije zvuka

zavisi od kinetičke viskoznosti,temperature i toplotne provodljivosti sredine kao i od

frekvencije zvučnih talasa,vetra,prisustva slojeva različitih gustina.

je eksponent koji zavisi od sredine kroz koju se prostire.

f je učestanost.

Prostiranje zvuka zavisi od akusticne impedance:

-brzina prostiranja talasa

-gustina sredine

Ultrazvuk

Prilikom prelaska ultrazvuka iz jedne u drugu sredinu nastaje refleksija i
refrakcija(prelamanje).Koji dio energije ce biti reflektovan zavisi od akustičnih impedanci.

Da bi prenos akustične energije bio efikasan potrebno je da granicne sredine imaju slične
akustične impedance.

One su slične ako im je koeficijent refleksivnosti mali.Tako se za graničnu površinu izmedju
jetre(Z=1,66 x 10) i bubrega(Z=1,63 x 10) dobija koeficijent refleksivnosti 0.0000008.To
znači da će se manje od stohiljaditog dijela energije odbiti od ove površine.S druge strane na
površini masnog tkiva i vazduha R=0.9987.To znači da će se 99% energije ultrazvuka odbiti
od ove površine.Kad se ima ovaj podatak u vidu jasno je da se ultrazvuk u medicini ne moze

primjeniti na dijelove ispunjene
gasovima i na pluća.

Koeficijent refleksije R predstavlja
odnos

upadne

reflektovane

energije,dok koeficijent transmisije
T predstavlja odnos upadne i
transmisione energije.
Mora važiti jednakost:

R + T = 1







































Ultrazvuk

Magnetostrikcija

Magnetostrikcija je osobina feromagnetskih materijala da pod uticajem magnetskog polja
neznatno mijenjaju dimenzije. Magnetostrikcijski efekt nastaje kad tijela pri skupljanju i
rastezanju mijenjaju permeabilnost zbog magnetostrikcije.

Magnetostrikcija i magnetostrikcijski efekt se tumače teorijom magnetskih područja (domena)
u feromagnetskim materijalima. U njima su atomski magneti domena poravnani u jednom od
6 pravaca s olakšanom magnetizacijom. Domeni sličnog pravca se orijentišu kao i spoljno
magnetsko polje, do odreĎene tačke — tačke zasićenja. Deformacije tijela su reda milionitih
dijelova milimetra.

Magnetostriktivna svojstva imaju željezo, kobalt, i nikl, i većina njihovih legura. U praksi se
često koriste legure nikl-kobalt, kobalt-čelik i feriti.

M. se koristi u ultrazvučnim pretvaračima (generatorima i prijemnicima). Radne frekvencije
su od 1 do 100 kHz.

Za razliku od uobičajeno korištenih elektro sondi, magntne sonde se često koristi jer
imajuveću maksimalnu snagu, izlaz, i temperaturni otpor. One se razlikuju od elektro sondi u
tome,umjesto da rade pomoću izmjenične električne struje, oni rade pomoću izmjeničnog
magnetskog polja.Štap i podloška (obično nikal) je lemljen zajedno i okružen magnetnim
zavojnica. Izmjenični polaritet prolazi kroz zavojnicu izmjenjujući polaritet magnetskog polja.
Nikal (ili bilo koji drugi magnetski materijal) proširuje. Štapovi se koriste umjesto čvrstih
blokova kako bi se izbjegle vrtložne struje. Magnetske sonde u stanju su funkcionisati na
visokim temperaturama.

Ultrazvuk

Dejstvo ultrazvuka

Mnogobrojna su dejstva ultrazvuka koja bi se mogla podjieliti na:

fizička, hemijska i

bioloska

.Osim željenih postoje i neželjena dejstva ultrazvuka koja su posebno prisutna kod

terapisjke primjene u medicini dok su kod dijagnostifikovanja manje prisutna. Sva neželjena
dejstva ultrazvučnih talasa zavise od jačine tih talasa i vremena izlaganja tkiva. Sve nuspojave
su uglavnom opisane kod eksperimentalnih životinja, a za dejstvo na ljudski organizam
uglavnom nema podataka koji bi bili alarmantni.
Kroz ljudsko tkivo talasi ultrazvuka se prostiru uz prelamanje, odbijanje, rasejavanje i
apsorpciju. Oni se prelamaju ili odbijaju na prelazu iz jedne akustične sredine u drugu. Uglovi
odbijanja ili prelamanja zavise od akustičnih osobina sredina (tkiva). Ne prelamaju se samo
talasi koji na granicu izmeĎu dveju sredina padaju pod pravim uglom. UreĎaji koji se u
medicini koriste u dijagnostičke svrhe registruju samo odbijene talase, i to one koji su pali
pod pravim uglom, a ne mogu da registruju talase koji su pali pod nekim drugim uglom jer se
oni ili prelamaju ili odbijaju u drugom pravcu, a ne u pravcu sonde. Razlike u akustičnim
osobinama tkiva su relativno male ali ipak dovoljne da se vide razlike.

Fizička

dejstva ultrazvuka su stvaranje toplote u tkivu i kavitacija (stvaranje mehurića). Pod

dejstvom ultrazvučnih talasa odreĎene jačine dolazi do stvaranja mehurića u tkivima i
tečnostima, što je poznato kao kavitacija. Ako se ovi mehurići ne mogu širiti dolazi do
povećanja pritiska i prskanja ćelija i tkiva. Ovim dejstvom se objašnjavaju fenomeni krvarenja
koji se mogu javiti kod terapijske primene, ali i kod dijagnostičkih (najčešće ehokardioloških)
procedura, najčešće iz pluća ili jednjaka.

Najznačajnije

hemijsko

dejstvo ultrazvučnih talasa je depolarizacija velikih molekula,

naročito molekula belančevina i nešto manje DNK.

Ultrazvuk

Primena ultrazvuka

Zbog svoje velike energije i prodorne moći ultrazvuk se široko primjenjuje,posebno u
medicini u kojoj je nasao najvecu primjenu ali takodje i u industriji, u mornarici i dr.
oblastima.

Počeci primene

Posle sudara sa ledenim bregom,Titanik,kolos dugačak 265m a širok 28m, potonuo je na
svom venčanom putovanju u noći izmedju 14 i 15 aprila 1912 godine, povukavši sa sobom
1515 žrtava.Tragedija putnika i mornara najluksuznijeg i najvećeg broda dotad napravljenog
izazvala je opštu žalost i potresenost i skrenula pažnju naučnika toga vremena na
pravovremena otkrivanje ledemih bregova i drugih prepreka

Matematičar i meteorolog Luis.F.Richardson(Lewis Fry Richardson),Englez,samo mesec
dana posle tragedije Titanika predložio je metod za otkrivanje ledenih bregova.

Hiram Maksim,pronalazač mitraljeza predložio je da se za otkrivane ledenih bregova koriste
nepoznati talasi, koje stvaraju slijepi miševi.

Aleksandra  Bem(Alexander  Behm),austrijski
inžinjer,  dao  je  svoju  konstrukciju  aparata  za
otkrivanje  ledenih  bregova  iste  godine  kada  je
potonuo Titanik.

Kanadjanim

Redzinald

Fresen(Reginald

Fressenden) dao je planove i 1941 u SAD
konstruisao aparat koji je mogao da otkrije
prepreku na dve milje od broda.

Čuveni Francuski naučnik Pol Lanževen(Paul Langevin) i ruski inženjer Šilovski počeli su
1915 rad na konstrukciji sonara i patentirali ga 1916.Industrijku proizvodnju tog sonara je
preuzela Markonijeva kompanija

Ultrazvuk

Rad sonara:

Sonar

ili

podvodni električni lokator

elektroakustični  ureĎaj  za  traženje  i
otkrivanjem  odreĎivanje  daljine,  dubine,
smjera  i  za  identifikaciju  podvodnih
pokretnih

nepokretnih

objekata

(podmornica,  mina,  potopljenih  brodova,
podvodnih  hridi,  jata  riba).  Služi  i  za
navigaciju,  oceanografska  istraživanja  i
podvodnu  vezu.  Rad  se  zasniva  na
osobinama  prostiranja  ultrazvučnih  i
zvučnih talasa kroz vodu. On šalje zvučne
impulse i odbijenu energiju prima kao jeku.
Na

osnovi

izmjerenog

vremenskog

intervala odreĎuje se istovremeno daljina,
smjer, a kod nekih i dubina cilja.

Za rad sonara je potrebno da se zna brzina
prostiranja talasa kroz sredinu

Kad odbijeni talas dospe do prijemnika zaustavlja se vreme i

rastojanje prosto računa:

Ispitivanje homogenosti i sastava materijala:

Metod ispitivanja bez razaranja, u cilju kojeg se zrake visoke frekvencije emituju u materijal u
cilju otkrivanja dubinskih i površinksih grešaka.

Zvučni talasi putuju u materijal i odbijaju se od prelaznih površina.Stepen refleksije
uglavnom zavisi od fizičkog stanja materijala na prelazu a manje od osobina samog
materijala.

Zvučni signali se gotovo potpuno odbijau od prelaza

metal/gas.

Parcijalna refleksija se javlja

na prelazima

metal/tečnost

ili

metal/čvrsto tijelo.

Ultrazvukom se otkrivaju pukotine,odvajanje laminata,lunkeri, pore, nemetalni uključci i
druge nehomogenosti.

Vecina UZ uredjaja otkriva greške praćenjem jedne od
sledećih veličina:

-Refleksija zvuka od prelaznih površina ili
nehomogenosti u metalu

-Vreme prolaza talasa od izlaza do ulaza

-Slabljenjem zvučnog talasa apsorpcijom ili rasipanjem

-Karakteristike spektralnog odziva emitovanog ili reflektovanog signala

Ultrazvuk

Snimanje unutrasnjih organa pomoću ultrazvuka zasniva se na odredjivanju rastojanja
izmedju graničnih povšina pojedinih tkiva i organa u telu.Podaci o rastojanjim a predstavljaju
osnovu za odredjivanje veličine i oblika unutrasnjih struktura u organizmu.Rastojanje se
slično kao kod saonara odredjuje na osnovu vremena prostiranja signala.

Rastojanje i pozicije tačaka odredjuju se za jedan položaj sonde.Pomjeranjem sonde dobijamo
više tačaka po različitim linijama i slično kao kod televizije dobijamo sliku.

Ultrazvučna doplerska sonografija

je grupa tehnika koje koriste Doplerov efekt u cilju

merenja ili oslikavanja brzine toka krvi u krvnim sudovima i srcu. Osnovne tehnike su:

•

Kontinuirani ultrazvučni (CW) dopler,

•

Pulsni ultrazvučni (PW) dopler,

•

Kolor dopler.

Ultrazvuk

Ultrazvuk i priroda

Gornja granica čujnosti nekih životinja

Od davnina se zna da psi čuju zvuke koje čovjek ne može da registruje,medjutim postoje i
druge životinje- kitovi, delfini, slepi miševi, razne vrste insekata i kod kojih je taj prag još
veći nego kod pasa.

Slijepi miševi

se kreću kroz prostor i traže plijen na način

da emituju i zatim detektuju odbijene ultrazvučne talase
frekvencije oko 82 kHz

Nakon što je zvuk emitovan kroz šišmišove nosnice,može
se odbiti od noćnog leptira i vratiti u uši slijepog miša.

Kretanje noćnog leptira i slijepog miša uzrokuje da se
frekvencija koju registruje slijepi miš razlikuje za
nekoliko kHz od emitovane

Slijepi miš automatski prevede ovu frekvenciju u relativnu brzinu slijepog miša i pokuša ga
locirati.

Neki noćni leptiri izbjegavaju biti uhvaćeni tako što emituju svoje zvučne talase i tako
pokušavaju zbuniti slijepog miša.