Файл: Лабораторная работа. Физические основы применения ультразвука в медицине.pdf

Лабораторная работа. Физические основы применения ультразвука в медицине.
Эффект Доплера для ультразвуковых волн
Описание установки для изучения ультразвука
Набор для изучения ультразвука представлен на рис.1.
Рис. 1. Состав набора для изучения ультразвука.
В состав набора входят: 1) – ультразвуковая ручка (детектор); 2) – держатель для ультразвуковой ручки; 3) – основание для ультразвуковой ручки; 4) – зажим для делителя луча; 5) – микрофонный зонд; 6) – Ультразвуковые передатчики, 40 кГц; 7) –блок управления; 8) – зонная пластина Френеля (линза Френеля) ; 9) – боковые части для двойной щели / отражателя; 10) – центральная стойка для двойной щели; 11) –поглотитель ультразвука; 12) – зажим для двойной щели; 13) – делители лучей; 14) – вогнутое зеркало;
15) – подключаемый адаптер питания; 16) – кабели с разъёмом BNC, 1м; 17) – кабель BNC/4 мм.
Блок управления
Блок управления (рис. 2) обеспечивает питание ультразвукового передатчика, усилителя сигналов микрофонного зонда или ультразвуковой ручки, а также питание схемы управления индикатора фазы в ультразвуковой ручке.

Рис. 2 Блок управления. В состав блока входят: 1) Переключатель S1; 2) Вход для канала B;
3) Переключатель S2; 4) Выход для канала B; 5) Регулятор частоты генератора G2; 6)
Регулятор амплитуды генератора G2; 7) Переключатель S3; 8) Выходы для генератора G2;
9) Выходы для генератора G1; 10) Регулятор амплитуды генератора G1; 11) Розетка для подключаемого блока питания; 12) Выход для канала А; 13) Вход для канала А.
Управляющая электроника состоит из блока генератора, состоящего из двух частей, и блока двухканального усилителя, который также содержит блок с функцией сравнения фаз между двумя каналами.
Переменное напряжение для ультразвукового передатчика генерируется в блоке генератора. Генератор G1 стабилизируется до 40 000 Гц с помощью кварцевого генератора, а G2 выдает частоту, которую можно переключать между 25 и 40 кГц, а также изменять примерно на ± 0,5%. Оба генератора имеют регулятор амплитуды и два выходных разъема, подключенных параллельно.
Напряжения от ультразвуковых датчиков усиливаются блоком усилителя и выводятся на гнезда BNC. Фильтр высоких частот можно переключить на любой из каналов, чтобы отфильтровать низкочастотные компоненты звука.
После входных усилителей идет группа схем, которая сравнивает сигналы из каналов A и B и преобразует их в постоянный ток, пропорциональный разности фаз. Этот ток выводится через входное гнездо канала к ультразвуковой ручке. Если разность фаз кратна 360 °, светодиод на ультразвуковой ручке практически не будет гореть.

Ультразвуковой передатчик, 40 кГц
Ультразвуковой передатчик (предназначен для установки на столе) имеет ультразвуковой преобразователь, выровненный заподлицо с выходным отверстием внутри квадратной алюминиевой трубки. Передатчик имеет слабо выраженную резонансную характеристику для работы в диапазоне частот 1 генератора G2 или на частоте 40 000 Гц.
Примечание. Частотный диапазон 2 ультразвуковой управляющей электроники может быть излучен только с помощью отдельного преобразователя, который не входит в стандартный комплект.
Микрофонный зонд
Микрофонный зонд (предназначен для установки на столешнице) имеет ультразвуковой преобразователь, выровненный наравне с выходным отверстием внутри тонкой металлической трубки. Преобразователь в ультразвуковом передатчике чувствителен к влаге и механическим воздействиям. Не подвергайте датчик механической нагрузке и не допускайте контакта с жидкостями.
Ультразвуковая ручка
Ультразвуковой зонд со встроенным преобразователем и дополнительным индикатором фазы в виде светодиода, управляемый сигнальными напряжениями из каналов A и B через управляющую электронику. Яркость светодиода снижается до минимума, когда разность фаз между точкой измерения и выбранной контрольной точкой кратна 360°.
Предупреждение: преобразователь в ультразвуковом датчике чувствителен к влаге и механическим воздействиям. Не подвергайте датчик механической нагрузке и не допускайте контакта с жидкостями.
Держатель и основание держателя для ультразвуковой ручки
Ультразвуковую ручку можно держать и направлять рукой. В качестве альтернативы его можно установить в специальном держателе, который в значительной степени устраняет мешающие отражения. Ультразвуковая ручка устанавливается в держателе таким образом, чтобы её отверстие находилось примерно на 1 мм выше поверхности стола и было направлено в сторону источника звука.
Разделитель луча - полупрозрачная, полуотражающая перфорированная пластиковая пластина. Устанавливается в вертикальном положении при помощи зажима.
Вогнутое зеркало
Вогнутое зеркало из прозрачного пластика рассчитано для размещения над плоскостью столешницы. Характеристики: фокусное расстояние: 100 мм; радиус закругления: 200 мм; размеры: приблизительно 140×20×70 мм.
Поглотитель ультразвука
Компонент для демонстрации звукоизоляции или, в некоторых экспериментах, для подавления звука, проходящего непосредственно от передатчика к микрофонному щупу.
Поверхность поглотителя ультразвука выполнена из текстиля (текстиль, плюш). Размеры: приблизительно 80×15×50 мм.

1. Поглощение ультразвуковых волн.
Задание 1. Определить поглощение ультразвуковых волн путем измерения интенсивности передаваемого и отраженного сигнала.
Оборудование. Ультразвуковой контролер с панелью управления. Источник питания.
Ультразвуковой передатчик, 40 кГц. Микрофонный зонд. Ультразвуковой поглотитель.
Вогнутое зеркало. Делитель луча (решетка). Зажимы для установки решетки. Кабель BNC/4 мм. Подложки А, D1 и D2. Боковины для двойной щели. Аналоговый вольтметр/ осциллограф для измерения переменного напряжения частотой 40 кГц.
Подключение и настройка приборов.
1) Подключите блок питания к панели УЗ.
2) Переключите высокочастотный фильтр S1 в положение
3) Установите переключатель S2 в положение
, а также S3 в положение 40 кГц.
4) Подключите ультразвуковой передатчик,40 кГц, к генератору G1.
5) Подключите микрофон ко входу А усилителя.
6) Соедините выходной канал усилителя А с аналоговым вольтметром (установите диапазон измерения переменного напряжения до 3 В).
7) Пользуясь подложкой разместите микрофонный зонд и ультразвуковой передатчик в соответствии со схемой:
Выполнение работы.
1) Установите амплитуду выходного сигнала генератора G1 на средний уровень, так, чтобы вольтметр показал напряжение 3В.
2) Установите УЗ поглотитель сразу после микрофонного зонда и снова измерьте амплитуду (напряжение) сигнала.
3) Используя маску/подложку D2 разместите микрофон и передатчик как показано на схеме:

4) Установите боковины/стенки между передатчиком и приемником так, чтобы заблокировать прямую передачу звука между ними.
5) Снова установите 5см поглотитель и измерьте амплитуду сигнала.
Таблица 1
Конфигурация
Пропускание
Отражение
Без УЗ поглотителя
С УЗ поглотителем
Сделайте выводы. Как вы объясните, почему некоторая интенсивность отраженного сигнала регистрируется даже при отсутствии отражающего объекта? Что делает поглотитель УЗ?
2. Пропускание и отражение
Задание 2
 Измерьте интенсивность ультразвука при прохождении через отражатель и отражении от него
 Измерьте интенсивность в случае пропускания через делитель луча (решетку) и отражения от него.
Установка и предварительная настройка прибора – как в предыдущем задании.
Пользуясь подложкой D1 разместите микрофонный зонд и ультразвуковой передатчик в соответствии со схемой

Выполнение работы
1) Установите регулятор амплитуды генератора G1 так, чтобы напряжение на вольтметре составило 3В.
2) Измерьте пропускание при помощи вольтметра без каких-либо объектов между передатчиком УЗ и приемником – микрофонным зондом. Запишите значение в таблицу 2.
3) Установите заднюю часть вогнутого зеркала на пунктирную линию, чтобы она выступала в качестве отражателя, затем поместите туда поглотитель и, наконец, разделитель луча. В каждом случае измерьте передаваемая интенсивность с помощью аналогового вольтметра. Введите значения в таблицу 2.
4) Убедитесь, что аналоговый вольтметр по-прежнему показывает 3 В, когда между передатчиком и микрофонным датчиком ничего нет. Если это не так, повторно откалибруйте настройку до 3 В, после чего не вносите никаких изменений в настройки.
5) Пользуясь подложкой D2, расположите ультразвуковой передатчик и микрофонный датчик, как показано на рисунке:
6) Используйте боковые части для двойной щели, чтобы заблокировать прямое прохождение звука между ультразвуковым передатчиком и микрофонным датчиком, как показано на рис.
7) Измерьте интенсивность без отражающего объекта с помощью аналогового вольтметра и введите значение в таблицу 2.
8) Установите заднюю часть вогнутого зеркала на пунктирную линию, чтобы она действовала как отражатель, затем поместите туда поглотитель и, наконец, делитель луча.

В каждом случае измерьте интенсивность отражения с помощью аналогового вольтметра. Введите значения в таблицу 2.
Примечание: немного поверните каждый из объектов вокруг их вертикальных осей, пока не отобразится максимально возможная интенсивность. Это гарантирует, что положения каждого объекта точно соответствуют критерию, согласно которому угол падения равен углу выхода (углу отражения).
9) Используйте другие предметы, например, лист бумаги или линейку.
Таблица 2
Объект
Переданная интенсивность
Отраженная интенсивность
Без объекта
Отражатель
Поглотитель
Делитель пучка
Сделайте выводы.

1) При каких обстоятельствах будет получена отличная от нуля отраженная интенсивность, даже если в луче нет отраженного объекта?
2) Сравните передающие и отражающие свойства отражателя (задней части вогнутого зеркала), поглотителя и делителя луча.
3. Эффект Доплера для ультразвуковых волн
Задание 3. Демонстрация эффекта Доплера с использованием стоячих или распространяющихся волн.
Настройка
1) Включите фильтр высоких частот (переключатель S1:).
2) Установите переключатель S3 на 40 кГц.
3) Подключите ультразвуковой передатчик 40 кГц к генератору G1.

4) Подключите ультразвуковую ручку ко входу канала усилителя A.
5) Используйте подложку А и расположите ультразвуковой передатчик и ультразвуковую ручку, как показано на рис.
7) Установите максимальную амплитуду на генераторах G1 и G2.
Ход работы а) При частоте ультразвука ???? = 40000 Гц
1) Установите переключатель S2 в положение
2) Перемещайте ультразвуковую ручку, пока индикатор фазы не загорится ярко.
3) Перемещайте ультразвуковую ручку по направлению к передатчику и от него с разной скоростью и наблюдайте за индикатором фазы.
4) Перемещайте излучатель к ультразвуковому перу и от него с разной скоростью и наблюдайте за индикатором фазы.
5) Запишите свои наблюдения в Таблицу 3.
Таблица 3
УЗ-ручка
Излучатель
Фазовый индикатор
Неподвижна
Неподвижен
Движется в направлении к излучателю
Неподвижен
Движется в направлении от излучателя
Неподвижен
Неподвижна
Движется в направлении к
УЗ-ручке
Неподвижна
Движется в направлении от
УЗ-ручки

б) При частоте ультразвука ???? > 40000 Гц
6) Установите переключатель S2 в положение .
7) Тщательно отрегулируйте частоту генератора G2 справа налево так, чтобы индикатор фазы заметно мигал.
8) Перемещайте ультразвуковую ручку в сторону передатчика и от него и наблюдайте за индикатором фазы.
9) Переместите ультразвуковой передатчик по направлению к ультразвуковой ручке и от нее и наблюдайте за индикатором фазы.
10) Запишите свои наблюдения в Таблицу 4.
Таблица 4
УЗ-ручка
Излучатель
Фазовый индикатор
Неподвижна
Неподвижен
Движется в направлении к излучателю
Неподвижен
Движется в направлении от излучателя
Неподвижен
Неподвижна
Движется в направлении к
УЗ-ручке
Неподвижна
Движется в направлении от
УЗ-ручки в) При частоте ???? < 40000 Гц
11) Осторожно отрегулируйте частоту генератора G2 слева направо так, чтобы индикатор фазы заметно мигал.
12) Перемещайте ультразвуковую ручку к датчику и от него с разной скоростью и наблюдайте за индикатором фазы.
13) Переместите ультразвуковой передатчик по направлению к ультразвуковой ручке и от нее и наблюдайте за индикатором фазы.
14) Запишите свои наблюдения в Таблицу 5.
Таблица 5
УЗ-ручка
Излучатель
Фазовый индикатор
Неподвижна
Неподвижен
Движется в направлении к излучателю
Неподвижен
Движется в направлении от излучателя
Неподвижен
Неподвижна
Движется в направлении к
УЗ-ручке

Неподвижна
Движется в направлении от
УЗ-ручки
Сделайте выводы:

1) На что влияет переключатель S2?
2) Почему индикатор фазы не мигает в случае a), когда передатчик и ультразвуковая ручка неподвижны, тогда как он мигает в случаях б) и в)?

3) Почему индикатор фазы меняется при перемещении передатчика или ультразвуковой ручки?