Univerzitet u Novom Sadu Prirodnomatematiki fakultet Departman za Fiziku ULTRAZVUK Seminarski rad iz predmeta OSCILACIJE I TALASI Ime, prezime i broj indeksa studenta: Filip Uljarevi 156/10 Novi Sad, januar, 2012. Ultrazvuk 2 SADRAJ KARAKTERISTIKE .................................................................................................................. 3 PROSTIRANJE ULTRAZVUKA .............................................................................................. 4 GENERISANJE ULTRAZVUKA ............................................................................................. 6 Elektrostrikcija ....................................................................................................................... 6 Magnetostrikcija ..................................................................................................................... 7 DEJSTVO ULTRAZVUKA ...................................................................................................... 8 Fiziko dejstvo.........................................................................................................................8 Hemijsko dejstvo.....................................................................................................................8 Bioloko dejstvo......................................................................................................................9 PRIMENA ULTRAZVUKA .................................................................................................... 10 Poeci primene ..................................................................................................................... 10 Ispitivanje homogenosti sastava materijala .......................................................................... 11 Primena u medicini ............................................................................................................... 12 Ultrazvuk i priroda................................................................................................................ 14 LITERATURA ......................................................................................................................... 16 . Ultrazvuk 3 KARAKTERISTIKE Zvukjemehanikilongitudinalnitalaskojiseprostirekrozmaterijalnusredinuusvatri agregatna stanja, pri emu se vri zgunjavanje i razjedinjavanje sredine.Zvuk ne moe da se prostirekrozbezvazduniprostor.Kadadelujenaljudskouhourasponufrekvencija16- 20.000 Hz, u svesti se izaziva oseaj sluha. Prema frekvenciji, zvuk se deli na: 1.Infrazvuk frekvencija nia od 16 Hz; 2.Zvuk koji ovek registruje frekvencija od 16 Hz do 20 kHz; 3.Ultrazvuk frekvencija preko 20 kHz. Mehanickitalasiijajefrekvencijaviaod20kHz(iznadoblastiujnostiovjeijegsluha) nazivaju se ultrazvuk.Zbog velike frekvencije imaju veliku energiju.Ultrazvuni talasi sastoje se od naizmjenino sabijenih i rastegnutih zona elastine sredine kroz koju se prostiru.Brzina prostiranja ultrazvunih talasa zavisi od svojstava elastine sredine po istim zakonima kao i za zvune talase. Ultrazvuk 4 PROSTIRANJE ULTRAZVUKA Ultrazvuk seod normalnog zvuka izdvajapo tome sto ga ne mozemo uti i to ima mnogo vecufrekvencijuiprodornumo,kaoipotometoseslabijeprostirekrozgasovite sredine..Sve sto vazi za zvuk vazi isto i za ultrazvuk.Limit od 20 kHz je grubo uzet,jer gornja granica ujnosti varira od osobe do osobe . Prostiranje ultrazvunih talasa kroz realne nehomogeneelastine sredine praeno je talasnim pojavamadeliminogodbijanja(refleksije),prelamanja(refrakcije),doplerovogefektai apsorpcije. Uviskoznimsredinamasapoveanjemrastojanjaodizvorazvukaamplitudatalasaatimei intezitet zvuka ce opadati. U homogenoj sredini intezitet opada po eksponencijalnom zakonu i vai: gdje je koeficijent priguenja 2 -koeficijent apsorpcije zvuka zavisiodkinetikeviskoznosti,temperatureitoplotneprovodljivostisredinekaoiod frekvencije zvunih talasa,vetra,prisustva slojeva razliitih gustina.

je eksponent koji zavisi od sredine kroz koju se prostire. fje uestanost. Prostiranje zvuka zavisi od akusticne impedance: v-brzina prostiranja talasa -gustina sredine

Ultrazvuk 5 Prilikomprelaskaultrazvukaizjedneudrugusredinunastajerefleksijai refrakcija(prelamanje).Koji dio energije ce biti reflektovan zavisi od akustinih impedanci. Dabiprenosakustineenergijebioefikasanpotrebnojedagranicnesredineimajusline akustine impedance. One su sline ako im je koeficijent refleksivnosti mali.Tako se za graninu povrinu izmedju jetre(Z=1,66x10)ibubrega(Z=1,63x10)dobijakoeficijentrefleksivnosti0.0000008.To znai da e se manje od stohiljaditog dijela energije odbiti od ove povrine.S druge strane na povrini masnog tkiva i vazduha R=0.9987.To znai da e se 99% energije ultrazvuka odbiti od ove povrine.Kad se ima ovaj podatak u vidu jasno je da se ultrazvuk u medicini ne moze primjenitinadijeloveispunjene gasovima i na plua. Koeficijent refleksije R predstavlja odnosupadneireflektovane energije,dok koeficijent transmisije Tpredstavljaodnosupadnei transmisione energije. Mora vaiti jednakost: R + T = 1

2 11 20Z ZZ ZAAR+=2 1102Z ZZAAT+=20 0||.|

\|= =AAIIRR R20 120||.|

\|= =AAZZIITT TUltrazvuk 6 GENERISANJE ULTRAZVUKA Za pobudjivanje ultrazvunih izvora koriste se dve osnovne metode:Elektrostrikcija i magnetostrikcija. Elektrostrikcija Ovaj metod sastoji se u obrnutom piezoelektrinom efektu. Piezoelektrini efekat je pojava stvaranja elektrinog naboja na povrini posebno odrezanog kristala koji je elastino deformisan vanjskom silom. Jedna strana (povrina) tog kristala naelektrisae se negativno, a druga pozitivno. Dakle, kristal postaje elektrino polariziran. Polarizacija kristala je najvea kada je naprezanje usmjereno u pravcu piezoelektrine ose kristala. Promjenom smjera deformacije dolazi do polarizacije obrnutog smjera. Piezoelektrini efekat otkrili su 1890. godine Jacques i Pierre Curie. Koristi se u senzorima pritiska. Najznaajniji piezoelektrini materijali su kvarc (SiO2), Seignettova sol i turmalin, a u novije vrijeme piezoelektrine keramike. Obnuti piezoelektrini efekt se sastoji u tome da se ploica izrezana na odredjenji nacin iz piezoelektrinih kristala,pod dejstvom promjenljivog elektrinog polja deformie,rastee se pri jednom smjeru polja i skuplja pri suprotnom.Na taj nain se u ploici izazivaju prinudne mehanike oscilacije koje se prenose na okolnu elastinu sredinu. u kojoj se onda javlja ultrazvuni talas.Amplituda ovog talasa bice najvea kada se frekvencija prinudnog elektrinog polja izjednai sa frekvencijom sopstvenih oscilacija ploice tj. kada se uspostavi rezonancija. Posredstvom piezelektrinih ultrazvunih izvora postiu se frekvencije do 50 MHz i to sa gustinom fluksa energije i do 0.5 kW/cm2. Generatorzvukajeultrazvunasondaasastojiseod tankepiezoelektrineploicemetaliziranihpovrina (dvestraniceseobloeneelektrodamaodsrebra, hromailizlata),nakojimaseskupljanaelektrisanje. Onesupovezanekablomzaizvornaizmeninog naponaasazadnjestranejepriguniblokkoji apsorbuje ultrazvune talase u tom smeru. Ceo sistem jezvunoizolovanumetalnomkuitu.Dejstvom pritiskanaploicuizazivasenjenosabijanjekoje dovodidopolarizacije,iliistezanjekojedovodido polarizacijeusuprotnomsmeru.Ovepojavesu posledica deformacije kristalne reetke i veze meu njenim atomima. Ultrazvuk 7 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 tumae teorijom magnetskih podruja (domena) u feromagnetskim materijalima. U njima su atomski magneti domena poravnani u jednom od 6 pravaca s olakanom magnetizacijom. Domeni slinog pravca se orijentiu kao i spoljno magnetsko polje, do odreene take take zasienja. Deformacije tijela su reda milionitih dijelova milimetra. Magnetostriktivna svojstva imaju eljezo, kobalt, i nikl, i veina njihovih legura. U praksi se esto koriste legure nikl-kobalt, kobalt-elik i feriti. M. se koristi u ultrazvunim pretvaraima (generatorima i prijemnicima). Radne frekvencije su od 1 do 100 kHz. Za razliku od uobiajeno koritenih elektro sondi, magntne sonde se esto koristi jer imajuveu maksimalnu snagu, izlaz, i temperaturni otpor. One se razlikuju od elektro sondi u tome,umjesto da rade pomou izmjenine elektrine struje, oni rade pomou izmjeninog magnetskog polja.tap i podloka (obino nikal) je lemljen zajedno i okruen magnetnim zavojnica. Izmjenini polaritet prolazi kroz zavojnicu izmjenjujui polaritet magnetskog polja. Nikal (ili bilo koji drugi magnetski materijal) proiruje. tapovi se koriste umjesto vrstih blokova kako bi se izbjegle vrtlone struje. Magnetske sonde u stanju su funkcionisati na visokim temperaturama. Ultrazvuk 8 Dejstvo ultrazvuka Mnogobrojna su dejstva ultrazvuka koja bi se mogla podjieliti na:fizika, hemijska i bioloska.Osim eljenih postoje i neeljena dejstva ultrazvuka koja su posebno prisutna kod terapisjke primjene u medicini dok su kod dijagnostifikovanja manje prisutna. Sva neeljena dejstva ultrazvunih talasa zavise od jaine tih talasa i vremena izlaganja tkiva. Sve nuspojave su uglavnom opisane kod eksperimentalnih ivotinja, 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 akustine sredine u drugu. Uglovi odbijanja ili prelamanja zavise od akustinih osobina sredina (tkiva). Ne prelamaju se samo talasi koji na granicu izmeu dveju sredina padaju pod pravim uglom. Ureaji koji se u medicini koriste u dijagnostike 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 akustinim osobinama tkiva su relativno male ali ipak dovoljne da se vide razlike. Fizika dejstva ultrazvuka su stvaranje toplote u tkivu i kavitacija (stvaranje mehuria). Pod dejstvom ultrazvunih talasa odreene jaine dolazi do stvaranja mehuria u tkivima i tenostima, to je poznato kao kavitacija. Ako se ovi mehurii ne mogu iriti dolazi do poveanja pritiska i prskanja elija i tkiva. Ovim dejstvom se objanjavaju fenomeni krvarenja koji se mogu javiti kod terapijske primene, ali i kod dijagnostikih (najee ehokardiolokih) procedura, najee iz plua ili jednjaka. Najznaajnije hemijsko dejstvo ultrazvunih talasa je depolarizacija velikih molekula, naroito molekula belanevina i neto manje DNK. Ultrazvuk 9 K. Bioloka dejstva ultrazvuka su najznaajnija. Dokazano je odavno (jo 1927) i potvreno i kasnije da ultrazvuk ubija odreene laboratorijske ivotinje ili izaziva nekrozu u tkivima. Wood i Loomis su objavili 1927 da odreena jaina ultrazvuka ubija abe i zmije za 1 minut. Objavljeni su i radovi o nekrozi tkiva bubrega kod zeca, hemolizi eritrocita in vitro (doza 2W/cm2, frekvenca 1 MHz) i drugi radovi. Isto tako ultrazvuk u dozi od 10 W/cm2 ubija larve Drosophilae. Postoje brojni radovi koji dokazuju mutagena dejstva, ali i radovi koji to negiraju. Stella M i saradnicisuobjavili(1984.)dapostojepromenenahromosomimaljudskihlimfocitakojisu bili izloeni dejstvu terapijskog ultrazvuka jaine 1 W/cm2 , O,86 MHz u trajanju od 40-160 sekundi.Ciaravino i saradnici (1986) ne potvruje nalaze koje su objavili Stella i saradnici. .Objavljeni su i brojni radovi sa insektima, kulturama tkiva i drugi. Ultrazvuk 10 Primena ultrazvuka Zbogsvojevelikeenergijeiprodornemoiultrazvukseirokoprimjenjuje,posebnou mediciniukojojjenasaonajvecuprimjenualitakodjeiuindustriji,umornariciidr. oblastima. Poeci primene . Poslesudarasaledenimbregom,Titanik,kolosdugaak265mairok28m,potonuojena svomvenanomputovanjuunoiizmedju14i15aprila1912godine,povukavisasobom 1515rtava.Tragedijaputnikaimornaranajluksuznijeginajveegbrodadotadnapravljenog izazvalajeoptualostipotresenostiskrenulapanjunaunikatogavremenana pravovremena otkrivanje ledemih bregova i drugih prepreka MatematiarimeteorologLuis.F.Richardson(LewisFryRichardson),Englez,samomesec dana posle tragedije Titanika predloio je metod za otkrivanje ledenih bregova. Hiram Maksim,pronalaza mitraljeza predloio je da se za otkrivane ledenih bregova koriste nepoznati talasi, koje stvaraju slijepi mievi. AleksandraBem(AlexanderBehm),austrijski ininjer,daojesvojukonstrukcijuaparataza otkrivanjeledenihbregovaistegodinekadaje potonuo Titanik.KanadjanimRedzinaldFresen(Reginald Fressenden)daojeplanovei1941uSAD konstruisaoaparatkojijemogaodaotkrije prepreku na dve milje od broda. uveniFrancuskinaunikPolLaneven(PaulLangevin)iruskiinenjerilovskipoelisu 1915radnakonstrukcijisonaraipatentiraliga1916.Industrijkuproizvodnjutogsonaraje preuzela Markonijeva kompanijaUltrazvuk 11 Rad sonara: Sonarilipodvodnielektrinilokatorje elektroakustiniureajzatraenjei otkrivanjemodreivanjedaljine,dubine, smjeraizaidentifikacijupodvodnih pokretnihinepokretnihobjekata (podmornica,mina,potopljenihbrodova, podvodnihhridi,jatariba).Sluiiza navigaciju,oceanografskaistraivanjai podvodnuvezu.Radsezasnivana osobinamaprostiranjaultrazvunihi zvunihtalasakrozvodu.Onaljezvune impulse i odbijenu energiju prima kao jeku. Naosnoviizmjerenogvremenskog intervalaodreujeseistovremenodaljina, smjer, a kod nekih i dubina cilja. Za rad sonara je potrebno da se zna brzina prostiranja talasa kroz sredinu v.Kad odbijeni talas dospe do prijemnika zaustavlja se vreme i rastojanje prosto rauna:

Ispitivanje homogenosti i sastava materijala: Metod ispitivanja bez razaranja, u cilju kojeg se zrake visoke frekvencije emituju u materijal u cilju otkrivanja dubinskih i povrinksih greaka. Zvuni talasi putuju u materijal i odbijaju se od prelaznih povrina.Stepen refleksije uglavnom zavisi od fizikog stanja materijala na prelazu a manje od osobina samog materijala. Zvuni signali se gotovo potpuno odbijau od prelaza metal/gas.Parcijalna refleksija se javlja na prelazima metal/tenost ili metal/vrsto tijelo. Ultrazvukom se otkrivaju pukotine,odvajanje laminata,lunkeri, pore, nemetalni ukljuci i druge nehomogenosti. Vecina UZ uredjaja otkriva greke praenjem jedne od sledeih veliina: -Refleksija zvuka od prelaznih povrina ili nehomogenosti u metalu-Vreme prolaza talasa od izlaza do ulaza -Slabljenjem zvunog talasa apsorpcijom ili rasipanjem -Karakteristike spektralnog odziva emitovanog ili reflektovanog signala Ultrazvuk 12 Primena u medicini Ultrazvuk u medicini ima dijagnostiku i terapeutsku ulogu. Pridijagnostikojupotrebikoristesemanjefrekvencijeikaotakavnemoenakoditi ovjeku,doksepriterapeutskojupotrebikoristevisokefrekvencijekojeizazvatibioloske promene u organizmu. Ultrazvuk se u medicinskoj dijagnostici koristi za snimanje unutranjih organa. Ultrazvuni dijagnostiki uredjaji omoguavaju: -detekciju poloaja i veliine pojedinih organa u telu -odredjivanje poloaja stranih tela u organizmu -detekciju kretanja organa u telu -merenje brzine protoka krvi u orgnizmu -ehokardiografiju-ultrazvuno ispitivanje srca -ehooftamologije-ispitivanje one jabuice pomou ultrazvuka -arteriografija-ultrazvuni prikaz krvnih sudova Znatno pre primene ultrazvuka za snimanje unutrasnjih organa otkriven je Rentgen,medjutim zbog njegovog tetnog dejstva traeno je bolje rjeenje,posebno zbog pregleda trudnica. Veina dijagnostikih primena ultrazvuka bazira se na pulsnoj eho tehnici. Ultrazvuna sonda je i generator primarnog pulsa i registrator reflektovanog pulsa. Vremeemitovanjapulsajeveomakratko,redaveliine1ms.Sondijepotrebnooko1% periodazaemisijupulsa.99%periodasondadelujekaoprijemnikreflektovanogpulsa. Komercijalnedijagnostikesondesuekstremnoosetljiviprijemniciimogudaregistruju reflektovane pulseve ija energija iznosi svega 1% od energije emitovanog pulsa. Eho se vraa u sondu sa kanjenjem koje odgovara dubini reflektujue povrine. Atenuacija (slabljenje) snopa u biolokim tkivima zavisi od upotrebljene frekvencije. Proporcionalno vea frekvencija koristi se za ispitivanje manjih struktura.Ultrazvuk 13 Snimanjeunutrasnjihorganapomouultrazvukazasnivasenaodredjivanjurastojanja izmedju graninih povina pojedinih tkiva i organa u telu.Podaci o rastojanjim a predstavljaju osnovuzaodredjivanjeveliineioblikaunutrasnjihstrukturauorganizmu.Rastojanjese slino kao kod saonara odredjuje na osnovu vremena prostiranja signala. Rastojanje i pozicije taaka odredjuju se za jedan poloaj sonde.Pomjeranjem sonde dobijamo vie taaka po razliitim linijama i slino kao kod televizije dobijamo sliku. UltrazvunadoplerskasonografijajegrupatehnikakojekoristeDoplerovefektucilju merenja ili oslikavanja brzine toka krvi u krvnim sudovima i srcu. Osnovne tehnike su:Kontinuirani ultrazvuni (CW) dopler, Pulsni ultrazvuni (PW) dopler, Kolor dopler. Ultrazvuk 14 Ultrazvuk i priroda Gornja granica ujnosti nekih ivotinja Oddavninaseznadapsiujuzvukekojeovjeknemoedaregistruje,medjutimpostojei drugeivotinje-kitovi,delfini,slepimievi,raznevrsteinsekataikodkojihjetajpragjo vei nego kod pasa. Slijepi mievi se kreu kroz prostor i trae plijen na nain daemitujuizatimdetektujuodbijeneultrazvunetalase frekvencije oko 82 kHz Nakon to je zvuk emitovan kroz imiove nosnice,moe se odbiti od nonog leptira i vratiti u ui slijepog mia. Kretanjenonogleptiraislijepogmiauzrokujedase frekvencijakojuregistrujeslijepimirazlikujeza nekoliko kHz od emitovane Slijepimiautomatskiprevedeovufrekvencijuurelativnubrzinuslijepogmiaipokuaga locirati. Nekinonileptiriizbjegavajubitiuhvaenitakotoemitujusvojezvunetalaseitako pokuavaju zbuniti slijepog mia. Ultrazvuk 15 Kitoviidelfini:Optejepoznatodakitoviidelfinimoguregistrovatuultrazvuk,pomou svognavigacionogsistematakozvanogbiosonarapomoukogalocirajuihvataju plijen.Pojedinikitovimoguregistrovatiultrazvukfrekvencije160kHztojenajvei zabiljeeni gornji limit. Dijagram koji ilustruje generaciju,prenoenje i prijem ultrazvunih talasa(Zupasti kit) Mnogiinsektiimajuvelikumoregistrovanjaultrazvuka.Touljuujevelikegrupe moljaca,leptirova,bubaidr.Insektitokoristedabioslukivalislijepogmiaitakoimuju njegovultrazvukpraveraznemanevreuciljubijega.Insektitoraderefleksivno.Tigrasti moljacemitujeultrazvukuciljuzbunivanjaslijepogmiadokudrugimsluajevimaneki insekti tako upozoravaju da su otrovni i tako izbegavaju da budu pojedeni. Ultrazvuk 16 Literatura 1.F. W. Sears: Mehanika, talasno kretanje i toplota; Nauna knjiga, Beograd, 1962 2.Kurs opte fizike,Gradjevinska knjiga Beograd,1988 3.http://en.wikipedia.org/wiki/Ultrasound 4.http://www.physics247.com/physics-tutorial/ultrasound-physics.shtml