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다양한 매체의 초음파 속도. 초음파. 초음파 전파 이론의 기초. 습도와 온도의 영향

V.V.가 편집한 러시아 대학원 교육 아카데미의 초음파 진단 부서 직원이 작성한 초음파 진단 가이드 1권의 장.

초음파의 물리적 특성

의료 진단에 초음파를 사용하는 것은 내부 장기 및 구조의 이미지를 얻을 수 있는 가능성과 관련이 있습니다. 이 방법의 기본은 초음파와 인체 조직의 상호 작용입니다. 실제 이미지 수집은 두 부분으로 나눌 수 있습니다. 첫 번째는 검사 대상 조직으로 향하는 짧은 초음파 펄스의 방출이고, 두 번째는 반사된 신호를 기반으로 이미지를 형성하는 것입니다. 초음파 진단 장치의 작동 원리, 초음파의 기본 물리학 및 인체 조직과의 상호 작용에 대한 지식을 이해하면 장치의 기계적이고 무분별한 사용을 피하고 결과적으로 보다 유능한 접근 방식을 취하는 데 도움이 됩니다. 진단 과정.

소리는 입자의 진동이 에너지 전파 방향과 동일한 평면에 있는 기계적 종파입니다(그림 1).

쌀. 1. 초음파의 압력 및 밀도 변화를 시각적 및 그래픽으로 표현합니다.

파동은 에너지를 전달하지만 중요하지는 않습니다. 전자기파(빛, 전파 등)와 달리 소리가 전파되려면 매질이 필요합니다. 소리는 진공 상태에서 전파될 수 없습니다. 모든 파동과 마찬가지로 소리도 여러 매개변수로 설명할 수 있습니다. 이는 주파수, 파장, 매질에서의 전파 속도, 주기, 진폭 및 강도입니다. 주파수, 주기, 진폭 및 강도는 음원에 의해 결정되고, 전파 속도는 매질에 의해 결정되며, 파장은 음원과 매질에 의해 결정됩니다. 주파수는 1초 동안의 완전한 진동(주기) 수입니다(그림 2).

쌀. 2. 초음파 주파수 1초에 2주기 = 2Hz

주파수 단위는 헤르츠(Hz)와 메가헤르츠(MHz)입니다. 1헤르츠는 초당 하나의 진동입니다. 1메가헤르츠 = 1,000,000헤르츠입니다. 사운드를 "울트라"로 만드는 것은 무엇입니까? 이것이 주파수입니다. 가청음의 상한선인 20,000Hz(20kHz)는 초음파 범위의 하한선입니다. 초음파 배트 탐지기는 25~500kHz 범위에서 작동합니다. 최신 초음파 장치는 2MHz 이상의 주파수를 갖는 초음파를 사용하여 이미지를 얻습니다. 주기는 하나의 완전한 진동 주기를 얻는 데 필요한 시간입니다(그림 3).

쌀. 3. 초음파의 주기.

주기의 단위는 초(s)와 마이크로초(μs)입니다. 1마이크로초는 100만분의 1초입니다. 주기(μs) = 1/주파수(MHz). 파장은 하나의 진동이 공간에서 차지하는 길이입니다(그림 4).

쌀. 4. 파장.

측정 단위는 미터(m)와 밀리미터(mm)입니다. 초음파의 속도는 파동이 매질을 통과하는 속도입니다. 초음파 전파 속도의 단위는 초당 미터(m/s)와 마이크로초당 밀리미터(mm/μs)입니다. 초음파 전파 속도는 매질의 밀도와 탄성에 따라 결정됩니다. 초음파 전파 속도는 입자의 탄성이 증가하고 밀도가 감소함에 따라 증가합니다. 표 2.1은 인체 일부 조직에서의 초음파 전파 속도를 보여줍니다.

인체 조직 내 초음파의 평균 전파 속도는 1540m/s입니다. 대부분의 초음파 진단 장치는 이 속도에 맞춰 프로그래밍되어 있습니다. 초음파(C)의 전파 속도(C), 주파수(f) 및 파장(λ)은 다음 방정식에 의해 서로 관련됩니다: C = f × λ. 우리의 경우 속도는 일정한(1540m/s) 것으로 간주되므로 나머지 두 변수 f와 λ는 반비례 관계로 서로 관련됩니다. 주파수가 높을수록 파장은 짧아지고 우리가 볼 수 있는 물체의 크기는 작아집니다. 또 다른 중요한 환경 매개변수는 음향 임피던스(Z)입니다. 음향 저항은 매질의 밀도와 초음파 전파 속도의 곱입니다. 저항(Z) = 밀도(p) × 전파 속도(C).

초음파 진단에서 이미지를 얻기 위해서는 변환기에서 지속적으로 방출되는 초음파(일정파)가 아니라 짧은 펄스(펄스) 형태로 방출되는 초음파입니다. 이는 압전 소자에 짧은 전기 펄스를 적용하여 생성됩니다. 펄스 초음파를 특성화하기 위해 추가 매개변수가 사용됩니다. 펄스 반복률은 단위 시간(초)당 방출되는 펄스 수입니다. 펄스 반복 주파수는 헤르츠(Hz) 및 킬로헤르츠(kHz) 단위로 측정됩니다. 펄스 지속 시간은 한 펄스의 지속 시간입니다(그림 5).

쌀. 5. 초음파 펄스 지속 시간.

초(s)와 마이크로초(μs) 단위로 측정됩니다. 점유율은 초음파가 펄스 형태로 방출되는 동안의 시간 비율입니다. 공간 펄스 확장(SPR)은 하나의 초음파 펄스가 배치되는 공간의 길이입니다(그림 6).

쌀. 6. 펄스의 공간적 범위.

연조직의 경우 펄스의 공간 범위(mm)는 1.54(초음파 전파 속도(mm/μs))와 펄스의 진동(사이클) 수(n)를 주파수(MHz)로 나눈 값과 같습니다. 또는 PPI = 1.54 × n/f입니다. 펄스의 진동 수를 줄이거나 주파수를 높이면 펄스의 공간적 범위를 줄일 수 있습니다(이는 축 해상도를 향상시키는 데 매우 중요합니다). 초음파의 진폭은 관찰된 물리적 변수와 평균값의 최대 편차입니다(그림 7).

쌀. 7. 초음파 진폭

초음파 강도는 초음파 흐름이 분포되는 영역에 대한 파력의 비율입니다. 이는 제곱센티미터당 와트(W/sq.cm)로 측정됩니다. 복사 전력이 동일하면 자속 면적이 작을수록 강도가 높아집니다. 강도는 진폭의 제곱에도 비례합니다. 따라서 진폭이 2배가 되면 강도는 4배가 됩니다. 강도는 흐름 영역 전체에 걸쳐 그리고 펄스 초음파의 경우 시간이 지남에 따라 균일하지 않습니다.

매질을 통과할 때 초음파 신호의 진폭과 강도가 감소하는데 이를 감쇠라고 합니다. 초음파 신호 감쇠는 흡수, 반사 및 산란으로 인해 발생합니다. 감쇠 단위는 데시벨(dB)입니다. 감쇠 계수는 이 신호의 단위 경로 길이당 초음파 신호의 감쇠(dB/cm)입니다. 감쇠 계수는 주파수가 증가함에 따라 증가합니다. 평균 연조직 감쇠 계수와 주파수 함수에 따른 에코 신호 강도의 감소가 표 2.2에 나와 있습니다.

반사와 산란

초음파가 초음파의 음향 저항과 속도가 다른 매질의 경계면에서 조직을 통과하면 반사, 굴절, 산란 및 흡수 현상이 발생합니다. 각도에 따라 초음파 빔의 수직 및 경사(각도) 입사를 나타냅니다. 초음파 빔이 수직으로 입사하면 완전히 반사되거나 부분적으로 반사되거나 부분적으로 두 매체의 경계를 통과할 수 있습니다. 이 경우 한 매체에서 다른 매체로 전달되는 초음파의 방향은 변경되지 않습니다(그림 8).

쌀. 8. 초음파 빔의 수직 입사.

반사된 초음파와 매질의 경계를 통과한 초음파의 강도는 초기 강도와 매질의 음향 저항 차이에 따라 달라집니다. 입사파의 강도에 대한 반사파의 강도의 비율을 반사계수라고 합니다. 매질의 경계를 통과하는 초음파의 강도와 입사파의 강도의 비율을 초음파 전도도 계수라고 합니다. 따라서 조직의 밀도는 다르지만 음향 저항이 동일한 경우 초음파 반사가 발생하지 않습니다. 반면, 음향 저항의 차이가 크면 반사 강도는 100%가 되는 경향이 있습니다. 이에 대한 예는 공기/연조직 인터페이스입니다. 이러한 매체의 경계에서는 거의 완전한 초음파 반사가 발생합니다. 인체 조직의 초음파 전도를 향상시키기 위해 연결 매체(겔)가 사용됩니다. 초음파 빔의 경사 입사로 입사각, 반사각 및 굴절각이 결정됩니다(그림 9).

쌀. 9. 반사, 굴절.

입사각은 반사각과 같습니다. 굴절은 초음파 속도가 다른 매질의 경계를 통과할 때 초음파 빔의 전파 방향이 변경되는 현상입니다. 굴절각의 사인은 입사각의 사인과 두 번째 매질의 초음파 전파 속도를 첫 번째 매질의 속도로 나누어 얻은 값과 같습니다. 두 매체에서 초음파 전파 속도의 차이가 클수록 굴절각의 사인이 커지고 결과적으로 굴절각 자체도 커집니다. 두 매질의 초음파 전파 속도가 동일하거나 입사각이 0이면 굴절이 관찰되지 않습니다. 반사에 관해 말하면 파장이 매질의 크기보다 훨씬 큰 경우에 명심해야 합니다. 반사면이 불규칙하면 정반사가 발생합니다(위에서 설명). 파장이 반사면의 불균일성과 유사하거나 매질 자체의 불균일성이 있으면 초음파 산란이 발생합니다.

쌀. 10. 후방 산란.

후방 산란(그림 10)을 사용하면 원래 빔이 나온 방향으로 초음파가 반사됩니다. 산란된 신호의 강도는 매질의 이질성이 증가하고 초음파의 주파수(즉, 파장이 감소함)가 증가함에 따라 증가합니다. 산란은 입사 광선의 방향에 상대적으로 거의 의존하지 않으므로 장기 실질은 말할 것도 없고 반사 표면을 더 잘 시각화할 수 있습니다. 반사된 신호가 화면에 올바르게 위치하려면 방출된 신호의 방향뿐만 아니라 반사판까지의 거리도 알아야 합니다. 이 거리는 매질 내 초음파 속도와 반사 신호의 방출과 수신 사이의 시간을 곱한 값의 1/2과 같습니다(그림 11). 속도와 시간의 곱은 절반으로 나누어집니다. 왜냐하면 초음파는 이중 경로(이미터에서 반사체로, 그리고 다시 뒤로)로 이동하고 우리는 이미터에서 반사체까지의 거리에만 관심이 있기 때문입니다.

쌀. 11. 초음파를 이용한 거리 측정.

센서와 초음파.

초음파를 얻으려면 전기 에너지를 초음파 에너지로 변환하는 특수 변환기, 즉 변환기가 사용됩니다. 초음파 생성은 역압전 효과를 기반으로 합니다. 효과의 본질은 특정 물질(압전소자)에 전압을 가하면 그 모양이 변한다는 것입니다(그림 12).

쌀. 12. 역압전 효과.

이를 위해 지르콘산염이나 티탄산납과 같은 인공 압전체가 초음파 장치에 가장 많이 사용됩니다. 전류가 흐르지 않으면 압전소자는 원래의 모양으로 돌아가고, 극성이 바뀌면 모양은 다시 바뀌지만 방향은 반대가 됩니다. 빠른 교류 전류가 압전 소자에 적용되면 소자는 고주파수에서 압축 및 팽창(즉, 진동)을 시작하여 초음파 필드를 생성합니다. 변환기의 작동 주파수(공진 주파수)는 압전 소자의 초음파 전파 속도와 이 압전 소자의 두 배 두께의 비율에 의해 결정됩니다. 반사된 신호의 감지는 직접 압전 효과를 기반으로 합니다(그림 13).

쌀. 13. 직접 압전 효과.

되돌아오는 신호로 인해 압전 소자가 진동하고 교류 전류가 모서리에 나타납니다. 이 경우 압전소자는 초음파 센서로 기능한다. 일반적으로 초음파 장치는 동일한 요소를 사용하여 초음파를 방출하고 수신합니다. 따라서 "컨버터", "변환기", "센서"라는 용어는 동의어입니다. 초음파 센서는 복잡한 장치이며 이미지 스캐닝 방법에 따라 느린 스캐닝 장치(단일 요소)와 빠른 스캐닝(실시간 스캐닝)용 센서(기계식 및 전자식)로 구분됩니다. 기계식 센서는 단일 요소 또는 다중 요소(환형)일 수 있습니다. 초음파 빔의 스캐닝은 요소를 흔들거나, 요소를 회전하거나, 음향 거울을 흔들면 달성될 수 있습니다(그림 14).

쌀. 14. 기계 부문 센서.

이 경우 화면의 이미지는 섹터(섹터 센서) 또는 원(원형 센서) 모양을 갖습니다. 전자 센서는 다중 요소이며 결과 이미지의 모양에 따라 섹터형, 선형형, 볼록형(볼록형)이 될 수 있습니다(그림 15).

쌀. 15. 전자 다중 요소 센서.

섹터 센서의 이미지 스캐닝은 동시에 초점을 맞추면서 초음파 빔을 진동시켜 수행됩니다(그림 16).

쌀. 16. 위상 안테나가 있는 전자 섹터 센서.

선형 및 볼록 센서에서 이미지 스캐닝은 동시에 초점을 맞추면서 안테나 배열을 따라 단계별로 이동하여 요소 그룹을 자극함으로써 달성됩니다(그림 17).

쌀. 17. 전자 선형 센서.

초음파 센서는 디자인 면에서 서로 세부적으로 다르지만 회로도는 그림 18에 나와 있습니다.

쌀. 18. 초음파 센서 장치.

연속 방출 모드의 단일 요소 디스크 모양 변환기는 거리에 따라 모양이 달라지는 초음파장을 생성합니다(그림 19).

쌀. 19. 초점이 맞지 않는 변환기의 두 필드.

때로는 사이드 로브라고 불리는 추가적인 초음파 "흐름"이 관찰될 수 있습니다. 근거리 장(영역)의 길이만큼 디스크로부터의 거리를 근거리 영역이라고 합니다. 근거리 경계 너머의 영역을 원거리(far)라고 합니다. 근용부의 길이는 변환기 직경의 제곱과 4개의 파장의 비율과 같습니다. 원거리 영역에서는 초음파 필드의 직경이 증가합니다. 초음파 빔이 가장 좁아지는 곳을 초점 영역이라 하고, 변환기와 초점 영역 사이의 거리를 초점 거리라고 합니다. 초음파 빔의 초점을 맞추는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 가장 간단한 초점 조정 방법은 음향 렌즈입니다(그림 20).

쌀. 20. 음향렌즈를 이용한 포커싱.

도움을 받으면 렌즈 곡률에 따라 특정 깊이에 초음파 빔의 초점을 맞출 수 있습니다. 이 초점 방식을 사용하면 초점 거리를 빠르게 변경할 수 없어 실제 작업에 불편합니다. 또 다른 초점 조정 방법은 음향 거울을 사용하는 것입니다(그림 21).

쌀. 21. 음향거울을 이용한 초점맞춤.

이 경우 거울과 변환기 사이의 거리를 변경하여 초점 거리를 변경합니다. 다중 요소 전자 센서가 장착된 최신 장치에서 포커싱의 기본은 전자 포커싱입니다(그림 17). 전자 포커싱 시스템을 사용하면 계기판에서 초점 거리를 변경할 수 있지만 각 이미지에 대해 하나의 초점 영역만 갖게 됩니다. 이미지를 얻기 위해 초당 1000회(펄스 반복률 1kHz) 방출되는 매우 짧은 초음파 펄스가 사용되므로 장치는 반사된 신호의 수신기로 99.9%의 시간을 작동합니다. 이러한 여유 시간이 있으면 이미지를 처음 획득할 때 근거리 초점 영역이 선택되고(그림 22) 이 영역에서 수신된 정보가 저장되도록 장치를 프로그래밍할 수 있습니다.

쌀. 22. 동적 포커싱 방법.

다음 - 다음 초점 영역을 선택하고, 정보를 수신하고, 저장합니다. 등. 그 결과 전체 깊이에 걸쳐 초점이 맞춰진 합성 이미지가 생성됩니다. 그러나 이러한 초점 조정 방법은 하나의 이미지(프레임)를 얻는 데 상당한 시간이 필요하므로 프레임 속도가 감소하고 이미지가 깜박이는 현상이 발생한다는 점에 유의해야 합니다. 초음파 빔의 초점을 맞추는 데 왜 그렇게 많은 노력이 필요합니까? 사실은 빔이 좁을수록 측면(측면, 방위각) 해상도가 더 좋아진다는 것입니다. 측면 해상도는 에너지 전파 방향에 수직으로 위치한 두 물체 사이의 최소 거리로, 모니터 화면에 별도의 구조로 표시됩니다(그림 23).

쌀. 23. 동적 포커싱 방법.

측면 분해능은 초음파 빔의 직경과 같습니다. 축 해상도는 에너지 전파 방향을 따라 위치한 두 물체 사이의 최소 거리로, 모니터 화면에 별도의 구조로 표시됩니다(그림 24).

쌀. 24. 축 해상도: 초음파 펄스가 짧을수록 좋습니다.

축 분해능은 초음파 펄스의 공간적 범위에 따라 달라집니다. 펄스가 짧을수록 분해능은 좋아집니다. 펄스를 단축하기 위해 초음파 진동의 기계적 및 전자적 감쇠가 모두 사용됩니다. 일반적으로 축 해상도가 측면 해상도보다 좋습니다.

느린 스캔 장치

현재 느린(수동, 복잡한) 스캐닝 장치는 역사적인 관심거리일 뿐입니다. 그들은 빠른 스캔 장치(실시간으로 작동하는 장치)의 출현으로 도덕적으로 죽었습니다. 그러나 주요 구성 요소는 최신 장치에 보존됩니다(당연히 최신 요소 기반을 사용함). 심장은 초음파 장치의 모든 시스템을 제어하는 주요 펄스 발생기(현대 장치의 경우 강력한 프로세서)입니다(그림 25).

쌀. 25. 휴대용 스캐너의 블록 다이어그램.

펄스 발생기는 초음파 펄스를 생성하여 조직에 전송하는 변환기에 전기 펄스를 보내고, 반사된 신호를 수신하여 전기 진동으로 변환합니다. 그런 다음 이러한 전기 진동은 일반적으로 시간-진폭 이득 컨트롤러(VAG)가 연결되는 무선 주파수 증폭기로 전송됩니다. 이는 깊이에 따른 조직 흡수를 보상하기 위한 조정기입니다. 조직 내 초음파 신호의 감쇠는 지수 법칙에 따라 발생하기 때문에 화면의 물체 밝기는 깊이가 증가함에 따라 점진적으로 감소합니다(그림 26).

쌀. 26. 조직 흡수에 대한 보상.

선형 증폭기 사용, 즉 모든 신호를 비례 증폭하는 증폭기는 깊은 물체의 이미징을 개선하려고 시도할 때 센서 바로 근처의 신호가 과도하게 증폭되는 결과를 낳습니다. 로그 증폭기를 사용하면 이 문제를 해결할 수 있습니다. 초음파 신호는 반환 지연 시간에 비례하여 증폭됩니다. 늦게 반환될수록 증폭 강도는 더 강해집니다. 따라서 VAG를 사용하면 화면에서 동일한 밝기의 이미지를 깊이있게 얻을 수 있습니다. 이렇게 증폭된 RF 전기 신호는 복조기로 공급되어 정류 및 필터링된 후 비디오 증폭기에 의해 다시 증폭되어 모니터 화면으로 전송됩니다.

모니터 화면의 이미지를 저장하려면 비디오 메모리가 필요합니다. 아날로그와 디지털로 나눌 수 있습니다. 최초의 모니터를 통해 정보를 아날로그 쌍안정 형식으로 표시할 수 있었습니다. 판별기라는 장치를 사용하면 판별 임계값을 변경할 수 있습니다. 강도가 판별 임계값보다 낮은 신호는 이를 통과하지 못하고 화면의 해당 영역이 어둡게 유지됩니다. 강도가 식별 임계값을 초과하는 신호는 화면에 흰색 점으로 표시되었습니다. 이 경우 점의 밝기는 반사된 신호 강도의 절대값에 의존하지 않았습니다. 모든 흰색 점은 동일한 밝기를 가졌습니다. 이 이미지 표현 방법("쌍안정"이라고 함)을 사용하면 기관의 경계와 고도로 반사되는 구조(예: 신장동)가 명확하게 표시되었지만 실질 기관의 구조를 평가하는 것은 불가능했습니다. 70년대에 모니터 화면에 회색 음영을 전송할 수 있는 장치가 등장하면서 그레이 스케일 장치 시대가 시작되었습니다. 이러한 장치를 사용하면 쌍안정 이미지가 있는 장치를 사용할 때 얻을 수 없었던 정보를 얻을 수 있게 되었습니다. 컴퓨터 기술과 마이크로 전자 공학의 발달로 인해 곧 아날로그 이미지에서 디지털 이미지로의 전환이 가능해졌습니다. 초음파 기계의 디지털 이미지는 16-32-64-128-256(4-5-6-7-8비트)의 회색조 수준을 갖는 대형 매트릭스(보통 512 × 512 픽셀)로 형성됩니다. 512 × 512 픽셀 매트릭스에서 깊이 20cm로 렌더링할 때 한 픽셀은 0.4mm의 선형 치수에 해당합니다. 최신 기기에서는 화질 저하 없이 디스플레이 크기를 늘리는 경향이 있으며, 중급 기기에서는 12인치(대각선 30cm) 화면이 보편화되고 있습니다.

초음파 장치의 음극선관(디스플레이, 모니터)은 예리하게 집중된 전자 빔을 사용하여 특수 형광체로 코팅된 화면에 밝은 점을 생성합니다. 편향판을 사용하면 이 지점을 화면 전체에서 이동할 수 있습니다.

~에 A형스위프(진폭) 센서로부터의 거리가 한 축을 따라 표시되고 반사된 신호의 강도가 다른 축을 따라 표시됩니다(그림 27).

쌀. 27. A형 신호 스위프.

최신 장치에서는 A형 스캐닝이 실제로 사용되지 않습니다.

B형스캐닝(밝기)을 사용하면 이 선을 구성하는 개별 지점의 밝기 차이 형태로 반사된 신호의 강도에 대한 스캐닝 라인을 따라 정보를 얻을 수 있습니다.

화면 예: 왼쪽 스캔 비, 오른쪽 - 중그리고 심전도.

M형(때때로 TM) 스윕(Motion)을 사용하면 반사 구조물의 움직임(움직임)을 시간에 따라 기록할 수 있습니다. 이 경우 서로 다른 밝기의 점 형태로 반사 구조의 움직임이 수직 및 수평으로 기록됩니다. 이는 이러한 시점의 위치 변위입니다 (그림 28).

쌀. 28. M형 스캔.

2차원 단층촬영 이미지를 얻으려면 어떤 방식으로든 스캐닝 평면을 따라 스캐닝 라인을 이동해야 합니다. 저속 스캐닝 장치에서는 환자 신체 표면을 따라 센서를 수동으로 이동하여 이를 달성했습니다.

빠른 스캐닝 장치

빠른 스캐닝 장치 또는 더 자주 실시간 장치라고 불리는 장치는 이제 느린 스캐닝 장치나 수동 스캐닝 장치를 완전히 대체했습니다. 이는 이러한 장치가 갖는 여러 가지 장점 때문입니다. 장기 및 구조의 움직임을 실시간으로(즉, 거의 동일한 시점에서) 평가할 수 있는 능력; 연구에 소요되는 시간의 급격한 감소; 작은 음향 창을 통해 연구를 수행하는 능력.

느린 스캐닝 장치를 카메라(정지 이미지 획득)에 비유할 수 있다면 실시간 장치는 정지 이미지(프레임)가 높은 빈도로 서로 교체되어 움직이는 느낌을 만들어내는 영화에 비유될 수 있습니다.

고속 스캐닝 장치는 위에서 언급한 바와 같이 기계 및 전자 부문 센서, 전자 선형 센서, 전자 볼록(볼록) 센서 및 기계식 방사형 센서를 사용합니다.

얼마 전 사다리꼴 센서는 시야가 사다리꼴 모양을 가진 여러 장치에 나타 났지만 볼록 센서에 비해 장점은 없었지만 그 자체에는 여러 가지 단점이있었습니다.

현재 복부 기관, 후복막 공간 및 골반을 검사하는 데 가장 적합한 센서는 볼록형 센서입니다. 접촉면이 상대적으로 작고 중간 및 원거리 영역의 시야가 매우 넓어 검사를 단순화하고 속도를 높입니다.

초음파 빔으로 스캔할 때 빔이 완전히 통과한 결과를 프레임이라고 합니다. 프레임은 수많은 수직선으로 구성됩니다(그림 29).

쌀. 29. 별도의 선으로 이미지를 형성합니다.

각 라인은 적어도 하나의 초음파 펄스입니다. 최신 장치에서 그레이 스케일 이미지를 얻기 위한 펄스 반복 속도는 1kHz(초당 1000펄스)입니다.

펄스 반복 주파수(PRF), 프레임을 구성하는 라인 수, 단위 시간당 프레임 수 사이에는 관계가 있습니다. PRF = 라인 수 × 프레임 속도.

모니터 화면에서 결과 이미지의 품질은 특히 선 밀도에 따라 결정됩니다. 선형 센서의 경우 라인 밀도(lines/cm)는 이미지가 형성되는 모니터 부분의 너비에 대한 프레임을 형성하는 라인 수의 비율입니다.

섹터형 센서의 경우 라인 밀도(라인/도)는 프레임을 구성하는 라인 수와 섹터 각도의 비율입니다.

장치에 설정된 프레임 속도가 높을수록(주어진 펄스 반복 속도에서) 프레임을 형성하는 라인 수가 줄어들고, 모니터 화면의 라인 밀도가 낮아지고, 결과 이미지의 품질이 낮아집니다. 그러나 높은 프레임 속도에서는 좋은 시간적 해상도를 가지며 이는 심초음파 연구에 매우 중요합니다.

도플러 그래픽 장치

초음파 연구 방법을 사용하면 장기 및 조직의 구조적 상태에 대한 정보를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 혈관 내 흐름을 특성화할 수도 있습니다. 이 능력은 도플러 효과(소리의 소스나 수신기 또는 신체 산란 소리의 환경에 따라 이동할 때 수신되는 소리의 주파수 변화)를 기반으로 합니다. 이는 균질한 매질에서 초음파의 전파 속도가 일정하다는 사실로 인해 관찰됩니다. 따라서 음원이 일정한 속도로 이동하면 이동 방향으로 방출되는 음파가 압축되어 소리의 주파수가 증가합니다. 반대 방향으로 방출되는 파동은 늘어나는 것처럼 보이므로 소리의 주파수가 감소합니다(그림 30).

쌀. 30. 도플러 효과.

원래의 초음파 주파수와 수정된 주파수를 비교함으로써 Doller 이동을 확인하고 속도를 계산할 수 있습니다. 소리가 움직이는 물체에 의해 방출되는지 또는 물체가 음파를 반사하는지 여부는 중요하지 않습니다. 두 번째 경우에는 초음파 소스가 고정되어 있을 수 있고(초음파 센서) 움직이는 적혈구가 초음파 반사기 역할을 할 수 있습니다. 도플러 편이는 양(반사경이 음원을 향해 움직이는 경우)이거나 음(반사경이 음원에서 멀어지는 경우)일 수 있습니다. 초음파 빔의 입사방향이 반사체의 이동방향과 평행하지 않은 경우, 입사빔과 반사체의 이동방향 사이의 각도 q의 코사인에 의한 도플러 편이를 보정할 필요가 있다(Fig. .31).

쌀. 31. 입사 광선과 혈류 방향 사이의 각도.

도플러 정보를 얻으려면 정파와 펄스의 두 가지 유형의 장치가 사용됩니다. 연속파 도플러 장치에서 센서는 두 개의 변환기로 구성됩니다. 그 중 하나는 지속적으로 초음파를 방출하고 다른 하나는 반사된 신호를 지속적으로 수신합니다. 수신기는 일반적으로 초음파 소스 주파수(가청 범위)의 -1/1000인 도플러 편이를 감지하고 신호를 확성기로 전송하고 동시에 파형의 정성적 및 정량적 평가를 위해 모니터로 전송합니다. 연속파 장치는 초음파 빔의 전체 경로를 따라 거의 혈류를 감지합니다. 즉, 제어량이 큽니다. 이로 인해 여러 용기가 제어 볼륨에 들어갈 때 부적절한 정보를 얻을 수 있습니다. 그러나 판막 협착증의 압력 강하를 계산하는 데는 큰 참조 용적이 유용합니다.

특정 부위의 혈류를 평가하려면 모니터 화면에서 시각적으로 제어할 수 있는 관심 부위(예: 특정 혈관 내부)에 제어 용량을 배치해야 합니다. 이는 펄스 장치를 사용하여 달성할 수 있습니다. 펄스 장비로 감지할 수 있는 도플러 편이에는 상한이 있습니다(나이퀴스트 한계라고도 함). 이는 펄스 반복률의 약 1/2입니다. 이를 초과하면 도플러 스펙트럼의 왜곡(앨리어싱)이 발생합니다. 펄스 반복률이 높을수록 왜곡 없이 도플러 편이를 더 크게 확인할 수 있지만 저속 흐름에 대한 장치의 감도는 낮아집니다.

조직으로 전송되는 초음파 펄스에는 주요 주파수 외에도 많은 수의 주파수가 포함되어 있고 흐름의 개별 섹션의 속도가 동일하지 않기 때문에 반사 펄스는 큰 주파수로 구성됩니다. 다양한 주파수의 수(그림 32)

쌀. 32. 초음파 펄스 스펙트럼 그래프.

고속 푸리에 변환을 사용하면 펄스의 주파수 성분을 스펙트럼 형태로 표현할 수 있으며, 이는 도플러 편이 주파수가 수평으로 표시되는 곡선 형태로 모니터 화면에 표시될 수 있습니다. 각 구성 요소는 수직으로 표시됩니다. 도플러 스펙트럼을 사용하면 혈류의 다양한 속도 매개변수(최대 속도, 확장기 말 속도, 평균 속도 등)를 결정할 수 있지만 이러한 표시기는 각도에 따라 다르며 정확도가 매우 높습니다. 각도 교정의 정확성에 따라 달라집니다. 그리고 큰 비구불구불한 혈관에서 각도 교정이 문제를 일으키지 않는다면 작은 구불구불한 혈관(종양 혈관)에서는 흐름 방향을 결정하는 것이 매우 어렵습니다. 이 문제를 해결하기 위해 각도에 거의 독립적인 여러 가지 지수가 제안되었으며, 그 중 가장 일반적인 것은 저항 지수와 맥동 지수입니다. 저항 지수는 최대 흐름 속도에 대한 최대 속도와 최소 속도의 차이의 비율입니다(그림 33). 맥동 지수는 평균 유속에 대한 최대 속도와 최소 속도의 차이의 비율입니다.

쌀. 33. 저항 지수 및 맥동 지수 계산.

단일 제어 용량에서 도플러 스펙트럼을 얻으면 매우 작은 영역에서 혈류를 평가할 수 있습니다. 컬러 흐름 이미징(컬러 도플러 매핑)은 기존의 2D 그레이스케일 이미징 외에 혈류에 대한 실시간 2D 정보를 제공합니다. 컬러 도플러 이미징은 펄스 이미징 원리의 기능을 확장합니다. 고정된 구조물에서 반사된 신호는 회색조 형식으로 인식되어 표시됩니다. 반사된 신호가 방출된 신호와 다른 주파수를 갖는 경우 이는 움직이는 물체에서 반사되었음을 의미합니다. 이 경우 도플러 편이, 그 부호 및 평균 속도 값이 결정됩니다. 이러한 매개변수는 색상, 채도 및 밝기를 결정하는 데 사용됩니다. 일반적으로 센서로 향하는 흐름 방향은 빨간색으로 표시되고 센서에서 멀어지는 방향은 파란색으로 표시됩니다. 색상의 밝기는 유속에 따라 결정됩니다.

최근에는 "파워 도플러(Power Doppler)"라고 불리는 컬러 도플러 매핑의 변형이 등장했습니다. 파워 도플러를 사용하면 반사된 신호의 도플러 편이 값이 아니라 에너지가 결정됩니다. 이 접근 방식을 사용하면 흐름 속도와 방향의 절대값을 결정하는 능력을 상실하더라도 낮은 속도에 대한 방법의 감도를 높이고 각도에 거의 독립적으로 만들 수 있습니다.

유물

초음파 진단의 아티팩트는 이미지에 존재하지 않는 구조의 출현, 기존 구조의 부재, 구조의 잘못된 위치, 구조의 잘못된 밝기, 구조의 잘못된 윤곽선, 구조의 잘못된 크기 등입니다. 가장 일반적인 인공물 중 하나인 반향은 두 개 이상의 반사 표면 사이에 초음파 펄스가 도달할 때 발생합니다. 이 경우 초음파 펄스 에너지의 일부가 이러한 표면에서 반복적으로 반사되어 매번 동일한 시간 간격으로 센서로 부분적으로 돌아갑니다(그림 34).

쌀. 34. 리버브.

그 결과 존재하지 않는 반사 표면이 모니터 화면에 나타나게 되며, 이는 첫 번째 반사경과 두 번째 반사경 사이의 거리와 동일한 거리에 있는 두 번째 반사경 뒤에 위치하게 됩니다. 때로는 센서의 위치를 변경하여 잔향을 줄이는 것이 가능합니다. 잔향의 변형은 "혜성 꼬리"라고 불리는 인공물입니다. 초음파가 물체의 자연스러운 진동을 일으킬 때 관찰됩니다. 이 인공물은 작은 기포나 작은 금속 물체 뒤에서 종종 관찰됩니다. 항상 전체 반사 신호가 센서로 반환되는 것은 아니기 때문에(그림 35) 실제 반사 표면보다 작은 유효 반사 표면의 아티팩트가 나타납니다.

쌀. 35. 효과적인 반사 표면.

이러한 인공물 때문에 초음파로 결정되는 결석의 크기는 일반적으로 실제 크기보다 약간 작습니다. 굴절로 인해 결과 이미지에서 물체의 위치가 잘못될 수 있습니다(그림 36).

쌀. 36. 효과적인 반사 표면.

센서에서 반사 구조까지의 초음파 경로와 반사 구조가 동일하지 않으면 결과 이미지에서 물체의 잘못된 위치가 발생합니다. 거울 아티팩트는 반대쪽의 강한 반사판의 한쪽에 있는 물체의 모습입니다(그림 37).

쌀. 37. 거울 유물.

조리개 근처에서는 반사 아티팩트가 자주 발생합니다.

음향 그림자 인공물(그림 38)은 초음파를 강하게 반사하거나 강하게 흡수하는 구조 뒤에서 발생합니다. 음향 그림자의 형성 메커니즘은 광학 그림자의 형성과 유사합니다.

쌀. 38. 음향 그림자.

신호의 원위 의사 증폭 아티팩트(그림 39)는 초음파를 약하게 흡수하는 구조(액체, 액체 함유 구조물) 뒤에서 발생합니다.

쌀. 39. 원위 의사 강화 에코.

측면 그림자의 아티팩트는 굴절과 관련이 있으며 때로는 초음파 빔이 구조의 볼록한 표면(낭종, 자궁경부 담낭)에 접선 방향으로 떨어질 때 초음파의 간섭과 관련이 있으며, 초음파 속도는 주변 조직과 크게 다릅니다. (그림 40).

쌀. 40. 측면 그림자.

초음파 속도의 잘못된 결정과 관련된 인공물은 특정 조직에서 실제 초음파 전파 속도가 장치가 프로그래밍된 평균 속도(1.54m/s)보다 크거나 작기 때문에 발생합니다(그림 41).

쌀. 41. 다양한 매체에 의한 초음파 속도(V1 및 V2)의 차이로 인한 왜곡.

초음파 빔 두께 인공물은 초음파 빔이 특정 두께를 가지며 이 빔의 일부가 동시에 장기의 이미지와 인접 구조의 이미지를 형성할 수 있다는 사실로 인해 주로 유체가 포함된 기관에서 벽 반사가 나타나는 현상입니다. 그림 42).

쌀. 42. 초음파 빔 두께 인공물.

초음파 장비의 품질 관리

초음파 장비의 품질 관리에는 시스템의 상대 감도 결정, 축 및 측면 해상도, 데드존, 거리 측정기의 올바른 작동, 등록 정확도, VAG의 올바른 작동, 그레이 스케일의 동적 범위 결정 등이 포함됩니다. 초음파 장치의 작동 품질을 제어하기 위해 특수 테스트 대상 또는 조직과 유사한 팬텀이 사용됩니다(그림 43). 시중에서 판매되고 있으나 국내에서는 널리 사용되지 않아 현장에서 초음파 진단장비를 검증하는 것이 거의 불가능하다.

쌀. 43. 미국 초음파 의학 연구소의 테스트 개체.

초음파와 안전성의 생물학적 효과

초음파의 생물학적 효과와 환자에 대한 안전성은 문헌에서 끊임없이 논의되고 있습니다. 초음파의 생물학적 효과에 대한 지식은 초음파 메커니즘 연구, 세포 배양에 대한 초음파 효과 연구, 식물, 동물에 대한 실험 연구, 마지막으로 역학 연구를 기반으로 합니다.

초음파는 기계적 효과와 열 효과를 통해 생물학적 효과를 일으킬 수 있습니다. 초음파 신호의 감쇠는 흡수로 인해 발생합니다. 초음파 에너지를 열로 변환합니다. 방출된 초음파의 강도와 빈도가 증가함에 따라 조직 가열이 증가합니다. 캐비테이션은 가스, 증기 또는 이 둘의 혼합물로 채워진 맥동하는 기포의 액체에 형성되는 현상입니다. 캐비테이션의 원인 중 하나는 초음파일 수 있습니다. 그렇다면 초음파는 해롭습니까?

초음파가 세포에 미치는 영향, 식물과 동물을 대상으로 한 실험 작업 및 역학 연구에 관한 연구를 통해 미국 초음파 의학 연구소(American Institute of Ultrasound in Medicine)는 1993년에 마지막으로 확인된 다음과 같은 성명을 발표했습니다.

“현대 진단용 초음파 장치에서 일반적으로 사용되는 강도의 방사선 조사(초음파)로 인해 환자나 기기 조작자에게 생물학적 영향이 문서화된 바는 없습니다. 그러한 생물학적 효과가 미래에 확인될 수도 있지만, 현재 증거에 따르면 진단용 초음파를 신중하게 사용함으로써 환자가 얻는 이점이 잠재적인 위험보다 더 크다는 것을 알 수 있습니다."

초음파 진단의 새로운 방향

초음파 진단의 급속한 발전, 초음파 진단 장치의 지속적인 개선이 있습니다. 우리는 이 진단 방법의 향후 개발을 위해 몇 가지 주요 방향을 가정할 수 있습니다.

특히 파워 도플러 및 도플러 컬러 조직 이미징과 같은 도플러 기술을 더욱 향상시키는 것이 가능합니다.

3차원 초음파 검사는 앞으로 초음파 진단의 매우 중요한 영역이 될 수 있습니다. 현재 3차원 영상 재구성을 가능하게 하는 여러 가지 상용 초음파 진단 장치가 있지만 이 방향의 임상적 중요성은 여전히 불분명합니다.

초음파 조영제 사용 개념은 60년대 후반 심장초음파 연구 중 R.Gramiak과 P.M.Shah에 의해 처음 제시되었습니다. 현재 심장의 오른쪽 영상을 촬영하는 데 사용되는 상용 Echovist 조영제(Schering)가 있습니다. 최근에는 조영제 입자의 크기를 줄이기 위해 변형되었으며 인체 순환계에서 재활용이 가능합니다(Levovist, Schering). 이 약물은 종양 혈류를 평가하는 데 필수적일 수 있는 스펙트럼 및 색상 모두의 도플러 신호를 크게 향상시킵니다.

초박형 센서를 사용한 강내 초음파 검사는 속이 빈 기관과 구조를 연구할 수 있는 새로운 기회를 열어줍니다. 그러나 현재 이 기술의 광범위한 사용은 특수 센서의 높은 비용으로 인해 제한되며, 더욱이 제한된 횟수(1~40)로 연구에 사용될 수 있습니다.

얻은 정보를 객관화하기 위한 컴퓨터 이미지 처리는 장래에 실질 기관의 사소한 구조적 변화를 진단하는 정확도를 향상시킬 수 있는 유망한 분야입니다. 불행하게도 현재까지 얻은 결과는 임상적으로 큰 의미가 없습니다.

그럼에도 불구하고, 어제까지만 해도 초음파 진단 분야에서 먼 미래처럼 보였던 것이 오늘은 일상적인 관행이 되었으며, 아마도 가까운 시일 내에 새로운 초음파 진단 기술이 임상 현장에 도입되는 것을 목격하게 될 것입니다.

콘크리트에서 초음파의 전파 속도는 구조와 강도에 따라 2,800~4,800m/s 범위입니다(표 2.2.2).

표 2.2.2

재료	ρ, g/cm3	다섯 p p , m/s

강철	7.8
듀랄루민	2.7
구리	8.9
플렉시글라스	1.18
유리	3.2
공기	1.29x10 -3
물	1.00
환유	0.895
파라핀	0.9
고무	0.9
화강암	2.7
대리석	2.6
콘크리트(30일 이상)	2.3-2.45	2800-4800
벽돌:
규산염	1.6-2.5	1480-3000
점토	1.2-2.4	1320-2800
해결책:
시멘트	1.8-2.2	1930-3000
라임	1.5-2.1	1870-2300

상대적으로 작은 영역(평균 0.1~1m)에서 이러한 속도를 측정하는 것은 높은 수준의 무선 전자 장치 개발을 통해서만 해결할 수 있는 상대적으로 복잡한 기술 문제입니다. 건축 자재 테스트에 사용할 가능성의 관점에서 초음파 전파 속도를 측정하는 기존의 모든 방법 중에서 다음을 구별할 수 있습니다.

음향 간섭계 방법;

공명방식;

진행파법;

펄스 방식.

콘크리트에서 초음파의 속도를 측정하기 위해서는 펄스법이 가장 널리 사용된다. 이는 30-60Hz의 반복률로 짧은 초음파 펄스를 콘크리트에 반복적으로 보내고 사운드 베이스라고 하는 특정 거리에서 이러한 펄스의 전파 시간을 측정하는 것을 기반으로 합니다.

따라서 초음파의 속도를 결정하려면 펄스(소리의 기준)가 이동한 거리와 초음파가 방출 지점에서 수신까지 전파되는 시간을 측정해야 합니다. 사운딩 베이스는 0.1mm의 정확도로 모든 장치로 측정할 수 있습니다. 대부분의 최신 장치에서 초음파의 전파 시간은 전자 게이트를 고주파(최대 10MHz) 카운팅 펄스로 채워 측정합니다. 펄스의 시작은 펄스 방출 순간에 해당하고 끝은 펄스 순간까지입니다. 수신기 도착. 이러한 장치의 단순화된 기능 다이어그램이 그림 1에 나와 있습니다. 2.2.49.

이 계획은 다음과 같이 작동합니다. 마스터 발진기 1은 장치 설계에 따라 30~50Hz 주파수의 전기 펄스를 생성하고 100V 진폭의 짧은 전기 펄스를 생성하는 고전압 발생기 2를 시작합니다. 이 펄스는 이미 터로 들어갑니다. , 압전 효과를 사용하여 60-100kHz 주파수의 기계적 진동 팩(5~15개)으로 변환되고 음향 윤활제를 통해 제어되는 제품에 도입됩니다. 동시에 카운팅 펄스로 채워지는 전자 게이트가 열리고 스캐닝 장치가 트리거되고 전자 빔이 음극선 관 (CRT) 화면을 가로 질러 이동하기 시작합니다.

쌀. 2.2.49. 초음파 장치의 단순화된 기능 다이어그램:

1 - 마스터 발진기; 2 - 고전압 전기 펄스 발생기; 3 - 초음파 펄스 방출기; 4 - 통제 제품; 5 - 수신기; 6 - 증폭기; 7 - 게이트 형성 생성기; 8 - 펄스 발생기 카운팅; 9 - 스캐너; 10 - 표시기; 11 - 프로세서; 12 - 계수 입력 블록; 13 - 디지털 값 표시기 티,V,R

길이 L의 제어된 제품을 통과하고 시간 t를 소비한 초음파 기계적 진동 팩의 헤드파는 수신기(5)에 들어가고 여기에서 전기 펄스 팩으로 변환됩니다.

도착하는 펄스 패킷은 증폭기 6에서 증폭되어 CRT 화면의 시각적 모니터링을 위해 수직 스캐닝 장치로 들어가고 이 패킷의 첫 번째 펄스는 게이트를 닫아 펄스 카운팅에 대한 액세스를 중지합니다. 따라서 초음파 진동이 방출된 순간부터 수신기에 도달할 때까지 펄스를 계산하기 위해 전자 게이트가 열려 있었습니다. 시간 t. 다음으로, 카운터는 게이트를 채운 카운팅 펄스 수를 계산하고 결과는 표시기 13에 표시됩니다.

"Pulsar-1.1"과 같은 일부 최신 장치에는 프로세서와 계수 입력 장치가 있어 "속도-강도" 관계의 분석 방정식을 풀고 디지털 디스플레이에 시간 t, 속도 V가 표시됩니다. 콘크리트 강도 R.

80년대 콘크리트 및 기타 건축 자재의 초음파 전파 속도를 측정하기 위해 초음파 장치 UKB-1M, UK-10P, UK-10PM, UK-10PMS, UK-12P, UV-90PTs, Beton-5가 대량 생산되었습니다. 생산되어 잘 추천되었습니다.

그림에서. 2.2.50은 UK-10PMS 장치의 일반적인 모습을 보여줍니다.

쌀. 2.2.50. 초음파 장치 UK-10PMS

콘크리트 내 초음파 전파 속도에 영향을 미치는 요인

자연의 모든 물질은 상대적으로 균질하고 이질성 또는 이질성이 큰 두 개의 큰 그룹으로 나눌 수 있습니다. 상대적으로 균질한 재료에는 유리, 증류수 및 공기가 포함되지 않은 정상적인 조건에서 일정한 밀도를 갖는 기타 재료와 같은 재료가 포함됩니다. 그들에게 정상적인 조건에서 초음파의 전파 속도는 거의 일정합니다. 콘크리트를 포함한 대부분의 건축자재를 포함하는 이종재료에서는 내부 구조, 미세입자와 큰 구성요소의 상호작용이 부피와 시간 모두에서 일정하지 않습니다. 그들의 구조에는 건조하거나 물로 채워질 수 있는 미세 및 거대 기공, 균열이 포함됩니다.

크고 작은 입자의 상대적 위치도 다양합니다. 이 모든 것은 초음파의 밀도와 전파 속도가 일관되지 않고 넓은 범위 내에서 변동한다는 사실로 이어집니다. 테이블에 2.2.2는 일부 재료의 밀도 ρ 및 초음파 전파 속도 V 값을 보여줍니다.

다음으로 강도, 굵은 골재의 조성 및 유형, 시멘트 양, 습도, 온도 및 보강재 유무와 같은 콘크리트 매개 변수의 변화가 콘크리트의 초음파 전파 속도에 어떤 영향을 미치는지 고려할 것입니다. 이 지식은 초음파 방법을 사용하여 콘크리트 강도를 모니터링할 가능성을 객관적으로 평가하고 이러한 요소의 변화와 관련된 모니터링에서 많은 오류를 제거하는 데 필요합니다.

콘크리트 강도의 영향

실험 연구에 따르면 콘크리트의 강도가 증가하면 초음파 속도도 증가하는 것으로 나타났습니다.

이는 속도의 가치와 강도의 가치가 구조 내 연결 조건에 따라 달라진다는 사실로 설명됩니다.

그래프(그림 2.2.51)에서 볼 수 있듯이 다양한 구성의 콘크리트에 대한 "속도-강도" 관계는 일정하지 않습니다. 이는 강도 외에도 이 관계가 다른 요인의 영향을 받는다는 것을 의미합니다.

쌀. 2.2.51. 다양한 조성의 콘크리트에 대한 초음파 속도 V와 강도 R c 사이의 관계

불행히도 일부 요인은 강도보다 초음파 속도에 더 많은 영향을 미치며 이는 초음파 방법의 심각한 단점 중 하나입니다.

일정한 조성의 콘크리트를 취하고 다른 W/C를 채택하여 강도를 변경하면 다른 요소의 영향은 일정하며 초음파 속도는 콘크리트 강도에 의해서만 변경됩니다. 이 경우 속도-강도 관계가 더욱 정의됩니다(그림 2.2.52).

쌀. 2.2.52. 사마라 철근콘크리트 1공장에서 얻은 일정한 콘크리트 조성에 대한 속도-강도 관계

시멘트 종류와 브랜드의 영향

일반 포틀랜드 시멘트와 기타 시멘트를 사용하여 콘크리트를 테스트한 결과를 비교하면 광물학적 구성이 속도-강도 관계에 거의 영향을 미치지 않는다는 결론을 내릴 수 있습니다. 주요 영향은 규산삼칼슘의 함량과 시멘트 분쇄의 정밀도에 의해 발휘됩니다. 속도-강도 관계에 영향을 미치는 더 중요한 요소는 콘크리트 1m 3당 시멘트 소비량입니다. 그것의 복용량. 콘크리트의 시멘트 양이 증가할수록 초음파의 속도는 콘크리트의 기계적 강도보다 더 느리게 증가합니다.

이는 콘크리트를 통과할 때 초음파가 굵은 골재와 골재 과립을 연결하는 모르타르 부분을 통해 전파되고 그 속도는 굵은 골재의 전파 속도에 크게 좌우된다는 사실로 설명됩니다. 그러나 콘크리트의 강도는 주로 모르타르 성분의 강도에 따라 달라집니다. 콘크리트 강도와 초음파 속도에 대한 시멘트 양의 영향은 그림 1에 나와 있습니다. 2.2.53.

쌀. 2.2.53. 시멘트 복용량이 의존성에 미치는 영향

"속도-강도"

1-400kg/m3; 2 - 350kg/m3; 3 - 300kg/m 3 ; 4 - 250kg/m3; 5 - 200kg/m 3

물시멘트비의 영향

W/C가 감소할수록 콘크리트의 밀도와 강도가 증가하고 그에 따라 초음파 속도도 증가합니다. W/C가 증가함에 따라 역의 관계가 관찰됩니다. 결과적으로, W/C의 변화는 설정된 속도-강도 관계에 큰 편차를 가져오지 않습니다. 따라서 콘크리트의 강도를 변경하기 위해 교정 그래프를 구성할 때 다른 W/C를 사용하는 것이 좋습니다.

유형 영향그리고 굵은 골재의 양

굵은 골재의 종류와 양은 속도-강도 관계의 변화에 큰 영향을 미칩니다. 특히 석영, 현무암, 경질 석회석, 화강암의 집합체에서 초음파의 속도는 콘크리트의 전파 속도보다 훨씬 빠릅니다.

굵은 골재의 종류와 양도 콘크리트의 강도에 영향을 미칩니다. 일반적으로 골재의 강도가 강할수록 콘크리트의 강도도 높아지는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 때로는 내구성이 떨어지지만 표면이 거친 쇄석을 사용하면 내구성이 뛰어난 자갈을 사용할 때보다 Re 값이 더 높지만 표면이 매끄러운 콘크리트를 얻을 수 있는 현상을 처리해야 합니다.

쇄석 소비량이 약간 변하면 콘크리트의 강도도 약간 변합니다. 동시에, 이러한 굵은 골재량의 변화는 초음파 속도에 큰 영향을 미친다.

콘크리트가 쇄석으로 포화되면 초음파 속도가 증가합니다. 굵은 골재의 종류와 양은 다른 요인보다 속도-강도 관계에 더 큰 영향을 미칩니다(그림 2.2.54 – 2.2.56).

쌀. 2.2.54. 속도-강도 관계에 대한 거친 골재의 영향:

1 - 시멘트석; 2 - 최대 30mm 크기의 골재를 사용한 콘크리트

쌀. 2.2.55. 다양한 골재 크기를 갖는 콘크리트의 속도-강도 관계: 1-1 mm; 2-3mm; 3-7mm; 4~30mm

쌀. 2.2.56. 다음의 충전재를 사용한 콘크리트의 속도-강도 관계:

1-사암; 2-석회석; 3-화강암; 4-현무암

콘크리트의 단위 부피당 쇄석의 양이 증가하거나 초음파 속도가 증가하면 콘크리트의 초음파 속도가 강도보다 더 강하게 증가한다는 것이 그래프에서 분명합니다.

습도와 온도의 영향

콘크리트의 수분 함량은 강도와 초음파 속도에 모호한 영향을 미칩니다. 콘크리트의 수분함량이 증가하면 결정간 결합의 변화로 인해 압축강도가 감소하지만, 기공과 미세균열이 물로 채워지면서 초음파의 속도는 증가하고, 에이물 속의 속도는 공기 중에서의 속도보다 크다.

5~40℃ 범위의 콘크리트 온도는 강도와 속도에 사실상 영향을 미치지 않지만, 경화된 콘크리트의 온도를 규정 범위 이상으로 높이면 내부 미세균열이 증가하여 강도와 속도가 저하된다.

음의 온도에서는 결합되지 않은 물이 얼음으로 변환되어 초음파 속도가 증가합니다. 따라서 영하의 온도에서 초음파 방법을 사용하여 콘크리트의 강도를 결정하는 것은 권장되지 않습니다.

콘크리트에서의 초음파 전파

콘크리트 구조는 모르타르 부분과 굵은 골재를 포함하는 이질적인 재료입니다. 모르타르 부분은 석영 모래 입자가 포함된 경화된 시멘트 돌입니다.

콘크리트의 목적과 강도 특성에 따라 시멘트, 모래, 쇄석, 물의 비율이 달라집니다. 강도 보장 외에도 콘크리트 구성은 철근 콘크리트 제품의 제조 기술에 따라 달라집니다. 예를 들어, 카세트 생산 기술을 사용하면 콘크리트 혼합물의 더 큰 가소성이 필요하며 이는 시멘트와 물의 소비 증가로 달성됩니다. 이 경우 콘크리트의 모르타르 부분이 증가합니다.

벤치 기술의 경우, 특히 즉시 제거를 사용하는 경우 시멘트 소비가 감소된 경질 혼합물이 사용됩니다.

이 경우 굵은 골재의 상대적 부피가 증가합니다. 결과적으로 콘크리트의 강도 특성이 동일하더라도 그 구성은 넓은 범위 내에서 다양할 수 있습니다. 콘크리트의 구조 형성은 제품 제조 기술, 즉 콘크리트 혼합물의 혼합 품질, 운송, 압축, 경화 중 열 및 습기 처리의 영향을 받습니다. 따라서 경화 콘크리트의 특성은 수많은 요인의 영향을 받으며 그 영향은 본질적으로 모호하고 무작위적입니다. 이는 구성과 특성 모두에서 콘크리트의 높은 이질성을 설명합니다. 콘크리트의 이질성과 다양한 특성은 음향 특성에도 반영됩니다.

현재 수많은 시도에도 불구하고 콘크리트를 통한 초음파 전파에 대한 통일된 계획과 이론은 아직 개발되지 않았습니다. ) 우선, 콘크리트의 강도와 음향 특성에 서로 다른 영향을 미치는 위에서 언급한 수많은 요소가 존재하기 때문입니다. 이러한 상황은 불균일성이 높은 재료를 통한 초음파 진동의 전파에 대한 일반 이론이 아직 개발되지 않았다는 사실로 인해 더욱 악화됩니다. 이것이 콘크리트의 초음파 속도가 균질한 재료에 대해 다음 공식에 의해 결정되는 유일한 이유입니다.

여기서 L은 초음파가 이동한 경로, m(기본)입니다.

t는 이 경로를 이동하는 데 소요된 시간, μs입니다.

이종 재료를 통한 콘크리트를 통한 펄스 초음파 전파 방식을 더 자세히 고려해 보겠습니다. 그러나 먼저 철근콘크리트 공장이나 건설 현장에서 가장 흔히 사용되는 시멘트, 강모래, 굵은 골재 및 물로 구성된 콘크리트 혼합물의 조성을 고려하여 우리의 추론이 유효한 영역을 제한하겠습니다. 이 경우 굵은 골재의 강도가 콘크리트의 강도보다 높다고 가정하겠습니다. 이는 석회석, 대리석, 화강암, 백운석 및 기타 강도가 약 40 MPa인 암석을 굵은 골재로 사용하는 경우에 해당됩니다. 일반적으로 경화 콘크리트는 밀도 ρ와 속도 V를 갖는 상대적으로 균질한 모르타르 부분과 ρ와 V를 갖는 굵은 골재라는 두 가지 구성 요소로 구성되어 있다고 가정합니다.

언급된 가정과 제한 사항을 고려하면 경화 콘크리트는 음향 임피던스가 있는 고체 매체로 간주될 수 있습니다.

두께 L의 경화 콘크리트를 통해 방출기 1에서 수신기 2로 헤드 초음파가 전파되는 다이어그램을 고려해 보겠습니다(그림 2.2.57).

쌀. 2.2.57. 헤드 초음파 전파 방식

구체적으로:

1 - 이미 터; 2 - 수신기; 3 - 접촉층; 4 - 과립의 파동 전파; 5 - 솔루션 부분의 파동 전파

방사체(1)에서 나온 머리 초음파는 먼저 방사면과 콘크리트 사이에 위치한 접촉층(3)에 부딪힌다. 초음파가 접촉층을 통과하기 위해서는 전도성 액체나 윤활제를 채워야 하는데, 이는 공업용 바셀린으로 가장 많이 사용된다. (시간 t 0 동안) 접촉층을 통과한 초음파는 부분적으로 반대 방향으로 반사되고 나머지는 콘크리트 속으로 들어갑니다. 파장에 비해 접촉층이 얇을수록 반사되는 파장이 적어집니다.

콘크리트의 두께에 진입하면 두부파는 이미터의 직경에 해당하는 영역의 콘크리트 모르타르 부분에서 전파되기 시작합니다. 일정 거리를 이동한 후 Δ 내가 1, 시간 이후 Δ 티특정 지역의 1두 파동은 하나 이상의 굵은 골재 과립과 만나고 부분적으로 반사되며 대부분은 과립에 들어가 전파되기 시작합니다. 과립 사이에서 파동은 용액 부분을 통해 계속 전파됩니다.

굵은 골재의 초음파 속도가 모르타르 부분의 초음파 속도보다 크다는 허용된 조건을 고려하면, 거리 d는 속도 V 2로 과립을 통해 전파되는 파쇄된 돌 직경의 평균값과 같습니다. 먼저 통과하고 박격포 부분을 통과하는 파도가 지연됩니다.

첫 번째 굵은 골재 과립을 통과한 파도는 모르타르 부분과의 경계면에 접근하여 부분적으로 반사되고 부분적으로 들어갑니다. 이 경우, 헤드파가 통과한 과립은 나중에 호이겐스의 원리가 적용될 수 있는 콘크리트 모르타르 부분에 초음파를 방사하는 기본 구형 소스로 간주될 수 있습니다.

인접한 과립 사이의 최소 거리만큼 용액을 통과한 후 헤드 파동이 과립 안으로 들어가 이를 통해 전파되기 시작하여 이를 다음 기본 소스로 전환합니다. 따라서 시간 t 이후에 콘크리트 L의 전체 두께와 두 번째 접촉층(3)을 통과한 두부파는 수신기 2로 들어가 전기 신호로 변환됩니다.

고려된 다이어그램에서 방사체 1에서 수신기 2까지의 헤드파는 굵은 골재 과립과 이들 과립을 연결하는 모르타르 부분을 통과하는 경로를 따라 전파되며 이 경로는 최소 경과 시간 조건에 의해 결정됩니다. 티.

따라서 시간 t는

과립을 연결하는 용액 부분을 통과하는 데 소요된 시간은 어디입니까?

과립을 통과하는 데 걸리는 시간입니다. 초음파가 이동한 경로 L은 다음과 같습니다.

여기서: - 해 부분을 통해 머리파가 이동한 전체 경로입니다.

헤드 웨이브가 과립을 통해 이동한 전체 경로입니다.

머리파가 이동하는 총 거리 L은 방출기와 수신기 사이의 기하학적 거리보다 클 수 있습니다. 왜냐하면 파동이 최소 기하학적 거리를 따르지 않고 최대 속도의 경로를 따라 이동하기 때문입니다.

접촉층을 통과하는 초음파에 소요된 시간은 측정된 총 시간에서 빼야 합니다.

머리파를 따르는 파동도 최대 속도의 경로를 따라 전파되지만, 이동하는 동안 굵은 골재 과립과 모르타르 부분 사이의 경계면에서 반사파를 만나게 됩니다. 과립의 직경이 파장의 절반 또는 절반과 같으면 과립 내부에서 음향 공명이 발생할 수 있습니다. 간섭 및 공명 효과는 다양한 골재 크기를 갖는 콘크리트를 통과하는 초음파 패킷의 스펙트럼 분석을 통해 관찰할 수 있습니다.

위에서 논의한 펄스 초음파의 머리파 전파 방식은 섹션 시작 부분에 표시된 특성을 가진 콘크리트에만 유효합니다. 굵은 골재 과립을 얻는 재료의 기계적 강도와 초음파 전파 속도는 콘크리트 모르타르 부분의 강도와 속도를 초과합니다. 석회석, 대리석, 화강암 등의 쇄석을 사용하는 철근콘크리트 공장이나 건설현장에 사용되는 대부분의 콘크리트는 이러한 특성을 가지고 있습니다. 팽창 점토 콘크리트, 폼 콘크리트, 응회암 충전재를 사용한 콘크리트의 경우 초음파 전파 패턴이 다를 수 있습니다.

고려된 계획의 타당성은 실험을 통해 확인됩니다. 그래서, 그림에서. 2.2.54 시멘트 부분에 일정량의 쇄석을 첨가하면 콘크리트 강도가 약간 증가(때로는 감소)하면서 초음파 속도가 증가하는 것을 볼 수 있습니다.

그림에서. 2.2.56 굵은 골재의 초음파 속도가 증가함에 따라 콘크리트의 속도도 증가하는 것이 눈에 띕니다.

더 큰 골재를 사용한 콘크리트의 속도 증가(그림 2.2.55)도 이 방식으로 설명됩니다. 왜냐하면 직경이 증가함에 따라 골재를 통과하는 초음파 경로가 길어지기 때문입니다.

제안된 초음파 전파 방식을 통해 결함 탐지 및 콘크리트 강도 모니터링에서 초음파 방법의 기능을 객관적으로 평가할 수 있습니다.

V.V.가 편집한 러시아 대학원 교육 아카데미의 초음파 진단 부서 직원이 작성한 초음파 진단 가이드 제1권의 장.

(인터넷에서 찾은 글입니다)

초음파의 물리적 특성
반사와 산란
센서와 초음파
느린 스캔 장치
빠른 스캐닝 장치
도플러그래피 장치
유물
초음파 장비의 품질 관리
초음파의 생물학적 효과와 안전성
초음파 진단의 새로운 방향
문학
시험 문제

초음파의 물리적 특성

소리는 입자의 진동이 에너지 전파 방향과 동일한 평면에 있는 기계적 종파입니다(그림 1).

쌀. 1. 초음파의 압력 및 밀도 변화를 시각적 및 그래픽으로 표현합니다.

쌀. 2. 초음파 주파수 1초에 2주기 = 2Hz

쌀. 3. 초음파의 주기.

쌀. 4. 파장.

쌀. 5. 초음파 펄스 지속 시간.

쌀. 6. 펄스의 공간적 범위.

쌀. 7. 초음파 진폭

반사와 산란

쌀. 8. 초음파 빔의 수직 입사.

쌀. 9. 반사, 굴절.

쌀. 10. 후방 산란.

쌀. 11. 초음파를 이용한 거리 측정.

센서 및 초음파

쌀. 12. 역압전 효과.

쌀. 13. 직접 압전 효과.

쌀. 14. 기계 부문 센서.

쌀. 15. 전자 다중 요소 센서.

섹터 센서의 이미지 스캐닝은 동시에 초점을 맞추면서 초음파 빔을 진동시켜 수행됩니다(그림 16).

쌀. 16. 위상 안테나가 있는 전자 섹터 센서.

쌀. 17. 전자 선형 센서.

초음파 센서는 디자인 면에서 서로 세부적으로 다르지만 회로도는 그림 18에 나와 있습니다.

쌀. 18. 초음파 센서 장치.

연속 방출 모드의 단일 요소 디스크 모양 변환기는 거리에 따라 모양이 달라지는 초음파장을 생성합니다(그림 19).

쌀. 19. 초점이 맞지 않는 변환기의 두 필드.

쌀. 20. 음향렌즈를 이용한 포커싱.

쌀. 21. 음향거울을 이용한 초점맞춤.

쌀. 22. 동적 포커싱 방법.

쌀. 23. 동적 포커싱 방법.

쌀. 24. 축 해상도: 초음파 펄스가 짧을수록 좋습니다.

느린 스캔 장치

쌀. 25. 휴대용 스캐너의 블록 다이어그램.

쌀. 26. 조직 흡수에 대한 보상.

~에 A형 스위프(진폭) 센서로부터의 거리가 한 축을 따라 표시되고 반사된 신호의 강도가 다른 축을 따라 표시됩니다(그림 27).

쌀. 27. A형 신호 스위프.

최신 장치에서는 A형 스캐닝이 실제로 사용되지 않습니다.

B형 스캐닝(밝기)을 사용하면 이 선을 구성하는 개별 지점의 밝기 차이 형태로 반사된 신호의 강도에 대한 스캐닝 라인을 따라 정보를 얻을 수 있습니다.

화면 예: 왼쪽 스캔 비, 오른쪽 - 중그리고 심전도.

M형 (때때로 TM) 스윕(Motion)을 사용하면 반사 구조물의 움직임(움직임)을 시간에 따라 기록할 수 있습니다. 이 경우 서로 다른 밝기의 점 형태로 반사 구조의 움직임이 수직 및 수평으로 기록됩니다. 이는 이러한 시점의 위치 변위입니다 (그림 28).

쌀. 28. M형 스캔.

빠른 스캐닝 장치

고속 스캐닝 장치는 위에서 언급한 바와 같이 기계 및 전자 부문 센서, 전자 선형 센서, 전자 볼록(볼록) 센서 및 기계식 방사형 센서를 사용합니다.

초음파 빔으로 스캔할 때 빔이 완전히 통과한 결과를 프레임이라고 합니다. 프레임은 수많은 수직선으로 구성됩니다(그림 29).

쌀. 29. 별도의 선으로 이미지를 형성합니다.

각 라인은 적어도 하나의 초음파 펄스입니다. 최신 장치에서 그레이 스케일 이미지를 얻기 위한 펄스 반복 속도는 1kHz(초당 1000펄스)입니다.

펄스 반복 주파수(PRF), 프레임을 구성하는 라인 수, 단위 시간당 프레임 수 사이에는 관계가 있습니다. PRF = 라인 수 × 프레임 속도.

섹터형 센서의 경우 라인 밀도(라인/도)는 프레임을 구성하는 라인 수와 섹터 각도의 비율입니다.

도플러 그래픽 장치

쌀. 30. 도플러 효과.

쌀. 31. 입사 광선과 혈류 방향 사이의 각도.

쌀. 32. 초음파 펄스 스펙트럼 그래프.

쌀. 33. 저항 지수 및 맥동 지수 계산.

유물

쌀. 34. 리버브.

쌀. 35. 효과적인 반사 표면.

쌀. 36. 효과적인 반사 표면.

쌀. 37. 거울 유물.

조리개 근처에서는 반사 아티팩트가 자주 발생합니다.

쌀. 38. 음향 그림자.

신호의 원위 의사 증폭 아티팩트(그림 39)는 초음파를 약하게 흡수하는 구조(액체, 액체 함유 구조물) 뒤에서 발생합니다.

쌀. 39. 원위 의사 강화 에코.

쌀. 40. 측면 그림자.

쌀. 41. 다양한 매체에 의한 초음파 속도(V1 및 V2)의 차이로 인한 왜곡.

쌀. 42. 초음파 빔 두께 인공물.

초음파 장비의 품질 관리

쌀. 43. 미국 초음파 의학 연구소의 테스트 개체.

초음파와 안전성의 생물학적 효과

"현재 초음파 진단 시설에서 일반적으로 사용되는 강도의 방사선 조사(초음파)로 인해 환자나 장치 조작자에게 확인된 생물학적 영향이 보고된 바는 없습니다. 이러한 생물학적 영향이 미래에 확인될 수도 있지만 현재 데이터는 진단용 초음파를 신중하게 사용함으로써 환자가 얻는 이점이 잠재적인 위험보다 더 크다는 점입니다."

초음파 진단의 새로운 방향

특히 파워 도플러 및 도플러 컬러 조직 이미징과 같은 도플러 기술을 더욱 향상시키는 것이 가능합니다.

문학

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테스트 질문

초음파 연구 방법의 기본은 다음과 같습니다.
A. 장치 화면의 장기 및 조직 시각화
B. 초음파와 인체 조직의 상호 작용
B. 반사된 신호의 수신
D. 초음파 방사선
D. 장치 화면의 이미지 그레이 스케일 표현
초음파는 주파수가 다음보다 낮지 않은 소리입니다.
A. 15kHz
B. 20000Hz
B. 1MHz D. 30Hz E. 20Hz
다음과 같은 경우 초음파 전파 속도가 증가합니다.
A. 매체의 밀도가 증가합니다.
B. 매체의 밀도가 감소합니다.
B. 탄력성 증가
D. 밀도 및 탄성 증가
D. 밀도 감소, 탄력성 증가
연조직에서 초음파의 평균 전파 속도는 다음과 같습니다.
A. 1450m/초
B. 1620m/초
B. 1540m/초
G. 1300m/s
D. 1420m/초
초음파 전파 속도는 다음에 의해 결정됩니다.
가. 빈도
B. 진폭
B. 파장
G. 기간
D. 환경
주파수가 증가하는 연조직의 파장:
가. 감소하다
B. 변함이 없습니다.
B. 증가
초음파 전파 속도와 주파수 값을 사용하면 다음을 계산할 수 있습니다.
A. 진폭
나. 기간
B. 파장
D. 진폭 및 주기 D. 주기 및 파장
주파수가 증가함에 따라 연조직의 감쇠 계수는 다음과 같습니다.
가. 감소하다
B. 변함이 없습니다.
B. 증가
다음 중 초음파가 통과하는 매질의 특성을 결정하는 매개변수는 무엇입니까?
가. 저항
B. 강도
B. 진폭
G 주파수
D. 기간
다음 매개변수 중 사용 가능한 다른 매개변수로 결정할 수 없는 매개변수는 무엇입니까?
가. 빈도
나. 기간
B. 진폭
G. 파장
D. 전파 속도
초음파는 다음과 같은 매체의 경계에서 반사됩니다.
가. 밀도
B. 음향 임피던스
B. 초음파 전파 속도
G. 탄력성
D. 초음파 전파 속도 및 탄력성
반사경까지의 거리를 계산하려면 다음 사항을 알아야 합니다.
A. 감쇠, 속도, 밀도
B. 감쇠, 저항
B. 감쇠, 흡수
D. 신호 반환 시간, 속도
D. 밀도, 속도
초음파는 다음과 같이 집중될 수 있습니다.
A. 곡선 요소
B. 곡선형 반사경
B. 렌즈
G. 위상 안테나
D. 위의 모든 것
축 해상도는 다음에 의해 결정됩니다.
A. 집중
B. 물체까지의 거리
B. 센서 유형
D. 환경
가로 해상도는 다음에 의해 결정됩니다.
A. 집중
B. 물체까지의 거리
B. 센서 유형
D. 펄스의 진동수
D 환경

초음파 진단 매뉴얼 제1권의 장,

초음파 진단학과 직원이 작성

러시아 의학 대학원 교육 아카데미

1. 초음파의 전파 속도는 파이프라인의 온도와 압력에 따라 달라집니다. 다양한 수온 및 대기압 값에서의 초음파 속도는 표 D.1에 나와 있습니다.

표 E.1

Alexandrov A.A., Trakhtengerts M.S. 대기압에서 물의 열물리적 특성. M. 표준 출판사, 1977, 100p. (주 표준 참조 데이터 서비스. 연재 논문).

2. 유량계를 사용하여 물 및 열 공급 시스템의 물의 흐름과 양을 측정하는 경우 초음파 속도는 표의 데이터에 따라 결정됩니다. D.2 다음 공식에 따라 온도 및 압력에 대한 선형 보간 방법을 사용합니다.

여기서 c(t,P)는 파이프라인을 통해 흐르는 액체의 초음파 속도, m/s입니다.

c(t1) – 측정된 것보다 낮은 온도에서의 초음파 속도 표 값, m/s;

c(t2) – 측정된 것보다 높은 온도에서의 초음파 속도 표 값, m/s;

c(P1) – 측정된 압력보다 낮은 압력에서의 초음파 속도 표 값, m/s;

c(P2) – 측정된 압력보다 큰 압력에서의 초음파 속도 표 값, m/s;

t – 파이프라인의 수온, ºС;

P – 파이프라인의 수압, MPa;

t1, t2 – 테이블 온도 값, ºС;

P1, P2 – 테이블 압력 값, MPa;

메모.

1. c(t1)과 c(t2)의 값은 표의 데이터에 따라 결정됩니다. D.1. c(P1)과 c(P2)의 값은 표의 데이터에 따라 결정됩니다. D.2. 파이프라인의 수온에 가장 가까운 온도에서.

2. 파이프라인의 물 온도와 압력 측정은 각각 ±0.5 ºС 및 ±0.5 MPa 이하의 오류로 수행되어야 합니다.

표 E.2

표 E.2의 계속

Alexandrov A.A., Larkin D.K. 광범위한 온도 및 압력에서 초음파 속도를 실험적으로 결정합니다. 저널 "열력 공학", No. 2, 1976, p.

3. 액체 온도에 대한 초음파 속도의 의존성에 대한 표가 없으면 그림 E.1에 표시된 장치를 사용하여 초음파 속도를 결정할 수 있습니다. 초음파 속도를 측정하기 직전에 장치 본체(강철 브래킷)를 시험액에 담그고 두께 게이지를 조정하여 초음파 속도를 측정합니다. 그런 다음 초음파 두께 측정기가 초음파 속도를 직접 측정합니다.

액체 내 초음파 속도를 측정하려면 US-12 IM 장치(ShchO 2.048.045 TO) 또는 기타 유형의 두께 측정기를 사용하는 것도 가능합니다.

그림 D.1. 액체에서 초음파의 속도를 측정하는 장치입니다.

초음파- 고주파의 탄성 소리 진동. 인간의 귀는 약 16-20kHz의 주파수로 매질에서 전파되는 탄성파를 감지합니다.

과학자들은 오랫동안 초음파의 존재에 대해 알고 있었지만 과학, 기술 및 산업에서의 실제 사용은 비교적 최근에 시작되었습니다. 이제 초음파는 물리학, 기술, 화학, 의학 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

초음파 소스

산업이나 생물학에서 사용되는 초고주파 초음파의 주파수는 수 MHz 정도이다.

이러한 빔의 초점은 일반적으로 특수 음파 렌즈와 거울을 사용하여 수행됩니다. 적절한 변환기를 사용하면 필요한 매개변수를 가진 초음파 빔을 얻을 수 있습니다. 가장 일반적인 세라믹 변환기는 티탄산 바륨입니다. 초음파 빔의 출력이 가장 중요한 경우에는 일반적으로 기계적 초음파 소스가 사용됩니다. 처음에는 모든 초음파가 기계적으로 수신되었습니다(소리굽쇠, 휘파람, 사이렌).

자연에서 초음파는 많은 자연 소음(바람, 폭포, 비의 소음, 파도에 의해 굴러가는 자갈의 소음, 뇌우 방전에 수반되는 소리 등)의 구성 요소로 발견됩니다. 동물의 세계의 소리. 일부 동물은 초음파를 사용하여 장애물을 감지하고 우주를 탐색합니다.

초음파 방출기는 두 개의 큰 그룹으로 나눌 수 있습니다. 첫 번째에는 이미 터 생성기가 포함됩니다. 진동은 가스 또는 액체의 흐름과 같은 일정한 흐름 경로에 장애물이 존재하기 때문에 여기됩니다. 두 번째 그룹의 이미터는 전기음향 변환기입니다. 이미 주어진 전기 전압이나 전류의 변동을 고체의 기계적 진동으로 변환하여 환경에 음파를 방출합니다. 방출기의 예: Galton 휘파람, 액체 및 초음파 휘파람, 사이렌.

초음파 전파.

음파는 기체, 액체 또는 고체 상태의 물질에서 이 물질의 입자가 변위되는 방향과 동일한 방향으로 전파됩니다. 즉, 매체의 변형을 유발합니다. 변형은 특정 부피의 매체에 대한 연속적인 방전 및 압축이 발생하고 인접한 두 영역 사이의 거리가 초음파의 길이에 해당한다는 사실로 구성됩니다. 매체의 특정 음향 저항이 클수록 주어진 진동 진폭에서 매체의 압축 및 희박 정도가 커집니다.

파동 에너지 전달과 관련된 매체의 입자는 평형 위치를 중심으로 진동합니다. 입자가 평균 평형 위치를 중심으로 진동하는 속도를 진동이라고 합니다.

속도.

회절, 간섭

초음파가 전파되면 회절, 간섭, 반사 현상이 가능합니다.

회절(장애물 주위로 구부러지는 파동)은 초음파 파장이 경로에 있는 장애물의 크기와 비슷하거나 더 클 때 발생합니다. 장애물이 음향 파장에 비해 크면 회절 현상이 발생하지 않습니다.

여러 개의 초음파가 조직 내 매체의 특정 지점에서 동시에 이동할 때 이러한 파동의 중첩이 발생할 수 있습니다. 이러한 파동의 중첩을 일반적으로 간섭이라고 합니다. 생물학적 물체를 통과하는 과정에서 초음파가 교차하면 생물학적 환경의 특정 지점에서 진동의 증가 또는 감소가 관찰됩니다. 간섭의 결과는 매체의 특정 지점에서 초음파 진동 위상의 공간적 관계에 따라 달라집니다. 초음파가 동일한 위상(동위상)으로 매체의 특정 영역에 도달하면 입자 변위는 동일한 징후를 가지며 이러한 조건에서 간섭은 초음파 진동의 진폭을 증가시키는 데 도움이 됩니다. 초음파가 역위상으로 특정 영역에 도달하면 입자의 변위에는 다른 징후가 수반되어 초음파 진동의 진폭이 감소합니다.

간섭은 초음파 방출기 주변 조직에서 발생하는 현상을 평가하는 데 중요한 역할을 합니다. 간섭은 초음파가 장애물에서 반사된 후 반대 방향으로 전파될 때 특히 중요합니다.

초음파 흡수

초음파가 전파되는 매질에 점성과 열전도율이 있거나 다른 내부 마찰 과정이 있으면 파동이 전파됨에 따라 흡음이 발생합니다. 즉, 소스에서 멀어짐에 따라 초음파 진동의 진폭이 작아집니다. 뿐만 아니라 그들이 운반하는 에너지도 마찬가지입니다. 초음파가 전파되는 매체는 이를 통과하는 에너지와 상호 작용하여 그 일부를 흡수합니다. 흡수된 에너지의 대부분은 열로 변환되고, 더 작은 부분은 전달 물질에 되돌릴 수 없는 구조적 변화를 일으킵니다. 흡수는 입자끼리의 마찰로 인해 발생합니다. 이는 매체에 따라 다릅니다. 흡수는 초음파 진동의 주파수에 따라 달라집니다.

이론적으로 흡수는 주파수의 제곱에 비례합니다.

흡수량은 흡수 계수로 특성화할 수 있으며, 이는 조사된 매질에서 초음파 강도가 어떻게 변하는지 보여줍니다. 빈도가 높아질수록 증가합니다. 매체의 초음파 진동 강도는 기하급수적으로 감소합니다. 이 과정은 내부 마찰, 흡수 매체의 열전도도 및 그 구조로 인해 발생합니다. 이는 대략적으로 반흡수층의 크기로 특징지어지며, 이는 어느 깊이에서 진동 강도가 절반(더 정확하게는 2.718배 또는 63%) 감소하는지를 나타냅니다. Pahlman에 따르면 0.8MHz의 주파수에서 일부 조직에 대한 반흡수층의 평균값은 다음과 같습니다. 지방 조직 - 6.8cm; 근육질 - 3.6cm; 지방과 근육 조직을 함께 - 4.9cm. 초음파 주파수가 증가하면 반흡수층의 크기가 감소합니다. 따라서 2.4MHz의 주파수에서 지방과 근육 조직을 통과하는 초음파의 강도는 1.5cm 깊이에서 절반으로 줄어 듭니다.

또한 일부 주파수 범위에서 초음파 진동 에너지의 비정상적인 흡수가 가능합니다. 이는 특정 조직의 분자 구조 특성에 따라 다릅니다. 초음파 에너지의 2/3는 분자 수준에서, 1/3은 미세한 조직 구조 수준에서 감쇠되는 것으로 알려져 있습니다.

초음파의 침투깊이

초음파 침투 깊이는 강도가 절반으로 감소하는 깊이를 나타냅니다. 이 값은 흡수율에 반비례합니다. 매질이 초음파를 더 강하게 흡수할수록 초음파 강도가 절반으로 감쇠되는 거리가 짧아집니다.

매체에 불균일성이 있는 경우 소리 산란이 발생하여 초음파의 단순 전파 패턴을 크게 변화시킬 수 있으며 궁극적으로 파동이 원래 전파 방향으로 감쇠될 수도 있습니다.

초음파의 굴절

인간 연조직의 음향 저항은 물의 저항과 크게 다르지 않기 때문에 매질(표피 - 진피 - 근막 - 근육) 사이의 경계면에서 초음파 굴절이 관찰될 것이라고 가정할 수 있습니다.

초음파의 반사

초음파 진단은 반사 현상을 기반으로 합니다. 반사는 피부와 지방, 지방과 근육, 근육과 뼈의 경계부에서 일어난다. 초음파가 전파되는 동안 장애물을 만나면 반사가 발생하고, 장애물이 작으면 초음파가 그 주위로 흐르는 것처럼 보입니다. 신체의 이질성은 파장(2mm)과 비교할 때 크기(0.1-0.2mm)를 무시할 수 있기 때문에 큰 편차를 일으키지 않습니다. 경로상의 초음파가 파장보다 크기가 큰 장기를 만나면 초음파의 굴절과 반사가 발생합니다. 가장 강한 반사는 뼈 - 주변 조직 및 조직 - 공기의 경계에서 관찰됩니다. 공기는 밀도가 낮고 초음파의 거의 완전한 반사가 관찰됩니다. 초음파의 반사는 속이 빈 장기 표면의 근육-골막-뼈 경계에서 관찰됩니다.

여행 및 정립 초음파

초음파가 매질에 전파될 때 반사되지 않으면 진행파가 형성됩니다. 에너지 손실로 인해 매질 입자의 진동 운동이 점차 약화되고 입자가 방사 표면에서 멀어질수록 진동의 진폭이 작아집니다. 초음파 전파 경로에 특정 음향 저항이 다른 조직이 있으면 어느 정도 초음파가 경계 경계면에서 반사됩니다. 입사 초음파와 반사 초음파의 중첩으로 인해 정재파가 발생할 수 있습니다. 정재파가 발생하려면 방사체 표면에서 반사 표면까지의 거리가 파장의 1/2배가 되어야 합니다.

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