9. ULTRAZVUK I HIDROAKUSTIKA - Fer
9. ULTRAZVUK I HIDROAKUSTIKA - Fer
9. ULTRAZVUK I HIDROAKUSTIKA - Fer
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>9.</strong> <strong>ULTRAZVUK</strong> I <strong>HIDROAKUSTIKA</strong><br />
Ultrazvučno područje (UZ) se proteže od 20 kHz na više<br />
frekvencije.<br />
U nekim (mornaričkim) primjenama je i od 3 kHz.<br />
Koristi se ultrazvuk i do 100 MHz, pa i više.<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Moguće ga je dokazati i na frekvencijama višim od 1 GHz,<br />
kada ga se naziva hiperzvukom, a područje kvantna akustika.<br />
Najčešća frekvencijska područja uporabe ultrazvuka su<br />
između 23 kHz i cca 10 MHz.
Valna duljina u<br />
vodi<br />
1.5 µm<br />
0.015 mm<br />
Ultrazvučni spektar<br />
FREKVENCIJA<br />
1 GHz<br />
100 MHz<br />
0.15 mm 10 MHz<br />
λ f = 1500 m s 1 u vodi<br />
Ultrazvučna mikroskopija<br />
Ultrazvučne slike<br />
1.5 mm Terapijske primjene<br />
1.0 MHz<br />
15 mm 0.1 MHZ Kirurške primjene (kavitacija)<br />
0.02 MHz (20 kHz, prag čujnosti)<br />
Elektroakustika 2007.
Elektroakustika 2007.<br />
Valne duljine ultrazvuka u zraku su pri 100 kHz reda veličine<br />
milimetara, pri 1 MHz su to samo djelići milimetra, a u<br />
tekućinama se valna duljina smanjuje za faktor ≈4,5.<br />
Uspoređuju li se valni odnosi ultrazvuka s valnim odnosima<br />
elektromagnetskih valova odgovarajuće valne duljine, vidjet<br />
će se da su vrlo slični. Pri tome ne treba zaboraviti da su<br />
ultrazvučni valovi, za razliku od elektromagnetskih, uglavnom<br />
longitudinalni tlačni valovi.<br />
U području nižih ultrazvučnih frekvencija su dimenzije<br />
pretvarača često nešto manje od valne duljine, pa je usmjerna<br />
karakteristika približno kuglasta.<br />
Pri višim frekvencijama je zbog malih omjera λ/D izrazito<br />
usnopljavanje emitiranog ultrazvuka. Pri visokim ultrazvučnim<br />
frekvencijama su mnoga fizikalna svojstva vrlo slična<br />
svjetlosti.
Elektroakustika 2007.<br />
Djelovanjem ultrazvuka velikog intenziteta nastaju novi efekti,<br />
kojima se objekt na određeni način mijenja.<br />
Usporede li se intenziteti različitih izvora, lako se može<br />
ustanoviti da su ultrazvučni pretvarači mnogostruko snažniji<br />
od odgovarajućih zvučnih pretvarača.<br />
Npr., zvučna sirena snage 1 kW daje na udaljenosti od 10 m<br />
intenzitet od 3,2 ⋅ 10 -4 W/cm 2 , dok ultrazvučni pretvarač male<br />
snage do 1 W/cm 2 , srednje snage do 10 W/cm 2 , a najvećih<br />
snaga i iznad 1 kW/cm 2 .<br />
Razlog tome je u mnogo većem faktoru dobrote Q, odnosno<br />
velikim razlikama u akustičkim impedancijama zraka i npr.<br />
vode ili drugih medija.
Elektroakustika 2007.<br />
U ultrazvučnom polju nastaju primarni i sekundarni efekti.<br />
Primarni su npr. linearni efekti, tlak ultrazvučnog snopa,<br />
istosmjerno strujanje, pilasta deformacija valnog oblika,<br />
kavitacija, apsorpcija i trenje na graničnim plohama itd.<br />
Sekundarni efekti su mehanički (orijentacija i separacija),<br />
termički, električki, optički, kemijski i biološki.<br />
Ultrazvuk se može proizvesti mehaničkim putem, npr.<br />
različitim "sviralama".<br />
Mnogo češći i efikasniji način je električko stvaranje<br />
ultrazvuka odgovarajućim pretvaračima. Oni rade na<br />
magnetostrikcijskom ili piezoelektričkom principu, i napajani<br />
su iz odgovarajućih elektroničkih generatora.
Linearno i nelinearno širenje ultrazvučnog vala<br />
- velike amplitude tlaka (MPa) - nelinearni odziv<br />
- male amplitude tlaka (100kPa) - linearni odziv<br />
Tlak<br />
Tlak<br />
Vrijeme<br />
Vrijeme<br />
Snaga<br />
Snaga<br />
Frekvencija<br />
Frekvencija<br />
Sl. <strong>9.</strong>1 Nelinearni i linearni odziv i pripadni spektrogrami<br />
Elektroakustika 2007.
<strong>9.</strong>1. OSNOVE<br />
Elektroakustika 2007.<br />
• Ultrazvučno polje velike snage u tehnološkim i energetskim<br />
procesima ima velik broj mehaničkih titraja,<br />
npr. 20 kHz je 20000 udara u sekundi.<br />
• mehanički pomaci x se relativno mali : 50 – 100 µm<br />
• srednja titrajna brzina čestica je umjerena<br />
(2 π 50×10 -6 ×20×10 3 =6,28 m/s);<br />
• vrlo su velike akceleracije čestica a=ω o 2 xo ≅ 8×10 4 g<br />
• mogući su vrlo različiti intenziteti energije:<br />
od mW/cm 2 do kW/cm 2 .
UZ je karakteriziran linearnim veličinama:<br />
•tlak p<br />
• titrajna brzina v<br />
• specifični akustički otpor ρ 0 c<br />
• brzina širenja vala c<br />
•pomak čestice x<br />
• akceleracija a<br />
i energetskim veličinama<br />
• zvučna snaga P a<br />
•zvučni intenzitet I<br />
• gustoća zvučne energije E<br />
Elektroakustika 2007.
Zvučni val može biti:<br />
•kuglast<br />
•ravan<br />
• cilindričan<br />
pa se javljaju pojave:<br />
• refrakcija<br />
• refleksija<br />
•ogib<br />
• apsorpcija<br />
Elektroakustika 2007.
U ovisnosti o udaljenosti od površine pretvarača<br />
razlikuje se blisko (Fresnelovo) i daleko<br />
(Fraunhoferovo) polje (Sl. <strong>9.</strong>2).<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Sl. <strong>9.</strong>2. Raspodjela intenziteta u ovisnosti o udaljenosti od čela<br />
pretvarača
Tablica <strong>9.</strong>1 Omjeri frekvencije i valne duljline u vodi<br />
Elektroakustika 2007.<br />
frekvencija UZV [kHz] 20 50 100 1000 5000 10000<br />
valna duljina u vodi [mm] 71,5 28,6 14,3 1,43 0,286 0,143<br />
Brzine propagacije zvučnih valova se bitno razlikuju u<br />
različitim materijalima. Osim toga ovise i o temperaturi.<br />
Brzina širenja vala ovisit će i o svojstvima materijala, tj.<br />
c² = K a / ρ,<br />
gdje je K a adijabatski modul krutosti recipročan adijabatskoj<br />
stlačivosti fluida G a , a ρ je gustoća sredstva kroz koje se val<br />
širi.<br />
Konstanta K a može se smatrati konstantnom samo pri<br />
određenoj temperaturi uz relativno mali intenzitet ultrazvuka.<br />
Ona na dosta složeni način ovisi o temperaturi jer na širenje<br />
zvuka utječu odnosi tlaka i volumena u sredstvu.
Elektroakustika 2007.<br />
Kako veličine K a i ρ ovise o temperaturi, slanosti i<br />
hidrostatičkom tlaku (dubini), brzina zvuka je također jedna<br />
hidrološka karakteristika morske sredine. Ona ovisi o dubini<br />
mora, sezoni, geografskom položaju i dobi dana. Općenito<br />
se mijenja u granicama od 1440 do 1550 m/s.<br />
Postoji cijeli niz formula za brzinu zvuka u moru na nultoj<br />
dubini (atmosferski tlak), i od različitih autora.<br />
Pojednostavljena formula Leroya u većini slučajeva je<br />
primjenjiva za praktičnu primjenu i ima oblik:<br />
[ m s]<br />
c =<br />
1412+ 3,<br />
21⋅T<br />
+ 1,<br />
19⋅<br />
S + 0,<br />
0167⋅<br />
Z /<br />
U ovim izrazima brzina zvuka c se izražava u m/s, temperatura T<br />
u °C, slanost S u ‰, a dubina Z u m. Točnost formule iznosi oko<br />
0,1 m za T= 20°C i Z < 8000 m.
Osnovni zakon zračenja<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Brzina zvuka u tekućinama ovisi o njihovoj stlačivosti G a<br />
(adijabatskoj konstanti) i gustoći ρ 0 :<br />
c = √(1/G a ρ 0 )<br />
Rad, koji izvor (UZ) izvrši u jednoj sekundi protiv sile reakcije<br />
sredine u kojoj se nalazi je akustička snaga.<br />
Sila reakcije sredine F s koja djeluje na cijelu isijavajuću<br />
površinu S je<br />
F s =p S (p je zvučni tlak, S je površina zračenja)<br />
a ovisnost tlaka o titrajnoj brzini v je dana pomoću akustičke<br />
impedancije Z a<br />
p = v Z a<br />
pa je osnovni zakon zračenja F s = S Z a v = Z s v
odnosno Z s = Z a S = F s /v = ρ 0 c<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Z s je impedancija zračenja (isijavanja), koja se može pisati kao<br />
Z s =Z a S =(R a +jX a ) S=R s +jX s<br />
gdje je R s aktivna (realna) komponenta, a X s reaktivna<br />
komponenta impedancije zračenja.<br />
Kompleksni karakter je ovisan o faznoj razlici između F s i v,<br />
koja je određena faznim kutem Φ<br />
Ako je titranje harmonično<br />
pa je i<br />
Φ= arc tg X s /R s<br />
F s = F m sin ωt,<br />
v = v m (sinωt-Φ)
Elektroakustika 2007.<br />
te se integriranjem po vremenu dobije akustička snaga<br />
zračenja<br />
Budući da je |Z s |=√R s 2 +Xs 2<br />
P a = ½F m v m cosΦ 10 -7 [W]<br />
P a =½ v m 2 |Zs |cosΦ 10 -7 [W]
Elektroakustika 2007.<br />
Karakteristične impedancije nekih materijala u [10 (Ns/m 2 )]:<br />
• zrak 0,0004<br />
• ricinusovo ulje 1,43<br />
• voda 1,49<br />
• polietilen 1,84<br />
• pleksi-staklo 3,2<br />
• čelik 45,7<br />
• mozak 1,58<br />
• krv 1,61<br />
• meko tkivo 1,63<br />
• jetra 1,65<br />
•mišić (srednja vrijednost) 1,7<br />
• kost lubanje 7,8
Definiran je koeficijent refleksije r p<br />
i koeficijent apsorpcije α p<br />
α<br />
r<br />
p<br />
p<br />
=<br />
=<br />
p<br />
p<br />
p<br />
p<br />
mr<br />
mt<br />
m<br />
m<br />
R<br />
1−<br />
R<br />
=<br />
R<br />
1+<br />
R<br />
2<br />
=<br />
R<br />
1+<br />
R<br />
kao odnosi amplituda tlakova reflektiranog, odnosno<br />
refraktiranog vala i upadnog vala<br />
a1<br />
a2<br />
a1<br />
a2<br />
a1<br />
a2<br />
Elektroakustika 2007.
Refleksija, prijenos i ogib<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Pri prijelazu ultrazvuka iz jednog medija u drugi doći<br />
će do djelomične refleksije ultrazvuka ako mediji nisu<br />
jednake impedancije, a dio će se ultrazvučne energije<br />
prenijeti u drugi medij kao što je prikazano:<br />
Sl. <strong>9.</strong>3. Zbog različitih akustičkih impedancija medija dio<br />
energije se reflektira, a dio prenosi.
Elektroakustika 2007.<br />
Omjer razina reflektiranoga i prenesenoga ultrazvučnoga<br />
vala ovisit će o razlici impedancija medija i određen je<br />
jednadžbama:<br />
P Z<br />
r sp 2 − Z sp 1<br />
=<br />
P Z + Z<br />
P<br />
P<br />
u<br />
p<br />
u<br />
=<br />
Z<br />
sp<br />
2<br />
sp<br />
2<br />
⋅<br />
2<br />
sp 1<br />
sp 1<br />
p u je razina zvučnoga tlaka upadnog vala (N/m²), p r je<br />
razina zvučnoga tlaka reflektiranog vala, p p je razina<br />
zvučnog tlaka prenesenog vala, Z sp1 i Z sp2 su specifične<br />
akustičke impedancije medija upadnog vala odnosno<br />
prenesenog vala.<br />
Z<br />
+<br />
sp<br />
Z<br />
2
Elektroakustika 2007.<br />
Kod reflektiranog vala može doći do skoka u fazi, što je<br />
posljedica omjera impedancija medija.<br />
Ako je impedancija medija upada vala manja od<br />
impedancije medija prijenosna vala (Z sp1 Z sp2 ) reflektirani val će biti<br />
fazno pomaknut za 180º prema upadnom valu.<br />
Sljedeća slika prikazuje ova dva slučaja za omjere<br />
impedancija Z sp1 :Z sp2 =1:30, odnosno Z sp1 :Z sp2 =30:1.
Z sp1 :Z sp2 =1:30 Z sp1 :Z sp2 =30:1<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Sl. <strong>9.</strong>4. Primjer prolaza zv. energije uz omjer impedancija 1:30
Elektroakustika 2007.<br />
Veza između kuteva i brzine širenja ultrazvučnih valova<br />
prema Snellovom zakonu je:<br />
sin<br />
sin<br />
α<br />
β<br />
=<br />
c<br />
c<br />
1<br />
2<br />
odnosno za longitudinalni i<br />
transverzalni (reflektirani i<br />
preneseni) val:<br />
cL1<br />
cL2<br />
cT2<br />
cT1<br />
= = =<br />
sin α sin β sin γ sinδ<br />
sredstvo 1<br />
sredstvo 2<br />
IL<br />
R T<br />
Sl. <strong>9.</strong>5. Snellov zakon<br />
α<br />
δ<br />
γ<br />
α<br />
β<br />
R L<br />
TL<br />
TT
Elektroakustika 2007.<br />
Slika prikazuje ogib udarnog vala oko prepreke za 90°.<br />
Ovo je akustička aproksimacija. Donji dio je ogibni val<br />
koji je komprimiran, dok je gornji dio, iznad produžetka<br />
horizontalnog vala, ekspanzivni val i manjeg je tlaka<br />
nego donji val.<br />
Sl. <strong>9.</strong>6. Ogib udarnog vala.
<strong>9.</strong>2 PRIMJENA <strong>ULTRAZVUK</strong>A<br />
a) Dubinomjeri<br />
Elektroakustika 2007.<br />
• Zbog razlika u karakterističnim impedancijama vode i tla<br />
(dna) dolazi do refleksije, pa se mjereći vrijeme odlaznog i<br />
dolaznog vala mjeri dubina d=½ c t<br />
• Frekvencije su od 10 kHz (za dubine do 10 km) do 200 kHz<br />
(do 100 m), snage od 1 W do …kW<br />
b) Istraživanje i eksploatacija podmorja<br />
• Topografske karte dna<br />
Mogu se raditi i karte slojeva dna, jer UZ ulazi u tlo i zbog<br />
različitih konzistencija daje različite odzive.<br />
• Ribarstvo (fish-finder); radi najčešće u impulsnom pogonu s<br />
vertikalnim i horizontalnim snopom
Sl. <strong>9.</strong>7. Primjer primjene<br />
hidroakustike.<br />
Elektroakustika 2007.
c) Ratna mornarica, vojska<br />
• Rekonstrukcija signala koji je i više od –30 dB u šumu.<br />
Elektroakustika 2007.<br />
• Senzori osjetljivi na tlak, akceleraciju, udar imaju najširu<br />
primjenu: od mjerenja i prijema signala do elemenata za<br />
paljenje (npr. podvodna mina ili torpedo: šum broda aktivira ili<br />
usmjeri, a kod udarca aktivira eksploziv).<br />
•Hidroakustički uređaji prognoziraju širenje zvuka pod vodom;<br />
velike su razlike ljeto-zima, pri raznim dubinama i morima itd.<br />
Prognoziraju se otvaranja komunikacijskih i prislušnih kanala.<br />
• Mjerenje gaza, brzine, protoka, razine tekućina<br />
• Podvodna telefonija<br />
• Komunikacija između plovila i obale kroz toplinske kanale<br />
morske vode; do više tisuća km<br />
• Prisluškivanje, otkrivanje i klasifikacija podmornica i brodova.
d) Industrija i tehnika<br />
Elektroakustika 2007.<br />
• Ultrazvučni generatori snaga od 1W do više desetaka kW<br />
napajaju odgovarajuće pretvarače kojima se može npr.:<br />
- čistiti razne predmete<br />
- emulgirati (npr. ulje),<br />
- ekstrahirati (npr. mrkvin karotin za boju cedevite),<br />
- filtrirati (odabiranje čestica određene veličine),<br />
- ovlaživati “suhom” vodenom parom, raspršivati (npr. cjepivo<br />
u maglicu za cijepljenje pilića)<br />
- zavarivati plastiku i neke metale<br />
- sterilizirati opremu
Moguća su mjerenja:<br />
- protoka, razine, udaljenosti predmeta, navođenje<br />
te razne alarmne funkcije, defektoskopija<br />
e) Medicina:<br />
• oftalmologija (operacija mrene itd.)<br />
•opća dijagnostika (interna),<br />
• dijagnostika na bazi Dopplerovog efekta<br />
• terapija<br />
Elektroakustika 2007.<br />
• kirurgija (litotriptori, neurokirurgija, liposukcija, kozmetika)
<strong>9.</strong>3. Kavitacija<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Kavitacijom se naziva stvaranje mjehurića u fluidnim medijima<br />
kao posljedica smanjenja tlaka medija. Ultrazvuk koji se širi<br />
kroz medij kao mehanički poremećaj uzrok je oscilacijama<br />
tlaka medija. Ukoliko je dovoljno veliki intenzitet ultrazvuka za<br />
vrijeme negativne poluperiode vala, tlak medija može poprimiti<br />
vrijednosti koje su potrebne za nastajanje kavitacije. Mjehurići<br />
koji pri tome nastaju povećavaju se za vrijeme prvih polovica<br />
negativnih poluperioda i nakon dosizanja kritičnih veličina<br />
promjera, reda 0,01 – 0,1 mm, naglo se urušavaju i nastaje<br />
implozija. Zbog vrlo kratkog vremena u kojem se ovo događa i<br />
zbog vrlo lokalizirane zone pojaviti će se velike trenutne<br />
vrijednosti promjene tlakova (veće od 10 MPa), uz temperature<br />
više od 12000 K.<br />
Kao popratne pojave javljaju se sonoluminiscencija,<br />
generiranje subharmonika i karakterističan zvučni prasak.
Elektroakustika 2007.<br />
Sl. <strong>9.</strong>8. Ovisnost<br />
pojave praga<br />
kavitacije o<br />
frekvenciji i<br />
intenzitetu.<br />
Iako je kavitacija dominantna pri velikim intenzitetima, učinci<br />
kavitacije uočeni su i pri relativno niskim intenzitetima.<br />
Granica intenziteta za pojavljivanje kavitacije kreće se od<br />
0,14 do 17,5 W/cm² u frekvencijskom području od 0,25 do 4<br />
MHz.
Elektroakustika 2007.<br />
Postoji mnogo faktora koji će utjecati na pojavu kavitacije i<br />
njezin intenzitet kao što su: temperatura tekućeg medija,<br />
statički tlak tekućne, veličina mjehurića, brojnost jezgri za<br />
nastajanje kavitacije, frekvencija ultrazvučnog polja kao i<br />
njegov intenzitet, karakteristike prigušenja mjehurića u<br />
tekućini, površinska napetost tekućine, tlak pare u tekućini,<br />
koncentracija i brzina difuzije otopljenih plinova, kohezivne sile<br />
u tekućini, gustoća tekućine, brzina prijenosa topline unutar<br />
tekućine i lokalna raspodjela zvučnog intenziteta i tlaka uz<br />
prisustvo implodirajućeg mjehurića.<br />
Frekvencija od 10 MHz predstavlja praktički gornju granicu<br />
nastajanja kavitacije. Razlog tome je štonepostojidovoljno<br />
mala jezgra u tekućini koja bi imala rezonantnu frekvenciju<br />
nižu od 10 MHz i kao takva omogućila nastajanje kavitacija.
<strong>9.</strong>4. Elektronički generatori UZ<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Ultrazvučni pretvarači su vezani na određeni dio elektroničkih<br />
sklopova, najčešće pomoću koaksijalnog kabela.<br />
Blok dijagram cijelog sustava je prikazan na sljedećoj slici.<br />
Sustav se može podijeliti na četiri odvojena sustava: kontrola i<br />
prikazivanje stanja, električni pretvarački sustav, fazna<br />
regulacija i konverzija snage. Ova shema prikazuje sustav koji<br />
sadrži primjenu posebne kartice s mikroprocesorom.<br />
Mikroprocesor upravlja snagom i fazom analognog dijela,<br />
upravlja podacima za prikaz stanja i općenito regulira protok<br />
podacima prema i iz kartice.<br />
Memorija mikroprocesora sadrži potrebne podatke o<br />
frekvenciji, snazi, npr. potrebnoj promjeni fokusa ultrazvuka itd.
Sl. <strong>9.</strong><strong>9.</strong> Osnovna blok-shema ultrazvučnog generatora.<br />
Elektroakustika 2007.
Elektroakustika 2007.<br />
Pretvarački dio sadrži mrežu za transformaciju impedancije i<br />
pretvarač. Mreža za transformaciju je potrebna jer:<br />
a) transformacijom impedancije povećava se prijenos<br />
maksimalne snage iz pojačala prema pretvaraču;<br />
b) protok snage kroz takvu mrežu se može mjeriti upotrebom<br />
jednostavnih električkih krugova<br />
c) mreža omogućuje jednaku opskrbu snage svakog pojedinog<br />
elementa niza.<br />
Pojačalo je opremljeno odgovarajućom faznom povratnom<br />
vezom (PLL) pomoću koje se kompenziraju promjene snage<br />
zbog promjene radne frekvencije pretvarača, a do koje je došlo<br />
zbog termičkih utjecaja.
<strong>9.</strong>5. UTJECAJ <strong>ULTRAZVUK</strong>A NA TKIVO<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Pri aplikaciji ultrazvuka na tkivo 5 je glavnih parametara koji<br />
omogućuju željeni učinak:<br />
frekvencija, intenzitet, dužina ekspozicije, fokusiranje i način<br />
uporabe UZ glave.<br />
U dijagnostičkim sustavima intenziteti su najčešće manji od<br />
0,05 W/cm 2 , za fizikalne terapije intenziteti su u rasponu od<br />
0,5-4 W/cm 2 , a u UZ kirurgiji se koriste intenziteti velikih snaga,<br />
tipično veće od 10 W/cm 2 , s vršnim vrijednostima ponekad<br />
većim i od 1 kW/cm 2 .<br />
Uobičajene frekvencije UZ:<br />
• u dijagnostici su između 1 i 10 MHz,<br />
• pri terapiji između 0,75 MHz i 3 MHz,<br />
• dok se kirurški UZ koristi frekvencijama između 24 i 32 kHz, ali<br />
i 1 – 4 MHz (fokusirani).
Elektroakustika 2007.<br />
Pri uporabi dijagnostičkog UZ teži se nikakvom utjecaju na<br />
tkivo, a kod terapijskog i kirurškog on mora biti potpuno<br />
kontroliran.<br />
Toplinsko djelovanje. Nastaje kao izravna posljedica velike<br />
apsorpcije ultrazvučne energije u tkivima. Dokazano je da je<br />
potrebno svega nekoliko sekundi izložiti tkivo temperaturi<br />
između 60 ili 70°C da se ono uništi. Ultrazvučnim valovima<br />
može se selektivno uništavati nezdravo tkivo reda veličine 1<br />
mm, a da temperatura okolnog tkiva ne poraste za više od 1°C.<br />
Koagulacija (zgrušavanje). Također može u tekućinama i<br />
emulzijama nastati ultrazvučnim pobuđivanjem. Manje čestice<br />
lakše i pravilnije slijede titranja uzrokovana ultrazvukom. Što je<br />
veća razlika u amplitudi titranja pojedinih čestica, to će sudari<br />
manjih i većih čestica biti češći, a time i okrupnjavanje čestica<br />
brže. Poznata je «akustička hemostaza», pojava zaustavljanja<br />
krvarenja pomoću UZ u roku od oko 1 min.
Elektroakustika 2007.<br />
Kavitacija. Mehanizam kavitacije i njezini efekti još nisu do<br />
kraja objašnjeni, ali uočena je njezina ovisnost o vrsti tkiva i<br />
lokaciji. Pritom se stvaraju vrtlozi, tekućina se zagrijava i<br />
stvaraju se makrostruje i mikrostruje. Kavitacija u nekim<br />
tekućinama uzrokuje ionizaciju, a time i fluorescenciju.<br />
Emulgacija tekućina pobuđivanih ultrazvukom nastaje zbog<br />
kavitacije. Kavitacijom se tkivo potpuno pulverizira.<br />
Kemijsko djelovanje. Poznato je već dugo vremena, iako je<br />
katkada teško razlučiti izravno kemijsko djelovanje od<br />
istodobnog toplinskog djelovanja. Kemijsko djelovanje se<br />
može razvrstati na oksidacijsko djelovanje i na ubrzanje<br />
kemijskih reakcija.<br />
Fiziološko djelovanje. Nastaje kao posljedica njegova<br />
fizikalnog i kemijskog djelovanja na tvar.
<strong>9.</strong>6. ULTRAZVUČNA DIJAGNOSTIKA<br />
Upotrebljavaju se dva osnovna tipa uređaja:<br />
Elektroakustika 2007.<br />
• impulsni ehoskopi za dobivanje slojnih slika unutrašnjosti<br />
tijela<br />
• aparati na Dopplerovom principu za mjerenje ili prikazivanje<br />
pokreta struktura u tijelu (tok krvi, srčani zalisci itd.)<br />
Postoje i kombinacije ova dva tipa, a zahvaljujući modernoj<br />
tehnologiji i obradi signala dobivaju se po potrebi 2- i 3dimenzionalni<br />
prikazi, te u različitim bojama, koje zajedno sa<br />
svojim tonovima znatno doprinose razlučivosti i mnogo boljoj<br />
interpretaciji.
Elektroakustika 2007.<br />
Intenziteti koji se primijenjuju mogu dostići u impulsnom<br />
pogonu do 1 W/cm 2 , u frekvencijskom području od 1 MHz do<br />
15 MHz.<br />
U porodiljstvu se pregledava položaj ploda, njegove dimenzije,<br />
razvoj itd., te se eventualne intervencije izvode uz kontrolu<br />
ultrazvukom. Aparati koji rade u realnom vremenu omogućuju<br />
praćenje pokreta ploda i rad srca. Koriste se ravne i konveksne<br />
sonde, u frekvencijskom području 3,5 MHz i 5 MHz. Fokus je<br />
obično između 7 do 10 cm.
a) Ehoskopi<br />
Elektroakustika 2007.<br />
To su uređaji koji iz pretvarača odašilju kratke ultrazvučne<br />
visokofrekventne impulse (frekvencije između 2 i 10 MHz i<br />
trajanja manje od 1 µs), te na osnovi vremena potrebnog za<br />
povratak odjeka određuju udaljenost reflektora, odnosno<br />
strukture od koje se odbio UZ.<br />
Blok-shema je prikazana na sl. <strong>9.</strong>10.<br />
Sl. <strong>9.</strong>10 Blok - shema<br />
osnovnog tipa<br />
ehoskopa
Elektroakustika 2007.<br />
Iz vremena potrebnog da se odjek vrati od reflektora može se<br />
točno odrediti njegova udaljenost ako se zna brzina širenja<br />
UZ u tijelu. Odjeci se mogu prikazati kao impulsi ili svijetle<br />
točke na zaslonu.<br />
Svjetlina točaka koje predstavljaju odjek proporcionalna je<br />
njegovoj amplitudi (tzv. prikaz sa sivom skalom).<br />
Prigušenje UZ u tijelu se kompenzira promjenom pojačanja u<br />
svakom ciklusu odašiljanja i prijema.<br />
Sonda je najčešće izvedena kao niz manjih pretvarača koji se<br />
elektronički odgovarajuće ukapčaju, pa nije potrebno rukom<br />
pomicati sondu.
) Uređaji na Dopplerovom principu<br />
Elektroakustika 2007.<br />
U sondi su najčešće smještena dva pretvarača, jedan kao<br />
odašiljač, a drugi kao prijemnik. Ako se reflektor UZ pomiče,<br />
frekvencija reflektiranih valova se razlikuje od odaslanih što se<br />
koristi za prikaz. Razlika frekvencija je proporcionalna brzini<br />
kretanja reflektora. Najjednostavniji uređaj je prikazan na blokshemi:<br />
Sl. <strong>9.</strong>11. Blok-shema<br />
jednostavnog uređaja na<br />
Dopplerovom principu.
Elektroakustika 2007.<br />
Zbog gubitka informacije o položaju reflektora upotrebljavaju<br />
se impulsni Dopplerovi sistemi. Time se iz promjene<br />
frekvencije reflektiranog UZ zaključuje o brzini kretanja<br />
reflektora (npr. eritrocita), a iz vremena potrebnog da se odjek<br />
vrati, o položaju reflektora.<br />
U praksi postoje kombinacije oba sustava.<br />
Tzv. “kolor - doppleri” imaju prikaz kod kojeg su smjer i brzina<br />
protoka kodirani odgovarajućim bojama, pa je prikaz<br />
dvodimenzionalan.<br />
Zahvaljujući odgovarajućoj digitalnoj obradi signala sve su<br />
češći i trodimenzionalni prikazi kod kojih se mogu u realnom<br />
vremenu vidjeti mnogi detalji, npr. još nerođenog djeteta.
Sl. <strong>9.</strong>12. Kolor doppler prikazi ultrazvučne dijagnostike<br />
Elektroakustika 2007.
c) Prikazi u dijagnostici<br />
Elektroakustika 2007.<br />
A-prikaz je način prikazivanja odjeka u jednoj dimenziji zbog<br />
promjene akustičke impedancije duž pravca rasprostiranja UZ.<br />
Upotrebljava se za mjerenje udaljenosti i procjenu veličine tkiva<br />
duž zrake, ali je teško identificirati strukturu tkiva.<br />
Sl. <strong>9.</strong>13. Tipičan A-prikaz.
Elektroakustika 2007.<br />
M-prikaz (ili TM - time motion ili TP - time position)<br />
omogućuje prikaz velikih unutrašnjih organa, najčešće u<br />
kardiologiji. Uzduž osi X prikazuju se odjeci svjetlinom<br />
proporcionalni veličine odjeka.<br />
Sl. <strong>9.</strong>14. M-prikaz
Sl. <strong>9.</strong>15. Doppler - 3D ultrazvučni prikazi u<br />
dijagnostici porodiljstva<br />
Elektroakustika 2007.
<strong>9.</strong>7 TERAPIJSKI <strong>ULTRAZVUK</strong><br />
Elektroakustika 2007.<br />
Djelovanje UZ na organizam svodi se na efekte zagrijavanja i<br />
povećanog strujanja, gdje se toplina razvija zbog apsorpcije<br />
UZ.<br />
Povećava se metabolizam stanica, limfni tok i pobuđuje<br />
vazodilatacija uz toplinsko djelovanje.<br />
S porastom frekvencije povećava se apsorpcija pa raste i<br />
toplina.<br />
Najveća srednja površinska gustoća UZ snage bez štete po<br />
zdravlje je približno 1 mW/cm 2 , dok u kratkotrajnim impulsima<br />
može iznositi i do 5 W/cm 2 .<br />
Koristi se kontinuirani i impulsni UZ.
<strong>9.</strong>7.1Toplinsko djelovanje ultrazvuka na tkivo<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Predviđanje praga pri kojem nastaje odumiranje tkiva<br />
(nekroza tkiva) vrlo je važan parametar.<br />
Intenzitet ili temperaturni prag možda nisu najbolji pokazatelji<br />
za veličinu oštećenja tkiva.<br />
Najbolji pokazatelj oštećenja tkiva je termalna doza koja je u<br />
vezi s temperaturom i vremenom, ali kao nelinearna veličina.<br />
Predviđanjem veličine oštećenja potrebno je pronaći prag<br />
termalne doze koja uzrokuje 100% nekrozu tkiva. Po nekim<br />
autorima ovaj prag termalne doze pri temperaturi 43 ˚C je<br />
unutar 50 – 240 min.
Elektroakustika 2007.<br />
Sl. <strong>9.</strong>16. Ovisnost oštećenja tkiva o vremenu izlaganja i<br />
temperaturi.<br />
Porastom temperature i vremena izlaganja tkiva dolazi do<br />
koagulacije proteina i oštećenja tkiva.
<strong>9.</strong>8 <strong>ULTRAZVUK</strong> U KIRURGIJI<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Bazira se na primjeni kavitacije i pomaka vrha sonde (efekt<br />
čekića).<br />
U oftalmološkoj kirurgiji uspješna je upotreba kavitrona koji<br />
emulzira i ispire katarakte (sive mrene), pri čemu se jednaki<br />
princip mehaničkog odstranjivanja tkiva i ispiranja primijenio na<br />
tvrdim tumorima centralnog živčanog sustava. Ovo je bio<br />
početak šire primjene CUSA-e ( Cavitron Ultrasonic Surgical<br />
Aspirator).<br />
Primarna kirurška uloga ultrazvučnih aspiratora je emulziranje<br />
katarakte i odlamanje/ usisavanje tumora na mozgu, otvaranje<br />
komore hidrocefalusa i operacije jetre.<br />
U zubarstvu je primjena na čišćenju zubnog kamenca.
Radna frekvencija<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Za lakše rukovanje ultrazvučnom sondom povoljnije su manje<br />
dimenzije, što uvjetuje i manju dimenziju pretvornika i višu<br />
radnu frekvenciju. Viša frekvencija je povoljnija i zbog manjeg<br />
dosega prostiranja ultrazvučnog polja, zbog većeg prigušenja,<br />
te tako i lokaliziranog djelovanja ultrazvučnog kavitacijskog<br />
aspiratora.<br />
Radno frekvencijsko područje u kojem radi kavitacijski aspirator<br />
20 – 60 kHz.<br />
Piezoelektrički pretvarači rade na oko 25 kHz, a<br />
magnetostrikcijski na 32 kHz.
Dijelovi kirurške sonde<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Sonda je sastavljena od dva dijela – pretvarača i metalnoga<br />
eksponencijalnog nastavka koji služi kao transformator titrajnih<br />
brzina čestica.<br />
Metalni nastavak sonde je izrađen od titana. Titan se koristi<br />
zbog iznimno velikih mehaničkih naprezanja kojima je izložena<br />
sonda (na mjestu “čvora” ubrzanja mogu dosegnuti i oko<br />
360000 g!), ali i zbog lakog održavanja.<br />
Vršak sonde se izrađuje šupalj, a u šupljini se nalaze dvije<br />
cjevčice, od kojih jedna služi za dovod fiziološke otopine, a<br />
kroz drugu se usisava emulgirano tumorsko tkivo mozga koje je<br />
isprano fiziološkom otopinom.<br />
Sl. <strong>9.</strong>17. Detalj vrha<br />
ultrazvučne kirurške sonde
Sl. <strong>9.</strong>18. Presjek ultrazvučnog kirurškog aspiratora.<br />
Elektroakustika 2007.
Sl. <strong>9.</strong>1<strong>9.</strong> Amplituda pomaka ξ i mehaničko opterećenje T<br />
eksponencijalne sonotrode<br />
Sl. <strong>9.</strong>20. Izvedba ultrazvučne kontaktne sonde.<br />
Elektroakustika 2007.
Elektroakustika 2007.<br />
Sl. <strong>9.</strong>21. Nadomjesna shema UZ kirurške sonde s generatorom
Prilikom operacije u lubanji pojavljuje se neravnomjerna<br />
raspodjela zvučnog tlaka. Do nje dolazi zbog refleksija i<br />
efekata fokusiranja, pa na nekim mjestima mogu nastati<br />
Elektroakustika 2007.<br />
vrlo visoke razine zvučnog tlaka, što može oštetiti pojedine<br />
dijelove mozga.<br />
Zato je provedena simulacija razine zvučnog tlaka kako bi<br />
se operateru omogućio optimalni izbor sonde i prilaza<br />
involviranom mjestu (npr. tumoru).<br />
Simulacije su prikazane na sl. <strong>9.</strong>22 i <strong>9.</strong>23.
Elektroakustika 2007.<br />
Simulacija ultrazvučnog polja u lubanji (sl.<strong>9.</strong>22):<br />
UZ izvor<br />
(svjetlije boje označavaju veću razinu polja)<br />
simulacija s jednom s bez dvije refleksija<br />
refleksije refleksijom
Elektroakustika 2007.<br />
Simulacija razine ultrazvučnog polja uz<br />
promjenu lokacije izvora (sl. <strong>9.</strong>23):<br />
UZ izvor<br />
primjeri fokusiranja kada se mijenja položaj izvora zvuka
Estetska kirurgija<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Upotreba ultrazvuka velike snage za potrebe estetske kirurgije<br />
se odnosi na liposukciju, odnosno na otklanjanje masnog tkiva.<br />
Mehanizam koji se iskorištava je emulgacija masnog tkiva pod<br />
djelovanjem ultrazvučnog polja, a koje se potom isisava<br />
posebnom cjevčicom. Primijećen je manji gubitak krvi,<br />
nastanak manjih modrica i posljedica po tkivo prilikom<br />
ultrazvučne operacije. Omogućeno je otklanjanje masnog tkiva<br />
u područjima koja su prije bila nedostupna klasičnom<br />
liposukcijom, kao što su leđa, gornji dio trbušne šupljine i<br />
muška prsa. Jedan od karakterističnih problema koji se javljaju<br />
kod ultrazvuka je paljenje kože.<br />
Ovakve operacije ultrazvukom su već obavljene na tisućama<br />
pacijenata i izvode se od 198<strong>9.</strong>
Sl. <strong>9.</strong>24 Ultrazvučna liposukcija<br />
Elektroakustika 2007.
Razbijanje kamenaca / litotriptori<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Litotriptori su danas široko korišteni ultrazvučni uređaji. Koriste<br />
se za liječenje bubrežnih kamenaca ili kamenaca koji se nalaze<br />
u urinarnom traktu (često uzrokuju bol, a može doći i do većih<br />
komplikacija).<br />
Litotriptori se koriste i za razbijanje žućnih kamenaca. Pritisak<br />
koji se generira ultrazvučnim poljem u točki fokusa je 20 – 120<br />
MPa.
<strong>9.</strong>9 <strong>HIDROAKUSTIKA</strong><br />
Elektroakustika 2007.<br />
Hidroakustika (od grčke riječi χιδορ – voda, ακουστός – čujni)<br />
kao specijalizirana grana znanosti i tehnike danas je našla<br />
široku primjenu u sustavima za promatranje pod morem, u<br />
podvodnim komunikacijama, navigaciji (dubinomjeri, Doppler<br />
-navigacijski sistemi, brzinomjeri i dr.), podvodnoj telemetriji,<br />
podvodnim oružanim sustavima, istraživanju biosfere mora<br />
akustičkim metodama, u području istraživanja podmorja itd.<br />
Podvodni elektroakustički uređaji služe za otkrivanje<br />
podvodnih izvora zvuka (npr. brodskih propelera, podvodnih<br />
navigacijskih uređaja, eksplozija, ribe itd.), za održavanje<br />
podvodne telefonske veze između brodova, ronioca itd., za<br />
otkrivanje raznih podvodnih ciljeva, kao i za općenita<br />
istraživanja podmorja, te flore i faune.
<strong>9.</strong><strong>9.</strong>1 PODVODNA AKUSTIKA<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Širenje zvuka u vodi veoma je važno za tehniku podvodnih<br />
telekomunikacija. Mada nema bitnih razlika u načinu širenja<br />
zvuka u zraku i vodi, postoje ipak svojstva karakteristična<br />
naročito za morsku vodu, koja je najvažnija za podvodne<br />
komunikacije.<br />
Pod normalnim uvjetima brzina zvuka u vodi je 1500 m/s, a<br />
ovisi uglavnom o temperaturi, salinitetu i dubini vode.<br />
Akustički valni otpor vode je oko 3700 puta veći od otpora<br />
zraka i iznosi 15,35×10 6 Ns/m 3 . Kao nulta razina tlaka u vodi<br />
uzima se p 0 =10 -6 N/m 2 = 1µPa.<br />
Slabljenje jakosti zvuka u vodi pokazano je za ravni val<br />
izrazom I=I p ×10 -ax/10 ,<br />
gdje je I p početni intenzitet, x je prevaljeni put i a je koeficijent<br />
gušenja, koji za čistu vodu iznosi a=2,08×10 -15 ×f 2 [dB/cm] (f<br />
je frekvencija).
Elektroakustika 2007.<br />
Brzina zvuka u vodi raste s porastom temperature. Budući da<br />
se temperatura s dubinom mijenja, brzina zvuka na različitim je<br />
dubinama različita, pa dolazi do povijanja zvučne putanje.<br />
Osim toga zvuk se reflektira od površine i od dna. Zbog toga<br />
dolazi do stvaranja mrtvih zona i zvučnih sjena.<br />
Na granici temperaturnih slojeva gdje negativni gradijent<br />
brzine prelazi u pozitivni, dolazi do formiranja tzv. zvučnih<br />
kanala iz kojih zvučni valovi ne mogu izaći jer kanal djeluje kao<br />
akustički valovod. Takvi kanali se formiraju povremeno i na<br />
manjim dubinama i razlogom su neočekivano velikim<br />
dometima.<br />
U oceanima su takvi kanali, na dubinama od oko 1000 m,<br />
stalno prisutni, i omogućuju domete duže od 3000 km.
Najčešće širenje zvuka pod vodom (plitkim<br />
morem) je cilindrično širenje<br />
Sl. <strong>9.</strong>25. Cilindrično širenje plitkim morem<br />
Elektroakustika 2007.
Sl. <strong>9.</strong>26. Promjena smjera širenja zvučnog vala zbog<br />
razlika u brzini<br />
Elektroakustika 2007.
Elektroakustika 2007.<br />
Gubici TL (transmission loss) pri širenju mogu se<br />
razmatrati kao zbroj gubitaka uslijed divergencije čela vala<br />
i gubitaka kao posljedice gušenja.<br />
Gubici uslijed divergencije čela vala karakteriziraju se<br />
slabljenjem zvuka zbog udaljavanja fronte vala od izvora.<br />
Gubici uslijed gušenja određuju se efektom gušenja,<br />
raspršivanja i disipacije energije iz zvučnih kanala.<br />
Gubici širenja akustičke energije na udaljenosti r su:<br />
r2<br />
TL = 20log<br />
+ 10log<br />
r<br />
1<br />
r<br />
r<br />
2<br />
,<br />
a za r 1 = 1m:<br />
TL = 20log<br />
r + 10log<br />
2<br />
r<br />
r<br />
2
Elektroakustika 2007.<br />
Sl. <strong>9.</strong> 27. Koeficijent apsorpcije u moru u ovisnosti o frekvenciji
TL=Transmission Loss, gubitak pri<br />
širenju<br />
I0<br />
TL= 10log<br />
[ dB].<br />
I<br />
Sl. <strong>9.</strong>28a. Nomogrami za izračunavanje gubitaka<br />
1<br />
Elektroakustika 2007.
Sl. <strong>9.</strong>28b. Nomogrami za izračunavanje gubitaka pri<br />
sfernom širenju zvuka u moru (TL = 20 log r + 2αr + 60)<br />
a) pri TL = f(T,f,r) i b) pri TL = f(r), za f = konst.<br />
r = udaljenost od predajnika, T = temperatura<br />
Elektroakustika 2007.
<strong>9.</strong><strong>9.</strong>2 ODJEK (REVERBERACIJA) U MORU<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Ona se javlja kao rezultat velikog broja refleksija od malih tijela<br />
ili nehomogenosti koje se sreću na putu akustičkih zraka. Takve<br />
male prepreke zovu se raspršivači. To mogu biti zračni mjehuri,<br />
čestice čvrstog stanja, neravnine površine ili dna mora, živi<br />
organizmi, promjene gustoće vode zbog promjena temperature<br />
itd.<br />
Širenje akustičke energije u moru praćeno je padom intenziteta<br />
s udaljenošću, zbog čega i intenzitet reverberacije s vremenom<br />
pada.<br />
Vrijeme od trenutka odašiljanja akustičkog vala pa do trenutka<br />
pada intenziteta reverberacije do vrijednosti koja odgovara<br />
granici osjetljivosti prijemnika naziva se interval reverberacije.
Sl.<strong>9.</strong>2<strong>9.</strong><br />
Elektroakustika 2007.<br />
Reverberacija<br />
u moru<br />
Reverberacija ima zbog zbrajanja reflektiranih signala od<br />
velikog broja raspršivača fluktuirajući karakter. No kako se u<br />
moru prostorni raspored raspršivača mijenja, onda se i<br />
reverberacija u nekim vremenskim trenucima pojačava ili slabi.<br />
Reverberacija se superponira na prijemni akustički signal I s i<br />
maskira ga.
<strong>9.</strong><strong>9.</strong>3 UTJECAJ REFRAKCIJE<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Akustički valovi prolazeći kroz slojeve mora u kojima je<br />
njihova brzina širenja različita, prelamaju se i povijaju. Ta se<br />
pojava naziva refrakcija. Budući da brzina zvuka opada s<br />
dubinom, može se uvjetno podijeliti morsku sredinu na niz<br />
horizontalnih slojeva u kojima je brzina zvuka različita (slika).<br />
Akustička zraka koja izlazi iz izvora (točka S) pod kutom ϕ<br />
prema horizontali na granici između dva sloja reflektirat će se<br />
i prelamati (b).<br />
Kut refleksije jednak je upadnom kutu (β 0 = α 0 ), dok se<br />
ovisnost između upadnih i izlaznih kutova izražava Snellovim<br />
zakonom:<br />
c0<br />
c1<br />
=<br />
sinα 0 sinγ<br />
0<br />
.
φ<br />
Elektroakustika 2007.<br />
a) b)<br />
Sl. <strong>9.</strong>30. Povijanje akustičke zrake u moru: a) raspodjela<br />
brzine zvuka; b) prolaz akustičke zrake kroz slojeve mora
Elektroakustika 2007.<br />
Kut γ 0 može biti veći ili manji od kuta α 0 , a od toga zavisi smjer<br />
širenja zraka pri prolazu iz jednog u drugi sloj. Odnos između<br />
kutova α 0 i γ 0 određuje se ovisnošću između brzine akustičkih<br />
valova u prvom c 0 i drugom sloju c 1 .<br />
U zadanom slučaju c 0 > c 1 i prema:<br />
pa je<br />
c 0 sin γ 0 = c 1 sin α 0<br />
α 0 < γ 0<br />
i akustička zraka otklanja se prema dolje, tj. prema slojevima u<br />
kojima je brzina akustičkih valova manja.<br />
Ako nema refleksije od površine mora i dna, a brzina zvuka<br />
opada s dubinom, onda intenzitet akustičkih valova u području<br />
sjenke opada vrlo brzo. Za frekvencije 10 kHz pri gradijentu<br />
brzine zvuka G c = 0,7 s -1 , slabljenje intenziteta je približno<br />
jednako 300 dB/km
<strong>9.</strong><strong>9.</strong>4 IZOTERMIČKI SLOJ<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Ako je gradijent brzine zvuka jednak nuli (G c = 0), što se često<br />
javlja pri konstantnoj temperaturi mora u podpovršinskom sloju<br />
debljine nekoliko metara, onda se formira izotermički sloj.<br />
Ako su izvor zvuka i prijemnik akustičkih valova u izotermičkom<br />
sloju, onda će i smanjenje intenziteta biti neznatno.<br />
Moguća je i takva promjena brzine akustičkih valova kada<br />
pozitivni gradijent brzine zvuka u gornjim slojevima prelazi u<br />
negativni u donjim slojevima. Tada, kao što se i vidi na slici<br />
<strong>9.</strong>31, na granici gdje se gradijent brzine mijenja s pozitivnog na<br />
negativni razdvajaju se akustičke zrake.
Sl. <strong>9.</strong>31. Širenje zvuka u izotermičkom sloju:<br />
Elektroakustika 2007.<br />
a) raspodjela brzine zvuka; b) trajektorije zvučnih zraka
Elektroakustika 2007.<br />
Zraka koja izlazi iz izvora zvuka pod određenim kutom na toj<br />
granici se dijeli na dvije zrake. Jedna zraka se nakon potpune<br />
unutrašnje refleksije povija prema površini, a druga prodire u<br />
donje slojeve i povija se prema dnu. U području ispod granice<br />
stvara se zona akustičke sjene i domet hidroakustičkih<br />
uređaja naglo pada.<br />
<strong>9.</strong><strong>9.</strong>5 POZITIVNA REFRAKCIJA<br />
Ako je gradijent brzine zvuka pozitivan, onda je prisutna<br />
pozitivna refrakcija, i akustičke se zrake povijaju prema<br />
površini mora (slika <strong>9.</strong>32). Općenito širenje akustičke energije<br />
je praćeno višestrukim refleksijama od površine mora.<br />
Gubici energije su neznatni.
Sl. <strong>9.</strong>32. Širenje zvuka pri pozitivnoj refrakciji:<br />
a) promjena brzine; b) trajektorije zvučnih zraka<br />
Elektroakustika 2007.
Elektroakustika 2007.<br />
Neke akustičke zrake u sloju unutar morske sredine trpe<br />
potpunu unutarnju refleksiju. Pri pozitivnoj refrakciji formira<br />
se površinski zvučni kanal, u kojem se akustička energija širi<br />
na velike daljine.<br />
Domet hidroakustičkih uređaja određuje se gušenjem<br />
akustičke energije u površinskim slojevima. Pozitivna<br />
refrakcija se javlja u jesenskim i zimskim mjesecima.
<strong>9.</strong><strong>9.</strong>6 NEGATIVNA REFRAKCIJA<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Ako je gradijent brzine zvuka negativan, onda je prisutna<br />
negativna refrakcija, pri kojoj se akustičke zrake povijaju<br />
prema dnu (slika). Akustičke zrake se reflektiraju od dna. Pri<br />
svakoj refleksiji dio energije prelazi u morsko dno i domet<br />
hidroakustičkih uređaja se smanjuje. Ovaj oblik refrakcije<br />
izrazito je prisutan u proljetnim i ljetnim mjesecima.<br />
Sl. <strong>9.</strong>33. Širenje<br />
zvuka pri<br />
negativnoj<br />
refrakciji<br />
a) raspodjela<br />
brzine;<br />
b) trajektorije<br />
zvučnih zraka
<strong>9.</strong><strong>9.</strong>7 SLOJ SKOKA<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Ako na nekoj dubini leži područje najvećih temperaturnih<br />
gradijenta, promjene dostižu 0,2°/m, slojevi mora od 30 – 50<br />
m ispod izotermičkog sloja su 10 – 15°C hladniji.<br />
Pad temperature izaziva porast gustoće mora na tim<br />
dubinama. Slanost je ovdje do 15% manja u odnosu na<br />
slanost u gornjem sloju. Sloj s visokim gradijentom naziva se<br />
slojem skoka (temperature i gustoće). Nagli pad brzine<br />
akustičkih valova u sloju je do 40 m/s. Ovaj sloj skoka je<br />
izrazit preko ljeta.<br />
U proračunu intenziteta akustičkih valova koristi se pojam<br />
zvučnog lijevka. To je volumen koji zauzima relativno uski<br />
zvučni snop. Pri prijelazu kroz sloj skoka lijevak se širi. Ispod<br />
sloja skoka naglo pada intenzitet akustičkih valova, a prema<br />
tome smanjuje se i domet hidroakustičkih uređaja.
Sl. <strong>9.</strong>34. Širenje zvuka u podvodnom zvučnom kanalu:<br />
a) raspodjela brzine; b) trajektorije zvučnih zraka<br />
Elektroakustika 2007.
<strong>9.</strong><strong>9.</strong>8 PODPOVRŠINSKI KANAL<br />
Elektroakustika 2007.<br />
Podpovršinski zvučni kanal je analogan prizemnom radio<br />
kanalu i karakterističan je za zimski period, kada su profili<br />
temperature dvogradijentni, tj. do određene dubine pozitivan, a<br />
zatim negativan, to je tzv. promiješani sloj. Zvuk se u tom sloju<br />
širi na velike udaljenosti putem refleksija od površine mora.<br />
Sl. <strong>9.</strong>35.<br />
Trajektorije zvučnih<br />
zraka u podpovršinskom<br />
miješanom sloju<br />
debljine 60 m<br />
pri dubini izvora<br />
zvuka 15 m
Elektroakustika 2007.<br />
Zrake koje izlaze iz hidroakustičkog pretvarača pri manjim<br />
kutovima ostaju u sloju, dok se one koje izlaze pod velikim<br />
kutovima gube na većim dubinama.<br />
Ispod podpovršinskog zvučnog kanala, tj. ispod granične zrake<br />
(Θ gr = 1.76°), formira se zona sjene. Međutim, sjena nije<br />
apsolutna jer u nju prodiru zrake koje se raspršuju od morske<br />
površine i iz samog kanala. Ova dva procesa uvjetuju<br />
apsorpciju zvuka iz kanala difuzijom.
<strong>9.</strong><strong>9.</strong>9PODVODNI ZVUČNI KANAL<br />
Elektroakustika 2007.<br />
U podvodnom zvučnom kanalu (PZK), koji se stvara u<br />
dubokim morima, zvučne zrake se višestruko totalno<br />
reflektiraju unutar kanala zbog izražene refrakcije.<br />
Osnovni uvjeti pojave podvodnog zvučnog kanala je formiranje<br />
na nekoj dubini minimuma brzine zvučnih valova pri prijelazu<br />
negativnog gradijenta u pozitivni.<br />
Sl. <strong>9.</strong>36. Širenje<br />
zvuka u<br />
podvodnom<br />
zvučnom kanalu:<br />
a) raspodjela brzine<br />
zvuka;<br />
b)trajektorije<br />
zvučnih zraka
BI3 Elektroakustika 2007.<br />
Os zvučnog kanala je na dubini na kojoj je brzina akustičkih<br />
valova minimalna.<br />
Akustičke zrake reflektiraju se prema slojevima gdje je brzina<br />
najmanja. Upravo zbog toga dolazi i do koncentracije<br />
akustičke energije u uskom sloju. Zrake koje se šire unutar<br />
kanala nose dio isijane energije. Pri tome zrake prolaze veliku<br />
udaljenost i hidroakustički uređaji, čije su antene na dubini<br />
PZK, dostižu vrlo velike domete.<br />
Na primjer, akustički valovi nastali od eksplozije u osi<br />
podvodnog zvučnog kanala šire se na više tisuća kilometara.<br />
Prema podacima US Navy zvuk od eksplozije (eksplozivno<br />
punjenje 22,5 kg) u blizini obale Australije bio je primljen<br />
hidroakustičkim prijemnim uređajima u blizini Bermuda na<br />
dubini od 790 m. To je udaljenost od 19000 km.
Slide 88<br />
BI3 27.11.2003.<br />
bojan; 1.12.2003
Elektroakustika 2007.<br />
ljudski doprinos buci<br />
PROMET BRODOVA<br />
SEIZMIČKA<br />
ISPITIVANJA<br />
SONARI<br />
EKSPLOZIJE<br />
nf 10kHz<br />
INDUSTRIJSKE<br />
AKTIVNOSTI<br />
Sl. <strong>9.</strong>37. Ljudski<br />
doprinos podmorskoj<br />
buci.
prirodni izvori buke<br />
POTRESI<br />
POVRŠINA VODE<br />
VALOVI<br />
OBORINE<br />
Elektroakustika 2007.<br />
VJETAR I PRSKANJE<br />
Sl. <strong>9.</strong>38. Prirodni izvori<br />
podmorske buke<br />
TERMIČKI ŠUM
Literatura<br />
<strong>9.</strong>1 T. Jelaković: Zvuk, sluh, arhitektonska akustika, 2. izdanje, Školska knjiga,<br />
Zagreb, 197<strong>9.</strong><br />
<strong>9.</strong>2 V. Krstelj: Ultrazvučna kontrola, FSB Zagreb, 2003., ISBN 953-6313-54-5<br />
<strong>9.</strong>3 H. Kuttruff: Physik und Technik des Ultraschalls, S. Hirzel Verlag, Stuttgart<br />
1988., ISBN 3-7776-0427-5<br />
<strong>9.</strong>4 Gašparić M: Primjena ultrazvuka velike snage u medicini, FER, Zagreb 199<strong>9.</strong>,<br />
dipl. rad br. 818<br />
<strong>9.</strong>5 D. Evans, N.M. Dicken: Doppler Ultrasound, John Wiley&Sons, Chichester,<br />
2001., ISBN 0-471-97001’8<br />
<strong>9.</strong>6 Brüel&Kjaer: Frequency analysis, Naerum, 1977., ISBN 8787355 14 0<br />
<strong>9.</strong>7 Svilar, D.: Ultrazvučna metoda određivanja mehaničkih konstanti brodskog<br />
vratila, doktorska disertacija, FER, Zagreb 2002.<br />
<strong>9.</strong>8 Brkić I.: Buka u moru i oceanima, FER, Zagreb 2004. dipl. rad br.945<br />
<strong>9.</strong>9 www.sfu.ca/~truax/handbook.html<br />
<strong>9.</strong>10 Štimac, A.: doktorska disertacija, Zagreb, FER 2003.<br />
<strong>9.</strong>11 Ivančević, B. Zorić, I. Sikora, M. Computer Simulation and Measurement of the<br />
Ultrasound Field in a Bounded Plane. // Proceedings of the 10th International<br />
Symposium on Development in Digital Measuring Instrumentation / Napulj : CUEN,<br />
1998.<br />
<strong>9.</strong>12 Urick, R., J. : Principles of underwater sound - 3rd edition, Peninsula<br />
Publishing - Los Altos, 1996.
Izvor slika:<br />
sl. <strong>9.</strong>1 autor<br />
sl. <strong>9.</strong>2 lit. <strong>9.</strong>3<br />
sl. <strong>9.</strong>3 lit. <strong>9.</strong>4<br />
sl. <strong>9.</strong>4 lit. <strong>9.</strong>4<br />
sl. <strong>9.</strong>5 autor<br />
sl. <strong>9.</strong>6 lit. <strong>9.</strong>4<br />
sl. <strong>9.</strong>7 lit. <strong>9.</strong>4<br />
sl. <strong>9.</strong>8 lit. <strong>9.</strong>3<br />
sl. <strong>9.</strong>9 lit. <strong>9.</strong>4<br />
sl. <strong>9.</strong>10 lit. <strong>9.</strong>4<br />
sl. <strong>9.</strong>11 lit. <strong>9.</strong>4.<br />
sl. <strong>9.</strong>12 lit. <strong>9.</strong>9<br />
sl. <strong>9.</strong>13 lit. <strong>9.</strong>9<br />
sl. <strong>9.</strong>14 lit. <strong>9.</strong>9<br />
sl. <strong>9.</strong>15 lit. <strong>9.</strong>9<br />
sl. <strong>9.</strong>16 lit. <strong>9.</strong>4
sl. <strong>9.</strong>17 lit. <strong>9.</strong>4<br />
sl. <strong>9.</strong>18 lit. <strong>9.</strong>4<br />
sl. <strong>9.</strong>19 lit. <strong>9.</strong>10<br />
sl. <strong>9.</strong>20 lit. <strong>9.</strong>10<br />
sl. <strong>9.</strong>21 lit. <strong>9.</strong>10<br />
sl. <strong>9.</strong>22 lit. <strong>9.</strong>11<br />
sl. <strong>9.</strong>23 lit. <strong>9.</strong>11<br />
sl. <strong>9.</strong>24 lit. <strong>9.</strong><strong>9.</strong><br />
sl. <strong>9.</strong>25 lit. <strong>9.</strong>8<br />
sl. <strong>9.</strong>26 lit. <strong>9.</strong>8<br />
sl. <strong>9.</strong>27 lit. <strong>9.</strong>1<br />
sl. <strong>9.</strong>28 lit. <strong>9.</strong>12<br />
sl. <strong>9.</strong>29 lit. <strong>9.</strong>12<br />
sl. <strong>9.</strong>30 lit. <strong>9.</strong>12<br />
sl. <strong>9.</strong>31 lit. <strong>9.</strong>12<br />
sl. <strong>9.</strong>32 lit. <strong>9.</strong>12<br />
sl. <strong>9.</strong>33 lit. <strong>9.</strong>12<br />
sl. <strong>9.</strong>34 lit. <strong>9.</strong>12
sl. <strong>9.</strong>35 lit. <strong>9.</strong>12<br />
sl. <strong>9.</strong>36 lit. <strong>9.</strong>12<br />
sl. <strong>9.</strong>37 lit. <strong>9.</strong>12<br />
sl. <strong>9.</strong>38 lit. <strong>9.</strong>8<br />
sl. <strong>9.</strong>39 lit. <strong>9.</strong>8