13.11.2012 Views

9. ULTRAZVUK I HIDROAKUSTIKA - Fer

9. ULTRAZVUK I HIDROAKUSTIKA - Fer

9. ULTRAZVUK I HIDROAKUSTIKA - Fer

SHOW MORE
SHOW LESS

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

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!