Strona główna

Ćwiczenie 2 ogólne warunki pomiarów pola I przetworników ultradźwiekowych


Pobieranie 37.82 Kb.
Data19.06.2016
Rozmiar37.82 Kb.

Ćwicz. 2 ultradźwięki w medycynie UwM


Ćwiczenie 2

OGÓLNE WARUNKI POMIARÓW POLA I PRZETWORNIKÓW ULTRADŹWIEKOWYCH

Badanie parametrów pola ultradźwiękowego (akustycznego) wymaga prowadzenia pomiarów w jednorodnym polu swobodnym - teoretycznie nieograniczonym. W warunkach laboratoryjnych pole takie uzyskuje się poprzez wytłumienie ścian basenu pomiarowego (w akustyce przez zastosowanie specjalnie zbudowanych do tego celu komór bezechowych). W przypadku niedostatecznego wytłumienia odbić stosuje się dodatkowo inne metody ich eliminacji. Najczęściej jest to metoda impulsowa. Metoda ta polega na tym, że przetwornik pobudzany jest kluczowanym sygnałem sinusoidalnym. Ponieważ wszystkie sygnały odbite od ścian basenu docierają do hydrofonu później niż sygnał docierający bezpośrednio, zatem pojawiają się one w różnych momentach tym samym można np. za pomocą oscyloskopu je oddzielić (dokonać separacji) rys.1.1 i rys.1.2. Metoda jest poprawna pod warunkiem, że hydrofon i przetwornik są na tyle daleko od ścian basenu, iż możliwa jest obserwacja impulsu dochodzącego bezpośrednio do hydrofonu bez wpływu jakiegokolwiek odbicia. W przypadku basenu o małych wymiarach rozwiązaniem jest tu zastosowanie krótkich impulsów kluczujących. Jednakże stosowanie zbyt krótkich impulsów ograniczone jest stanem nieustalonym sygnałów odbieranych. Sygnał nadawany musi być na tyle długi by obraz na oscyloskopie przedstawiał sygnał odebrany z wyraźną częścią już ustabilizowaną.

Na rys. 1.1 pokazane zostały niektóre drogi przejścia sygnału ultradźwiękowego od przetwornika do hydrofonu w basenie pomiarowym.




Rys.1.1 Drogi propagacji fali ultradźwiękowej w basenie pomiarowym: 1 – fala bez odbić, 2-5 odbicia

Na kolejnym rysunku rys. 1.2 pokazane zostały sygnały zarejestrowane na oscyloskopie w podobnych warunkach propagacji. Widać tu pierwszy sygnał nadawany następnie, po krótkim opóźnieniu, impuls odebrany i tuż zanim szereg odbić.

Parametry sygnału odseparowanego od odbić (pierwszy sygnał zaraz po odbiorze) są, przy poprawnie dokonanej separacji, równoważne parametrom sygnału ciągłego propagowanego w ośrodku swobodnym (nieograniczonym).


Rys 1.2 Sygnał akustyczny zarejestrowany w basenie pomiarowym

Podstawy propagacji fal: rozprzestrzenianie i tłumienie.

Podstawy propagacji fal: rozprzestrzenianie i tłumienie.

Przetwornik rurkowy 47kHz w basenie i odsuwany hydrofon (pomiar za pomocą miarki i czasu propagacji na oscyloskopie).



Podstawy propagacji fal (powietrze a woda) skupianie fal – pole bliskie i pole dalekie.

Przetwornik dyskowy i odsuwany hydrofon.

Pomiar odległości i amplitudy na oscyloskopie (za pomocą przymiaru). Pomiar prędkości propagacji - wyliczanie długości fali.

Matryca z głośnikami i odsuwany mikrofon. Pomiar odległości i amplitudy na oscyloskopie. Pomiar prędkości propagacji i długości fali.
Przetworniki – czułość i poziom źródła (hydrofony)

Przeznaczenie i budowa przetworników i hydrofonów. Parametry przetworników i hydrofonów: poziom źródła, czułość, charakterystyka kierunkowa w polu dalekim (apertura) pasmo pracy – krzywe kalibracyjne dołączone –przez producenta.



Wprowadzenie

Cechą fal ultradźwiękowych (dźwiękowych) jest ich propagacja wyłącznie w ośrodkach. Nie rozchodzą się one w próżni. Napromieniowywany obszar można umownie podzielić na strefy: pola bliskiego i dalekiego. Pierwsza z nich ma miejsce tuz przy źródle fali (powierzchni promieniującej). W tym obszarze moc wypromieniowanej fali jest skupiona i prawie nie ulega rozproszeniu na boki [1-5]. W obszarze pola dalekiego następuje coraz silniejsze rozpraszanie fali - w dużej odległości równomiernie we wszystkich kierunkach. Ponieważ powierzchnia jest zależna od kwadratu promienia zatem spadek gęstości mocy jest odwrotnie proporcjonalny do kwadratu promienia. Przez gęstość mocy rozumie się część mocy przypadającej na 1m2 napromieniowanej powierzchni [1-5]. Po odpowiednich przekształceniach (korzysta się tu z warunku, iż gęstość mocy jest proporcjonalna do kwadratu ciśnienia fali ultradźwiękowej w miejscu jej pomiaru) otrzymuje się wzór na amplitudę ciśnienia P fali w punkcie oddalonym od źródła o R.

P=Po/R (1)

gdzie:


Po - amplituda ciśnienia fali w jednostkowej odległości od źródła.
Spadek gęstości mocy wraz z odległością powoduje, iż sygnał docierający do celu jest coraz słabszy. W technice USG sygnał po odbiciu wraca do głowicy ulegając ponownemu rozproszeniu. Prowadzi to do zjawiska, iż wielkość echa silnie zależy od położenia obiektu. Obiekty położone bliżej głowicy dają silne echo i echo to gwałtownie maleje wraz z ich oddalaniem się. Spadek mocy echa spowodowany rozpraszaniem się fali kompensuje się w urządzeniach USG poprzez czasową regulację wzmocnienia toru odbiorczego. Okazuje się jednak, iż na spadek echa poza rozpraszaniem wpływa tłumienie. Wyjaśnienie tego zjawiska jest bardzo skomplikowane i szeroko opisywane w literaturze [1-5]. Można tu stwierdzić, iż tłumienie powoduje przekształcanie akustycznej mocy fali na innego rodzaju moc np. ciepło. Badania wykazały iż tłumienie fali jest zależne od częstotliwości – im wyższa częstotliwość tym silniejsze jest tłumienie.
W ćwiczeniu poza pomiarami podstawowych parametrów falowych (prędkość propagacji fali w wodzie) dokonuje się badań jej rozpraszania. Badania dokonywane są na niskich częstotliwościach oraz krótkich stosunkowo odległościach (do 2m) co powoduje , iż wpływ tłumienia na falę jest niezauważalny.

Na rys.1.3 pokazany jest schemat blokowy zestawu pomiarowego. Zestaw składa się z bramki 4440 która zamienia sygnał harmoniczny z generatora (Analizatora 2010) na kluczowany. Sygnał ten po wzmocnieniu (Wzmacniacz mocy) pobudza przetwornik i w postaci fali ultradźwiękowej dociera do hydrofonu. Po wzmocnieniu sygnału z hydrofonu w analizatorze 2010 jest on obserwowany jest na oscyloskopie (AC). Na oscyloskopie widoczny jest też sygnał nadawany (Monitoring) oraz impuls bramki synchronizujący oscyloskop. Należy pamiętać, że pomiary można dokonywać po poprawnym ustawieniu przetwornika i hydrofonu (przetworników) na jednakowej głębokości i w osi akustycznej – sygnał odbierany jest wówczas maksymalny.


Monitoring

AC

Oscyloskop

HP 54501A







Synch.


Wzmacniacz sygnałowy

Wzmacniacz

mocy

Bramka

4440



Gen.

Stół obrotowy



Wej. Mic.













Basen pomiarowy


Przetwornik



Hydrofon




Rys.1.3 Schemat blokowy zestawu do pomiaru poziomu źródła i charakterystyki kierunkowej.

parametry przetwornika

Napięciowa odpowiedź nadawcza TVR - jest to zdolność przetwarzania sygnału elektrycznego na falę ultradźwiękową. Definiuje się go jako wielkość ciśnienia wyrażonego w decybelach (w stosunku do jednostkowego ciśnienia 1Pa – w akustyce w stosunku do przyjętego progu czułości ucha ludzkiego tj. 1pW czyli ciśnieniowo w powietrzu 20Pa [5]) wypromieniowanej przez przetwornik fali ultradźwiękowej w odległości 1m na osi akustycznej. TVR określa się dla pobudzenia przetwornika sygnałem elektrycznym o jednostkowej wartości mocy.

Zwykle, TVR mierzy się na innej odległości (zazwyczaj większej) niż 1m. Może to wynikać np. z konieczności spełnienia warunku pola dalekiego. Wówczas korzysta się z faktu, iż w polu dalekim fala w ośrodku nieograniczonym ma charakter sferyczny, co oznacza, że ciśnienie P maleje wraz odległością hiperbolicznie. Fakt ten prowadzi do następującego wzoru na znormalizowany poziom źródła SPL.



(1)

gdzie:


P – wartość skuteczna ciśnienia fali ultradźwiękowej (Pa) mierzonej w odległości d od przetwornika (w metrach),

U – wartość skuteczna napięcia (V) sygnału pobudzającego przetwornik.

P0 =1Pa (wartość skuteczna), d0=1m, U0=1V (wartość skuteczna).

Wzór (1) opisuje TVR przy pobudzeniu napięciowym.



Czułość przetwornika określa wielkość sygnału elektrycznego powstałego na jego zaciskach elektrycznych pod wpływem pobudzającej go fali ultradźwiękowej z ciśnieniem chwilowym 1Pa. Przyjęto wyrażać ją w skali liniowej - MT oraz w skali logarytmicznej w dB liczonej w stosunku do jednostkowej czułości 1V/1Pa lub 1V/1Pa - VR.

Czułość przetwornika mierzy się najczęściej, poprzez porównanie jego własności odbiorczych z hydrofonem o znanej (kalibrowanej) czułości. W celu dokonania takiego pomiaru należy wyemitować z dowolnego przetwornika pomocniczego falę ultradźwiękową. W pewnej odległości od tego przetwornika, spełniającej warunek pola dalekiego oraz możliwości eliminacji odbić, umieszcza się w basenie w to samo miejsce na przemian przetwornik badany oraz hydrofon i rejestruje na ich zaciskach napięcia. Relacja tych napięć zawiera informację o różnicy czułości pomiędzy hydrofonem a badanym przetwornikiem. Czułość określa się tu z następującego wzoru (2):


w skali liniowej , w decybelach (2)

gdzie:


UT – napięcie na przetworniku,

Uh – napięcie na hydrofonie,

Mh – czułość hydrofonu w skali liniowej, Mh0 czułość jednostkowa (1V/Pa) albo (1V/1Pa).

Charakterystyka kierunkowa


Własności kierunkowe stosowanych w hydroakustyce przetworników wykorzystywane są dla poprawy transmisji i odbioru sygnałów, zarówno w systemach hydroakustycznych jak i hydrokomunikacyjnych. Kierunkowość hydroakustycznych przetworników nadawczych - pozwala na koncentrację wypromieniowanego dźwięku w pożądanym kierunku, ogólnie na odpowiednie formowanie pola akustycznego. Z kolei, kierunkowość przetworników odbiorczych, umożliwia określenie kierunku z którego przychodzi sygnał, przy jednoczesnej redukcji szumów przychodzących z innych kierunków względem sygnału odebranego.
3. Zadania

3.1 Uruchomić układ pomiarowy – w tym celu:

3.2 Podłączyć do wyjścia wzmacniacza mocy przetwornik.


    1. Zamocować pręt z przykręconym do niego przetwornikiem w uchwycie stołu obrotowego. Przetwornik powinien być wówczas zanurzony na głębokość ok. 1m.

    2. Zanurzyć w basenie na taką samą głębokość hydrofon (drugi przetwornik). Odsunąć go od przetwornika na odległość ok.1m (należy zadbać o to by zarówno przetwornik jak i hydrofon nie były w zbyt bliskiej odległości od siebie jak i ścian, dna i powierzchni basenu).

    3. Skierować przetwornik w kierunku hydrofonu (przetworniki na siebie).

    4. Sprawdzić czy częstotliwość wysyłania impulsów nie jest za wysoka (wszystkie sygnały z poprzedniej transmisji powinny być wytłumione przed wysłaniem następnego impulsu).

    5. Ustawić czas trwania impulsu nadawanego tak by w ramach odbieranego impulsu można było wydzielić obszar w stanie ustalonym (proponuje się przyjąć <300s).

    6. Ustawić (przestrajając generator) częstotliwość rezonansową przetwornika (maksimum sygnału odbieranego) i zanotować ustawione parametry.

    7. Pomierzyć (dokonać odczytów z ekranu oscyloskopu):

d – odległość przetwornik hydrofon

t – czas przelotu fali od przetwornika do hydrofonu,

Ug –napięcie na zaciskach przetwornika (odczytać napięcie z wyjścia monitorowego wzmacniacza mocy, napięcie to jest 10 razy mniejsze od napięcia na przetworniku),

Ur – amplitudę sygnału odbieranego (bez odbić),

Kh – wzmocnienie toru odbiorczego odczytać na podstawie ustawień pokręteł wzmocnienia. Dla ustawień zakresu 10V wzmocnienie wynosi 0dB tj. 1/1 każde skokowe przestawienie zarówno pokrętła po lewej stronie (zakres) jak i prawej (mnożnik) w lewą stronę powoduje wzrost wzmocnienia o 10dB. Np. Ustawienie 100mV x 1 odpowiada wzmocnieniu 40dB (100razy) To samo wzmocnienie uzyska się np. przy nastawach 1V x 0.1. Wzmocnienie to można również odczytać na podstawie wskaźnika zakresu (tuż pod skalą) liczonego w stosunku do 10V.

3.10 Powtórzyć pomiary dla trzech różnych odległości przetwornik hydrofon (np. 0.1m, 0.3m, 1.5m).

3.11 Włączyć system pomiaru charakterystyki kierunkowej i dokonać jej badania – szczegóły podaje prowadzący.

4. Opracowanie

4.1 Zestawić wyniki pomiarowe w postaci stabelaryzowanej i obliczyć:

- prędkość propagacji fali (stosunek d do t),

4.2 Wykreślić krzywą zmian napięcia odbieranego w funkcji czasu t (odległości d).

4.3 Obliczyć TVR przetwornika i podać jego częstotliwość rezonansową.

4.3 Zamieścić wnioski i uwagi.



5. Literatura

[1] R.J. Bobber, „Underwater electroacoustic measurements” 1970.

[2] L.W. Camp, „Underwater Acoustics” J. Wiley New York, 1970.

[3] Salamon R.: „Systemy hydrolokacyjne”, Gdańskie Tow. Nauk., Gdańsk 2006,

[4] Śliwiński A. „Ultradźwięki i ich zastosowania” – wydanie drugie, zmienione, WNT, Warszawa 2001.

[5] Żyszkowski Z. „Podstawy elektroakustyki”, WNT, Warszawa, jedno z kilku wydań, np. II z 1966.




zaoczne-ultradźwięki w medycynie 2 19/06/2016


©snauka.pl 2016
wyślij wiadomość