Устройство измерения интенсивности ультразвукового излучения

 

Полезная модель относится к области акустических измерений и может быть использована для измерения интенсивности ультразвукового излучения в жидких средах. Реализация полезной модели осуществляется устройством, которое содержит емкость с дегазированной водой, формирователь газовых пузырьков в жидкости и прибор для регистрации скорости движения пузырька. Совместное действие на сферическую мишень (пузырек) выталкивающей силы и силы радиационного давления приводит к ее направленному движению, скорость которого изменяется пропорционально интенсивности ультразвукового излучения. Задачи предлагаемой полезной модели - повышение чувствительности метода, минимизация искажений, вызванных наличием мишени радиометра, возможность измерения интенсивности при наклонном падении ультразвуковых волн. 1 н.п. ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к области акустических измерений и может быть использована для измерения интенсивности ультразвукового излучения, генерируемого преобразователями медицинского ультразвукового терапевтического и диагностического оборудования в воде.

Известен способ и устройство измерения ультразвуковой мощности излучения, основанный на определении электрической мощности, идущей на нагрев УЗ преобразователя и на нагрев среды за счет ультразвукового излучения (Патент РФ 2152007 от 27.06.2000).

Недостатками известного способа является недостаточная чувствительность к низким уровням интенсивности ультразвукового терапевтического и диагностического оборудования.

Кроме того, известны устройства, реализующие метод, основанный на измерении радиационного давления (ультразвуковые ваттметры, ультразвуковые радиометры, измерители мощности ультразвука в воде) (Ультразвук в медицине. Физические основы его применения. / Под ред. К.Хила, Дж.Бамбера, Г.тер Хаар. М.: Физматлит, 2008, 540 с.).

В частности, наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению является стандартный измеритель мощности ультразвукового излучения ИМУ-4ПМ, генерируемого плоскими излучателями, в виде коллимированного, сфокусированного или расходящегося пучка ультразвуковой энергии в воде при исследованиях технических характеристик УЗ медицинского оборудования (Патент РФ 2297603 от 20.04.2007).

В основу работы измерителей мощности положен метод гравитационного уравновешивания радиационного воздействия ультразвуковой волны, падающей вертикально сверху или снизу на находящуюся в воде мишень (отражающего или поглощающего типа. Радиационное давление PR однозначно связано с интенсивностью ультразвуковых волн, нормально падающих на мишень, формулой:

где I - интенсивность ультразвукового излучения, C0 - скорость звука в среде; R=(zм-z 0)/(zм+z0) - коэффициент отражения ультразвуковых волн от границы среда - мишень, z0,м =0,мС0,м - акустические сопротивления граничащих сред, 0 - плотность среды, м - плотность мишени, См - скорость звука в мишени.

Недостатками прототипа являются искажение акустического поля мишенью, недостаточный уровень чувствительности при измерении малых ультразвуковых интенсивностей, невозможность измерения интенсивности ультразвуковых волн, идущих под углом к поверхности ввода. Указанные недостатки являются следствием ограниченных размеров мишени радиометра (соизмеримых с поперечным сечением поля ультразвукового преобразователя).

Задачи предлагаемой полезной модели - расширение функциональных возможностей за счет повышение чувствительности метода, минимизация искажений, вызванных наличием мишени радиометра, возможность измерения интенсивности при наклонном падении ультразвуковых волн.

Поставленные задачи решаются в соответствии со следующими физическими принципами.

В качестве мишени в предложенном устройстве используется газовый пузырек в жидкости, находящийся в ультразвуковом поле, на который действует равнодействующая сила (FR - сила радиационного давления, FV - выталкивающая сила (сила Архимеда)), приводящая к направленному движению пузырька, со скоростью определяемой формулой Стокса:

где r - радиус пузырька, - вязкость среды.

Выталкивающая сила F V:

где g=9,8 м/c2 - ускорение свободного падения, 0 и - плотность жидкости и пузырька.

Сила радиационного давления:

где k=2/ - волновое число, =0/, µ=C/C0, C0 и С - скорость звука в жидкой среде и в газе пузырька.

Действие указанных сил может приводить к направленному движению пузырька от датчика, к датчику или к состоянию равновесия в зависимости от диаметра пузырька, уровня интенсивности, среды распространения ультразвука.

Согласно формулам (2-4) скорость движения пузырька данного размера определяется интенсивностью ультразвукового излучения. Устройство для измерения интенсивности ультразвукового излучения содержит поверяемое ультразвуковое оборудование, устройство, формирующее газовый пузырек и прибор для регистрации скорости движения и размера пузырька.

Предложенное устройство позволяет быстро и достоверно осуществить измерение интенсивности ультразвукового излучения в реальном масштабе времени для ультразвукового медицинского терапевтического или диагностического оборудования.

Конструкция предлагаемого устройства представлено на фигуре 1.

Устройство для измерения интенсивности ультразвукового излучения, имеет емкость с дегазированной водой, формирователь пузырьков, регулятор размеров пузырьков, компрессор, видеокамеру или ультразвуковой сканер, поглотитель ультразвуковых колебаний.

Устройство для измерения интенсивности ультразвукового излучения работает следующим-образом. На дне прозрачной емкости с водой 2 расположен поглотитель ультразвуковых колебаний 7, на котором установлен формирователь пузырьков 3, который под действием компрессора 5 с использованием регулятора размера 4 создает газовые пузыри различных радиусов r. Излучатель ультразвукового оборудования 1 с возможностью изменения интенсивности излучения I и определенной частотой излучения, излучает ультразвуковую волну. Регистрация скорости движения газовых пузырьков осуществляется с помощью видеокамеры 6 с высоким разрешением. Интенсивность ультразвукового излучения определяется по карте скоростей, которая строится для определенного радиуса пузырька и различных частот. Пример карты скоростей показан на фигуре 2.

Таким образом, предлагаемой способ измерения интенсивности ультразвукового излучения прост в реализации, обладает высокой чувствительностью, применим в широком диапазоне частот для оборудования как импульсного, так и непрерывного излучения и позволяет проводить измерения в реальном масштабе времени.

В зависимости от исследуемого ультразвукового устройства используют для регистрации скорости видеокамеру с высоким разрешением или измеряемый сканер с допплеровским режимом.

Таким образом, предлагаемой способ измерения интенсивности ультразвукового излучения прост в реализации, обладает высокой чувствительностью, применим в широком диапазоне частот для оборудования как импульсного, так и непрерывного излучения и позволяет проводить измерения в реальном масштабе времени.

Устройство измерения интенсивности ультразвукового излучения, включающее емкость с дегазированной водой, на дне которой установлен поглотитель, сферическую мишень, расположенную под излучателем, на которую действуют радиационная и выталкивающая силы, приводящие к направленному движению мишени, отличающееся тем, что дополнительно введены формирователь пузырьков, регулятор их размеров и компрессор, при этом измерение скорости движения пузырька производится с помощью видеокамеры.



 

Наверх