Особенности распространения ультразвука в тканях тела человека

Физически тело человека представляет собой неоднородную среду с участками различной плотности и акустических свойств, разделёнными фазовыми поверхностями на различные области.

При прохождении ультразвука в теле человека имеются следующие особенности:

1) Скорость ультразвука в тканях тела человека зависит от вида ткани и тканевой среды. Её значения (м/с) для отдельных тканей следующие:

кровь 1543

кость 3270

мышцы 1568

печень 1570

2) Ткани тела человека сильно рассеивают и отражают ультразвук. Причина — морфологическая неоднородность тканей, наличие множественных поверхностей раздела,
различия в акустических сопротивлениях. Например, акустическое
сопротивление черепа и крови различаются в 3.5 раза.

3) В тканях тела человека происходит сильное ослабление ультразвуковой волны вследствие её поглощения. Пример: значение коэффициента поглощения черепа в 14 раз больше коэффициента поглощения мозга.

1. Волновое сопротивление и отражение

Волновое сопротивление - сопротивление, которое встречает электромагнитная волна при распространении вдоль однородной линии без отражения:

где U _п и I _п - напряжение и ток падающей волны;

U _от и I _от - то же отраженной волны.

Таким образом, величина волнового сопротивления не зависит от длины кабельной линии и постоянна в любой точке цепи.

В общем виде волновое сопротивление - комплексная величина и может быть выражена через действительную и мнимую части:

В табл. 3-1 приведены формулы для расчета Z _в α θ β.

Волновое сопротивление коаксиального или одножильного кабеля в металлической оболочке

У изоляционных материалов, у которых диэлектрическая проницаемость почти не зависит от частоты,

где 3335,8 - постоянная, принятая МЭК; - коэффициент укорочения длины волны.

При расчете радиочастотных кабелей стремятся получить оптимальную конструкцию, обеспечивающую высокие электрические характеристики при наименьшем расходе материалов. Так, например, при использовании меди для внутреннего и внешнего проводников радиочастотного кабеля минимальное затухание достигается при отношении , ом, максимальная электрическая прочность - при , ом и максимум передаваемой мощности - при , ом.

Точность и стабильность параметров кабеля зависят от величины допусков диаметров внутреннего и внешнего проводников и стабильности ε.

Зависимость волнового сопротивления симметричного кабеля от частоты приведена на рис. 3-7. Модуль волнового сопротивления Z _B с изменением частоты уменьшается от при f = 0 до и остается неизменным во всей области высоких частот. Угол волнового сопротивления равен нулю при f = 0 и на высоких частотах. На тональных частотах (f ≈ 800 гц) угол волнового сопротивления - наибольший. В кабельных линиях преобладает емкостная составляющая волнового сопротивления, и поэтому угол волнового сопротивления всегда отрицателен, а по величине не превышает 45°.

Рис. 3-7. Зависимость волнового сопротивления симметричного кабеля от частоты.

В кабельной линии, однородной по электрическим характеристикам на всем протяжении от генератора до приемника, с нагрузкой по концам, имеющей сопротивление, равное волновому (Z _r = Z _n = Z _B), вся передаваемая электромагнитная анергия полностью поглощается приемником без отражения.

В неоднородных линиях и при несогласованных нагрузках в местах электрических несогласованности возникают отраженные волны и часть энергии возвращается к началу линии. Передаваемая энергия при несогласованной нагрузке значительно меньше, чем при согласованной.

Отраженные волны искажают частотную характеристику собственного волнового сопротивления кабеля. В этом случае на входе линии не волновое, а входное сопротивление Z _вх.

Соотношение между энергией, поступающей к приемнику, и энергией отраженной зависит от сопротивлений приемника Z _B и волнового Z _B и характеризуется коэффициентом отражения

При согласованной нагрузке (Z _n = Z _в) коэффициент отражения равен нулю, и энергия полностью поглощается приемником. При коротком замыкании (Z _п = 0) и режиме холостого хода (Z _n = ∞) коэффициенты отражения равны соответственно - 1 и + 1.

Для обеспечения хорошего качества связи и телевизионной передачи по коаксиальному кабелю необходимо, чтобы отклонение волнового сопротивления ΔZ не превышало 0,45 ом, что соответствует коэффициенту отражения

В результате деформаций или наличия эксцентриситета в расположении внутреннего проводника по отношению к внешнему параметры кабеля могут оказаться неравномерно распределенными по его длине. В местах неоднородностей происходят отклонения волнового сопротивления от номинального.

Волновое сопротивление спиральных кабелей (кабелей задержки)

Волновое сопротивление двухкоаксиальных кабелей (с индивидуальными экранами поверх изоляции) вычисляют по формулам для коаксиальных кабелей; оно равно сумме волновых сопротивлений обоих кабелей.

Волновое сопротивление симметричного кабеля в области частот f = 15 000 кгц и выше:

неэкранированного

экранированного

Входным сопротивлением Z _вх называется сопротивление на входе линии при любом нагрузочном сопротивлении на ее конце и выражается отношением напряжения U ₀ к току I _oв начале линии:

где .

Таблица 3 - 1

Приближенные формулы для расчета вторичных параметров передачи кабелей связи

Область применения формул	Соотношение между R и ωL	Расчетные формулы
α, неп/км	β, рад/км	Z в, ом
Постоянный ток (f = 0)	ωL = 0
Тональные частоты (f < 800 гц)
Высокие частоты и кабели с повышенной индуктивностью
Промежуточные частоты

Волново́е сопротивле́ние

в акустике, в газообразной или жидкой среде — отношение звукового давления р в бегущей плоской волне (См. Волны) к скорости v колебания частиц среды. В. с. характеризует степень жёсткости среды (т. е. способность среды сопротивляться образованию деформаций) в режиме бегущей волны. В. с. не зависит от формы волны и выражается формулой: p/v = ρ c,где ρ — плотность среды, с — скорость звука. В. с. представляет собой Импеданс акустический среды для плоских волн. Термин «В. с.» введён по аналогии с В. с. в теории электрических линий; при этом давление соответствует напряжению, а скорость смещения частиц — электрическому току.

В. с. — важнейшая характеристика среды, определяющая условия отражения и преломления волн на её границе. При нормальном падении плоской волны на плоскую границу раздела двух сред коэффициент отражения определяется только отношением В. с. этих сред; если В. с. сред равны, то волна проходит границу без отражения. Понятием В. с. можно пользоваться и для твёрдого тела (для продольных и поперечных упругих волн в неограниченном твёрдом теле и для продольных волн в стержне), определяя В. с. как отношение соответствующего механического напряжения (См. Напряжение), взятого с обратным знаком, к скорости частиц среды.

Отраже́ние — физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт возвращается в среду, из которой он пришёл. Одновременно с отражением волн на границе раздела сред, как правило, происходит преломление волн (за исключением случаев полного внутреннего отражения).

В акустике отражение является причиной эха и используется в гидролокации. Вгеологии оно играет важную роль в изучении сейсмических волн. Отражение наблюдается на поверхностных волнах в водоёмах. Отражение наблюдается со многими типами электромагнитных волн, не только для видимого света. Отражение УКВ и радиоволн более высоких частот имеет важное значение для радиопередач и радиолокации. Даже жёсткое рентгеновское излучение и гамма-лучи могут быть отражены на малых углах к поверхности специально изготовленными зеркалами. В медицине отражение ультразвука на границах раздела тканей и органов используется при проведении УЗИ-диагностики.

Количественно коэффициент отражения равен отношению потока излучения, отраженного телом, к потоку, упавшему на тело^[1]:

Сумма коэффициента отражения и коэффициентов поглощения, пропускания и рассеяния равна единице. Это утверждение следует из закона сохранения энергии.

В тех случаях, когда спектр падающего излучения настолько узок, что его можно считать монохроматическим, говорят о монохроматическом коэффициенте отражения. Если спектр падающего на тело излучения широк, то соответствующий коэффициент отражения иногда называют интегральным.

В общем случае значение коэффициента отражения тела зависит как от свойств самого тела, так и от угла падения, спектрального состава и поляризации излучения. Вследствие зависимости коэффициента отражения поверхности тела от длины волны падающего на него света визуально тело воспринимается как окрашенное в тот или иной цвет.

2. Угол падения равен углу отражения

α=β

1. Проникновение механических волн из одной среды в другую

При переходе волны из одной среды в другую ее скорость изменяется.

Законы отражения волн от границы раздела двух сред:

Первый закон: луч падающей волны, луч отраженной волны и перпендикуляр, восстановленный в точке падения к границе раздела сред, лежат в одной плоскости.

Второй закон: угол падения равен углу отражения.

На границе раздела двух сред с различными свойствами происходит не только отражение волн, но и их преломление. Преломление - изменение направления распространения волны при переходе из одной среды в другую.

Законы преломления волн:

Первый закон: падающий луч, преломленный луч и перпендикуляр, восстановленный в точке падения к границе раздела сред, лежат в одной плоскости.

Второй закон: при любых углах падения отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для данный двух сред величина постоянная, называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Относительный показатель преломления показывает во сколько раз скорость волны в первой среде больше (или меньше) скорости волны во второй среде.

* При преломлении частота колебаний волн не меняется.

Второй закон отражения, как и второй закон преломления, доказываются с помощью принципа Гюйгенса.

1. Вязкость жидкостей и типы жидкостей. Уравнение неразрывности