Fala dźwiękowa - Fizyka Człowieka i Fizyka Sportu

WYKŁAD #4
Fala Mechaniczna
Fala Dźwiękowa (Akustyczna)
Fala mechaniczna
fala rozchodząca się w
ośrodkach sprężystych poprzez
rozprzestrzenianie się drgań
tego ośrodka. Przykładami fal
mechanicznych są fale
morskie, fale dźwiękowe, fale
sejsmiczne.
Fale dźwiękowe (fale ciśnieciśnienia) – zaburzenia polegające
na przenoszeniu energii
mechanicznej przez drgające
cząstki ośrodka (zgęszczenia i
rozrzedzenia) bez zmiany ich
średniego położenia. Ośrodki
w których mogą się poruszać,
to ośrodki sprężyste (ciało
stałe, ciecz, gaz).
Fale dźwiękowe, to fale
podłużne
1
2
#4. Fale Mechaniczne
#4. Fale Mechaniczne
Podstawowe parametry opisu fal
Podst. parametry opisu fal – cz.2
λ
prędkość (v) [[m
m\s]
długość fali (λ ) [[m
m]
amplituda (a) [m
[m]
v
a
a
a
Ośrodek
okres (T)
v=
droga λ
=
czas T
[s]
λ
T=
v
x
Częstotliwość (f):
f=
n 1
=
t T
f=
v
λ
[Hz]
Liczba cykli (n) zjawiska okresowego występujących w jednostce czasu (t). W układzie SI jednostką
częstotliwości jest herc (Hz).
Częstotliwość 1 herca odpowiada występowaniu jednego zdarzenia (cyklu) w ciągu 1 sekundy.
Prędkość [m/s]
o
powietrze (w 0 C)
o
powietrze (w 20 C)
o
woda (5 C)
o
woda (15 C)
lód
tkanka tłuszczowa
tkanka mięśniowa
tkanka kostna
szkło
stal
331
343
1400
1450
3230
1480
1570
3360
5100-5640 3
5800
Podział fal dźwiękowych ze względu na częstotliwość
infradźwięki słyszalne
20 Hz
20kHz
ultradźwięki
hiperdźwięki
10MHz
f
4
1
#4. Fale Mechaniczne
Podst. parametry opisu fal – cz.2
Natężenie dźwięku:
I=
E
P
=
t ⋅ S⊥ S⊥
#4. Fale Mechaniczne
Charakterystyka ucha ludzkiego
[W/m2]
 I
Λ = 10 ⋅ log  
 I0 
Miara energii fali akustycznej, równa średniej wartości strumienia energii akustycznej (E)
przepływającego w czasie (t) przez jednostkowe pole powierzchni (S).
Przybliżona skala hałasu:
Na przykład dla punktowego źródła dźwięku emitującego falę kulistą: I(r) = P ⋅ 1
gdzie: r - odległość od źródła dźwięku.
4π r 2
Natężenie fali jest proporcjonalne do amplitudy drgań A:
I ~ A2
Poziom natężenia dźwięku (Λ
(Λ ):
gdzie
W
I0 = 10 −12 2
m
I0 = 10 −12
 I
Λ = 10 ⋅ log 
 I0 
[dB]
10 dB - szmer liści przy łagodnym wietrze
20 dB - szept, cichy ogród
30 dB - bardzo spokojna ulica bez ruchu kołowego
40 dB - szmery w mieszkaniu, darcie papieru
50 dB - szum w biurach
60 dB - odkurzacz dobrej jakości
70 dB - wnętrze głośnej restauracji
80 dB - głośna muzyka w pomieszczeniach, klakson
90 dB - zwykły odkurzacz
100 dB - motocykl bez tłumika
120 dB - śmigło helikoptera w odległości 5 m
160 dB - wybuch petardy
190 dB - prom kosmiczny
6
W
m2
- poziom odniesienia
Moc akustyczna źródła nie jest tym samym, co moc elektryczna dostarczona do przetwornika
elektroakustycznego (np. głośnika), stanowiącego to źródło. Stosunek tych mocy określa sprawność
akustyczną głośnika
5
Dolna granica to granica słyszalno ści, poniżej niej ludzkie ucho nic
nie rejestruje. Natomiast górna granica to tzw. granica bólu - dź więk
jest rejestrowany lecz nie jako zwykłe wrażenie słuchowe, tylko jako
ból. Powy żej tej granicy, szczególnie przy dłuższej ekspozycji, mo że
dojść do trwałego uszkodzenia aparatu słuchowego człowieka.
#4. Fale Mechaniczne
Całkowite wewnętrzne odbicie
Załamanie i odbicie fali
v1
#4. Fale Mechaniczne
v1
<1
v2
Jeżeli v1<v2
v1
α α
sin α
<1
sin β
α<β
ośrodek 1
ośrodek 2
β
sin α < sin β
Prawo załamania (Snella):
n =
sin α v1
=
sin β v2
Możliwe dwa przypadki:
1. v1>v2 (z ośrodka szybkiego do wolnego);
2. v1<v2 (z ośrodka wolnego do szybkiego);
kąt graniczny ((α
α gran)
ośrodek 1
ośrodek 2
v2
β
7
dla α =α gran
β =90o , czyli:
n =
sin α sin α gr .
=
= sin α gr.
sin β
sin 90o
8
2
#4. Fale Mechaniczne
Zjawisko Dopplera
Przykład
Wyliczenie kąta granicznego pomiędzy powietrzem a tk. skórną
fn
fo
Dane:
– prędkość dźw. w powietrzu: v1=340 m\
m\s
– prędkość dźw. w tk. skórnej: v2=1500 m\
m\s
sin α gr. = n =
v1
v2
v
⇒ α gr . = sin −1  1
 v2
vn



fo = fn ⋅
 340 
 = sin −1 (0,23) ≅ 130
 1500 
α gr . = sin −1 
vo
v + vo
v − vn
fo – częstotliwo ść odbierana
fn – częstotliwo ść nadawana
Z.D. polega na zmianie częstosto tliwo ś ci odbitej fali akustycznej
od ruchomej przeszkody.
Zbliżanie się przeszkody do źródła
fali powoduje wzrost
częstotliwo ś ci, a oddalanie zmniejszenie częstotliwo ś ci
odbitej fali. Ró żnica tych
częstotliwo ś ci zwana jest
przesunięciem dopplerowskim.
v – prędko ść d źwięku
v o – prędko ść odbiornika
v n – prędko ść nadajnika
10
9
Zastosowanie:
Ultrasonografia
#4. Fale Mechaniczne
#4. Fale Mechaniczne
Terapia ultradźwiękowa
Badanie USG polega na rejestracji ultradźwięków odbitych od tkanek.
•
•
•
Obrazowanie 2D oznacza obraz dwuwymiarowy powszechnie oglądany w
badaniach USG – obraz odwzorowany na płaszczyźnie. Wiązka USG „omiata”
wachlarzem oglądany obiekt dlatego oglądamy jego kolejne przekroje.
Obrazowanie 3D jest rekonstrukcją trójwymiarową kolejnych przekrojów z
badania 2D. Jest to możliwe dla całkowicie nieruchomych obiektów. Lekarz
przesuwa głowicę, a komputer rejestruje i następnie składa kolejne obrazy
i
Echokardiogram
dopiero po pewnym czasie buduje pojedynczy obraz trójwymiarowy.
Obrazowanie 4D jest prawdziwym obrazowaniem trójwymiarowym.
Jednocześnie rejestrowany jest obraz z wielu „wachlarzy” ultradźwięków.
Otrzymywany jest trójwymiarowy obraz w czasie rzeczywistym, co oznacza, że
można badać także obiekty ruchome. Badanie to wymaga jednak
najnowocześniejszego i bardzo drogiego sprzętu. Konieczne jest użycie
specjalnej głowicy USG generującej jednocześnie wiele wiązek ultradźwięków
oraz komputer o bardzo dużej mocy obliczeniowej. Dlatego jest ono dostępne w
Żel sprzęgający
nielicznych ośrodkach.
11
SoLo Therasonic 3551
ELETRP-ASC-002
(UD + eletroterapia)
Terapia ultrad źwiękowa oznacza masaż głębokich warstw skóry lub mięś ni wykonywany przy pomocy
wibracji o częstotliwo ś ci powy żej 20 KHz. Mikro masaż pobudza krążenie i przepływ limfy, aktywuje
metabolizm komórkowy, podwy ższa poziom pH zakwaszonych tkanek.
Zabiegi ultrad źwiękowe pomocne są w wyrównywaniu zniekształceń skóry powstałych na skutek cellulitu i
12
zwiotczenia.
Sonoforeza - przenikania preparatów farmaceutycznych lub kosmetycznych do głębszych warstw skóry.
3
Terapia ultradźwiękami
Medycyna Estetyczna
Ultradźwięk i mają szerok ie zastosowanie w kosmetyce. Dzięk i nim można przeprowadzić wiele zabiegów
spowalniających proces starzenia się skóry bez żadnego uszczerbk u na zdrowiu, pojawienia się reakcji
alergicznych, bólu, zsinień czy okresu rekonwalescencji. Terapia ultradźwięk ami jast nieinwazyjna, całkowicie
bezpieczna i łagodna, zwięk sza sk uteczność i podnosi jak ość zabiegów oraz potęguje zadziałanie substancji ak ty wnych.
Dane techniczne
Liczba aplikatorów: 1
Częstotliwość: 1 MHz
Częstotliwość impulsowa: 100 Hz
Moc generatora: 15 W
Cykl pracy: od 20% do 100%, skok co
10%
Moc: stała od 0 do 2 W/cm2, impulsowa
(do 70%) od 0 do 3 W/cm 2
Głowica lecznicza: 1 MHz, 5 cm2 z diodą
wskazującą, nadaje się do terapii
podwodnej
Zegar: 0 - 30 min
Waga: 2.1 kg
Wymiary: 28 x 28 x 11 cm
Peeling ultradźwiękowy (kawitacyjny)
Służy on do głębok iej pielęgnacji i regeneracji skóry , a jego zaletą jest brak skutk ów uboczny ch. Działa na sk órę
łagodnie, poprzez przy jemne, naturalne wibracje. Zastosowanie peelingu ultradźwiękowego pozwala na głęboką
regenerację skóry poprzez efek tywne jej odnowienie oraz głębokie oczyszczenie. W rezultacie uzy skujemy
odnowioną, odświeżoną, pełną blask u sk órę, o idealnie zmatowiony m nask órku. Peeling ultradźwiękowy lub k awitacja
ultradźwięk owa to nowy sposób głębok iego oczy szczania sk óry , k tóry jest absolutnie nieinwazyjny i może być stosowany
nawet na najbardziej wrażliwej skórze. Skórę oczy szcza się sondą produkującą ultradźwiękowe wibracje o wy sok iej
częstotliwości, k tóre docierają głęboko w pory i mieszk i włosowe oczy szczając je z nadmiaru sebum - łoju pozbywając się
starych, obumarłych komórek , wydzielin i tłuszczów. Rezultatem jest natychmiastowe oczy szczenie z efek tem
wy gładzającym, jak również dokładne przygotowanie sk óry na lepszą penetrację sk ładnik ami ak tywnymi.
Sonoforeza
to relak sujący i korzy stny sposób głębokiego wtłaczania aktywnych substancji zawartych w kosmetykach.
Ciepło wy tworzone przez ultradźwięk i penetruje głębiej tk ank ę, aby odprężyć sk órę i mięśnie, podczas gdy głębok i
delik atny masaż poprawia przepływ krwi i limfy, metabolizm i regenerację komórek. Ty m samy m ultradźwięk i
ułatwiają penetrację substancjom leczniczym i preparatom, k tóre działają uszczelniająco na naczynia krwionośne
lub przy spieszają leczenie zmian trądzik u pospolitego i różowatego, a tak że preparatom nawilżający m, odżywiający m i
regenerujący m skórę suchą, złuszczającą się, niedotlenioną, wiotk ą, poszarzałą, zmęczoną i dojrzałą. Efek tem tego jest
spły cenie zmarszczek, ujędrnienie, nawilżenie i wy gładzenie skóry , sty mulacja mięśni oraz dok ładne odżywienie.
Ultradźwięk i przy spieszają również metabolizm i rozpad k omórek tłuszczowych, powodując rozpad skupisk tłuszczu,
zwięk szają uk rwienie i poprawiają k rążenie, dzięk i czemu wspomagają odchudzanie i likwidują cellulit - zastosowanie w
zabiegach na ciało.
Ultradźwięk i możemy wykorzy stać w zabiegach dla poszczególny ch problemów sk órnych: zmarszczk i, trądzik , trądzik
różowaty , teleangiektazje, blizny , cellulit, depilacja, zastoje.
13
Sonicator
14
Centrum Medycyny Estetycznej i Kosmetologii: www.image
www.image--kozienice.pl/index.php?module=page&cmd=show&name=offer_med_ultras
BADANIE DOPPLEROWSKIE
ULTRASONOGRAFIA DOPPLEROWSKA
(Doppler)
badania ultrasonograficzne oparte o zjawisko
Dopplera. Zjawisko to zostało wykorzystane w
budowie specjalnych aparatów ultradźwiękowych,
które umożliwiają ocenę przepływu krwi w
naczyniach krwionośnych i sercu.
sercu. Ultradźwięki
odbite od poruszającej się masy krwinkowej
powracają do sondy z inną niż wyjściowa
częstotliwością. Różnica tych częstotliwośc i jest
podstawą uzyskiwania obrazów dopplerowskich.
CZEMU SŁUŻY BADANIE? W ultrasonografii
dopplerowskiej można ustalić, czy widoczna struktura
anatomiczna jest naczyniem krwionośnym, czy istnieje w
niej ruch krwi i jaki ma charakter - korkowy, laminarny
czy burzliwy, jaki jest kierunek przepływu krwi. Można
też tą metodą ocenić zmiany prędkości przepływu krwi w
miejscu przeszkody wewnątrznaczyniowej czy
przewężenia całego naczynia, przedstawić unaczynienie
patologicznego guza oraz obliczyć ilościowe parametry
przepływu krwi.
Wysłana przez głowicę fala ultradźwiękowa
(f=2,5 MHz) zaczyna przemierzać ciało. Odbija
się od ośrodka będącego w ruchu (np. od
płynącej krwi) i powraca do głowicy.
Głowica połączona jest przewodem z aparatem
ultrasonograficznym, który rejestruje zmiany
częstotliwości fali ultradźwiękowej odbitej od
płynącej krwi i przedstawia to na monitorze.
15
4