Ультразвук. Основные свойства ультразвука. Действие ультразвука на биологические ткани.

Ультразвук. Основные свойства ультразвука. Действие ультразвука на биологические ткани.

Ультразвук (УЗ)- механические колебания и волны с частотами более 20 кГц (верхний предел уз-ых частот можно считать 10⁹-10¹⁰ Гц, предел определяется межмолекулярными расстояниями и зависит от агрегатного состояния вещества, в котором распространяется уз-ая волн).

· по физической природе УЗ, как и звук, является механической (упругой) волной

· длина волны УЗ существенно меньше длины звуковой волны

· дифракция волн (явление, которое проявляет себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн) зависит от соотношения длины волны и размеров тел, на которых волна дифрагирует

· отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений

· скорость распространения уз-ых волн и их поглощение зависят от состояния среды

· сжатия и разрежения, создаваемые УЗом, приводят к образованию разрывов сплошности жидкости – кавитаций. Кавитации существуют недолго и быстро захлопываются, при этом в небольших объемах выделяется значительная энергия, происходит разогревание вещества, а также ионизация и диссоциация молекул

Действие ультразвука на биологические ткани:

§ микровибрации на клеточном и субклеточном уровне

§ разрушение биомакромолекул

§ перестройку и повреждение биологических мембран, изменение проницаемости мембран

§ тепловое действие

§ разрушение клеток и микроорганизмов

Методы диагностики (локационные методы с использованием импульсного излучения): эхоэнцефалография-определение опухолей и отека головного мозга; уз-ая кардиография- измерение размеров сердца в динамике; ультразвуковая локация для определения размеров глазных сред.

Уз-ая физиотерапия с использованием аппарата УТП-ЗМ (частота=800 кГц; средняя интенсивность около 1 Вт/см² и меньше.

УЗ используют:

o как «уз-ой скальпель», способный рассекать и мягкие, и костные ткани

o способность УЗ дробить тела, помещенные в жидкость, и создавать эмульсии (при изготовлении лекарств)

o уз-ой остеосинтез - метод «сваривания» поврежденных или трансплантируемых костных тканей

o для стерилизации

o уз-ая локация с помощью прибора (для слепых)

Датчики.Их типы.Характеристика

Датчик — понятие систем управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.

Классификация по виду выходных величин

· Активные (генераторные)

· Пассивные (параметрические)

Классификация по измеряемому параметру

§ Датчики давления

§ абсолютного давления

§ избыточного давления

§ разрежения

§ давления-разрежения

§ разности давления

§ гидростатического давления

§ Датчики расхода

§ Механические счетчики расхода

§ Перепадомеры

§ Ультразвуковые расходомеры

§ Электромагнитные расходомеры

§ Кориолисовые расходомеры

§ Вихревые расходомеры

§ Уровня

§ Поплавковые

§ Ёмкостные

§ Радарные

§ Ультразвуковые

§ Температуры

§ Термопара

§ Термометр сопротивления

§ Пирометр

§ Датчик концентрации

§ Кондуктометры

§ Радиоактивности (также именуются детекторами радиоактивности или излучений)

§ Ионизационная камера

§ Датчик прямого заряда

§ Перемещения

§ Абсолютный шифратор

§ Относительный шифратор

§ LVDT

§ Положения

§ Контактные

§ Бесконтактные

§ Фотодатчики

§ Фотодиод

§ Фотосенсор

§ Датчик углового положения

§ Сельсин

§ Преобразователь угол-код

§ RVDT

§ Датчик вибрации

§ Датчик Пьезоэлектрический

§ Датчик вихретоковый

§ Датчик механических величин

§ Датчик относительного расширения ротора

§ Датчик абсолютного расширения

§ Датчик дуговой защиты

Классификация по принципу действия

§ Оптические датчики (фотодатчики)

§ Магнитоэлектрический датчик (На основе эффекта Холла)

§ Пьезоэлектрический датчик

§ Тензо преобразователь

§ Ёмкостной датчик

§ Потенциометрический датчик

§ Индуктивный датчик

Классификация по характеру выходного сигнала

§ Дискретные

§ Аналоговые

§ Цифровые

§ Импульсные

Классификация по среде передачи сигналов

§ Проводные

§ Беспроводные

Классификация по количеству входных величин

§ Одномерные

§ Многомерные

Классификация по технологии изготовления

§ Элементные

§ Интегральные

Обобщенные характеристики датчиков принято разделять на статические, динамические и эксплуатационные.

Основным показателем датчика, характеризующим его статическую точность, является чувствительность, под которой понимают отношение изменения выходной величины у, или его приращения Ау, к соответствующему изменению входной х:

S=y/х

Порог чувствительности, или разрешающая способность, — наименьшее Ах, способное вызвать реакцию прибора или датчика. Важную роль играет мощность входного и выходного сигналов.

Чувствительность датчика зависит от вида его статической характеристики, которой является аналитически или графически выраженная зависимость выходной величины от входной. Желательно, чтобы характеристика была линейной, непрерывной и без гистерезиса (с однозначным выходным сигналом). У датчиков с линейной характеристикой (выходной сигнал Ау) чувствительность постоянна во всем диапазоне измерений, что дает возможность делать шкалу прибора равномерной.

Большое значение имеет динамическая характеристика датчика — зависимость выходного сигнала от входного во времени, особенно при измерениях в нестационарных условиях. Инерционность датчика — важнейшая динамическая характеристика, о которой судят по динамической постоянной Тг и времени запаздывания т. По динамическим свойствам датчики теплотехнических процессов обычно относят к апериодическим и колебательным звеньям первого и более высоких порядков.

Тепловое излучение тел. Характеристика теплового излучения. Закон Кирхгоффа

В тех случаях, когда необходимая энергия сообщается нагреванием, то есть подводом тепла, излучение называется тепловым или температурным.

Тепловое излучение может находиться в состоянии термодинамического равновесия с нагретыми телами – равновесное (чёрное) излучение. Происходит обмен энергии между излучением и нагретым телом.

Законы излучения черного тела: ф-ла Планка, Закон Стефана-Больцмана, закон смещения Вина.Иепловое излучение тела человека. Физические основы термографии. Излучение солнца: солнечная постоянная, спектризлучения, изменение спектрального состава радиации земной атмосферой.

Абсолютно чёрное тело — физическая идеализация, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Черное тело – малое отверстие в замкнутой зачерченной полости.

Интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка:

h – постоянная Планка = 6, 63 *10 (-34) Дж/с
с – скорость света в вакууме
k – постоянная Больцмана

2) Можно записать и через выражение, описывающее испускательную способность абсолютного черного тела во всем диапазоне частот.

Позволяет теоретически описать зависимость спектральной плотности энергетической зависимости черного тела от длины волны и температуры.

Гипотеза Планка: черное тело поглощает и излучает энергию не непрерывно, а квантами, при этом излучающее тело – совокупность осцилляторов – физических систем, совершающих колебание, энергия которой может изменяться на величину, кратную кванту энергии.

Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры.

Закон смещения Вина: длина волны, на которую приходится максимальный спектр плотности энергетической зависимости светимости черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуры.

λ max = b/T ≈ 0, 002898 м·К × T − 1 (K),

где T — температура, а λ max — длина волны с максимальной интенсивностью. Коэффициент b, называемый постоянной Вина = 0, 002898 м·К.

Тепловое излучение - это электромагнитное излучение, которое возникает за счет энергии вращательного и колебательного движения атомов и молекул в составе вещества. Тепловое излучение характерно для всех тел, которые имеют температуру, превышающую температуру абсолютного нуля.

Тепловое излучение тела человека относится к инфракрасному диапазону электромагнитных волн. Впервые такое излучение было открыто английским астрономом Вильямом Гершелем.

Тело человека поддерживает постоянную температуру за счет терморегуляции – теплообмена со средой.
Виды: 1. Теплопроводность 2%
2. Испарение 30%
3. Конвекция 15-20% (обмен жидкостей и газов с формир. потоков вещества)
4. Излучение\поглощение 50% электромагнитных волн в инфракрасной области спектра (4-50мкм)

Термография – метод регистрации видимого изображения собственными инфракрасными излучениями (в диапазоне 0, 76-100 мкм)поверхности тела человека с помощью тепловизоров (пассивный бесконтактный метод).

Тепловизоры – оптико-электрические приборы, в которых невидимое глазом человека инфракрасное излучение переходит в электрический сигнал, подвергается усилению и автоматической обработке, а затем преобразует в видимое изображение тепловые поля объекта для его визуальной и количественной оценки.

Со́ лнечнаяпостоя́ нная — суммарный поток солнечного излучения, проходящий за единицу времени через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно потоку, на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца вне земной атмосферы.

СОЛНЕЧНЫЙ СПЕКТР - распределение энергии электромагнитного излучения Солнца в диапазоне длин волн от нескольких долей нм (гамма-излучение) до метровых радиоволн. В видимой области солнечный спектр близок к спектру абсолютно черного тела при температуре около 5800 К; имеет энергетический максимум в области 430-500 нм. Солнечный спектр — непрерывный спектр, на который наложено более 20 тыс. линий поглощения (Фраунгоферовых линий) различных химических элементов.

Изменение спектрального состава радиации земной атмосферой - интенсивность радиации уменьшается, а спектральный состав ее изменяется, т. к. лучи разных длин волн поглощаются и рассеиваются в атмосфере по-разному.

13. Оптическая система глаза: светопроводящий и световоспринимающий аппарат. Главная оптическая и зрительная оси глаза. Аккомодация. Расстояние наилучшего зрения. Ближняя точка глаза.

В функциональном отношении орган зрения разделяется на два отдела: светопроводящий отдел и световоспринимающий.

Светопроводящий отдел состоит из прозрачной среды глаза: хрусталик, роговица, влага передней камеры, стекловидное тело.

Сетчатка – это световоспринимающий отдел. Изображение окружающих нас предметов на сетчатке оказываются при помощи оптической системы глаза.

Лучи света, что отражаются от рассматриваемых предметов, обязательно проходят через 4 преломляющие поверхности: задняя и передняя поверхности роговицы, задняя и передняя поверхности хрусталика. Каждая из этих поверхностей отклоняет световой луч от его изначального направления, именно поэтому в фокусе оптической системы органа зрения появляется реальное, но перевернутое изображение наблюдаемого объекта.

Оптическая ось глаза - прямая, проходящая через центры кривизны поверхностей роговицы и хрусталика. Выделяют также зрительную ось глазного яблока, которая простирается от его переднего полюса до центральной ямки сетчатки.

Аккомодация – приспособление глаза к четкому видению различно удаленных предметов («наводка на резкость»). У человека обеспечивается изменением кривизны хрусталика под действием цилиарной мышцы

Расстояние наилучшего зрения – расстояние, на котором аккомодация совершается без напряжения.

Ближняя точка глаза – наиболее близкое расположение предмета от глаза, при котором еще возможно четкое изображение на сетчатке.

Взаимодействие тела с веществом. Поглощение света. Загон Бугера-Ламберта –Бера. Показатель поглощения, Коэффициент пропускания, оптическая плотность раствора. Спектры поглощения вещества. Концентрационная колориметрия

световая волна, проходя через вещество, возбуждает колебания электронов. Ускоренно движущиеся электроны излучают электромагнитные волны. Эти вторичные волны имеют ту же частоту, что и частота падающей волны. В однородной среде результат интерференции всех вторичных волн между собой и с падающей на вещество волной отличен от нуля только в одном направлении - в направлении распространения преломленной волны. Скорость распространения результирующей волны в среде становиться меньше скорости света в вакууме, так объясняется возникновение показателя преломления. Причина поглощения света, т.е. перехода энергии световой волны в тепловую энергию, следующая. Атомы вещества, внутри которых происходят вызванные световой волной колебания электронов, участвуют в хаотическом тепловом движении и сталкиваются друг с другом. При каждом столкновении энергия колебательного движения электронов переходит в энергию теплового движения атомов - происходит поглощение света.

Закон Бугера

Как показывает опыт интенсивность света при прохождении через вещество убывает по экспоненциальному закону:

Здесь I₀ - интенсивность света на входе в поглощающий слой вещества толщиной x,

α - коэффициент поглощения, зависящий от длины волны (частоты) света.

Величина α, в соответствии с законом Бугера, не должна зависеть от интенсивности света. Это утверждение справедливо для очень широкого диапазона изменения интенсивности (примерно в 10²⁰ раз), С. И. Вавилов экспериментально показал, что при больших интенсивностях для специально выбранных веществ коэффициент поглощения α уменьшается с ростом интенсивности. Происходит это потому, что для своих опытов Вавилов выбирал вещества у которых молекулы могут сравнительно долго (значительно больше, чем 10^-8 с.) находится в возбужденном состоянии, в котором они не могут поглощать энергию от световой волны. В этом случае закон Бугера нарушается.

Показа́ тельпоглоще́ ния — величина, обратная расстоянию, на котором поток монохроматического излучения, образующего параллельный пучок, уменьшается в результате поглощения в среде в некоторое заранее оговоренное число раз.

Для растворов поглощающих веществ в непоглощающих растворителях показатель поглощения может быть записан как

где — коэффициент, характеризующий взаимодействие молекулы поглощающего вещества со светом длины волны λ, — концентрация растворённого вещества, моль/л.

— показатель поглощения (не путать с безразмерным показателем поглощения , который связан с формулой , где — длина волны.

Коэффицие́ нтпропуска́ ния — безразмерная физическая величина, равная отношению потока излучения , прошедшего через среду, к потоку излучения , упавшего на её поверхность:

В общем случае значение коэффициента пропускания тела зависит как от свойств самого тела, так и от угла падения, спектрального состава и поляризации излучения.

Опти́ ческаяпло́ тность — мера ослабления света прозрачными объектами (такими, как кристаллы, стекла, фотоплёнка) или отражения света непрозрачными объектами (такими, как фотография, металлы и т.д.).

Вычисляется как десятичный логарифм отношения потока излучения падающего на объект, к потоку излучения прошедшего через него (отразившегося от него), т. е. это есть логарифм от величины, обратной к коэффициенту пропускания (отражения).

Спектр поглощения — зависимость показателя поглощения вещества от длины волны (или частоты, волнового числа, энергии кванта и т. п.) излучения. Он связан с энергетическими переходами в веществе. Для различных веществ спектры поглощения различны.

Измерения спектров поглощения могут проводиться как с источником белого света так и с источниками монохроматического излучения.

Для почти свободных атомов и молекул в разрежённых газах оптический спектр поглощения состоит из отдельных спектральных линий и называется линейчатым.

Разным веществам соответствуют разные спектры поглощения, что позволяет использовать спектроскопические методы для определения состава вещества. Для твёрдых веществ спектры поглощения непрерывны, но встречаются и отдельные линии.

Колориметрия — это метод количественного определения содержания веществ в растворах, либо визуально, либо с помощью приборов, таких как колориметры.

Колориметрия может быть использована для количественного определения всех тех веществ, которые дают окрашенные растворы, или могут быть, с помощью химической реакции, дать окрашенное растворимое соединение. Колориметрические методы основываются на сравнении интенсивности окраски исследуемого раствора, изучаемого в пропущенном свете, с окраской эталонного раствора, содержащего строго определенное количество этого же окрашенного вещества, или же с дистиллированной водой/