1.2. Погрешности измерений скорости звука в образцах однородных тканей

Оценка толщины образца. Результирующие точность и погрешность определения скорости звука в значительной мере зависят от правильности определения длины пути, проходимого ультразвуком в образце. При использовании методов относительных измерений эта задача вызывает серьезные затруднения. Но нужно отметить, что достоинство методов относительных измерений и состоит в том, что даже в тех случаях, когда погрешность в определении пути достигает 10%, ошибка в определении скорости звука не превышает 1% при использовании воды или физиологического раствора в качестве эталонной среды.

Скорость распространения звука в эталонной среде. Наличие достоверных литературных данных о скоростях звука в средах, которые могут быть использованы как эталонные, объясняет причину высокой точности методов относительных измерений скорости звука в биологических тканях. При этом важными факторами являются знание температуры и степени чистоты эталонной среды. Если используется вода, то для контроля температурных погрешностей достаточно иметь обычный лабораторный ртутный термометр.

Регистрация времени прихода сигнала. Метод измерения времени распространения акустического импульса хотя и является довольно простым и точным, имеет один недостаток. Дело в том, что для регистрации времени прихода импульса необходимо осуществить "привязку" к некоторой точке на его профиле. При этом необходимо иметь в виду, что по мере распространения в среде импульс изменяет свою форму. Указанное обстоятельство имеет существенное значение в тех случаях, когда среда обладает дисперсией скорости звука или имеется частотная зависимость коэффициента затухания. Биологические среды имеют очень слабо выраженную дисперсию, вследствие чего этот фактор мало сказывается на степени искажения импульса. Затухание же ультразвука в данных средах сильно зависит от частоты. Наличие высокочастотных составляющих в спектре импульса приводит к его искажению по мере распространения в среде (уширение импульса). В качестве и

Рис. 1.5. Изменение формы импульса под влиянием дисперсии затухания: а – исходный импульс; б – тот же импульс после прохождения расстояния 5 см в среде

ллюстрации к сказанному по данным [3] на рис. 1.5 представлено изменение формы импульса с несущей частотой 10 мГц после прохождения 5 см пути в среде, коэффициент затухания которой линейно зависит от частоты и имеет значение 1 дБ/(сммГц). Указанный пример является результатом математического моделирования прохождения импульса через частотный фильтр (без сдвига фазы). Из примера видно, что погрешности за счет уширения импульса будут минимальными, если за реперную точку взять центр импульса. Однако бывают случаи, когда форма импульса изменяется значительно, и тогда местонахождение центра импульса определить довольно сложно. Поэтому часто выбираются другие реперные точки. Например, возможно использование момента времени появления полезного сигнала на фоне шума или регистрация времени, когда сигнал впервые пересекает нулевую отметку.

Если длина акустического пути через образец составляет 4–5 см, то, по данным [3], при использовании экспериментальной схемы, которая описывается выражением (1.1), применение в качестве реперной точки начального момента появления сигнала приводит к получению завышенных приблизительно на 4% значений скорости звука.

Дифракционные поправки. При измерениях скорости звука необходимо вводить поправки на дифракционные фазовые искажения. По данным [3], при измерениях методом оптического наложения и методом суперпозиции импульсов погрешности, связанные с дифракционными фазовыми искажениями, могут достигать значения 0,25 от периода высокочастотного заполнения импульса. При использовании метода введения образца фазовыми искажениями за счет дифракции обычно пренебрегают.

При частотах ниже 3 мГц в интерферометрических системах влияние дифракции на точность измерения скорости звука становится заметным.

Влияние конструктивных особенностей преобразователей на точность определения времени распространения и длины пути акустического сигнала. При измерении скорости звука в акустическом тракте используются приемный и излучающий преобразователи, которые имеют переходные слои. Эти слои предназначены для целей согласования по импедансу, а также в качестве изолирующих или предохраняющих от механических повреждений. В схемах с постоянным расстоянием необходимо учитывать поправку, связанную с наличием этих слоев. Кроме того, определять время поступления импульса необходимо с учетом погрешности, которая возникает вследствие внутренних переотражений сигнала на приемном преобразователе.

Преобразователи, имеющие большую апертуру, не могут быть рекомендованы для измерений скорости звука. То же относится и к сильно фокусирующим преобразователям. Это связано с тем, что при использовании преобразователей такого типа нельзя точно определить, какого конкретно участка поверхности преобразователя ультразвуковая волна достигнет вначале. Указанное обстоятельство ведет к неоднозначности в определении длины пути.