книги / Применения ультразвука

(XI) Поджелудочная железа

Поджелудочная железа находится впереди аорты и верхней брыжеечной артерии, а ее верхняя часть расположена перед ниж­ ней полой веной. На экране поджелудочная железа выглядит как разграниченная структура с гомогенными эхо-сигналами.

(XII) Лимфатические узлы

В некоторых случаях можно детально рассмотреть лимфати­ ческие узлы. Они выглядят как дискретные области вокруг аорты, относительно свободные от эхо-сигналов.

(XIII) Щитовидная железа

В ультразвуковом обследовании щитовидной железы обыч­ но используются частоты из диапазона 3—5 МГц, применяются контактные методы сканирования и методы на основе ванночки с водой. Ультразвук способен отличать простые кисты от множес­ твенных, а также твердые новообразования.

(XIV) Молочные железы

Сканеры, использующие ванны с водой, производят наибо­ лее детальное ультразвуковое сканирование молочных желез. Это обусловлено двумя важными причинами: во-первых, зонд, отсто­ ящий от груди, позволяет просматривать ее поверхностные струк­ туры, во-вторых, грудь, расположенная в ванне с водой, находится в расслабленном состоянии. При обследовании молочных желез пациент лежит на спине в резервуаре с водой, в которую погружен сканирующий механизм. Пациент лежит так, что его грудь нахо­ дится на плаву в теплой дегазированной воде. Поскольку данный тип систем позволяет получать отличные изображения, стало воз­ можным выявлять карциномы, гематомы, увеличенные протоки, жировые отложения и кистозно-фиброзные заболевания. Как правило, используется частота 2-3 МГц.

9 .6 .2 . Сканирование местоположения во времени

Наиболее важную диагностическую информацию при исследо­ вании сердца можно получить, если перемещать преобразователь вдоль сагиттальной плоскости, следуя по продольной сердечной оси (рис. 9.19). На рисунке аорта, левое предсердие, левый желу­ дочек, правый желудочек и митральный клапан обозначены как

А„, LA, LV, RVи MV.

ГЛАВА 10

ПОДВОДНАЯ АКУСТИКА

1 0 .1 . В в е д е н и е

Подводная акустика — это наука о звуковых волнах в воде, вклю­ чающая исследование распространения волн и маскировки звука поверхностными акустическими явлениями. В условиях постоян­ ного роста населения и увеличения потребностей океаны и моря представляют собой огромнейший потенциальный источник жи­ вых и неживых ресурсов. Главным живым ресурсом океана яв­ ляются морепродукты, прежде всего рыба. Морских животных классифицируют по двум категориям: позвоночные, к которым относятся тунец, черепахи, морские змеи, гейты, дельфины, тюле­ ни, и беспозвоночные, например медузы, кораллы, улитки, кре­ ветки и т.д. Неживые ресурсы океана, так же как и живые, тоже имеют большой потенциал. На дне океана и под ним находятся некоторые наиболее важные минералы, не говоря уже о раство­ ренных в воде веществах, таких как соли, магний и бром. Добыча минералов из океанов дает определенные уникальные преиму­ щества по сравнению с традиционной разработкой наземных месторождений.

Электромагнитные волны при зондировании подводной об­ ласти рассеиваются и поглощаются в сильно неоднородной среде, каковой является для них морская среда. Однако и звуковые вол­ ны, чтобы быть эффективными, должны распространяться в оке­ ане на большие расстояния с минимальным затуханием. Поэтому подводный инструментарий разрабатывают таким образом, чтобы он соответствовал конкретным задачам. Последние достижения в технологическом прогрессе преобразователей, мощных источни­ ков питания, звукоулавливающих антенн с высокой чувствитель­ ностью и совершенствование техники обработки сигналов позво­ ляют подводной акустике исследовать живые и неживые ресурсы океана для расширения их использования.

где у —отношение удельных теплоемкостей при постоянном дав­ лении и объеме.

Океанографические параметры, такие как температура, со­ леность и водные массы, непостоянны и изменяются с глуби­ ной моря. Следовательно, перечисленные параметры отразятся в сложных изменениях скорости звука в морской воде по про­ странству океана.

10.2.2. Свойства звука

Скорость звука является функцией физических и химических свойств океана. Любое изменение океанографических парамет­ ров вызывает соответствующие изменения скорости звука в оке­ ане. Для того чтобы связать все океанографические параметры, было разработано эмпирическое соотношение. Упрощенная эм­ пирическая формула скорости звука в океане как функция темпе­ ратуры Т, солености Уи глубины 2выглядиттак:

U =1449,2+4,67’-0,0557’2+0.000297,3+(1,34-0,010r)(5-35)+0,016Z

(Ю.2)

Наиболее распространенными приборами, измеряющими скорость звука в океане как функцию глубины моря, являются батитермограф (ВТ) и велосиметр. Раскладной (expandable) ба­ титермограф (ХВТ) используется для измерения температуры как функции глубины. Скорость звука получают по эмпирической формуле, предполагая, что соленость воды является постоянной величиной. Однако в прибрежных зонах и вблизи рек или льда предположение о постоянстве солености не действует.

Велосиметр, также называемый XSV, представляет собой при­ бор, используемый для прямого измерения скорости звука по времени распространения. В большинстве морских исследований велосиметр является наиболее предпочтительным инструментом для определения скорости звука, чтобы анализировать информа­ цию в таких областях, как динамическое моделирование океана, исследования взаимодействия воздуха и воды и различные биоло­ гические обследования.

Распространение звука в океане зависит от нескольких слоев, каждый из которых имеет различные характеристики и местопо­ ложение (рис. 10.1). Первый слой называют звуковым, здесь на скорость звука влияют локальные изменения, такие как нагрева­

волны претерпевают отражение и рассеяние, когда падают на по­ верхность моря. Если поверхность идеально гладкая, звуковые волны отражаются из-за несоответствия импедансов соприкаса­ ющихся воздуха и воды. Потерь при отражении нет и при волне­ нии моря и воздействии ветра на его поверхность.

Неровность поверхности моря обычно выражается в показате­ лях высоты волн. Погодные условия моря описываются с исполь­ зованием скорости ветра, а не высоты волны. Общее уравнение, выведенное для высоты волны из скорости ветра, выглядит так:

где V—скорость ветра, Н,/3- среднее значение одной трети высо­ ты волн.

Двумя наиболее распространенными измеряемыми величи­ нами являются среднеквадратическая высота Нгт и одна десятая высоты большой волны Н1/ш Эти две величины связаны с одной третью высоты волны соотношениями:

Поведение скорости звука в дне моря более сложное, чем на поверхности, из-за многообразных и многослойных структур. Типичная картина океана в разрезе с соответствующими глубина­ ми и скоростями звука в толще воды и верхнем слое дна показана на рис. 10.2. Поскольку морское дно представляет собой много­ слойную структуру, плотность которой с глубиной изменяется либо плавно, либо резко, скорость звука будет также претерпевать соответствующие изменения. Следовательно, акустические пара­ метры морского дна являются измеримыми величинами, содер­ жащими информацию о различных субстанциях: от пластичной массы (осадочные породы) до крепких пород (верхняя мантия), как показано на рис. 1 0 .2 .

Для математического описания распространения звука в оке­ ане как среде с граничными условиями используется уравнение волны. Существуют различные модели, объясняющие распро­ странение звука В море: (I) теория Рэя, (II) теория быстрого поля (FFP), (III) нормальные моды(7УЛ/), (IV) теория уравнения пара-

болы (РЕ). Все эти теории в большей мере применимы на низких частотах, в то время как теория Рэя более подходит для высоких частот порядка нескольких килогерц или выше.

Л_______________________

Рис. 10.2. Скорости звука в толще воды и верхних слоях дна

Важная информация, полученная из вышеприведенных рассуждений, заключается в том, что характеристики морского дна считаются постоянными на протяжении времени, в то время как поверхность моря статистически зависит от изменений скорости ветра. Таким образом, звуковые продольные и поперечные волны часто используют для зондирования дна, получая преломленные и отраженные от его внутренних слоев волны, что позволяет оха­ рактеризовать слои, из которых состоит морское дно.

10.2.4. Биологические организмы

Биологические организмы влияют на подводный звук в несколь­ ких проявлениях. Главные морские организмы делятся на четы­ ре основные категории: планктон, нектон, бентос и водоросли. К планктону относятся как животные, так и растения. Нектон (или свободно плавающие организмы) — это животные, которые спо­ собны целенаправленно передвигаться в воде. Нектон включает рыб и млекопитающих, обитающих на всех глубинах. К бентосу относятся обитатели морского дна.

Биологические организмы оказывают воздействие на подвод­ ный звук одним из следующих способов: создавая шумы, вызывая затухание и рассеяние сигналов, исполняя роли фальшивых целей и загрязняя гидроакустические преобразователи.