Изучение метода амплитудного сканирования. Методические указания к лабораторной работе № 4 по дисциплине «Акустическое зондирование биоматериалов»

3049

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физики и биомедицинской техники

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДА АМПЛИТУДНОГО СКАНИРОВАНИЯ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторной работе № 4 по дисциплине «Акустическое

зондирование биоматериалов»

Составители: В.И. Сериков, А.С. Пономарев

Липецк Липецкий государственный технический университет

2014

УДК 534 (07)

С 327

Рецензент Шарапов С. И.

Сериков В. И.

С327 Изучение метода амплитудного сканирования. [Текст]: методические указания к лабораторной работе № 4 по дисциплине «Акустическое зондирование биоматериалов». Сост. В. И. Сериков, А. С. Пономарев. –

Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2014. – 12 с.

Влабораторной работе изучаются основы метода амплитудного сканирования и применение ультразвуковой аппаратуры. Методические указания предназначены для студентов 3, 4-го курсов специальности 200402 «Инженерное дело в медико-биологической практике» и направления 201000 «Биотехнические системы и технологии» очной формы обучения.

Ил. 5., Библиогр.: 4 назв.

© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2014.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДА АМПЛИТУДНОГО СКАНИРОВАНИЯ

Цель работы: изучить на практике эхоимпульсный метод амплитудного сканирования (метод А-сканирования) с помощью ультразвукового дефектоскопа УД2-12.

Приборы и оборудование: дефектоскоп УД2-12 с цифровым индикатором измеряемых величин и набором пьезоэлектрических преобразователей,

«фантом» в виде прозрачного блока из полиамидного пластика с различными неоднородностями в объёме, кварцевая призма.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Метод амплитудного сканирования, получивший распространение в медицине и биологии — это поиск неоднородностей в тканях ультразвуковым методом, то есть путем излучения и принятия ультразвуковых колебаний, и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и пр. с помощью специального оборудования — ультразвукового сканера (в данной работе дефектоскопа УД2-12).

Принцип метода амплитудного сканирования основан на том, что звуковые волны свободно распространяются в однородном материале. Наличие в однородном материале различных неоднородностей (областей с различными плотностями и модулями упругости) приводит к отражению звуковых волн от границ этих областей. Чем больше различаются акустические сопротивления, тем большая часть звуковых волн отразится и вернётся к приёмнику при прохождении фронта волны через границу раздела. Использование высокочастотных акустических волн – ультразвука – связано с тем, что такие волны имеют малые длины волн и позволяют формировать узкие пучки, позволяющие обнаруживать даже небольшие области неоднородности в среде.

3

Отражение узких пучков позволяет довольно точно определить размеры неоднородной области и расстояние до неё. Величину наименьшего размера поддающегося определению с помощью данного прибора (или метода)

называют разрешением.

Рис. 1. Пьезоэлектрический преобразователь: а – преобразователь с согласующим слоем, б – преобразователь с тыльной нагрузкой;

1 – пьезоэлемент, 2 – посеребренные поверхности (электроды),

3 – согласующий слой, 4 – тыльная нагрузка

Разрешение ограничивается тем фактом, что при размере препятствия меньше четверти длины волны, волна от него практически не отражается.

Излучение ультразвука производится с помощью пьезоэлектрического резонатора. Пьезоэлектрический резонатор (см. рис. 1) преобразует электрические колебания в акустические с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта и вводит их в исследуемый материал.

Отраженные сигналы, попавшие на пьезоэлемент, с помощью прямого пьезоэлектрического эффекта преобразуются в электрические, которые и регистрируются измерительными цепями.

4

Для того, чтобы эффективно передавать колебания в исследуемую среду,

в пьезоэлектрических преобразователях часто используется согласующий слой или тыльная нагрузка для поглощения обратной волны.

Наиболее распространенным из существующих методов проведения исследования является эхоимпульсный метод (эхометод): генератор создает электрические колебания и подаёт их на резонатор, отражённые от дефектов сигналы принимаются резонатором и передаются на приемник.

Рис. 2. Принципиальная схема эхоимпульсного метода

На рис. 2 показаны ультразвуковые пучки, создаваемые в плоскопараллельном слое. Буквой Е отображается расстояние, отвечающее толщине слоя, и расстояние между зондирующим и отражённым импульсами на экране осциллографа. При наличии дефекта на расстоянии Д на экране осциллографа появляется дополнительный отражённый импульс. Большой коэффициент отражения на границе дефекта и меньшее расстояние приводят к тому, что величина амплитуды отражённого импульса больше, чем амплитуда импульса, отражённого от нижней границы слоя.

5

Преимущество ультразвукового исследования в том, что оно не разрушает и не повреждает исследуемый образец. Кроме того, метод исследования даёт высокую скорость и достоверность исследования при низкой стоимости и опасности для человека (по сравнению с радио дефектоскопией).

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Формируемый прибором (рис. 3) зондирующий электрический импульс посредством пьезоэлектрического преобразователя возбуждает в исследуемом изделии ультразвуковую волну, фронт которой, отражаясь от области дефекта в материале, возвращается к приемному пьезоэлектрическому преобразователю, где преобразуется опять в электрический сигнал. Принятый сигнал усиливается и преобразуется к виду, удобному для регистрации и наблюдению. Зная скорость распространения УЗ-волны в исследуемом материале и время ее прохождения от возбуждающего пьезоэлектрического преобразователя до приемного пьезоэлектрического преобразователя, можно легко вычислить расстояние до дефекта, его координаты и размер.

Рис. 3. Принципиальная схема ультразвукового импульсного дефектоскопа

6

Расстояние до дефекта, связанное со временем прихода отражённого импульса определяется по формуле L = U3ti/2, где ti – промежуток времени между зондирующим импульсом и импульсом, отражённым от дефекта; U3 –

скорость звука в среде, L – расстояние до дефекта.

На рисунке 3 приведена принципиальная схема импульсного ультразвукового дефектоскопа. Генератор радиоимпульсов 4 возбуждает пьезопластину передающей искательной головки 1. Ультразвуковые колебания распространяются в контролируемой детали, отражаются от ее противоположной стенки ("донный сигнал") и попадают на пьезопластину приемной искательной головки 2. Отраженные ультразвуковые колебания возбуждают колебания пьезопластины приемной искательной головки 2. При этом на гранях пьезопластины возникает переменное напряжение, которое детектируется и усиливается в усилителе 3, а затем поступает на вертикальные отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) 5 осциллографа.

Одновременно генератор горизонтальной развертки 6 подает пилообразное напряжение на горизонтальные отклоняющие пластины ЭЛТ 5. УЗ-колебания формируются генератором 4 в виде коротких импульсов, между которыми получаются продолжительные паузы. Это позволяет четко различать на экране ЭЛТ 5 сигнал начального (зондирующего) импульса I, сигнал от дефекта II и

донный сигнал III. При отсутствии дефекта в контролируемом участке детали на экране осциллографа импульс II будет отсутствовать.

Перемещая передающую и приемную искательные головки по поверхности контролируемой детали, обнаруживают дефекты и определяют их местоположение. В некоторых конструкциях ультразвуковых дефектоскопов имеется только одна совмещенная искательная головка, которая используется как для передачи, так и для приема ультразвуковых колебаний. Места прилегания искательных головок к контролируемой детали смазывается тонким слоем трансформаторного масла или вазелина для обеспечения

7

непрерывного акустического контакта искательных головок с поверхностью

контролируемого изделия. На передней панели (рис. 4) находятся основные органы управления, необходимые при исследовании распространения ультразвукового импульса в исследуемом образце: экран осциллографа 1, верньер управления гасящим импульсом, позволяющий вручную измерить время запаздывания с помощью цифрового указателя 4, аттеньюатор 3, разъёмы входа и выхода 5.

Кнопки включения дефектоскопа указаны непосредственно на передней панели, причём после включения вилки прибора в сеть, сначала обязательно нажатием кнопки включается «Накал» и только после того, как загорится сигнал,

нажать кнопку «Работа».

Рис.4. Вид передней панели дефектоскопа УД2-12

Для настройки прибора используются органы управления, находящиеся на верхней панени прибора (под крышкой) (рис. 5). На схеме верньеры 1, 2, 3

предназначены для настройки цифрового индикатора в режимах определения координат и глубины залегания дефекта, ручки 5, 6, 7, 8, 9 для настройки сигнала осциллографа, кнопки 21-25 для задания частоты зондирующего импульса,

соответсвующая группа кнопок 38 для настройки частоты принимаемого сигнала.

Остальные верньеры и кнопки используются только по указанию преподавателя.

8

Основные требования по безопасности медицинской техники в России

определяются стандартом ГОСТ Р50267.0-92 «Изделия медицинские

электрические. Общие требования безопасности». Общие требования безопасности и условия их проверки обязательны для УЗ диагностических приборов. Особенно важным являются требования по защите от поражения электрическим током. Гораздо сложнее определить требования к акустическому излучению ультразвука. Однако выпущен и действует международный стандарт МЭК 1157 «Требования к представлению

акустических выходных характеристик медицинских диагностических

ультразвуковых приборов». Этот стандарт регламентирует ряд требований,

которые производитель УЗ диагностических приборов обязан предоставлять

заказчику.

Рис.5. Схема верхней панели дефектоскопа

9

ХОД РАБОТЫ:

1.Изучить устройство и назначение основных систем дефектоскопа

УД2-12.

2.Теоретически ознакомиться с принципом работы дефектоскопа.

3.Произвести включение прибора нажатием кнопок «Накал» и «Работа».

4.Установить по заданию преподавателя необходимый режим работы дефектоскопа.

5.Поверхности исследуемого образца (фантома или кварцевой призмы)

отполировать и смазать маслом.

6. Произвести измерение величины графического изображения эхоимпульсов на экране, временного интервала между импульсами. Форма отчётности согласуется с преподавателем.

Контрольные вопросы

1.Какие диапазоны частот относятся к звуковому и ультразвуковому диапазону?

2.Запишите уравнение упругой волны и дайте определение фазы,

частоты, периода, длины волны.

3.Что такое фазовая скорость упругой волны?

4.Дайте определение колебательной скорости частиц среды в упругой

волне.

5.Какие величины связывает между собой дисперсионное соотношение?

6.Какова связь между колебательной скоростью и напряжением в упругой волне?

7.Дайте определение импеданса упругой среды.

8.Что представляет собой эхоимпульсный метод А-сканирования?

9.Какова блок-схема дефектоскопа?

10