Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое колебательное движение?

2. Какие виды колебаний различают?

3. Какие колебания называются гармоническими?

4. Что называется смещением? амплитудой? периодом? частотой? фазой колебаний?

5. Запишите дифференциальное уравнение гармонического колебания.

6. Запишите уравнения смещения, скорости и ускорения при гармоническом колебании.

7. В чем заключается метод векторных диаграмм?

8. Опишите процесс сложения гармонических колебаний, направленных по одной прямой и во взаимно перпендикулярных направлениях.

9. Запишите дифференциальное уравнение затухающего колебания.

10. Запишите уравнение смещения для затухающего колебания.

11. Как зависит амплитуда затухающих колебаний от времени?

12. Что такое коэффициент затухания и логарифмический декремент затухания?

13. Какие колебания называются сложными? Что такое гармонический спектр сложного колебания?

14. Какие колебания называют вынужденными? Запишите уравнение смещения для вынужденного колебания.

15. В чем заключается явление резонанса при вынужденных колебаниях?

16. Какие колебания называют автоколебаниями?

Приборы и принадлежности:

Персональный компьютер.

Схема работы:

Последовательность действий	Способ выполнения задания
1. Определение по графику характеристик гармонических колебаний	1. Получите на экране график гармонических колебаний маятника и зарисуйте в тетрадь 2. Определите по графику амплитуду А и период Т колебаний (см. рис. 1) 3. Измените амплитуду колебаний в k1 раз, а период в k2 раз 4. Повторите действия п. 1 и 2 5. Полученные результаты занесите в таблицу 1 6. Определите по графику начальную фазу колебаний φ0 и укажите, каким способом маятник был приведен в движение. Таблица №1
	Параметр		Исходный график			Измененный график			Коэффициент
	А,м								k1
	Т,с								k2
2. Изучение векторных диаграмм.	1. Определите по приведенной векторной диаграмме амплитуду и начальную фазу колебаний 2. Получите на экране графики временной зависимости смещения х = f(t), скорости υ = f(t) и ускорения а = f(t) колеблющегося тела и укажите соответствующие им векторные диаграммы.
3. Изучение сложения колебаний, происходящих вдоль одной прямой	1. Изобразите в тетради полученную на экране векторную диаграмму сложения двух колебаний одинаковой частоты и определите по ней амплитуду и начальную фазу результирующего колебания 2. Получите на экране график результирующего колебания, полученного при сложении двух гармонических колебаний с частотами ν1 и ν2 и амплитудами А1 и А2. Постройте его гармонический спектр 3. Полученные графики перенесите в тетрадь 4. Получите на экране график результирующего колебания, полученного при сложении четырех заданных гармонических колебаний различных частот. Амплитуды и периоды складываемых колебаний занесите в таблицу №.2. Таблица №2
	Колебание			Амплитуда колебания				Период колебания
	1
	2
	3
	4
4. Изучение сложения взаимно перпендикулярных колебаний	1. Задавая амплитуды, круговые частоты и начальные фазы взаимно перпендикулярных колебаний х = f(t) и у = f(t), получите на экране фигуры Лиссажу, образующиеся при сложении данных колебаний 2. Опыт 1. повторите три раза. Полученные фигуры и уравнения складываемых колебаний занесите в тетрадь
5. Изучение затухающих колебаний	1. Получите на экране график затухающих колебаний и зарисуйте его в тетрадь 2. Определите по графику логарифмический декремент затухания λ, и коэффициент затухания β [см. формулу (10)].
Последовательность действий	Способ выполнения задания
6. Изучение резонансных кривых вынужденных колебаний	1. Задавая параметры колебательной системы (т, k, β) и амплитуду вынуждающей силы f0, вычислите собственную круговую частоту колебаний ω0 и резонансную частоту ωрез вынужденных колебаний [см. формулу (14)] 2. Получите на экране изображение резонансной кривой 3. Изменяя значение β, пронаблюдайте изменения вида резонансных кривых. Значения β занесите в таблицу 3. Таблица №3
	β1	β2			βисх		β3			β4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Изучение работы аппарата для ультразвуковой терапии

Аппараты, генерирующие ультразвуковые колебания, используются в медицине для лечения ряда заболеваний периферической нервной системы, опорно-двигательного аппарата и др., а также с диагностической целью.

ЦЕЛЬ занятия:

1. Ознакомиться с устройством и принципом работы аппарата для ультразвуковой терапии.

2. Определить особенности воздействия ультразвука (тепловой эффект) на различные вещества (электролиты и диэлектрики) при разнообразных режимах генерации УЗ аппаратом для ультразвуковой терапии УЗТ-1.01.Ф.

ИСХОДНЫе ЗНАНИя:

1. Знать физические характеристики механических волн.

ПЛАН ИЗУЧЕНИЯ ТЕМЫ:

1. Характеристики УЗ-волн.

2. Свойства УЗ-волн.

3. Способы получения УЗ-волн.

4. Источники УЗ-волн.

5. Воздействие УЗ на биологические объекты.

6. Диагностическое и терапевтическое применение УЗ в медицине.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Лекции.

2. А.Н. Ремизов. Медицинская и биологическая физика, М., 2004, гл. 6, с. 108 - 111.

3. Н.М. Ливенцев Курс физики, М., 1978, т.1, гл.5. с. 103 - 106.

4. М.Е. Блохина, И.А. Эссаулова, Г.В. Мансурова. Руководство к лаб. работам по медицинской и биологической физике, М., 2001, с. 57-62.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ РАБОТЫ

Ультразвук – упругая механическая продольная волна, частота которой превышает 20000Гц.

В медицине применяется УЗ частотой 1-1,5МГц. Ультразвуковая волна вследствие высокой её частоты распространяется в виде лучей (из-за малой длины УЗ-волны можно пренебречь её волновыми свойствами). Такие лучи можно сфокусировать с помощью специальных акустических линз и достигнуть, таким образом, большой интенсивности УЗ-волны. Кроме того, поскольку интенсивность волны пропорциональна квадрату частоты и амплитуды колебаний, то высокая частота УЗ-волны даже при малых её амплитудах предопределяет возможность получения УЗ-волн большой интенсивности.

Для генерирования ультразвука используются устройства, называемые УЗ-излучателями. Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели, основанные на обратном пьезоэлектрическом эффекте. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в механической деформации тел под действием переменного электрического поля. Пьезоэлектрики – вещества кристаллического строения, имеющие пьезоэлектрическую ось, то есть направление, в котором они легко деформируются (кварц, сегнетова соль, титанат бария и др.) Когда такие вещества помещают в переменное электрическое поле, пьезоэлектрики начинают сжиматься и растягиваться вдоль пьезоэлектрической оси с частотой переменного электрического поля. При этом вокруг кристалла возникают механические возмущения – деформации сжатия и разряжения, которые распространяются в виде УЗ-волн. В достижении нужной амплитуды играют роль резонансные явления. Эффект назван обратным, поскольку исторически раньше был открыт прямой пьезоэлектрический эффект – явление возникновения переменного электрического поля при деформации пьезоэлектриков. Наличие прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта очень важно для работы УЗ- диагностических приборов. Для того чтобы направить УЗ-волну на тело пациента, необходимо получить её, что делают с помощью обратного пьезоэлектрического эффекта. Для того чтобы зарегистрировать и визуализировать отражённую УЗ-волну, необходимо её превратить в электрическое поле, чего достигают с помощью прямого пьезоэлектрического эффекта.

В однородной среде. При прохождении УЗ-волны интенсивностью I через слой вещества толщиной d её интенсивность уменьшается и становится равной

I = I₀·e^-αd,

где I₀ - начальная интенсивность УЗ-волны; I - интенсивность волны после прохождения через слой вещества, d - ширина слоя вещества, - α коэффициент угасания волны. Угасание УЗ-волны вызвано двумя процессами: рассеянием энергии в тканях (связано с клеточной неоднородностью органов) и её поглощением (связано с макромолекулярной структурой тканей).

На границе двух сред при попадании УЗ-волны интенсивностью на границу раздела сред происходит отражение волны и поглощение волны. Часть энергии, которая будет заключена в отражённой волне, зависит от соотношения акустических сопротивлений сред. Так на границе тело пациента- воздух отражается почти 100% энергии. Поэтому, чтобы УЗ-волна попала в тело пациента применяют специальные гели (цель - уменьшить перепад акустического сопротивления сред). Отражение УЗ волны от неоднородностей и границ внутренних органов – основа диагностики их состояния по принципу эхолокации – анализа интенсивности отражённой УЗ - волны. Отражение УЗ-волн также зависит от размера отражающих структур:- если размер отражающих структур сопоставим с длинной УЗ-волны, то будет происходить дифракция волн, т.е. огибание волной структуры с последующим рассеянием энергии в тканях и формированием УЗ-тени;- если размер отражающих структур больше длины УЗ-волны, то последняя будет отражаться, причём интенсивность эхосигнала будет зависеть от направления зондирующего сигнала, формы и размера отражающих структур.

УЗ характеризуется следующими видами действия на вещество: 1. - механическое действие. Оно связано с деформацией микроструктуры вещества вследствие периодического сближения и отдаления составляющих вещество микрочастиц. Например, в жидкости УЗ-волна вызывает разрывы её целостности с образованием полостей – кавитаций. Это энергетически невыгодное состояние жидкостей, поэтому полости быстро закрываются с выделением большого количества энергии. 2. - тепловое действие. Связано с тем, что энергия, заключённая в УЗ-волне и выделяющаяся при закрытии кавитаций, частично рассеивается в тканях в виде тепла, что приводит к их нагреванию. 3. - физико-химическое действие. Проявляется в ионизации и диссоциации молекул веществ, ускорении химических реакций (например, окисления и восстановления) и т.д. На комплексном действии механических, тепловых и физико-химических факторов основано биологическое действие УЗ. Это действие будет определяться интенсивностью УЗ-волны. УЗ малой и средней интенсивности (соответственно 1,5 Вт на кв. см. и 3 Вт на кв.см) вызывают в живых организмах позитивные эффекты, стимулирует протекание нормальных физиологических процессов. Это основа использования УЗ в физиотерапии. УЗ улучшает проницаемость клеточных мембран, активизирует все виды транспорта через мембрану, влияет на скорость протекания биохимических реакций. Увеличение интенсивности УЗ-волны приводит к разрушающему его действию на клетки. Это используется для стерилизации медицинских помещений путём уничтожения ультразвуком вирусов и клеток бактерий. УЗ высокой интенсивности широко используется в хирургии. Некоторые операции проводятся с помощью ультразвукового скальпеля. Они безболезненны, сопровождаются малыми кровотечениями, раны быстрее заживают, в том числе вследствие стерилизации раны УЗ. Широкое использование имеет УЗ в ортопедии: для проведения некоторых операций на кости применяется УЗ-пилка, УЗ применяется для соединения костей между собой и скрепления с ними костных имплантантов. Литотрипсия – методика разрушения камней в почках и жёлчном пузыре с помощью направленного действия УЗ волн большой интенсивности.

Аппарат ультразвуковой терапии

Аппарат ультразвуковой терапии УЗТ-1Ф предназначен для генерирования ультразвуковых колебаний в целях воздействия ими на различные участки тела человек.

Аппарат работает в НЕПРЕРЫВНОМ и ИМПУЛЬСНОМ режимах генерации (с длительностью импульсов 2, 4 и 10 мс). Частота следования импульсов равна частоте, питающей сети (50 Гц), максимальная мощность ультразвуковых колебаний 4 Вт. Время установления рабочего режима не превышает 1 мин. с момента включения аппарата в сеть.

Аппарат обеспечивает работу в течение 6 часов в повторно кратковременном режиме излучения, 15 мин. работы в непрерывном режиме генерации при интенсивности 1,0 Вт/см³ и 10 мин. перерыве (с отключением аппарата из сети).

Электрическая функциональная схема электронного блока аппарата УЗТ-1Ф приведена на рис. 1

Рис. 1.

1 — автогенератор, 2 — модулятор, 3 — буферный каскад, 4 — предусилитель,

5 — усилитель выходной, 6 — индикатор выходного напряжения, 7 — импульсный генератор, 8 — блок питания, 9 — процедурные часы.

Колебания ультразвуковой частоты генерируются в автогенераторе (1), через модулятор (2) подаются на вход буферного каскада (3), предназначенного для ослабления влияния последующих каскадов на параметры генерирующего сигнала. В цепь буферного каскада (3) включен ступенчатый регулятор интенсивности, с выхода которого сигнал подается на вход предусилителя (4), где усиливается до уровня, необходимого для нормальной работы выходного усилителя (5), который предназначен для усиления мощности сигнала до значения, требуемого для получения заданной интенсивности ультразвукового излучения. Наличие напряжения регистрируется по свечению индикатора выходного напряжения (6). Аппарат питается от блока питания (8), содержащего выпрямители +6 В и +50 В, включающегося через контакты процедурных часов (9).