Akustika je náuka o slyšiteľnom zvuku, ultrazvuku a infrazvuku. Zdroje zvuku sú telesá, v ktorých vzniká chvenie, ktoré sa prenáša na okolité prostredie a v ňom sa ďalej šíri ako postupná vlna mechanického vlnenia. Mechanické vlnenie a teda aj ultrazvuk môžeme popísať frekvenciou alebo periódou, amplitúdou, vlnovou dĺžkou a rýchlosťou šírenia. Aby mohlo dôjsť k prenosu, je zapotrebné mať tri základné časti - zdroj zvuku, prostredie, v ktorom sa šíri, a prijímač.
Fyzikálne princípy šírenia vlnenia
Mechanické vlnenie a zvuk sa šíria vo všetkých skupenstvách látky pomocou väzieb medzi časticami. Častica sama o sebe sa nikam nešíri, ale prenáša energiu kmitavého pohybu na susedné častice a dochádza k šíreniu kmitu. Prostredie sa nazýva pružným. Molekuly prostredia majú od svojej strednej polohy výchylky buď v smere šírenia vlny (podélné vlnenie) alebo kolmo na smer šírenia vlny (priečne vlnenie).
V plynoch a kvapalinách sa zvuk šíri ako postupné pozdĺžne vlnenie. V pevných látkach sa zvuk môže šíriť aj vlnením postupným priečnym. V živých tkanivách sa šíri rovnako ako v tekutinách, teda postupne pozdĺžne. Čím je prostredie hutnejšie (jeho častice sú bližšie k sebe), tým je rýchlosť vlnenia väčšia. Nejpomalšie sa teda bude vlnenie šíriť v plynoch, rýchlejšie v kvapalinách a najrýchlejšie v pevných telesách.
Rýchlosť šírenia v závislosti od prostredia
Rýchlosť zvuku závisí od prostredia, v ktorom sa šíri. Pre vzduch o normálnej teplote je rýchlosť šírenia cca 340 m/s a je rovnaká pre vlnenie všetkých frekvencií. V plynoch platí, že pre adiabatický dej možno rýchlosť šírenia vzduchu odvodiť zo stavovej rovnice plynu. Rýchlosť zvuku v suchom vzduchu rastie približne lineárne so zvyšujúcou sa teplotou (v = 331,8 + 0,6.t).
V tuhom prostredí je šírenie vlnenia výrazne ovplyvnené elasticitou materiálu. Vyššia hustota látky síce znižuje rýchlosť šírenia zvuku, zároveň ale látky s vyššou hustotou obvykle mávajú vyššiu elasticitu. Preto sa ultrazvuk najrýchlejšie šíri v pevných látkach (napr. kostiach) a nejpomalšie v plynoch. V ľudskom tele sa rýchlosť šírenia pohybuje okolo 1540 m/s.
Ultrazvuk: Definícia a delenie
Frekvencia zvukových vĺn, ktoré ľudské uši môžu počuť, je 20 Hz - 20 kHz. Keď je frekvencia vyššia ako 20 kHz, ľudské ucho ju nepočuje. Zvukovú vlnu s frekvenciou vyššou ako 20 kHz preto nazývame 'ultrazvuková vlna'. Ultrazvuk je mechanické vlnenie vyvolané vzájomným rozkmitaním elastických častíc, ktorého frekvencia je vyššia než 20 kHz.
V závislosti na frekvencii sa ultrazvukové vlnenie delí na tri kategórie:
- Silový ultrazvuk: 20-100 kHz.
- Vysokofrekvenčný ultrazvuk: 100 kHz až 1 MHz.
- Diagnostický ultrazvuk: 1-500 MHz.
Akustická impedancia a interakcia s prostredím
Na hustote prostredia a rýchlosti šírenia ultrazvuku je závislá akustická impedancia, veličina popisujúca vzťah ultrazvuku a prostredia. Prostredie kladie akýsi odpor ultrazvukovému vlneniu a bráni vzniku zón zvýšeného a zníženého tlaku. Akustická impedancia je definovaná súčinom hustoty a rýchlosti vlnenia v danom materiáli.
Pri prechode ultrazvukovej vlny rozhraním dvoch vrstiev s rôznou akustickou impedanciou dochádza k čiastočnému odrazu vlny (echo, ozvena), časť prechádza ďalej. Odrazená energia je priamo úmerná rozdielu akustických impedancií prostredia tvoriacich rozhranie. Pri vyšetrení ultrazvukom je však nežiaduce, aby vlny prechádzali vzduchovou vrstvou medzi ultrazvukovou sondou a povrchom tela, pretože rozdiel medzi impedanciou vzduchu a mäkkého tkaniva je značný a dochádzalo by na tomto rozhraní k veľkým odrazom.
Útlm, absorpcia a fyzikálne limity
Prechodom ultrazvuku prostredím dochádza k útlmu intenzity absorpciou (premenou na tepelnú energiu) a rozptylom. Útlm vyjadruje pokles amplitúdy vlny pozdĺž jej dráhy a závisí od frekvencie. Ak vlna prechádza stratovým prostredím, dochádza k absorpcii energie premenou na teplo. Absorpcia je priamo úmerná druhej mocnine frekvencie. Čím je frekvencia väčšia, tým je hĺbka prieniku ultrazvukového vlnenia menšia.
Hĺbka prieniku pre frekvenciu 3-5 MHz je cca 20 cm. Absorpcia sa zväčšuje so vzrastajúcou frekvenciou, je najmenšia v mäkkých tkanivách, naopak v pľúcach a menších kostiach je absorpcia vysoká. Ak vlnenie dopadne na plochu menšiu než je jeho vlnová dĺžka, dochádza k rozptylu.
Aplikácie v priemysle a medicíne
Ultrazvukové meranie vzdialenosti je technológia, ktorá využíva vysokofrekvenčné zvukové vlny na určenie vzdialenosti medzi dvoma objektmi. Funguje tak, že vysiela ultrazvukovú vlnu z prevodníka a meria čas, za ktorý sa vlna odrazí späť po dopade na predmet. Najbežnejšou metódou je metóda detekcie ozveny.
Úvod do Dopplerovho ultrazvuku
V medicíne sa ultrazvuk využíva na neinvazívne zobrazovanie a meranie vzdialenosti medzi vnútornými orgánmi. V diagnostike sa používajú hodnoty intenzity okolo 10⁻¹⁰ W.cm⁻². Pri priechode ultrazvuku tkanivami sa veľká časť energie premieňa na mechanickú, dochádza k vibráciám tkanív, čo má za následok zväčšenie priepustnosti bunkových membrán. Využíva sa aj Dopplerov efekt, ktorý opisuje zmenu frekvencie pohybujúceho sa objektu, čo umožňuje napríklad meranie prietoku krvi cievami.
Bezpečnosť a biologické účinky
Hoci je ultrazvuk, na rozdiel od RTG, neionizujúcim žiarením, je nutné ho užívať s opatrnosťou a uvážlivo. Priechodom ultrazvuku tkaním sa časť energie absorbuje, kinetická energia molekúl tkanív sa zväčší a dôjde k zvýšeniu teploty. Vplyvom rýchleho striedania lokálneho tlaku môže dochádzať k mechanickému poškodeniu štruktúr, tzv. kavitácii.
Na predchádzanie rizika nebezpečnej expozície boli zavedené mechanický index (MI) a tepelný index (TI). Použitie echokontrastných látok, ktoré sú zložené z mikrobublín plynu v stabilnom plášti, ďalej zvyšuje echogenitu a umožňuje detailnejšie zobrazenie mikrovaskulatúry, avšak vyžaduje prísne dodržiavanie bezpečnostných limitov aplikácie.
tags: #v #com #sa #najrychlejsie #siri #ultrazvuk