Sprawozdanie-B01 PDF

Preview

Summary

Download Sprawozdanie-B01 PDF

Description

Laboratorium Biofizyki B01

ABSORBCJA ULTRADŹWIĘKÓW W POWIETRZU

I WPROWADZENIE TEORETYCZNE Fale podłużne, fale płaskie, fale kuliste, rozchodzenie się fal dźwiękowych, ciśnienie akustyczne. Natężenie dźwięku, współczynnik absorpcji ultradźwięków, prawo Lamberta (prawo absorpcji). Przenikanie i pochłanianie fal ultradźwiękowych, działanie biologiczne i mechaniczne fal ultradźwiękowych.

Fale akustyczne to rozchodzące się w ośrodku zaburzenie gęstości, któremu towarzyszą drgania cząsteczek ośrodka (ciało stałe, ciecz, gaz). Fala podłużna to fala, w której drgania odbywają się w kierunku zgodnym z kierunkiem rozchodzenia się fali np. fala dźwiękowa. Fala kulista to fala, której powierzchnie falowe mają kształt współśrodkowych powierzchni kulistych. Fala płaska to fala, której powierzchnie falowe tworzą równoległe do siebie linie proste. Dla płaskich fal dźwiękowych działo prawo Lamberta, które opisuje spadek zmiennego ciśnienia akustycznego. Prawo Lamberta opisuje poniższy wzór: p(x)=p(0)e-αx p(x) - amplituda w pewnej odległości x, p(0) - amplituda początkowa zmiennego ciśnienia akustycznego, α- współczynnik pochłaniania. Współczynnik pochłaniania jest zależny od:  częstotliwości,  temperatury,  liczby stopni swobody atomów/cząsteczek gazu,  wilgotności względnej. Fala dźwiękowa może rozchodzić się, w każdym ośrodku. Im większa gęstość ośrodka tym prędkość rozchodzenia fali jest większa. Wynika z tego, że fala dźwiękowa najszybciej rozchodzi się w ciałach stałych, a najwolniej w gazach. Szybkość rozchodzenia fali w:  Granicie: 6000m/s  Kości 4080 m/s  Tkankach miękkich 1480 - 1580 m/s.  Wodzie: 1450m/s  Powietrzu: 340m/s Ciśnienie akustyczne to zmienne w czasie odchylenie od średniej wartości ciśnienia, które występuje w danym ośrodku. Powstaje podczas rozchodzenia się w ośrodku fali akustycznej. Ciśnienie akustyczne opisuje natężenie dźwięku i wyraża się w paskalach.

Natężenie dźwięku to mierzalna wielkość fizyczna wyrażana w jednostce [W/m2] . Jest to miara energii fali akustycznej. Oblicza się je wzorem: I = N/S N - moc akustyczna [W] S - pole powierzchni [m2]

Ultradźwięki to fale akustyczne, których częstotliwość przekracza 20 kHz. Częstotliwość ta, jest tak wysoka, że dźwięki te nie są słyszalne dla ludzi. Przy opisywaniu fal ultradźwiękowych uwzględnia się ich częstotliwość, pulsację, prędkość, długość, okres drgań, impedancję akustyczną, moc i natężenie. Fala ultradźwiękowa ulega zjawisku pochłaniana zamiana energii na ciepło, załamania, rozpraszania i odbicia. Absorpcja ultradźwięków powoduje wzrost energii wewnętrznej ciała, na skutek pochłaniania przez to ciało przechodzącej fali. Ultradźwięki przenikają w głąb ciała na głębokość 4–6 cm. Tkanki o dużej zawartości wody pochłaniają fale dźwiękowe w większym stopniu niż tkanki mniej nawodnione. Tkanka nerwowa, mimo pozornie nieznacznej zawartości wody, jest doskonałym przewodnikiem fal ultradźwiękowych. Fale ultradźwiękowe wykazują zarówno działania biologiczne jak i mechaniczne, a efekt ich działania zależy od natężenia fali. W medycynie fale wykorzystuje się m.in. w niszczeniu patologicznych ognisk w głębi tkanek. Ultradźwięki wykorzystywane są również w fizjoterapii. Podstawowym efektem działania ultradźwięków na tkanki jest działanie mechaniczne zwane "mikromasażem": Działanie mikromasażu:  przeciwbólowe  zmniejszające napięcie mięśniowe  rozszerzające naczynia krwionośne  hamujące procesy zapalne  hamowanie układu współczulnego  wyzwalanie substancji histamino podobnych 1. 2. 3. 4. 5.

II CEL ĆWICZENIA Zmierzyć zależność napięcia elektrycznego U od odległości x od źródła ultradźwięków, przesuwając odbiornik ultradźwięków wzdłuż kierunku rozchodzenia się fal dźwiękowych. Zmierzyć temperaturę otoczenia oraz wilgotność względną powietrza. Przygotować wykresy: liniowy i logarytmiczny natężenia dźwięku w zależności od odległości od źródła. Potwierdzić prawo absorpcji Lamberta i wyznaczyć współczynnik absorpcji. Obliczyć wartość tłumienia ultradźwięków w powietrzu (przy aktualnych warunkach temperatury i wilgotności powietrza) i porównać go z zamieszczonymi w instrukcji wartościami odniesienia.

III METODOLOGIA WYKONYWANIA ĆWICZENIA 1. Dopasuj odbiornik i nadajnik ultradźwięków w taki sposób, aby znajdowały się one na identycznej wysokości, ze zgodnymi ze sobą osiami pionowymi. Podłącz nadajnik do gniazda diody TR1 generatora ultradźwięków i ustaw go w ciągły tryb działania „Con”.

2. Podłącz sygnał wejściowy do analogowego wyjścia multimetru, aby w dalszej kolejności uzyskać obraz sygnału wzmocnionego i wyprostowanego (UWAGA!! Aby zapewnić proporcjonalność między sygnałem wejściowym i wyjściowym, należy unikać przesterowania wzmacniacza. W takich przypadkach, gdy zapala się dioda „OVL”, należy zmniejszyć amplitudę nadajnika albo wzmocnienie sygnału.) 3. Przeprowadź serię pomiarów, w których zbadana zostanie absorpcja ultradźwięków w powietrzu. Rozpocznij pomiary, gdy odległość x między nadajnikiem i odbiornikiem wynosi ok. 50 cm, następnie zwiększaj stopniowo tę odległość o ok. 5 cm, aż odległość między nadajnikiem i odbiornikiem osiągnie 100 cm. 4. Na początku każdej serii pomiarowej dostosuj otrzymany sygnał do maksymalnej wartości zawartej w przedziale 3.3 – 3.4 V. 5. Na wynik doświadczenia mogą mieć wpływ ultradźwięki odbite. Można tego w znacznej mierze uniknąć przez przygotowanie doświadczenia, o ile to możliwe, daleko od ścian i mebli (oraz innych przedmiotów odbijających ultradźwięki). Szczególnie kłopotliwe są odbicia od powierzchni roboczej, na której zainstalowana jest ława. Można je zmniejszyć przykrywając ławę materiałem dźwiękochłonnym. Poza tym, osoba przeprowadzająca eksperyment, podczas odczytu nie powinna stać zbyt blisko miejsca wykonywania pomiaru. IV CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA Temperatura powietrza: 25˚C Względna wilgotność powietrza: 45% TABELE POMIARÓW:

odległość od żródła [cm] 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

napięcie [V] I próba 3,4 2,98 2,73 2,31 2,13 1,87 1,85 1,61 1,53 1,46 1,31

napięcie [V] II próba 3,4 3,06 2,73 2,36 2,14 2,03 2,02 1,89 1,75 1,46 1,35

napięcie [V] IIIpróba 3,4 3,04 2,74 2,38 2,17 2,09 1,99 1,88 1,81 1,54 1,4

średnia wartość [V] 3,40 3,03 2,73 2,35 2,15 2,00 1,95 1,79 1,70 1,49 1,35

Współczynnik absorpcji:

ᾶ=0,0166 Niepewność wartości współczynnika absorpcji z funkcji REGLINP: stała a: 0,016602582 odchylenie standardowe a= u(a): 0,000841908 Niepewność całkowita:

stała b: -0,076786376 odchylenie standardowe b= u(b): 0,026119522 0,002525724

Otrzymana z obliczeń na podstawie wzoru: wartość stałej tłumienia α ultradźwięków w powietrzu: 14,4

Porównanie otrzymanego wyniku z wartością przedstawioną na wykresie:

V WNIOSKI 1. Im większa odległość odbiornika od nadajnika, tym mniejsza wartość odbieranego natężenia dźwięku. 2. Wartość współczynnika tłumienia przy stałej temperaturze otoczenia zależy od wilgotności względnej powietrza. 3. Zgodnie z prawem Lamberta, przy odbiorniku oddalonym od nadajnika o więcej niż 60 cm falę dźwiękową kulistą uznajemy za falę płaską, ponieważ jej wykres logarytmiczny pokrywa się z wykresem prostej wykładniczej. 4. Wartość stałej tłumienia α ultradźwięków w powietrzu, wyliczonej doświadczalnie różni się od wartości literaturowych, gdyż część ultradźwięków zakłócała pomiary, odbijając się od podłoża, ścian, mebli, osób wykonujących pomiary; w tabeli porównawczej przedstawione zostały wartości dla temperatury 20˚C, podczas, gdy w pomieszczeniu laboratoryjnym temperatura wynosiła 25˚C.

VI BIBLIOGRAFIA 1. Biofizyka. Podręcznik dla studentów; Redakcja: Feliks Jaroszyk, Wyd. Lekarskie PZWL 2013 2. Choosing an Ultrasonic Sensor for Proximity or Distance Measurement Part 1: Acoustic Considerations, D.P. Mass; Sensors Online, 1999; 3. www.ilf.fizyka.pw.edu.pl 4. www.if.pwr.wroc.pl 5. www.centrum.fizjoterapeuty.pl 6. www.fizykon.org 7. www.fizjotechnologia.com...