VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ TERMOAKUSTICKÉ MĚŘENÍ VÝKONU ULTRAZVUKU

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘICÍ TECHNIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF CONTROL AND INSTRUMENTATION TERMOAKUSTICKÉ MĚŘENÍ VÝKONU ULTRAZVUKU THERMOACOUSTIC MEASUREMENT OF ULTRASONIC POWER BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR VÁCLAV KUČERA doc. Ing. Jiří Rozmn, CSc. BRNO 2010

2 ZDE VLOŽIT LIST ZADÁNÍ Z důvodu správného číslování stránek

3 ABSTRAKT Práce se zbývá metodmi pro měření intenzity výkonu ultrzvuku lékřských dignostických systémů, především metodou termokustickou. Dále je zprcován návrh termokustického senzoru jeho ověření porovnáním s výkonem ultrzvukového systému změřeným pomocí hydrofonu v ultrzvukové měřicí vně. V úvodní kpitole jsou popsány zákldní vlstnosti obecného ultrzvukového pole. Dlší část se věnuje jednotlivým metodám měření intenzity výkonu ultrzvuku. Poslední část práce se zbývá smotným návrhem termokustického senzoru, měřením s tímto senzorem, měřením s hydrofonem vzájemným porovnáním těchto měření. KLÍČOVÁ SLOVA ultrzvuk, termokustický senzor, výkon, intenzit, hydrofon ABSTRACT The thesis dels with ultrsound intensity nd power mesuring methods of the medicl dignostic systems, especilly with thermocoustic method. Then the concept of thermocoustic sensor is processed nd it is checked by comprison with the power of ultrsound system mesured by the hydrophone in ultrsonic mesuring tnk. In the leding chpter bsic prmeters of generl ultrsonic field re described. Next prt dels with prticulr ultrsound intensity nd power mesuring methods. The lst prt dels with projecting of the thermocoustic sensor, mesuring with this sensor, mesuring with hydrophone nd comprison of this mesurements. KEYWORDS ultrsound, thermocoustic sensor, power, intensity, hydrophone

4 KUČERA, V. Termokustické měření výkonu ultrzvuku. Brno: Vysoké učení technické v Brně,, s. Vedoucí bklářské práce doc. Ing. Jiří Rozmn, CSc.

5 Prohlášení Prohlšuji, že svou bklářskou práci n tém Termokustické měření výkonu ultrzvuku jsem vyprcovl smosttně pod vedením vedoucího bklářské práce s použitím odborné litertury dlších informčních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci uvedeny v seznmu litertury n konci práce. Jko utor uvedené bklářské práce dále prohlšuji, že v souvislosti s vytvořením této bklářské práce jsem neporušil utorská práv třetích osob, zejmén jsem nezsáhl nedovoleným způsobem do cizích utorských práv osobnostních jsem si plně vědom následků porušení ustnovení 11 následujících utorského zákon č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývjících z ustnovení 152 trestního zákon č. 140/1961 Sb. V Brně dne: 31. květn 2010 podpis utor Poděkování Děkuji vedoucímu bklářské práce doc. Ing. Jiřímu Rozmnovi, CSc. z účinnou metodickou, pedgogickou odbornou pomoc dlší cenné rdy při zprcování mé bklářské práce. V Brně dne: 31. květn 2010 podpis utor

6 6 OBSAH 1. ÚVOD POPIS ULTRAZVUKU A ULTRAZVUKOVÉHO POLE Popis zákldních veličin pojmů Akustický tlk Akustická impednce Intenzit ultrzvuku Akustický výkon Vyzřování ultrzvukových zdrojů Blízké pole (Fresnelov oblst) Vzdálené pole (Fruenhoferov oblst) METODY MĚŘENÍ INTENZITY ULTRAZVUKU Tlk záření Ultrzvuková váh se zvěšeným reflektorem Ultrzvuková váh bez zvěšeného reflektoru Absorbéry Klorimetr Termistory Hydrofon URČENÍ ABSOLUTNÍ HODNOTY VÝKONU ULTRAZVUKU TERMOAKUSTICKÝMI SENZORY Ideální dvouvrstvý senzor Termokustický jednovrstvý senzor Nárůst teploty v silně bsorbujících mteriálech Efekt vícenásobně održených vln Závislost frekvence n teplotní změně zdního povrchu Zdokonlený jednovrstvý senzor EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ Termokustický senzor Konstrukční řešení relizce termokustického senzoru Měření s termokustickým senzorem... 36

7 7 5.2 Měření s hydrofonem Zprcování nměřených hodnot ZÁVĚR LITERATURA...47 SEZNAM SYMBOLŮ, VELIČIN A ZKRATEK...48 SEZNAM PŘÍLOH PŘÍLOHY... 52

8 8 SEZNAM OBRÁZKŮ 1 Rozdělení pole uzv měniče n blízkou vzdálenou oblst Vyzřovcí digrm měniče ve vzdáleném poli Ultrzvuková váh se zvěšeným reflektorem Ultrzvuková váh bez zvěšeného reflektoru Termistorová sond Bodová piezoelektrická sond Zobrzení dvouvrstvého termokustického senzoru Bokorys dvouvrstvého termokustického senzoru () grf teploty T(x) v přední vrstvě po vložení senzoru do ultrzvukového pole (b) Zobrzení jednovrstvého termokustického senzoru Závislost změny teploty ΔT 1 (x) n vzdálenosti x, vypočtené z rovnice 29, pro jednovrstvý senzor z plexiskl, umístěný ve sttickém uzv poli Změn teploty ΔT(l ) n zdním povrchu jednovrstvého senzoru z plexiskl, umístěného ve stcionárním ultrzvukovém poli, v závislosti n frekvenci f Zdokonlený termokustický senzor Termokustický senzor TS Termokustický senzor TS Blokové schém měřicí soustvy pro měření s termokustickým senzorem Rozdíly teplot pro senzor TS Závislost výkonu změřeného senzorem TS2 n zeslbení výstupního výkonu uzv zobrzovcího systému pro bsorbér Aptflex vosk Rozdíly teplot pro vosk Rozdíly teplot pro bsorbér Aptflex Rozdíly teplot pro lepidlo Pttex Hydrofon Force MH Blokové schém měřicí soustvy pro měření s hydrofonem Závislost výkonu změřeného hydrofonem n zeslbení výstupního výkonu uzv zobrzovcího systému...44

9 9 SEZNAM TABULEK 1 Výkony nměřené pomocí senzoru TS Výkony nměřené pomocí senzoru TS Tbulk výkonů intenzit nměřených pomocí hydrofonu Souhrnná tbulk nměřených výkonů...44

10 10 1. ÚVOD V součsnosti jsou k dispozici stále modernější ultrzvukové (uzv) zobrzovcí systémy, jejichž rozlišovcí schopnost se ndále zlepšuje. K dosžení vyšší rozlišovcí schopnosti je obvykle potřeb zvýšit tké výstupní výkon těchto zobrzovcích systémů. Ačkoliv negtivní vliv uzv vlnění n lidský orgnismus nebyl nikdy spolehlivě prokázán, nelze s jistotou říci, že toto vlnění nezpůsobuje změny, které se projeví npříkld ž po několik desetiletích, či v dlší generci. Je zřejmé, že pokud by tkovýto vliv existovl, byl by výrznější při vystvování lidského orgnismu vyšším intenzitám uzv vlnění. V součsnosti neexistují žádná zákonná omezení, tk se používná mxim těchto intenzit ( tím i výkonů) řídí pouze doporučeními Světové zdrvotnické orgnizce. Proto, bychom mohli měřit přímo výkon uzv zobrzovcího systému, zvádíme metodu s termokustickými senzory. Tto bklářská práce se zbývá metodmi měření výkonu ultrzvuku. Hlvním úkolem je popst metodu měření výkonu ultrzvuku dignostických zobrzovcích systémů pomocí termokustických senzorů, nvrhnout relizovt termokustický senzor ověřit jeho funkčnost. Výsledky tohoto měření poté porovnt s výsledky získnými měřením pomocí hydrofonu v ultrzvukové měřicí vně.

11 11 2. POPIS ULTRAZVUKU A ULTRAZVUKOVÉHO POLE Pro popis měření intenzity výkonu ultrzvuku je nejprve nutné definovt některé veličiny pojmy ve vzthu k ultrzvukovému poli, jkož i vlstnosti tohoto pole. 2.1 POPIS ZÁKLADNÍCH VELIČIN A POJMŮ Akustický tlk Šíří-li se v kplině ultrzvukové podélné vlnění, vznikjí střídvá zhuštění zředění prostředí, která se u postupující vlny šíří jko rozruch prostoru. S tím souvisí změny tlku hrmonicky probíhjící v závislosti n čse. Akustický tlk je střídvý tlk superponovný buď brometrickému tlku (v plynech), nebo tlku hydrosttickému (v kplinách) [1]. Pro sinusově proměnné ultrzvukové rovinné vlnění bude pohyb hrmonicky se pohybující částice prostředím popsán rovnicí [1] x u U sin t c (1) mplitud kustického tlku P je pk P Uc, (2) kde U je mplitud výchylky, ρ hustot prostředí, c rychlost šíření vlnění x je vzdálenost n ose x. Pro tlk p pk pltí [6]: p Z v, (3) kde Z je kustická impednce v je kustická rychlost. Tto rovnice je z hledisk elektromechnické nlogie oznčován jko Ohmův zákon pro kustické pole [6].

12 Akustická impednce Akustická impednce je podobně jko elektrická obecně veličinou komplexní, díky fázovému posunu mezi tlkem rychlostí uzv vlny v uvžovném místě. Zvláštní přípd nstává u postupné rovinné nebo kulové vlny v neohrničeném prostředí. Tm je kustická impednce rovn vlnovému odporu prostředí [1] Z c. (4) Intenzit ultrzvuku Intenzit ultrzvuku I nebo tké střední hodnot měrného výkonu je určen střední hodnotou energie E s, která projde z jednotku čsu jednotkovou plochou orientovnou kolmo n směr šíření vlnění. Můžeme proto psát [6]: T I E dt c U c V T s 2 2 0, (5) kde V je mplitud kustické rychlosti. Zvedeme-li jko v elektrotechnice efektivní veličiny kustického tlku p ef kustické rychlosti v ef [4] p ef P, 2 v ef V, 2 (6), (7) kde P je mplitud kustického tlku, můžeme jejich pomocí definovt intenzitu ultrzvukové vlny vzthem [4] p I pef vef PV (8) 2 2 c Toto pltí z podmínky uvedené v rovnici Akustický výkon Akustický výkon v prostředí stnovíme z výrzu [6]

13 13 N I ds (9) S jko plošný integrál intenzity ultrzvuku n ploše vymezené uzv měničem. Podobně jko v elektrotechnice je i v ultrzvukové technice nutné přizpůsobit kustickou impednci zdroje ultrzvuku (uzv měniče) vlnovému odporu prostředí. Dosáhneme tím optimálního přenosu uzv energie z měniče do prostředí tím tedy mximálního kustického výkonu v prostředí [6]. Po zjednodušení vzthu 9 tedy pro výkon pltí [1]: N I S. (10) 2.2 VYZAŘOVÁNÍ ULTRAZVUKOVÝCH ZDROJŮ Blízké pole (Fresnelov oblst) Nejjednodušší zdroj vyzřující ultrzvukové vlny je zdroj bodový. Tento zdroj vyzřuje ultrzvuk stejnoměrně n všechny strny. Jiným zdrojem ultrzvukových vln je destičk, jejíž všechny body n povrchu kmitjí se stejnou mplitudou fází. Tento způsob kmitání oznčujeme jko pístový. Akustický tlk způsobený vlnmi vyzřovnými ze zdroje, má n ose vyzřování svá mxim minim. Mxim jsou ve vzdálenostech [4] l n mx D 2 2 (2n 1) 4(2n 1) vzdálenost minim od zdroje je l n min D n 8n kde D je průměr zdroje l je vzdálenost n ose od zdroje. 2 2, n 0,1,2,3,... (11), n 0,1,2,3,..., (12) Z rovnic je vidět, že se zvyšujícím se číslem n dostáváme mxim minim bližší k měniči, kde se jejich hustot zvyšuje. Nejvýznmnější je poloh

14 14 posledního mxim n ose zdroje, která je ve vzdálenosti l 0 udávjící zároveň délku blízkého pole. Pltí [4]: l D 4. (13) Pro mxim kustického tlku blízká poslednímu potom přibližně pltí, že jsou v jedné třetině, pětině sedmině délky blízkého pole minim jsou v jedné polovině, čtvrtině osmině této délky (viz obr. 1) [4]. Obr. 1: Rozdělení pole uzv měniče n blízkou vzdálenou oblst [6] Vznik mxim minim kustického tlku, která se vyskytují nejen n ose, nýbrž v celém blízkém poli, lze vysvětlit interferencemi ultrzvukových kmitů, přicházejících do určitého míst z různých bodů zdrojů s různou fází. Akustický tlk v tomto místě je výslednicí mplitud fází všech dílčích vln. Proto jsou v celém blízkém poli složité mplitudové fázové poměry. Blízké pole se vyznčuje tím, že v něm nedochází k rozbíhání ultrzvukového svzku [4]. Vznik interferencí, n nichž rozložení kustického tlku závisí, je podmíněn i tím, zd zdroj kmitá v přechodném stvu, který se velmi čsto výrzně upltní při impulsovém vysílání. Ztímco při ustáleném stvu interferují v ultrzvukovém poli vlny vysílné ze všech bodů zdroje, nemusí tomu tk být při krátkém impulsu.

15 15 V přechodném jevu n počátku konci impulsu dochází někdy i k tvrovému zkreslení kmitů [4]. Akustický tlk v blízkém poli obdélníkového zdroje vykzuje podsttně menší rozdíly mezi mximy minimy kustického tlku. Délk blízkého pole udává rovněž vzdálenost posledního mxim n ose jko u zdroje kruhového lze ji přibližně vyjádřit vzthem [4] l (1 n 2 )(1 0,5n), (14) kde n = b/ 1 je poměr strn obdélníku 2, 2b jsou délky strn Vzdálené pole (Fruenhoferov oblst) Ve vzdálenosti větší, než je poslední mximum kustického tlku n ose zdroje, zčíná tzv. vzdálené pole, kde kustický tlk klesá rovnoměrně se vzdáleností n ose zdroje. N rozdíl od blízkého pole nezůstává průřez ultrzvukového svzku konstntní, nýbrž dochází k jeho rozbíhání (jk je ptrné z obr. 1). Mimo osu se vyskytují extrémy kustického tlku n zčátku vzdáleného pole. Vyzřovcí digrm ultrzvukového zdroje ve vzdáleném poli je zobrzen n obr. 2 [4]. Obr. 2: Vyzřovcí digrm měniče ve vzdáleném poli [6]

16 16 Vzdálené pole teoreticky zčíná n konci pole blízkého. Prkticky je ovšem mezi koncem blízkého pole zčátkem pole vzdáleného přechodná oblst, protože kustický tlk n ose zdroje neklesá lineárně se vzdáleností. Pro technické účely je vhodné definovt jko zčátek vzdáleného pole vzdálenost od zdroje, ve které se n ose sondy odchyluje kustický tlk npř. o 1dB [4].

17 17 3. METODY MĚŘENÍ INTENZITY ULTRAZVUKU 3.1 TLAK ZÁŘENÍ Tyto metody měření ptří k nejrozšířenějším. Kromě uzv vh jsou známé torzní váhy, uzv erometr, měření odvozená z působení tlku záření n kovové kuličky rozptýlené ve vodě vznik proudění v kplině. V následujících podkpitolách popíšeme uzv váhu s bez zvěšeného reflektoru [6]. N překážkách vložených do šířící se uzv vlny se kustický tlk nemění přesně hrmonicky, le je částečně zkreslený. Střední hodnot tlku proto není nulová. Tlk uzv záření je frekvenčně nezávislou veličinou přímo úměrnou intenzitě uzv. Podstt měření spočívá v tom, že do uzv svzku vložíme odrznou plochu (reflektor - destičku či kuličku), jejíž rozměry jsou řádově větší než délk vlny uzv v dném prostředí. Měříme tk integrální hodnotu tlku záření [6]. Experimentálně bylo ověřeno, že pokud dopdjící uzv vln n překážku je zcel bsorbován, je síl způsobená tlkem záření úměrná kustickému výkonu [6]: N F c. (15) Ultrzvuková váh se zvěšeným reflektorem Reflektor je zvěšen ve vodě, n držáku, pomocí závěsu z mteriálu s minimálním rušivým vlivem (npříkld tenkými drátky), by se zmezilo odrzu od tohoto závěsu. Držák reflektoru je spojen přímo s miskou váhy. Smotná měřicí nádrž má n stěnách připevněny bsorbéry, je umístěn n vlstních stojnech nemá tk n vážení vliv. Ultrzvukový měnič je umístěn nd reflektorem během měření vyzřuje přímo n něj. Tto konfigurce (viz obr. 3) je vhodná pro rozshy užívné v terpii běžně se užívá pro komerční měřiče výkonu [3].

18 18 Obr. 3: Ultrzvuková váh se zvěšeným reflektorem [3] Výhodou tohoto systému je v jednoduchosti jeho použití nstvení. Jelikož je celková hmotnost reflektoru držáku nízká, lze při měření použít váhu s nízkou nosností dosáhnout tím snížení nákldů. Ačkoliv je chyb měření s touto konfigurcí pro terpeutické rozshy nízká, stbilit váhy se při výkonu pod 500 mw snižuje [3] Ultrzvuková váh bez zvěšeného reflektoru V této konfigurci je cíl spojen přímo s miskou váhy proto je vzhledem k celkové hmotnosti cíle měřen jen mlá odchylk. Proto je nutno oproti předchozí metodě, použít váhu s mnohem větší nosností [3]. Cíl sestává z měřicí nádrže, jejíž dno je pokryto bsorbérem. Ultrzvukový měnič je opět umístěn nhoře nd nádrží vyzřuje směrem dolů (viz obr. 4). Ačkoliv tto konfigurce není komerčně využitelná, její potenciál spočívá v její jednoduchosti možnosti sestvit ji ještě levněji, než konfigurci předchozí. Ovšem hlvní výhodou této konfigurce je její stbilit. V porovnání s váhou se zvěšeným

19 19 reflektorem je její použitelný měřicí rozsh již od zhrub 50 mw ž do 10 W to při přijtelné přesnosti. Oproti tomu hlvní nevýhodou je vyšší cen váhy s vyšší nosností [3]. Obr. 4: Ultrzvuková váh bez zvěšeného reflektoru [3] Absorbéry Z předpokldu pltnosti rovnice 14 musí bsorbér zcel pohltit dopdjící ultrzvukovou vlnu. Ztímco tkovýto ideální bsorbér nelze v prxi relizovt, lze pomocí zvuk neodrážejících mteriálů relizovt bsorbér s podobnými vlstnostmi. Vhodnost použitého mteriálu lze specifikovt dvěm podmínkmi činitel odrzu musí být menší než 5 % mteriál musí bsorbovt nejméně 99 % příslušné ultrzvukové energie. Proto se v prxi používjí pružné pryžové mteriály, vlákn vty různých typů, či polyetylenová žebr krtáče [3], [6]. 3.2 KALORIMETR Ultrzvukové měniče, které prcují s větším vyzářeným kustickým výkonem v oblsti kmitočtů 0,6 ž 2 MHz, lze jednoduše cejchovt klorimetricky podle

20 20 ohřevu olejové lázně nebo v klorimetru k tomuto účelu zvláště uprveném (v prostředí bsorbovná ultrzvuková energie se mění n teplo). Je-li c p měrné teplo kpliny v objemu V, do kterého ultrzvukový měnič vysílá, pk kustický výkon měniče bude [1] c N 1,18 p V T, t (16) kde ΔT je rozdíl teplot před po ozvučení t je dob ozvučení. Přesně lze stnovit prmetry měření tím, že do lázně, ve které se má provádět kustické měření, zvedeme topné tělísko, kterým necháme procházet tkový proud, by z stejnou dobu ohřál kplinu n stejnou teplotu jko uzv vlnění. Potom elektrický výkon potřebný k ohřátí kpliny odpovídá kustickému výkonu bsorbovnému kplinou [6]. 3.3 TERMISTORY Termistory jsou polovodičové prvky s výrznou teplotní závislostí odporu. Kromě jiného se používjí k měření velmi mlých výkonů při vysokých frekvencích. Většin termistorů prcuje s tepelným vybuzováním nosičů proudů proto jejich teplotní součinitel odporu je záporný (NTC). Termistory s obzvláště velkým kldným teplotním součinitelem odporu se vyrábějí z piezokermických mteriálů. Termistory se vyrábějí technologií kovové kermiky z polykrystlických polovodičových mteriálů n bázi oxidu niklu, mngnu, kobltu, želez titnu. Konstrukční uspořádání termistorové sondy je nznčeno n obr. 5 [6]. Při měření zpojujeme termistorovou sondu do obvodu zvného termistorový můstek obdob Whetstoneov můstku. Tyto sondy jsou vhodné pro měření mlých hodnot intenzit ultrzvuku. Cejchování provádíme některou jinou měřicí metodou [6].

21 21 Obr. 5: Termistorová sond [6] 3.4 HYDROFON Měření intenzity hydrofonem (piezoelektrickou sondou) má oproti jiným metodám výhodu v reltivně velké citlivosti. Můžeme měřit intenzity od 100 W/m 2 (10 mw/cm 2 ). Abychom měřicí sondou nenrušili tvr uzv pole, musí být její rozměry menší než délk uzv vlny. Použijeme-li k měření sondu s rozměry podsttně většími než délk vlny, měříme střední hodnotu intenzity dopdjícího vlnění n sondu [6]. Nevýhodou hydrofonů je jejich frekvenční závislost v blízkosti vlstní rezonnce. K měření proto používáme měniče s rezonnční frekvencí podsttně vyšší než je frekvence měřeného vlnění. Citlivost sondy se tím sice sníží, le její frekvenční chrkteristik je v určitém pásmu vyrovnná. Tyto sondy se s výhodou používjí i pro mpování uzv polí [6]. Zákldem hydrofonu je piezoelektrický měnič. Používá se pro rozsh prcovních frekvencí vyšších než 100 khz. Tyto měniče využívjí přímého nepřímého piezoelektrického jevu. Přímý piezoelektrický jev popisuje vznik elektrických nábojů n plochách měniče při jeho nmáhání v tlku, thu či krutu. Vznik mechnických deformcí vlivem působícího elektrického je oznčován jko nepřímý piezoelektrický jev. Schémtický řez sondou je n obr. 6 [6].

22 22 Obr. 6: Bodová piezoelektrická sond [6] Zákldním prmetrem měřeným pomocí hydrofonu je kustický tlk, který je závislý n pozici v uzv poli n čse. Ke zjištění žádných, prostorově špičkových hodnot kustického tlku je nutné prozkoumt posouváním hydrofonu oblst měřeného uzv pole tk, by bylo nlezeno místo s mximální mplitudou npětí. Toto npětí je měřeno zznmenáváno pomocí osciloskopu. Pro kustický tlk pk pltí vzth [7]: U p, (17) M kde U je mplitud měřeného npětí M je citlivost hydrofonu. Hodnoty výkonu intenzity pulzního ultrzvuku jsou odvozeny z hodnot tlku p, nměřených v osových mximech průběhu tlku. Zjišťovnými intenzitmi jsou prostorově špičková-čsově špičková I SPTP, prostorově špičková-pulzně průměrná I SPPA, prostorově špičková-čsově průměrná I SPTA prostorově průměrnáčsově průměrná intenzit I SATA. Z předpokldu, že je postupná rovinná vln proximován, je intenzit ultrzvuku úměrná kvdrátu kustického tlku. Pro I SPTP pltí [7]: I SPTP kde Z 0 je kustická impednce. 2 2 p U, (18) 2 Z M Z 0 0

23 23 Intenzit I SPPA je dán jko integrál mocniny zznmenného průběhu npětí v závislosti n čse [7]: I SPPA td Z kde t d je čs trvání pulzů. p 0 2 t dt d M td 2 U 2 Z dt 0 t d, (19) Pro intenzitu I SPTA pltí [7]: I SPTA 2 U dt T I 2 M Z T 0 SPPA kde T je period, s jkou dochází k opkování pulzů. T t, (20) Intenzit I SATA je dán vzthem [7]: I SATA I SPTA da A, (21) A kde A je jednotková ploch, kterou prochází ultrzvukové vlnění. Výkon ultrzvuku lze pk vyjádřit vzthem [7]: N I da I A. (22) A SATA SATA

24 24 4. URČENÍ ABSOLUTNÍ HODNOTY VÝKONU ULTRAZVUKU TERMOAKUSTICKÝMI SENZORY Protože se ultrzvukové vlny šíří v pevných, kplných nebo plynných látkách, dochází vždy ke ztrátě části energie způsobené bsorpcí rozptylem. Ztímco rozptýlená energie pokrčuje jko ultrzvuková vln, bsorbovná energie se přeměňuje v teplo. Změn teploty v prostředí šíření, závisí n kustických tepelných vlstnostech prostředí které uvžujeme tké n výkonu příslušné ultrzvukové vlny. Termokustický efekt může tedy použit k určení ultrzvukového výkonu ke klibrování ultrzvukových měničů [2]. Níže popíšeme činnost dvou typů termokustických senzorů vhodných pro určení výkonu ultrzvukových vln. Nejpodsttnější součást obou typů (dvouvrstvý senzor jednovrstvý senzor), je desk z pevného ultrzvukově bsorpčního mteriálu, který přeměňuje ultrzvukovou vlnu n teplo. Výslednou změnu teploty měříme tenkovrstvým termočlánkem nebo mlými termistory [2]. Z teorie vyplývá, že ve stvu tepelné rovnováhy je způsobené zvýšení teploty v bsorbovném mteriálu přesně úměrné výkonu příslušné ultrzvukové vlny že bsolutní hodnot ultrzvukového výkonu může být určen z předpokldu, že jsou známy tepelné vodivosti činitelé kustické bsorpce použitých mteriálů [2]. V přípdě ideálního termokustického dvouvrstvého senzoru sestávjícího z bsorbujícího nebsorbujícího mteriálu, je vzth odvozený od teplotního nárůstu výkonu ultrzvuku extrémně jednoduchý. Bohužel, tento senzor nelze relizovt, protože mteriály mjící nízké bsorpční koeficienty nejsou pro MHz rozshy frekvencí vhodné pro jeho konstrukci. Z těchto podmínek má jednovrstvý senzor (skládjící se pouze z bsorbéru s nezbytnými tepelnými kustickými vlstnostmi), při určování bsolutní hodnoty výkonu ultrzvuku oproti dvouvrstvému senzoru, několik výhod. Z tohoto důvodu je jednovrstvý senzor teoreticky lépe zprcován používán pro měření [2].

25 IDEÁLNÍ DVOUVRSTVÝ SENZOR Ztímco teplot vznikjící při bsorpci ultrzvuku uvnitř termokustického senzoru je velice složitou funkcí čsu, počáteční rychlost změny teploty v čse mximální teplotní nárůst dosžený ve stvu tepelné rovnováhy, lze vypočítt poměrně sndno. Nicméně nevýhodou této metody je poměrně dlouhá dob do dosžení tepelné rovnováhy (obvykle několik minut) [2]. Obrázek 7 ukzuje schémtické znázornění dvouvrstvého termokustického senzoru. Skládá se z přední oddělovcí zdní bsorpční vrstvy (bsorbéru). Povrchy n boční n zdní strně senzoru jsou tepelně izolovány. Akusticky průchodná přední oddělovcí vrstv se skládá z málo tepelně vodivého mteriálu jejím účelem je oddělit teplotní sondu od vnější vodní lázně. Funkcí bsorbéru je přeměnit energii vyskytujících se ultrzvukových vln n teplo. Umístíme-li senzor do pole ultrzvukového měniče, teplot jeho vnitřního prostoru zčne stoupt. Tto změn teploty je měřen teplotní sondou, npř. tenkovrstvým termočlánkem n zdní povrch oddělovcí vrstvy, jk je znázorněno n obr. 7 [2]. npřeným Obr. 7: Zobrzení dvouvrstvého termokustického senzoru [2]

26 26 Ačkoliv lze senzor relizovt i bez postrnní izolce, je její použití velice výhodné, jelikož pk se teplo vyprodukovné uvnitř senzoru může uvolňovt pouze přes povrch přední vrstvy. Přední povrch je jediný povrch senzoru, který není tepelně izolován, le je v kontktu s vodou v měřicí nádrži tím je ultrzvukové vlně umožněn vstup do termokustického senzoru [2]. Pro zjednodušení výpočtu teplotní změny ΔT i n rozhrní dvouvrstvého senzoru, předpokládáme, že přední vrstv je z nebsorbujícího mteriálu. V tkovém přípdě lze tento senzor nzvt ideálním termokustickým dvouvrstvým senzorem. Pokud nedochází k bsorpci, nevzniká v přední vrstvě žádné teplo. Proto je ve stádiu teplotní rovnováhy poměr tepelného toku Q nezávislý n vzdálenosti x od povrchu senzoru teplot T(x) je (vzhledem k vyrovnání tepelného toku) lineární funkcí x v přední vrstvě (viz obr. 8) [2]: Ti T f Q s A l s Ti s A, l s kde λ s je tepelná vodivost, A ploch průřezu, l s délk přední vrstvy, T i teplot n rozhrní vrstev T f je teplot n předním povrchu senzoru, vše ve stvu tepelné rovnováhy. Z předpokldu, že délk l bsorbéru je dosttečně velká, by byl ultrzvuková energie vstupující do bsorbéru kompletně přetrnsformovná n teplo pomineme-li vliv několiknásobně održených ultrzvukových signálů v přední vrstvě, můžeme teplo dq/dt produkovné uvnitř bsorbéru z jednotku čsu vyjádřit vzorcem [2]: (23) dq D1,2 D2,3 N 0, dt (24) kde D 1,2 je činitel intenzity přenosu předního povrchu, D 2,3 činitel intenzity přenosu rozhrní senzoru N 0 je výkon ultrzvukového signálu vyskytujícího se v měřicí nádrži ve vzdálenosti x = 0. Při tepelné rovnováze jsou teplo dq/dt produkovné uvnitř bsorbéru poměr tepelného toku vyskytující se ultrzvukové vlny můžeme vyjádřit vzorcem [2]: Q v přední vrstvě identické. Výkon s ATi N 0. D1,2 D2,3 ls (25)

27 27 Obr. 8: Bokorys dvouvrstvého termokustického senzoru () grf teploty T(x) v přední vrstvě po vložení senzoru do ultrzvukového pole (b) [2] Z rovnice 25 je ptrný poměr výkonu ultrzvuku N 0 ke změně teploty ΔT i. N 0 lze stnovit z předpokldu, že ΔT i je změřeno pokud A, l s, D 1,2, D 2,3 λ s jsou známé [2]. Proto, by byl ideální dvouvrstvý senzor dosttečně citlivý, měl by tepelná vodivost λ s přední vrstvy být co nejmenší její kustická impednce Z 2 pokud možno souhlsit s impedncí Z 1 vody v měřicí nádrži. Pouze když je druhá podmínk splněn, pltí že D 1,2 1 velká část vyskytující se ultrzvukové energie vstupuje do přední vrstvy. Jelikož neexistují žádné mteriály, které by měly kustickou impednci podobnou vodě znedbtelný koeficient bsorpce v MHz frekvenčním rozshu, nemůže být ideální dvouvrstvý senzor relizován bsorpce v přední vrstvě musí být při určování bsolutní hodnoty výkonu ultrzvuku reálného dvouvrstvého senzoru brán v úvhu [2].

28 TERMOAKUSTICKÝ JEDNOVRSTVÝ SENZOR Jelikož ideální dvouvrstvý senzor nelze relizovt, popíšeme v této kpitole jednovrstvý senzor (tzv. izolovný bsorbér), kterým jej lze poměrně spolehlivě nhrdit [2]. Schémtické znázornění jednovrstvého senzoru je ptrné z obr. 9. Od dvouvrstvého senzoru se liší pouze chybějící přední oddělovcí vrstvou teplotní sondou n zdní strně bsorbéru [2]. Obr. 9: Zobrzení jednovrstvého termokustického senzoru [2] Nárůst teploty v silně bsorbujících mteriálech Z předpokldu, že ultrzvuková vln vstupující do jednovrstvého senzoru je úplně přeměněn n teplo předtím, než dosáhne zdního povrchu bsorbéru pokud bsorpční koeficient α není roven nule, pk výkon [2]: N1 ( x) D1,3 N0e x ultrzvukové vlny n bsorpční vrstvě je funkcí x, kde D 1,3 je činitel intenzity (26) přenosu předního povrchu senzoru. Teplo ( x ) 1 q vytvořené z jednotku čsu ve

29 29 vzdálenosti x je přesně rovno výkonu ultrzvuku α N 1 (x) bsorbovnému při stejné vzdálenosti [2]:. q x) N ( 1 1 ( x). (27) Protože bsorbér je tepelně izolovný (vyjm předního povrchu), může uvnitř vyprodukovné teplo téci, po dosžení tepelné rovnováhy, pouze do předního vrstvy senzoru. Poměr tepelného toku ( x ) 1 Q ve vzdálenosti x je proto rovný teplu vyprodukovnému z jednotku čsu uvnitř bsorbéru mezi x l (viz obr. 9) [2]:. dt1 ( x) x l Q1 ( x) D1,3 N0( e e ) A. (28) dx tepl ( x ) 1 Q Poslední vzth vyplývá z rovnice tepelného toku znčí podíl poměru toku k teplotnímu grdientu dt 1 (x)/dx (srov. rov. 23), kde λ je tepelná vodivost mteriálu, z kterého je vyroben bsorbér. Zčleněním rovnice 28 získáme změnu teploty ΔT 1 (x) = T 1 (x) - T f v bsorbéru ve vzdálenosti x [2]: D1,3 N0 x l T1 ( x) (1 e xe ). (29) A Změn teploty ΔT 1 (x), která je zobrzen n obr. 4.4, byl spočítán z rovnice 29 pro jednovrstvý senzor umístěný ve stcionárním ultrzvukovém poli (N 0 = 100 mw, f = 5 MHz). Předpokládáme, že se válcový bsorbér (viz obr. 9) skládá z plexiskl, při předpokládné délce l = 5 cm ploše průřezu A = 7,1 cm 2. Z obr. 10 je ptrné, že teplotní grdient dt 1 (x)/dx je nejvyšší při x = 0, tedy n předním povrchu senzoru. Při x = 4, změn teploty ΔT 1 (x) doshuje téměř mximální hodnoty. Následně je ultrzvuková vln kompletně přetrnsformován n teplo poté, co dosáhne v bsorbéru do vzdálenosti přibližně 4 cm [2]. Pro x větší než 4 je teplotní grdient dt 1 (x)/dx = 0, protože výkon N 1 (x) ultrzvukového signálu je příliš mlý n to, by bylo vyprodukováno zznmentelné teplo [2].

30 30 Obr. 10: Závislost změny teploty ΔT 1 (x) n vzdálenosti x, vypočtené z rovnice 29 pro jednovrstvý senzor z plexiskl umístěný ve sttickém uzv poli [2] Efekt vícenásobně održených vln Jestliže je bsorbér ze slbě bsorbujícího mteriálu nebo jeho délk l není dosttečně velká, potom je vyskytující se ultrzvuková vln při dopdu n zdní povrch bsorbéru přeměněn n teplo pouze částečně. Z tohoto důvodu musí být uvžován vln održená n zdním povrchu bsorbéru. Jestliže je ultrzvuková vln úplně održen n zdním povrchu, potom je její výkon ve vzdálenosti x [2]: N 2 ( x) D 1,3 N e (2l x) 0 teplo vytvořené održenou vlnou z jednotku čsu délky je: (30). q x) N ( 2 2 ( x). (31) Příspěvek ΔT 2 (x) = T 2 (x) - T f održené vlny k teplotní změně ve vzdálenosti x může být odvozen z rovnic [2]:

31 31 ). ( ) ( ) ( 1 ) ( ) ( x l l x l e e x A l N d d q A x T (32) kde N 2 ( l ) je výkon održené ultrzvukové vlny při x = l. Pokud se stne, že održená vln není úplně bsorbovná, když se dostne n přední povrch bsorbéru, musíme zhrnout i příspěvek održené vlny n předním povrchu. Pokud vezmeme v úvhu vícenásobně održené ultrzvukové vlny, změn teploty ΔT(x) vzniklá ve vzdálenosti x může být popsán jko [2]:,.. 1 ) ( ) ( 1) ( ,3 1,3 1) ( ,3 1,3 ) ( m l m m k l k k x l l m m k l x k n n e N R D N e N R D N A e e x N A xe e N x T x T (33) kde N k je výkon ultrzvukových vln šířících se v kldném směru x při x = 0, N m výkon vln šířících se v záporném směru x při x = l n, k m jsou celá kldná čísl [2] Závislost frekvence n teplotní změně zdního povrchu Pro silně bsorbující mteriály, tj. pro bsorbéry délky l, která je dosttečně velká n to, by se vln úplně přeměnil n teplo před dosžením zdního povrchu, vyplývá teplotní změn ΔT 1 (l ) z rovnice 29 [2]:. ) ( 0 1,3 1 A N D l T (34) V této rovnici je bsorpční koeficient α jediná frekvenčně závislá veličin. Křivk 1 n obrázku 11 ukzuje teplotní změnu ΔT 1 (l ) vypočtenou z rovnice 34 pro bsorbér z plexiskl. Rovnice 34 umožňuje z ΔT 1 (l ) velice jednoduše určit výkon N 0, vyskytujícího se ultrzvukového signálu. Nicméně, bychom splnili podmínku,

32 32 že co nejvíce energie vyskytující se ultrzvukové vlny je přetrnsformováno n teplo před dosžením zdního povrchu, musí být délk l bsorbéru při nízkých frekvencích velice velká. Jestliže se má, npříkld, bsorbovt 99,9% ultrzvukové energie v rozmezí 0 x l (viz obr. 4.3), musí být délk l rovn ln(0,001)/α nebo větší. Pokud použijeme jko bsorpční mteriál plexisklo, je dostčující délk l pro frekvenci 5 MHz 5 cm, le pro frekvenci 2 MHz je zpotřebí již 10 cm [2]. Nevýhod tkto dlouhých bsorbérů je, že je nutno čekt poměrně dlouhou dobu než je dosženo tepelné rovnováhy. Z tohoto důvodu je vhodné používt bsorbéry krtší, u kterých musíme pro výpočet frekvenční závislosti ΔT(l ) použít rovnici 33. Teplotní změn ΔT(l ) vypočtená z rovnice 33 pro 1 cm dlouhý jednovrstvý senzor (plexisklo) je zobrzen n obr. 11. Křivk 2 reprezentuje první člen (k = 1) rovnice 33, křivk 2b uvžuje tké druhý člen (k = 1, m = 1) křivk 2c vyplývá z prvních 3 členů (k = 1, m = 1, k = 2) rovnice 33. Jelikož se křivky 2b 2c liší pouze nevýznmně, můžeme všechny vyšší členy (k 3, m 2) rovnice 33 znedbt. Poté lze teplotní změnu ΔT(l ) n zdním povrchu 1 cm dlouhého bsorbéru z plexiskl popst dosttečně přesně pro celý frekvenční rozsh (1 MHz f 20 MHz) křivkou 2c [2]. Obr. 11: Změn teploty ΔT(l ) n zdním povrchu jednovrstvého senzoru z plexiskl, umístěného ve stcionárním ultrzvukovém poli, v závislosti n frekvenci f [2]

33 ZDOKONALENÝ JEDNOVRSTVÝ SENZOR Jelikož ideální dvouvrstvý senzor nelze relizovt jednovrstvý senzor je frekvenčně závislý je nutno znát jeho mplitudové spektrum, byl nvržen nový jednovrstvý senzor, který řeší nevýhody obou předchozích. Obr. 12: Zdokonlený termokustický senzor [8] Tento senzor (viz obr. 12) umožňuje zjistit výkon ultrzvuku bez znlosti mplitudového spektr. Senzor je nvržen tk, že ultrzvukový signál nejprve projde krátký úsek v tepelně izolovném vnitřním válci, obshujícím stejné médium (obvykle vodu) jko je v okolí senzoru. Poté signál vstoupí do bsorbéru, kde se kompletně přemění n teplo. Z předpokldu, že činitel přenosu intenzity D n rozhrní prostředí uvnitř izolovného válce bsorbéru je jedn (D = 1), je teplo dq/dt, vytvořené v bsorbéru z jednotku čsu, rovno uzv výkonu N 0. Pokud je izolce bsorbéru od okolního prostředí dokonlá bsorpční koeficient propgčního médi je znedbtelně mlý, pk teplo dq/dt vytvořené v bsorbéru z jednotku čsu je ve stvu tepelné rovnováhy přesně totožné s vyzřovným teplem. Q nrůstjícím v propgčním médiu [8]: dq. T1 T2 N 0 Q p A, (35) dt x kde (T 1 -T 2 )/Δx je teplotní grdient, λ p je tepelná vodivost médi ve vnitřním válci, A je ploch jeho příčného průřezu, T 1 T 2 jsou teploty měřené termočlánky Δx je vzdálenost mezi termočlánky [8].

34 34 5. EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ 5.1 TERMOAKUSTICKÝ SENZOR Konstrukční řešení relizce termokustického senzoru Termokustický senzor TS1 V průběhu vyprcovávání bklářské práce bylo nvrženo několik různých termokustických senzorů. Prvním z nich byl senzor nvržený podle teorie uvedené v kpitole 4.3. Pro sndnější orientci v následujícím textu, bude tento senzor oznčen jko TS1. Technické výkresy tohoto senzoru jsou k nlezení v příloze zkonstruovný senzor je n obr. 13. Jelikož senzor musí mít dobré tepelně izolční vlstnosti, byl n jeho výrobu použit polyoximethylen. Zákldním zvoleným rozměrem byl průměr vnitřního válce 10 mm, v němž je umístěn bsorbér. V těsné blízkosti před tímto bsorbérem je umístěn první termočlánek. Druhý termočlánek je umístěn co nejblíže vstupu do senzoru, čímž je zjištěn mximální vzdálenost mezi oběm termočlánky tím i největší rozdíl teplot ΔT, který je předmětem měření. Celý vnitřní válec (kromě vstupu do senzoru) je od okolí izolován vzduchovou mezerou, kterou tvoří prostor mezi ním vnějším válcem. Jelikož během měření byly použity termočlánky fy Omeg o průměru 1mm, které musely být k dispozici i pro jiná měření, byl průměr děr určených pro termočlánky stnoven, kvůli možnosti sndné demontáže, n 1,5 mm. Ze stejného důvodu byly mezery kolem vložených termočlánků izolovány modelínou. Vzdálenost mezi termočlánky byl 9 mm. Jko médium byl při těchto měřeních použit vod. Vstup do senzoru byl oddělen od okolního prostředí slbou membránou (v nšem přípdě mikrotenovým sáčkem), která by neměl bránit prostupu uzv vlnění. Tento senzor se všk během měření příliš neosvědčil, jelikož změřený rozdíl teplot ΔT byl příliš mlý. Výsledky měření přesto budou prezentovány v následujícím textu.

35 35 Obr. 13: Termokustický senzor TS1 Termokustický senzor TS2 Z hlvní příčinu nedosttečné velikosti rozdílu teplot ΔT u senzoru TS1 bylo povžováno umístění druhého termočlánku před bsorbéru tk, že s bsorbérem nebyl v kontktu. Z tohoto důvodu byl nvržen druhý senzor (oznčen jko TS2), rovněž podle principu uvedeného v kpitole 4.3, le s tím rozdílem, že druhý termočlánek je již v přímém kontktu s předním povrchem bsorbéru. To má z důsledek to, že je měřen přímo ohřev bsorbéru ne pouze ohřev vody v prostoru před bsorbérem. Jelikož n Ústvu přístrojové techniky AV ČR nstly komplikce s výrobou tohoto senzoru, zkonstruovli jsme senzor v domácích podmínkách. Vnější válec senzoru je tvořen odpdní polypropylenovou trubkou, ve které jsou z obou strn vyjímtelné zátky. V zátce, která tvoří přední strnu senzoru je nvrtán otvor, do něhož je vlepen vnitřní válec o průměru 10 mm. Vzdálenost mezi termočlánky byl 13 mm průměr děr pro termočlánky byl stejný jko u senzoru TS1, tj. 1,5 mm. Díky sndné relizci byl pro lepší možnosti ověření funkčnosti tento senzor vyroben se třemi typy bsorbéru s vysoce bsorbujícím mteriálem Aptflex F28 (dále jen Aptflex), s voskem s lepidlem do tvící pistole fy Pttex (dále jen lepidlo Pttex). Zhotovený senzor je vyobrzen n obr. 14.

36 36 Obr. 14: Termokustický senzor TS Měření s termokustickým senzorem Všechn měření probíhl v lbortoři ultrsonogrfie n Ústvu biomedicínckého inženýrství. Měření s termokustickými senzory bylo prováděno v měřicí uzv vně o rozměrech 64 x 34 x 40 cm, která byl nplněn vodou. Proto, by se zmezilo nežádoucím odrzům ultrzvukových vln od stěn měřicí vny, byl tto vn n vnitřních strnách obložen bsorpčním mteriálem. K buzení uzv vlnění byl použit ultrzvukový zobrzovcí systém GE VINGMED sound byl použit 3,5 MHz sond. Sond byl zvěšen 5 cm pod vodní hldinou tk, by byl ve stejné ose jko termokustickým senzor, který byl ve vzdálenosti 8 cm od sondy. Termočlánky termokustického senzoru byly připojeny k modulu Omeg, který byl přes USB rozhrní připojen k PC. V počítči pk byly zznmenávány hodnoty měřených teplot. Měření byl proveden pro všechny typy bsorbérů (tj. bsorbér Aptflex, vosk lepidlo Pttex) pro 3 výstupní výkony uzv zobrzovcího systému (0dB, -3dB -6dB; lepidlo Pttex pouze pro 0 db). Blokové schém měřicí soustvy je vyobrzeno n obr. 15.

37 37 Obr. 15: Blokové schém měřicí soustvy pro měření s termokustickým senzorem Použité přístroje: Měřicí uzv vn PC Termokustický senzor Termočlánkový modul Omeg TC-08 Ultrzvukový zobrzovcí systém GE VINGMED sound s 3,5 MHz sondou Postup výpočtu: Výpočet výkonu vychází z hodnot nměřených při mximálním výstupním výkonu uzv zobrzovcího systému (tj. 0 db) termokustickým snímčem TS2, jehož bsorbérem byl vosk. Vektory změřených teplot T1 T2 byly zprcovány v Mtlbu tk, bychom zjistili, jký byl největší rozdíl teplot ΔT, který vznikl díky bsorpci ultrzvukových vln v bsorbéru. Po doszení do vzthu (4.13) pltí pro výkon: N 2 2 T1 T2 d T 0,01 0,404 p A p 0,597 1, 46 mw, x 4 x 4 0,013 0 kde λ p je tepelná vodivost vody, A je ploch průřezu bsorbéru, T 1 T 2 jsou teploty změřené termočlánky Δx je vzdálenost mezi termočlánky. Nměřené hodnoty pro senzor TS1: V tbulce 1 se nchází hodnoty výkonů nměřené senzorem TS1.

38 38 Tb. 1: Výkony nměřené pomocí senzoru TS1 N 0 [db] N TS1 [mw] 0 0,26-3 0,42-6 0,69 V grfu n obrázku 16 jsou zobrzeny teplotní rozdíly mezi termočlánky pro různé hodnoty výstupního výkonu uzv zobrzovcího systému. Obr. 16: Rozdíly teplot pro senzor TS1 Nměřené hodnoty pro senzor TS2: Hodnoty výkonu pro jednotlivé bsorbéry senzoru TS2 byly měřeny pro výstupní výkony uzv zobrzovcího systému 0 db, -3 db -6 db. Pouze u lepidl Pttex byl výkon měřen jen pro 0 db, jelikož změřený výkon byl již pro tuto hodnotu o řád nižší, než u zbývjících dvou bsorbérů. Měření pro menší výkony tk pozbývlo smysl. Přehled nměřených výkonů je ptrný z tbulky 2, kde N 0 je výstupní výkon uzv zobrzovcího systému N TS2 je výkon změřený senzorem TS2.

39 39 Tb. 2: Výkony nměřené pomocí senzoru TS2 N TS2 [mw] N 0 [db] vosk Aptflex Pttex 0 1,46 2,2 0, ,84 0, ,29 0,39 - NTS2 [mw] 2,5 2 vosk bsorbér Aptf lex 1,5 1 0, N 0 [db] Obr. 17: Závislost výkonu změřeného senzorem TS2 n zeslbení výstupního výkonu uzv zobrzovcího systému pro bsorbér Aptflex vosk V následujících grfech 18, 19, 20 jsou zobrzeny rozdíly teplot ΔT pro různé bsorbéry, odpovídjící jednotlivým výstupním výkonům uzv zobrzovcího systému.

40 40 Obr. 18: Rozdíly teplot pro vosk Obr. 19: Rozdíly teplot pro bsorbér Aptflex

41 41 Obr. 20: Rozdíl teplot pro lepidlo Pttex 5.2 MĚŘENÍ S HYDROFONEM Měření s hydrofonem byl prováděn ve stejné uzv vně s uzv sondou o stejné frekvenci, jko při měření s termokustickými senzory. Pro měření byl použit hydrofon Force MH 28 (obr. 21) s předzesilovčem, připojený k osciloskopu USB Scope 50, který byl přes rozhrní USB připojen k PC, kde byly zznmenávány nměřené hodnoty. Měření probíhlo pro výstupní výkony uzv zobrzovcího systému 0, -1, -2, -3, -4, -6, -8, -10, db. Blokové schém měřicí soustvy je vyobrzeno n obr. 22. Obr. 21: Hydrofon Force MH 28

42 42 Obr. 22: Blokové schém měřicí soustvy pro měření s hydrofonem Použité přístroje Hydrofon Force MH 28 s předzesilovčem PAN Měřicí uzv vn Osciloskop USB Scope 50 PC Ultrzvukový systém GE VINGMED sound s 3,5 MHz sondou Postup výpočtu: Všechny uvedené výpočty jsou pro hodnoty při mximálním výstupním výkonu ultrzvukového zobrzovcího systému. Jelikož v měřicí soustvě byl zpojen předzesilovč, je nutno nejprve od výsledného nměřeného npětí U celk odečíst jeho npěťový zisk G PZ. Po odečtení npěťového zisku je možno doszením do vzthu 17 vypočítt pro dné npětí U hodnotu kustického tlku p: U p, M přičemž M = 148,7 db n V/P je citlivost hydrofonu udávná výrobcem. Výpočet prostorově špičkové-pulzně průměrné intenzity I SPPA vychází z rovnice 19, kdy po úprvě pltí: I SPPA t d 0 ( p Z 0 2 t T d s ) 366,46W cm 2,

43 43 kde t d je dob trvání pulzu (150 period pulzu), T s je period vzorkování Z 0 = 1,48 MP.s.m -1 je kustická impednce vody. Je-li pro výpočet prostorově špičkové-čsově průměrné intenzity I SPTA použit rovnice 20, pltí: I T 2 ( p Ts ) 0 2 4,997W cm, SPTA Z 0 T kde T je period, s jkou dochází k opkování pulzů. Z předpokldu, že intenzit I SPTA je pro plochu A konstntní, pltí pro výkon ultrzvuku: N H I SPTA A , , 5mW. Nměřené hodnoty: Hodnoty výkonů intenzit nměřených hydrofonem pro jednotlivé výkony ultrzvukového systému jsou uvedeny v následující tbulce 3, kde N 0 je výstupní výkon uzv zobrzovcího systému, N H je výkon I spp I spt jsou intenzity nměřené hydrofonem. Tb. 3: Tbulk výkonů intenzit nměřených pomocí hydrofonu N 0 [db] N H [mw] 392,5 227,3 192,8 221,7 182,3 131, ,5 32,6 21,5 I spp [W/cm 2 ] 366,46 212,23 179,99 206,99 170,18 122,77 76,531 48,114 30,479 20,035 I spt [W/cm 2 ] 4,997 2,894 2,454 2,823 2,321 1,674 1,044 0,656 0,416 0,273

44 44 NH [mw] N 0 [db] Obr. 23: Závislost výkonu změřeného hydrofonem n zeslbení výstupního výkonu uzv zobrzovcího systému 5.3 ZPRACOVÁNÍ NAMĚŘENÝCH HODNOT Pro přehlednost, jsou všechny porovntelné hodnoty nměřených výkonů shrnuty do tbulky 4, kde N 0 je výstupní výkon uzv zobrzovcího systému, N H je výkon nměřený hydrofonem, N TS1 je výkon nměřený senzorem TS1 N TS2 je výkon nměřený senzorem TS2. Tb. 4: Souhrnná tbulk nměřených výkonů N 0 [db] N H [mw] 392,5 221,7 131,5 N TS1 [mw] 0,26 0,42 0,69 vosk 1,46 0,84 0,29 Aptflex N TS2 [mw] 2,2 0,65 0,39 Pttex 0,

45 45 Při porovnání výsledných nměřených hodnot (z předpokldu, že hodnot výkonu n hydrofonu je referenční) je ptrné, že výkony nměřené oběm termokustickými senzory neodpovídjí referenčním hodnotám. U senzoru TS1 relizovného v roce 2009 je dokonce hodnot pro výkon 0 db menší než hodnoty pro -3 db -6 db. Je zřejmé, že tyto hodnoty jsou zcel nesmyslné, proto tento senzor nebyl pro dlší měření používán dlší měření probíhl pouze se senzorem TS2 nvrženým v roce Poklesy výkonu o 3 db 6 db u senzoru TS2 sice odpovídjí teoretickým předpokldům (tj. polovině čtvrtině mximálního výkonu), nměřené hodnoty jsou všk o několik řádů menší než hodnoty získné z hydrofonu. Porovnáme-li obrázky 23 17, je ptrné, že chrkteristik výkonů změřených pomocí hydrofonu chrkteristik výkonů změřených pomocí termokustického senzoru TS2 (pro bsorbér Aptflex) se tvrově přibližně rovnjí. Pro zpřesnění měření výkonu pomocí termokustického senzoru by proto bylo možno vytvořit korekční křivku, pomocí které lze výsledné výkony korigovt. Pro sestrojení této křivky by bylo nutno provést opkovná měření pomocí hydrofonu (nebo jiné přesné metody) pomocí termokustického senzoru tyto hodnoty porovnt pro jednotlivé výkony. Jedním z vlivů, negtivně ovlivňujících měření provedená s termokustickým senzorem byl útlum, který vznikl n oddělovcí membráně. Tto membrán by v ideálním přípdě měl úplně propouštět teplo. Jelikož tkováto membrán není k dispozici, použili jsme jko membránu mikrotenový sáček, který částečně zbrňovl prostupu tepl do okolního prostředí tím došlo k nežádoucímu vzestupu teploty v přední části senzoru. Tto skutečnost měl vliv n snížení rozdílu měřených teplot tím tké n výslednou nměřenou hodnotu výkonu. Při použití termokustického senzoru by se v ideálním přípdě měl veškerá energie uzv vln přeměnit v bsorbéru n teplo. Tuto vlstnost rovněž nelze plně zručit, jelikož část vln se od povrchu bsorbéru odrzí, což rovněž negtivně ovlivňuje výslednou hodnotu nměřeného výkonu.

46 46 6. ZÁVĚR Při použití metody měření výkonu pomocí termokustických senzorů máme n výběr mezi jednovrstvým dvouvrstvým senzorem. Jk vyplývá z uvedených pozntků, lze jednovrstvý termokustický senzor nrozdíl od ideálního dvouvrstvého relizovt. Při jeho relizci jsme museli dbát především n správný výběr bsorbéru tk, by jeho schopnost pohltit ultrzvukové vlnění přeměnit je n teplo byl co největší. Z tohoto důvodu byl termokustický senzor TS2 relizován pro několik druhů bsorbérů. Ukázlo se, že nejvhodnějším bsorbérem z námi testovných, byl bsorbér Aptflex. Funkci termokustického senzoru se podřilo ověřit srovnáním s hodnotmi výkonu nměřenými pomocí hydrofonu. Jelikož se tyto hodnoty liší ž o dv řády, pokusili jsme se v předchozí kpitole popst možné příčiny těchto odchylek. Měření se senzorem TS2 bude možné relizovt z předpokldu, že bude pro tento senzor vytvořen použit korekční křivk. Zdání této práce bylo splněno.

47 47 LITERATURA [1] ČECH, E. spoluprcovníci: Ultrzvuk v lékřské dignostice terpii. Prh: Avicenum/Zdrvotnické nkldtelství, [2] FAY, B., RINKER, M.: Determintion of the bsolute vlue of ultrsonic power by mens of thermocoustic sensors. Acustic, Vol.82, [3] Ntionl physicl lbortory. Best prctice guide to mesurement of coustic output power. [Online] [Citce: ] [4] OBRAZ, J.: Ultrzvuk v měřicí technice. Prh: SNTL, [5] ROZMAN, J. kolektiv: Elektronické přístroje v lékřství. Prh: Acdemi, [6] ROZMAN, J.: Ultrzvuková technik v lékřství Dignostické systémy. Brno: Skript FE VUT, [7] ZISKIN, M.C.; LEWIN, P.A.: Ultrsonic exposimetry. Boc Rton: CRC Press, [8] FAY, B., REIMANN, H.-P.: Thermocoustic sensors. In: Proceedings of the Joint ASA / EAA / DAGA Meeting. Berlin, 1999.

48 48 SEZNAM SYMBOLŮ, VELIČIN A ZKRATEK délk strny obdélníku [m] A ploch, kterou prochází uzv vlnění [m 2 ] c rychlost šíření vlnění [m.s -1 ] D průměr ultrzvukového zdroje [m 2 ] D 1,2, D 1,3 činitelé intenzity přenosu předního povrchu senzoru [-] D 2,3 činitel intenzity přenosu rozhrní senzoru [-] E s f F G PZ střední hodnot energie [J] frekvence [Hz] síl [N] npěťový zisk předzesilovče [V] I intenzit ultrzvukového vlnění [W.m -2 ] I SATA prostorově průměrná-čsově průměrná intenzit [W.m -2 ] I SPPA prostorově špičková-pulzně průměrná intenzit [W.m -2 ] I SPTA prostorově špičková-čsově průměrná intenzit [W.m -2 ] I SPTP prostorově špičková-čsově špičková intenzit [W.m -2 ] l vzdálenost od zdroje vlnění [m] l l o l s l nmx l nmin délk bsorbéru [m] délk blízkého pole [m] délk přední vrstvy [m] vzdálenost, ve které je mximum kustického tlku [m] vzdálenost, ve které je minimum kustického tlku [m] M citlivost hydrofonu [V.P -1 ] n počet (obecně) [-] N kustický výkon [W] N 0 N 1 N 2 N H N k N m výstupní výkon uzv zobrzovcího systému [db] výkon ultrzvuku [W] výkon održené vlny [W] výkon nměřený pomocí hydrofonu [W] výkon vln šířících se v kldném směru [W] výkon vln šířících se v záporném směru [W]

49 49 N TS1 N TS2 p ef P Q výkon nměřený senzorem TS1 [W] výkon nměřený senzorem TS2 [W] efektivní hodnot kustického tlku [P] mplitud kustického tlku [P] teplo [J] Q poměr tepelného toku [-] t čs [s] t d T dob trvání pulzu [s] period [s] T 1, T 2 teploty měřené termočlánky [ C] T f T i u U U U celk teplot n předním povrchu [ C] teplot n rozhrní vrstev [ C] výchylk [m] mplitud výchylky [m] mplitud npětí [V] npětí nměřené pomocí hydrofonu [V] v kustická rychlost [m.s -1 ] v ef efektivní hodnot kustické rychlosti [m.s -1 ] V mplitud kustické rychlosti [m.s -1 ] x vzdálenost [m] Z kustická impednce [N.s.m -3 ] α bsorpční koeficient [-] ΔT i rozdíl teplot [ C] Δx vzdálenost mezi termočlánky [m] λ vlnová délk [m] λ tepelná vodivost bsorbéru [W.m -1.K -1 ] π Ludolfovo číslo [-] ρ hustot prostředí [kg.m -3 ] ω úhlová frekvence [rd.s -1 ]

50 50 AV ČR Akdemie věd České republiky Ir iridium npř. npříkld NTC negstor obr. obrázek Pt pltin sin funkce sinus tb. tbulk tj. to je tzv. tkzvný TS1 termokustický senzor 1 TS2 termokustický senzor 2 uzv ultrzvuk, ultrzvukový, ultrzvuková, ultrzvukové

51 51 SEZNAM PŘÍLOH A B C Zdrojový kód v progrmu Mtlb Technické výkresy senzoru TS1 Přiložené CD

52 52 PŘÍLOHY A Zdrojový kód v progrmu Mtlb % % % Výpočet výkonu uzv pro termokustický senzor TS2 % % % cler ll close ll clc T1 =lod('vosk10.txt'); T2 =lod('vosk20.txt'); dx=0.013; lmbd=0.597; %nčtení hodnot teploty T1 ze souboru %nčtení hodnot teploty T2 ze souboru %vzdálenost mezi termočlánky %tepelná vodivost vody delt=t2-t1; komp=t2(1)-t1(1) dt=delt-komp; %rozdíl nměřených teplot %kompenzce počátečního rozdílu teplot mezi termočlánky %kompenzovný rozdíl teplot n=40; dtf=filter(1/n*ones(1,n),1,dt); %filtrce kompenzovného rozdílu teplot dtmx=mx(dtf) %mximum kompenzovného rozdílu teplot N=lmbd*(pi*0.01^2/4)*dTmx/dx %výkon senzoru figure(1) plot(dtf) xlbel 't [s]' ylbel '\Deltt [ C]' %tisk průběhu filtrovného kompenzovného rozdílu teplot %popis osy x %popis osy y

53 53 % % % Výpočet intenzity výkonu uzv pro hydrofon % % % cler ll close ll clc Ucelk=lod ('_0dBch1dt.txt'); %nčtení dt ze souboru T=2.2e-004; Ts=2e-008; td=150*ts; Z=1.48e006; %opkovcí period pulzu %period vzorkování %dob trvání pulzu %kustická impednce vody Ufr=fft(Ucelk); %diskrétní fourierov trnsformce převod do frekvenční oblsti Ufr(1)=0; %odečtení stejnosměrné složky Ucelk=ifft(Ufr); %převod zpět do čsové oblsti U=Ucelk/(10^(30/20)); p=u/(10^(-148.7/20)); %odečtení zesílení předzesilovče %kustický tlk i=sum((p.*p).*ts); Ispp=i/(Z*td) Ispt=i/(Z*T) A=(pi*0.01^2)/4; N=Ispt*A %výpočet integrálu %prostorově špičková - pulzně průměrná intenzit %prostorově špičková - čsově průměrná intenzit %ploch n kterou dopdá uzv signál %výkon n hydrofonu