УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к области акустических измерений и может быть использована для измерения интенсивности ультразвукового излучения, генерируемого преобразователями медицинского ультразвукового терапевтического и диагностического оборудования в воде.
Известен способ и устройство измерения ультразвуковой мощности излучения, основанный на определении электрической мощности, идущей на нагрев УЗ преобразователя и на нагрев среды за счет ультразвукового излучения (Патент РФ №2152007 от 27.06.2000).
Недостатками известного способа является недостаточная чувствительность к низким уровням интенсивности ультразвукового терапевтического и диагностического оборудования.
Кроме того, известны устройства, реализующие метод, основанный на измерении радиационного давления (ультразвуковые ваттметры, ультразвуковые радиометры, измерители мощности ультразвука в воде) (Ультразвук в медицине. Физические основы его применения. / Под ред. К.Хила, Дж.Бамбера, Г.тер Хаар. М.: Физматлит, 2008, 540 с.).
В частности, наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению является стандартный измеритель мощности ультразвукового излучения ИМУ-4ПМ, генерируемого плоскими излучателями, в виде коллимированного, сфокусированного или расходящегося пучка ультразвуковой энергии в воде при исследованиях технических характеристик УЗ медицинского оборудования (Патент РФ №2297603 от 20.04.2007).
R
В основу работы измерителей мощности положен метод гравитационного уравновешивания радиационного воздействия ультразвуковой волны, падающей вертикально сверху или снизу на находящуюся в воде мишень (отражающего или поглощающего типа. Радиационное давление P однозначно связано с интенсивностью ультразвуковых волн, нормально падающих на мишень, формулой:
0
м
0
м
0
0,м
0,м
0,м
0
м
м
где I - интенсивность ультразвукового излучения, C - скорость звука в среде; R=(z-z)/(z+z) - коэффициент отражения ультразвуковых волн от границы среда - мишень, z=ρС - акустические сопротивления граничащих сред, ρ - плотность среды, ρ - плотность мишени, С - скорость звука в мишени.
Недостатками прототипа являются искажение акустического поля мишенью, недостаточный уровень чувствительности при измерении малых ультразвуковых интенсивностей, невозможность измерения интенсивности ультразвуковых волн, идущих под углом к поверхности ввода. Указанные недостатки являются следствием ограниченных размеров мишени радиометра (соизмеримых с поперечным сечением поля ультразвукового преобразователя).
Задачи предлагаемой полезной модели - расширение функциональных возможностей за счет повышение чувствительности метода, минимизация искажений, вызванных наличием мишени радиометра, возможность измерения интенсивности при наклонном падении ультразвуковых волн.
Поставленные задачи решаются в соответствии со следующими физическими принципами.
R
V
В качестве мишени в предложенном устройстве используется газовый пузырек в жидкости, находящийся в ультразвуковом поле, на который действует равнодействующая сила  (F - сила радиационного давления, F - выталкивающая сила (сила Архимеда)), приводящая к направленному движению пузырька, со скоростью определяемой формулой Стокса:
где r - радиус пузырька, η - вязкость среды.
V
Выталкивающая сила F:
2
0
где g=9,8 м/c - ускорение свободного падения, ρ и ρ - плотность жидкости и пузырька.
Сила радиационного давления:
0
0
0
где k=2π/λ - волновое число, δ=ρ/ρ, µ=C/C, C и С - скорость звука в жидкой среде и в газе пузырька.
Действие указанных сил может приводить к направленному движению пузырька от датчика, к датчику или к состоянию равновесия в зависимости от диаметра пузырька, уровня интенсивности, среды распространения ультразвука.
Согласно формулам (2-4) скорость движения пузырька данного размера определяется интенсивностью ультразвукового излучения. Устройство для измерения интенсивности ультразвукового излучения содержит поверяемое ультразвуковое оборудование, устройство, формирующее газовый пузырек и прибор для регистрации скорости движения и размера пузырька.
Предложенное устройство позволяет быстро и достоверно осуществить измерение интенсивности ультразвукового излучения в реальном масштабе времени для ультразвукового медицинского терапевтического или диагностического оборудования.
Конструкция предлагаемого устройства представлено на фигуре 1.
Устройство для измерения интенсивности ультразвукового излучения, имеет емкость с дегазированной водой, формирователь пузырьков, регулятор размеров пузырьков, компрессор, видеокамеру или ультразвуковой сканер, поглотитель ультразвуковых колебаний.
Устройство для измерения интенсивности ультразвукового излучения работает следующим-образом. На дне прозрачной емкости с водой 2 расположен поглотитель ультразвуковых колебаний 7, на котором установлен формирователь пузырьков 3, который под действием компрессора 5 с использованием регулятора размера 4 создает газовые пузыри различных радиусов r. Излучатель ультразвукового оборудования 1 с возможностью изменения интенсивности излучения I и определенной частотой излучения, излучает ультразвуковую волну. Регистрация скорости движения газовых пузырьков осуществляется с помощью видеокамеры 6 с высоким разрешением. Интенсивность ультразвукового излучения определяется по карте скоростей, которая строится для определенного радиуса пузырька и различных частот. Пример карты скоростей показан на фигуре 2.
Таким образом, предлагаемой способ измерения интенсивности ультразвукового излучения прост в реализации, обладает высокой чувствительностью, применим в широком диапазоне частот для оборудования как импульсного, так и непрерывного излучения и позволяет проводить измерения в реальном масштабе времени.
В зависимости от исследуемого ультразвукового устройства используют для регистрации скорости видеокамеру с высоким разрешением или измеряемый сканер с допплеровским режимом.
Таким образом, предлагаемой способ измерения интенсивности ультразвукового излучения прост в реализации, обладает высокой чувствительностью, применим в широком диапазоне частот для оборудования как импульсного, так и непрерывного излучения и позволяет проводить измерения в реальном масштабе времени.