Теорія та проектування широкосмугових електроакустичних трактів для медичних приладів
Вантажиться...
Дата
2010
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук по спеціальності 05.09.08 - Прикладна акустика та звукотехніка. - Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2010.
Дисертація присвячена створенню теоретичних основ для розрахунку і проектування широкосмугових електроакустичних трактів медичних приладів. Розрахунок параметрів систем, смуга частот яких порівнянна з більшою з парціальних частот, здійснено аналітично за допомогою моделі зв'язаних контурів, що дозволило сформулювати принципи побудови широкосмугових систем, які відрізняються між собою характером демпфування. Цю ж модель застосовано і для акусто-механічної системи середнього вуха людини з урахуванням слухової труби.
Запропоновано п'єзовипромінювач, який використовується в УЗ апаратах для лікування ряду захворювань. Після аналізу можливих варіантів було вибрано метод побудови і розрахунку випромінювача з металевим чвертьхвильовим узгоджуючим шаром та електричними корегуючими ланцюгами.
Отримано П-подібну форму АЧХ п'єзоперетворювачів для УЗ сканерів, яка дозволяє здійснювати динамічне частотне сканування і фільтрування ехо-сигналу вужчою смугою, середня частота якої зменшується в часі відповідно до глибини зондування; використовувати один перетворювач у всьому робочому діапазоні медичної УЗ діагностики.
Створено теорію середнього вуха людини. Скориставшись методом складання еквівалентних схем, чого раніше для вуха не робилося, було показано, що еквівалентна схема середнього вуха являє собою два зв'язані контури, парціальні частоти яких відрізняються майже втричі. На основі еквівалентної схеми отримано теоретично і підтверджено експериментально розшифровкою тимпанограм по авторському методу формулу для параметра норми середнього вуха. На основі експериментальних даних про величину активної складової акустичного імпедансу середнього вуха в нормі було сформульовано принцип відбиття звуку від барабанної перетинки, який з неї слідує.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.08 - Прикладная акустика и звукотехника. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2010. Диссертация посвящена созданию теоретических основ для расчёта и проектирования широполосных электроакустических трактов для медицинских приборов. Расчет параметров систем, полоса частот которых сравнима с большей из парциальных частот, осуществлен аналитически с помощью модели связанных контуров, что позволило сформулировать принципы построения широкополосных систем, отличающихся между собой характером демпфирования. Эта же модель применена и для акусто-механической системы среднего уха человека с учетом слуховой трубы. Предложен пьезоизлучатель, который используется в УЗ аппаратах для лечения ряда заболеваний. После анализа возможных вариантов был разработан метод построения и расчета излучателя с металлическим согласующим четвертьволновым слоем и электрическими корректирующими цепями. Разработанный терапевтический излучатель не имеет аналогов и может быть использован для проведения лечебной процедуры без его перемещения, особенно при максимально допустимых интенсивностях, которые в зарубежных УЗ аппаратах в три раза выше, чем в отечественных. Потребляемая ВЧ мощность не превышает мощности выпускаемых рядом зарубежных фирм двухчастотных аппаратов, работающих кроме основной частоты толщинных колебаний пьезодиска также на его третьей гармонике. Установлено, что: максимальная ширина полосы пропускания пьезоизлучателя определяется величиной А^0« 1,3>//? > которая хорошо согласуется с теорией связанных контуров; в случае двух слоев с резонансными частотами^ или/і ширина полосы не зависит от /? и составляет А///0 ^70%; оптимальные значения импеданса слоев оказываются близкими к значениям для трехслойного биномиального акустического трансформатора, включающего половину толщины полуволновой пьезопластины; расширение полосы частот в случае одного слоя на А///0 « 25% , либо до 90% в случае двух слоев, может быть получено выбором определенным образом резонансной частоты слоя. Задача расширения полосы частот пьезопреобразователя стала особенно актуальной с появлением широкополосных УЗ эхоскопов, охватывающих весь рабочий диапазон одночастотных преобразователей: от 2,5 до 14 МГц. В этом случае, особенностью которого является работа на тело человека (среду с малым 35 волновым сопротивлением и большим затуханием) и в эхо-режиме, важное значение имеет также коэффициент передачи преобразователя. Приведены примеры расчета АЧХ коэффициентов передачи при излучении и приеме пьезопреобразователя с параллельной индуктивностью, и оптимальными параметрами, определенными и заданными аналитически: а) для однослойного преобразователя; б) преобразователя с двумя согласующими слоями; в) с двумя слоями, но с большей чувствительностью. Рассчитывались также АЧХ при отклонении параметра, ответственного за расширение полосы на ± 10% от оптимального, что подтвердило оптимальность рассчитанного параметра. Для иллюстрации возможностей расширения полосы частот связанной системы рассчитана зависимость ее собственных частот от частоты парциального контура, который образован индуктивностью и емкостью зажатого пьезопреобразователя. Получено, что полосы частот в рассмотренных случаях достигают величины А/%« 100%. При этом в сторону больших частот край полосы расширяется до 7%-1,5 и только при /\и//о<1. Это связано с тем, что частота 2/0 является граничной для преобразователя. Получена П-образная форма АЧХ преобразователей, которая позволяет: осуществлять динамическое частотное сканирование и фильтрацию эхо-сигнала более узкой полосой, средняя частота которой уменьшается во времени в соответствии с глубиной зондирования; использовать один преобразователь во всем рабочем диапазоне медицинской УЗ диагностики. Получены формулы для расчета емкостных преобразователей мегагерцового диапазона. В отличие от пьезоэлектрических преобразователей, емкостные используют изгибные колебания тонкой натянутой пластины из нитрида кремния. Механический импеданс такой пластины оказывается намного меньше, чем импеданс пьезопреобразователя. Это упрощает задачу согласования преобразователя с акустической средой, особенно с биологической тканью. Создана теория среднего уха человека. Воспользовавшись методом составления эквивалентных схем, чего раньше для уха не делалось, было показано, что эквивалентная схема среднего уха представляет собой два связанных контура, парциальные частоты которых отличаются почти втрое. При этом масса слуховых косточек, гибкость барабанной перепонки и барабанной полости, а также активная составляющая акустического импеданса образуют последовательный контур, а гибкость барабанной полости (она же является и элементом связи) и эквивалентная масса воздуха в слуховой трубе - параллельный контур. На основе эквивалентной схемы получена теоретически и подтверждена экспериментально расшифровкой тимпанограмм по методу автора формула для параметра нормы среднего уха. На основе экспериментальных данных о величине активной составляющей акустического импеданса среднего уха в норме был сформулирован принцип отражения звука от барабанной перепонки, который из нее следует. С математической точки зрения формула представляет инвариант колебательной системы уха. С медицинской точки зрения - фактор нормы, уже малые отклонения от единицы могут свидетельствовать о функциональных (обратимых) нарушениях в звукопроводной системе уха. Полученная формула для параметра нормы среднего уха позволила установить целый ряд закономерностей 36 системы слухового тракта человека; перевести на новый, количественный уровень диагностику сенсоневральной системы методами объективной диагностики.
Thesis for the Doctor of Technical Science degree in speciality 05.09.08 - Applied Acoustics and Sound Technics. - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2010. The thesis is devoted creation of methodical basis for a calculation and planning of broadband electro-acoustic paths for medical devices. Optimization of the systems, the band of frequencies of which is comparable with greater from partial frequencies, on a maximum of band carried out analytically by the model of the coupled contours, that allowed to formulate principles of construction of the systems with the wide band of frequencies, different between itself character of damping. The same model is applied and for acoustic-mechanical of the system of middle ear of man taking into accounts an auditory tube. A piezoelectric transducer which is used in vehicles for treatment of row of diseases is offered. After the analysis of possible variants the method of construction and calculation of transducer was chosen with a metallic quarter-wave layer in which the band of frequencies is determined the coefficient of connection with the transformer of layer. The rectangular form of peak frequency description of transformers is got for ultrasonic scanners, which allows carrying out a dynamic frequency scan-out and filtration of echo-signal more narrow band the middle frequency of which diminishes in time in accordance with the depth of sounding; to apply one transducer in all of working range of medical ultrasonic diagnostics. The theory of middle ear of man is created. Taking advantage of method of drafting of equivalent charts, what before for an ear not done, it has been shown that an equivalent chart of middle ear is two coupled contours, partial frequencies of which differ almost three times. On the basis of equivalent chart got in theory and confirmed experimentally decoding of results of tympanometry on the method of author formula for the parameter of norm of middle ear. On the basis of experimental information about the size of active constituent of acoustic impedance of middle ear principle of reflection of sound from an ear-drum, which follows from it, was formulated in a norm.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.08 - Прикладная акустика и звукотехника. - Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2010. Диссертация посвящена созданию теоретических основ для расчёта и проектирования широполосных электроакустических трактов для медицинских приборов. Расчет параметров систем, полоса частот которых сравнима с большей из парциальных частот, осуществлен аналитически с помощью модели связанных контуров, что позволило сформулировать принципы построения широкополосных систем, отличающихся между собой характером демпфирования. Эта же модель применена и для акусто-механической системы среднего уха человека с учетом слуховой трубы. Предложен пьезоизлучатель, который используется в УЗ аппаратах для лечения ряда заболеваний. После анализа возможных вариантов был разработан метод построения и расчета излучателя с металлическим согласующим четвертьволновым слоем и электрическими корректирующими цепями. Разработанный терапевтический излучатель не имеет аналогов и может быть использован для проведения лечебной процедуры без его перемещения, особенно при максимально допустимых интенсивностях, которые в зарубежных УЗ аппаратах в три раза выше, чем в отечественных. Потребляемая ВЧ мощность не превышает мощности выпускаемых рядом зарубежных фирм двухчастотных аппаратов, работающих кроме основной частоты толщинных колебаний пьезодиска также на его третьей гармонике. Установлено, что: максимальная ширина полосы пропускания пьезоизлучателя определяется величиной А^0« 1,3>//? > которая хорошо согласуется с теорией связанных контуров; в случае двух слоев с резонансными частотами^ или/і ширина полосы не зависит от /? и составляет А///0 ^70%; оптимальные значения импеданса слоев оказываются близкими к значениям для трехслойного биномиального акустического трансформатора, включающего половину толщины полуволновой пьезопластины; расширение полосы частот в случае одного слоя на А///0 « 25% , либо до 90% в случае двух слоев, может быть получено выбором определенным образом резонансной частоты слоя. Задача расширения полосы частот пьезопреобразователя стала особенно актуальной с появлением широкополосных УЗ эхоскопов, охватывающих весь рабочий диапазон одночастотных преобразователей: от 2,5 до 14 МГц. В этом случае, особенностью которого является работа на тело человека (среду с малым 35 волновым сопротивлением и большим затуханием) и в эхо-режиме, важное значение имеет также коэффициент передачи преобразователя. Приведены примеры расчета АЧХ коэффициентов передачи при излучении и приеме пьезопреобразователя с параллельной индуктивностью, и оптимальными параметрами, определенными и заданными аналитически: а) для однослойного преобразователя; б) преобразователя с двумя согласующими слоями; в) с двумя слоями, но с большей чувствительностью. Рассчитывались также АЧХ при отклонении параметра, ответственного за расширение полосы на ± 10% от оптимального, что подтвердило оптимальность рассчитанного параметра. Для иллюстрации возможностей расширения полосы частот связанной системы рассчитана зависимость ее собственных частот от частоты парциального контура, который образован индуктивностью и емкостью зажатого пьезопреобразователя. Получено, что полосы частот в рассмотренных случаях достигают величины А/%« 100%. При этом в сторону больших частот край полосы расширяется до 7%-1,5 и только при /\и//о<1. Это связано с тем, что частота 2/0 является граничной для преобразователя. Получена П-образная форма АЧХ преобразователей, которая позволяет: осуществлять динамическое частотное сканирование и фильтрацию эхо-сигнала более узкой полосой, средняя частота которой уменьшается во времени в соответствии с глубиной зондирования; использовать один преобразователь во всем рабочем диапазоне медицинской УЗ диагностики. Получены формулы для расчета емкостных преобразователей мегагерцового диапазона. В отличие от пьезоэлектрических преобразователей, емкостные используют изгибные колебания тонкой натянутой пластины из нитрида кремния. Механический импеданс такой пластины оказывается намного меньше, чем импеданс пьезопреобразователя. Это упрощает задачу согласования преобразователя с акустической средой, особенно с биологической тканью. Создана теория среднего уха человека. Воспользовавшись методом составления эквивалентных схем, чего раньше для уха не делалось, было показано, что эквивалентная схема среднего уха представляет собой два связанных контура, парциальные частоты которых отличаются почти втрое. При этом масса слуховых косточек, гибкость барабанной перепонки и барабанной полости, а также активная составляющая акустического импеданса образуют последовательный контур, а гибкость барабанной полости (она же является и элементом связи) и эквивалентная масса воздуха в слуховой трубе - параллельный контур. На основе эквивалентной схемы получена теоретически и подтверждена экспериментально расшифровкой тимпанограмм по методу автора формула для параметра нормы среднего уха. На основе экспериментальных данных о величине активной составляющей акустического импеданса среднего уха в норме был сформулирован принцип отражения звука от барабанной перепонки, который из нее следует. С математической точки зрения формула представляет инвариант колебательной системы уха. С медицинской точки зрения - фактор нормы, уже малые отклонения от единицы могут свидетельствовать о функциональных (обратимых) нарушениях в звукопроводной системе уха. Полученная формула для параметра нормы среднего уха позволила установить целый ряд закономерностей 36 системы слухового тракта человека; перевести на новый, количественный уровень диагностику сенсоневральной системы методами объективной диагностики.
Thesis for the Doctor of Technical Science degree in speciality 05.09.08 - Applied Acoustics and Sound Technics. - National Technical University of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2010. The thesis is devoted creation of methodical basis for a calculation and planning of broadband electro-acoustic paths for medical devices. Optimization of the systems, the band of frequencies of which is comparable with greater from partial frequencies, on a maximum of band carried out analytically by the model of the coupled contours, that allowed to formulate principles of construction of the systems with the wide band of frequencies, different between itself character of damping. The same model is applied and for acoustic-mechanical of the system of middle ear of man taking into accounts an auditory tube. A piezoelectric transducer which is used in vehicles for treatment of row of diseases is offered. After the analysis of possible variants the method of construction and calculation of transducer was chosen with a metallic quarter-wave layer in which the band of frequencies is determined the coefficient of connection with the transformer of layer. The rectangular form of peak frequency description of transformers is got for ultrasonic scanners, which allows carrying out a dynamic frequency scan-out and filtration of echo-signal more narrow band the middle frequency of which diminishes in time in accordance with the depth of sounding; to apply one transducer in all of working range of medical ultrasonic diagnostics. The theory of middle ear of man is created. Taking advantage of method of drafting of equivalent charts, what before for an ear not done, it has been shown that an equivalent chart of middle ear is two coupled contours, partial frequencies of which differ almost three times. On the basis of equivalent chart got in theory and confirmed experimentally decoding of results of tympanometry on the method of author formula for the parameter of norm of middle ear. On the basis of experimental information about the size of active constituent of acoustic impedance of middle ear principle of reflection of sound from an ear-drum, which follows from it, was formulated in a norm.