Лабораторна робота №1 Отримання аерозолю за допомогою сферичного фокусуючого перетворювача

Мета роботи - дослідити методи фокусування ультразвуку, виміряти інтенсивність і випромінювану потужність, ознайомитися з принципами роботи ультразвукового інгалятора.

1. Теоретичні відомості

Аерозолі лікарських препаратів дуже ефективні при профілактиці і терапії органів дихання.

Відомо про різні методи одержання лікувальних аерозолів: це пневматичні розпилювачі, підігрівачі-пароутворювачі, плунжерні системи.

Ультразвукові методи розпилення ліків мають істотні переваги перед іншими, вони дозволяють одержати високу дисперсію часток (до 0,5·10^-6 м), мають малу витрату препарату, не призводять до його термічного розкладання.

Встановлено, що для генерації часток аерозолю необхідний ультразвук інтенсивністю (10-40) Вт/см². Одержати такі інтенсивності можна, сфокусувавши слабкі акустичні поля. Якщо фокус сумістити з границею розділу рідина-повітря, то під дією радіаційного тиску виникає рідинний фонтан і аерозольний туман. Фізика утворення туману поки що цілком не вивчена, але отримані емпіричні і напівемпіричні результати дозволяють установити залежність діаметра часток від частоти ультразвуку:

, (1)

де d - діаметр часток рідини в аерозолі,

- коефіцієнт поверхневого натягу,

- густина рідини,

f-частота.

Існує декілька методів фокусування: амплітудний і фазовий.

Амплітудний метод допускає цілеспрямоване відхилення від просторової однорідності функції збудження в межах апертури перетворювача. Амплітудний розподіл подавляє бічні пелюстки в структурі акустичного пучка і поліпшує просторову направленість.

Фазовий метод більш ефективніший і полягає у введенні заданого закону розподілу фази збуджуваного сигналу в межах апертури перетворювача. На практиці такий метод реалізується за допомогою різних способів. Перш за все фокусування досягається шляхом надання певної форми електроакустичному перетворювачу. Найчастіше це п’єзопластина у вигляді сферичного сегмента, рис.1. Застосування акустичних лінз (рефлекторів) дозволяє трансформувати плоскі хвилі в хвильові фронти, що сходяться, і використовувати як активні елементи – дешеві плоскі п’єзоперетворювачі. Істотною перевагою застосування лінз є ізоляція п’єзоелемента від лікарських препаратів, відсутність можливості проникнення важких металів в організм людини. До недоліків варто віднести складності узгодження хвильових опорів і аберації хвиль, що збігаються у фокусі.

Одним з параметрів, що визначають якість фокусування системи, є коефіцієнт підсилення по тиску. Він розраховується як відношення звукового тиску в центрі фокальної плями до звукового тиску на поверхні п’єзоперетворювача.

Іншим важливим параметром фокусування є радіус дифракційного кружка (кружка Ері), що залежить від співвідношення між довжиною хвилі, апертурою і фокусною відстанню.

Сферичний фокусуючий перетворювач .Випливаючи з геометричної променевої теорії, сферичний фокусуючий перетворювач створює сфокусований пучок в околиці центра своєї кривизни (геометричний фокус). Фокусна відстань дорівнює радіусу кривизни R, рис. 1.

D=2a

x

Рис.1

Амплітуда звукового тиску Р_F у геометричному фокусі дорівнює:

Р_F= - ikP_SF(1-cosθ_m)e^-i(ωt-kF),

θ_m=arcsin(D/2F), (2)

де P_s - амплітуда звукового тиску на поверхні перетворювача,

θ_m - апертурний кут,

D=2a - апертура перетворювача,

а - радіус зіниці перетворювача,

k - хвильове число,

ω - кругова частота.

Тут фокус F сполучений з початком координат Z=0.

Значення Z=±Zo, при яких P(Z) дорівнює нулю, визначають довжину фокальної зони й обчислюються зі співвідношення:

; ,

. (3)

Звідси випливає, що зменшення апертурного кута приводить до подовження фокальної зони і при θ_m→0 дорівнює нескінченності.

Найкраще фокусування досягається при θ_m= :

2Z₀=λ.

Для замкнутої сфери фокальна область являє собою кулю, перетин якої має форму кола радіусом r і називається кружком Ері:

r = 0.61Fλ /а.

У випадку не замкнутого перетворювача фокальна область набуває форму еліпсоїда.