Nalazite se na CroRIS probnoj okolini. Ovdje evidentirani podaci neće biti pohranjeni u Informacijskom sustavu znanosti RH. Ako je ovo greška, CroRIS produkcijskoj okolini moguće je pristupi putem poveznice www.croris.hr
izvor podataka: crosbi

Vrednovanje točkastog izvora ultrazvuka u linearnom i nelinearnom načinu rada (CROSBI ID 352725)

Ocjenski rad | doktorska disertacija

Petošić, Antonio Vrednovanje točkastog izvora ultrazvuka u linearnom i nelinearnom načinu rada / Ivančević, Bojan (mentor); Zagreb, Fakultet elektrotehnike i računarstva, . 2008

Podaci o odgovornosti

Petošić, Antonio

Ivančević, Bojan

hrvatski

Vrednovanje točkastog izvora ultrazvuka u linearnom i nelinearnom načinu rada

Rad je podijeljen na teorijski, eksperimentalni dio i završni dio. U teorijskom dijelu definiraju se osnovni parametri akustičkog polja i elektromehaničkog dijela točkastog ultrazvučnog izvora. Iz osnovnih fizikalnih principa izvode se zakonitosti koje su primjenjive u odgovarajućim načinima rada izvora, tj. u postavljenim eksperimentalnim uvjetima. Izvor i opteretni medij općenito se promatraju kao sustav dva međusobno povezana nelinearna oscilatora. U eksperimentalnom dijelu rada prikazani su rezultati mjerenja isijane akustičke snage i izlazne akustičke snage pri linearnom i nelinearnom načinu rada sustava izvora s opteretnim medijem. U završnom dijelu dan je zaključak sa usporedbama rezultata mjerenja razmotrenim metodama. U prvom poglavlju prikazan je pregled različitih tipova ultrazvučnih izvora za uporabu u medicinske svrhe s obzirom na frekvenciju pobude i postignutu akustičku snagu. Izloženi su osnovni problemi proračuna parametara akustičkog polja s obzirom na geometriju izvora u odnosu prema valnoj duljini u mediju gdje se ultrazvučna energija primjenjuje. Visokofrekvencijski izvori u frekvencijskom području od 0.5 do 15 MHz prikladniji su za bolje lokaliziranje akustičkog polja s obzirom na malu valnu duljinu. Pri njihovoj upotrebi pojavljuje se problem postizanja većih intenziteta zbog difrakcije i gušenja emitiranog ultrazvučnog vala. U radu su detaljno razmotreni niskofrekvencijski tipovi izvora. Njihovo se fokusirajuće djelovanje postiže direktnim dovođenjem mehaničke energije u željeni prostor pomoću tanke vibrirajuće sonotrode. Amplituda vibracija aktivnih piezokeramičnih elemenata povećava se mehaničkim koncentratorima i prenosi se u opteretni medij. Tu izaziva efekte koji mogu uništiti zloćudno tkivo ili izazvati željene procese na biološkom materijalu. U drugom poglavlju definirani su osnovni parametari akustičkog polja: pomak, tlak, titrajna brzina, isijana akustička snaga i akustički intenzitet. Razmotreno je širenje kuglastog vala u slobodnom prostoru koji je generiran izvorom ultrazvuka kojemu je najveća geometrijska dimenzija puno manja od valne duljine u opteretnom mediju. Takav izvor se može nadomjestiti teorijskim izvorom ultrazvuka u obliku radijalno ili transverzalno oscilirajuće kugle. Pri primjeni takvih izvora u slobodnom polju pojavljuje se reflektirajuća površina koja dodatno utječe na mjerene parametre polja. U trećem poglavlju razmatranje je prošireno na slučaj točkastog izvora u blizini ''meke'' ili ''tvrde'' granice, ovisno o akustičkim karakteristikama reflektirajuće površine u čijoj blizini se izvor ultrazvuka nalazi. Vrednovanje izvora ultrazvuka u slobodom polju sastoji se od mjerenja akustičkog tlaka u točno definiranim točkama akustičkog polja i proračunu isijane akustičke snage s obzirom na izmjerenu magnitudu dinamičkog tlaka u polju. Problem pri većim razinama pobude je pojava nelinearnih efekata u mediju: efekta konačnih amplituda, akustičkog strujanja i kavitacije. U razmatranom slučaju točkastog izvora najizraženiji nelinearni efekt je kavitacija koja uzrokuje stvaranje oscilirajućih mjehurića zraka te se primarni val raspršuje na njima. Mjehurići zraka i ishlapljelih plinova ponašaju se kao spojeni nelinearni oscilatori u kojima nastaju snažni nelinearni efekti. Pri tome se u mjerenom tlaku pojavljuju harmonici, subharmonici i ultraharmonici pobudne frekvencije. Tu nastaje problem kako korelirati mjereni dinamički tlak u točkama polja s akustičkom energijom koju zrači primarni izvor i novonastali sekundarni izvori. Zbog nastanka većeg broja mjehurića oko vrha sonotrode postavlja se pitanje parametara (gustoće i brzine širenja ultrazvučnog vala) opteretnog medija. Promjena impedancije isijavanja utječe na isijanu akustičku snagu ultrazvučnog izvora. Impedancija isijavanja mijenja se stohastički u vremenu i prostoru zbog međudjelovanja i stohastičkog karaktera oscilirajućih mjehurića u blizini vrha sonotrode. Osim spomenutih nelinearnih efekata u mediju, javlja se nelinearnost unutar samoga elektromehaničkog sustava ultrazvučnog izvora. U četvrtom poglavlju prikazano je vrednovanje elektromehaničkog dijela izvora s obzirom na moguće nelinearne efekte koji se pojavljuju u aktivnom elementu (piezokeramici). Proračunom ili mjerenjem pomaka vrha sonotrode može se procijeniti isijana akustička snaga izvora. Za proračun pomaka potrebno je poznavati parametre materijala (aktivnih piezokeramika i pasivnih titrajućih masa i koncentratora) koji se uključuju u nadomjesne modele cjelokupnog izvora. Impedancija isijavanja ovisi o karakteristikama medija, geometrijskim dimenzijama vrha i radnoj frekvenciji. Vrh sonotrode je u razmatranom slučaju u prvoj aproksimaciji opterećen impedancijom isijavanja radijalno oscilirajuće kugle. Pri većim pobudnim naponima i amplitudama titranja aktivnih i pasivnih elemenata, dolazi do pojave nelinearnih efekata u elektromehaničkim dijelovima izvora s obzirom na nelinearnu ovisnost naprezanja čvrstih tijela o amplitudi deformacije. Prikazani linearni nadomjesni modeli pojedinih dijelova izvora dobiju se iz linearnih diferencijalnih jednadžbi koje opisuju širenje mehaničkih valova kroz aktivne i pasivne dijelove ultrazvučnog izvora. Jednostavno se takvi sustavi opisuju kao fizikalni sustavi sa spojenim titrajućim masama. U takve sustave uključeni su inercijski članovi, a ako je element rubni onda se dodaje i imaginarni dio impedancije isijavanja koja se na odgovarajući način preslikava u elektromehanički titrajni krug. Taj član predstavlja dodatnu titrajuću masu koja je odgovorna za promjenu rezonantne frekvencije opterećenog ultrazvučnog izvora. Članovi kojima se opisuju gubici u materijalu utječu na magnitudu titranja vrha sonotrode. Ako je element rubni (vrh sonotrode), tada se mehaničkim gubicima izvora dodaje i realni dio impedancije isijavanja. O njemu ovisi magnituda titranja vrha sonotrode i isijana akustička snaga u opteretni medij. Pri malim pobudnim snagama ponašanje ultrazvučnog izvora s obzirom na njegovu frekvencijsku karakteristiku (realni dio ulazne impedancije, pomak, titrajna brzina) je simetrično oko rezonantne frekvencije kao i kod svih linearnih dinamičkih sustava. Pri većim pobudama primjećuje se asimetrično ponašanje u frekvencijskoj karakteristici oko rezonantne frekvencije, što je karakteristika nelinearnih dinamičkih sustava. Ovisno o amplitudi pobude mijenja se rezonantna frekvencija elektromehaničkog sustava. Ako se pretpostavi da se izvor pobuđuje naponski s neizobličenim signalom, pri većim pobudnim snagama struja kroz ultrazvučni (UZ) izvor postaje izobličena, kao i pomak vrha sonotrode. Nelinearni efekti u izvoru spajaju se s nelinearnim efektima u mediju i situacija se može opisati kao spoj dvaju nelinearnih oscilatora (izvor i medij). Ovaj problem je matematički teško obuhvatiti zbog stohastičke prirode same pojave. Ipak mogu se dati određene procjene s obzirom na dobivene eksperimentalne rezultate. Pri većoj razini pobudnog signala, prilikom elektromehaničkog vrednovanja neopterećeni izvor se promatra kao nelinearni oscilator. Nelinearnost je uvedena preko kvadratne ovisnosti koeficijenta efektivne stlačivosti, pa se nelinearna jednadžba gibanja pojedinih dijelova pretvarača svodi na Duffingovu nelinearnu diferencijalnu jednadžbu. Ta jednadžba se vrlo često koristi pri fizikalnom opisivanju nelinearnih dinamičkih sustava. Na taj način objašnjeno je smanjivanje rezonantne frekvencije neopterećenog izvora prilikom povećanja razine naponske pobude i asimetrija pomaka u frekvencijskoj karakteristici. U petom poglavlju prikazani su eksperimentalni rezultati vrednovanja elektromehaničkog dijela UZ izvora dobiveni mjerenjem parametara ulazne električne impedancije. Ona ovisi o razini pobude i karakteristikama akustičkog polja unutar kompleksne geometrije u kojemu se izvor nalazi. Analizirana je promjena rezonantne frekvencije, maksimalne struje i ulazne električne vodljivosti na rezonantnoj frekvenciji elektromehaničkog sustava. To je učinjeno s obzirom na razinu pobudnog naponskog signala s kojim se izvodi mjerenje ulazne električne impedancije.

ultrazvučni točkasti izvor; isijana akustička snaga; izlazna akustička snaga; linearni i nelinearni način rada

nije evidentirano

engleski

Evaluating ultrasound point source in linear and nonlinear operating mode

nije evidentirano

ultrasound point source; delivered acoustic power; electromechanical part of ultrasound source; output acoustic po

nije evidentirano

Podaci o izdanju

195

25.09.2008.

obranjeno

Podaci o ustanovi koja je dodijelila akademski stupanj

Fakultet elektrotehnike i računarstva

Zagreb

Povezanost rada

Elektrotehnika