ELECTRICAL and ELECTRONICs ENGINEERing world (E.E.E.WORLD)
(Türkiye'nin Elektrik-Elektronik HABERLERINDE GeliSmEYE AÇIK Arama Motoru)
Ultrason Dalgalarının Temel Dalga Kaynağı Olan Akustik (Ses) Dalgaların Canlı ve Cansız Ortamlardaki Etkileri
turancakil™®
Özet
Ultrason dalgaları günümüzde tıbbi görüntülemede en çok kullanılan dalgalardır. Bu dalgaların canlı vücuduna etkilerini hiç düşündünüz mü? Peki, bu durumlarda dalgaların temas ettiği canlı ve cansız yüzeylerde basınç ve yayılma hızlarının nasıl olduğunu düşündünüz mü? İşte bütün bu soruların cevabı için akustik (ses) dalgaları gelin daha yakından inceleyelim.
Ultrasound waves are waves most commonly used in medical imaging today. Have you ever thought about the impact this wave of live body? So, how do you think that the pressure and speed of propagation of the waves in the animate and inanimate surfaces that are in contact in this situation? Here are answers to all these questions acoustic (sound) waves closer look bride.
Akustik dalgalar boyuna dalgalar olup parçacık hızı ve titreşim yönü sayesinde ses basıncı oluşturur.
Abstract
Giriş
Materyallerin Akustik Özellikleri
Akustik (ses) dalga iletimini sağlayan kaynaktan çıkan dalgaların ilk önce hava ortamından geçerek farklı ortamlardan oluşan aynı kalınlıktaki her bir katmana çarparak yüzeyde oluşturduğu basınç ve hız değerleri incelenmiştir. Bütün katmanlar için aynı değerler alınarak ses dalgalarının oluşturduğu basınç ve hız değerleri incelenmiştir.
**Bu çalışmada Prof. Dr. Şükü Özen ve Dr. Feza Carlak Hocalarıma teşekkür ederim.
Şekil V Ultrason Dalgaları için Gauss Dalga Modeli
Ultrason (Akustik) Dalgaları Nasıl Oluşur?
Simülasyon Sonuçları
Modelde iletilen bir akustik dalganın ortam tipine göre yüzeyde oluşturduğu basınç ve yüzeye çarpan dalganın bir kısmının yansıması, bir kısmının iletilmesi ve yüzeye çarpması sonucu yüzeyde oluşturduğu hızın değişimi gösteren çalışmanın prototip yapısı gösterilmektedir.
Bunları Biliyor muydunuz?
Ultrason etkileşimleri maddenin akustik özelliklerine göre belirlenir. Ultrason enerji, bir orta ile çoklu doku katmanları geçecek şekilde örneğin, ortam etkileşimleri, yansıma, kırılma, saçılması dahil ve emici özelliğiyle istenen hedef bölgeye ulaşır. Bu bölgeye ulaşmasında (iletim katsayısı) nüfuz ettiği ortamın akustik özellikleri; hız (c) (speed of speed) ve yoğunluk (ρ) (density) katsayılarına bağlıdır. Her bir materyalin de kendine has bir akustik empedansı (Z) vardır.
Z = p . c
Çoğu materyallerin iletim katsayıları birbirine çok yakındır. Bunun nedeni hız ve yoğunluk katsayılarının birbirine çok yakın değerlere sahip olmasından kaynaklanır. Bunlara istisna olan yağ, hava ve kemik dışında insan vücudundaki çeşitli dokular (bağ doku, kas doku, meme dokusu… vb.) su ile benzer akustik özellikler göstermektedir. Bu nedenle ultrason dalgaları uygulanacak bölge, her zaman sulu ortam haline getirilir. İşte ispat olarak hastanelerde doktorlar ultrason uygulanacak bölgeye ilk önce kayganlaştırıcı bir jel sürmektedirler. Bunun nedeni sulu ortam oluşturarak vücut içine ultrason dalgalarının enerjisini aktarmak ve yansımayı minimize etmek amacıyla kullanılmaktadır.
Şekil II Prototip Model Gösterimi
►Ultrason dalgalarının yüksek frekanslı ses dalgaları olduğunu,
►Ultrason dalgalarının insanlar tarafından duyulmadığı ancak bazı hayvanlar (köpek, yunus, yarasa… vb.) tarafından duyulduğunu,
►Ultrason dalgalarının tıp alanında ilk kez ısı etkisinden yararlanılarak bir tür tedavi aracı olarak kullanıldığını,
►Ultrason dalgalarına maruz kalan bir organın sıcaklık değerinin arttığını,
►Ultrason dalgalarının oluşturduğu basınç değişimi ile iri biyolojik parçacıkların elektriksel kutuplanmasına yol açtığına,
►Havada yayıla bilirliği nedeniyle; hırsız alarmı yapımında, kemirici hayvanların uzaklaştırılmasında kullanıldığına,
►Çeşitli araç ve gereçlerin sterilizasyonunda kullanıldığına,
►Metalleri ince toz haline getirmek için kullanıldığına,
►Fabrika bacalarından çıkan gazları temizleyerek hava kirliliğini önlemede kullanıldığına,
►Karbonun sıkı bağ yaptığı yapılarda (polikarbon) örneğin; plastik ve plastik türevli katmanlarda dalga etkisinin ve dalga yayılımının düşük olmasına,
►Canlı dokular üzerinde dalga etkisinin zararsız olduğuna,
►Canlı dokulardan temel (bağ) doku ve kas dokusu üzerinde dalga etkisinin ve dalga yayılımının benzer olduğunu biliyor muydunuz...
Ultrason kelime manası yüksek ses olarak adlandırılır. Bu dalgalar insan kulağı tarafından işitilmeyen 20 kHz ila 1 GHz seviyesinde yüksek frekanslı dalgalardır. Ses dalgaları vücut içerisinde daha doğrusu dokular arasında rahatlıkla yayılarak bunları görüntü olarak yansıtır. Bu ses dalgalarının bilgisayar ortamında gerçeklemesi ise MATLAB programı sayesinde bir gauss (nabız) dalgası kullanılarak oluşturulmuştur.
Şekil III Belirli Ortamların Akustik Özellikleri
Şekil IV Belirli Ortamlar için Bulunan Basınç ve Hız Denklemleri için Hesaplanan İletim Katsayıları
Simülasyon Kurulumu
Gauss (Nabız) Dalga Modeli
FDTD yönteminde zaman ve mekân ayrıştırması yapılır. Herhangi bir frekansta kaynak için dalga boyu başına simülasyon davranışları incelenecektir. Burada (Nesvijski) kullanılan Gauss nabız dalgasıdır. FDTD simülasyonu, içinde doğru mekânsal türevleri hesaplamak için kaynak, küçük bir alanda tek nokta kaynağı olarak modellenmesi gerekir.
Şekil VI Ultrason Dalgalarının Su Katmanına Çarpması Sonucu Oluşturduğu Basınç ve Hız değerleri
Şekil VII Ultrason Dalgalarının Metal Katmanına Çarpması Sonucu Oluşturduğu Basınç ve Hız değerleri
Anlaşılıyor ki akışkanlık ve materyallerin atomik yapısı hız-basınç değişimini etkileyen özelliklerdendir. Çünkü metalin basınç denklemindeki ‘ga’ direnç katsayısı yüksektir. Bu nedenle hız değişimi en düşük çıkmıştır.
Şekil VIII Ultrason Dalgalarının Plastik Katmanına Çarpması Sonucu Oluşturduğu Basınç ve Hız değerleri
Çok karbonlu yapıda olan plastik, yapısındaki karbonun çok kuvvetli bağlar oluşturduğu için kimyasal olarak basınç değişimi en düşük çıkmıştır. Elektriksel olarak kanıtı ise ‘ga’ direnç katsayısı en düşük olan plastik katmanında yine basınç değişimini en düşük çıkmasına neden olmuştur. Yayılan ultrason (ses) dalgalarının en az yayıldığı ortamlardan biri de polikarbon yapıdaki plastik ve plastik türevli katmanlardır. Canlı ortamlar olarak genellikle ultrason dalgalarına (Ses dalgasına benzer) maruz kalan doku türlerinden olan bağ dokusu ile kas dokusunun ses dalgalarına karşı davranışları da incelenmiştir. Canlı ortamların genellikle ‘ga’ ve ‘gb’ katsayıları birbirine yakın olduğu hesaplamalarla da tespit edilmiştir. Bunun sonucunda elde edilen grafik çıktıları ise aşağıda görülmektedir.
Şekil IX Ultrason Dalgalarının Bağ Dokusu Katmanına Çarpması Sonucu Oluşturduğu Basınç ve Hız değerleri
Grafik çıktıların ın birbirine yakın çıktığı görülmüştür. Bunun nedeni kas dokusu ve bağ dokusu için hesaplanan elektriksel katsayıların (‘ga’ ve ‘gb’) değerlerinin birbirine yakın çıkmasından kaynaklanmıştır.