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FENOMENI ONDULATORI
SUONI ED ULTRASUONI
FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE
elio giroletti,
giroletti, 2005
classe lauree
di INFERMIERISTICA e OSTETRICIA
corso integrato
FISICA, STATISTICA e INFORMATICA
disciplina: FISICA MEDICA e RADIOPROTEZIONE
FENOMENI ONDULATORI
SUONI ED ULTRASUONI
FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE
elio giroletti,
giroletti, 2005
- onde sonore
- rumore – suono
- livello di pressione sonora
- decibel – livelli di rumore
- effetto doppler
- ecografia – ecodoppler
lucidi di Domenico Scannicchio, rivisti da Elio Giroletti
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Suoni ed ultrasuoni
SUONO
1
suono: vibrazione meccanica delle particelle di
un mezzo materiale (gas, liquido, solido)
S(t) ≡ x(t) = x(t + T) funzione periodica generica
funzione periodica semplice:
S(t) ≡ x(t) = A sen (ωt + φ)
moto armonico intorno alla posizione di equilibrio
punto di equilibrio
molecola in moto
A
CL-INF/OST - FENOMENI ONDULATORI – Acustica
x(t)
2
SUONO
punto di equilibrio
molecola in moto
A
fluidi:
x(t) = spostamento
spostamenti delle particelle
addensamenti e rarefazioni
compressioni e dilatazioni
x(t) ≡ p(t) =pressione
onda di pressione o di spostamento che si propaga
CL-INF/OST - FENOMENI ONDULATORI – Acustica
sorgente sonora/rumorosa
Fonte: Medioacustic,
fond.–di
acustica,
CL-INF/OST
- FENOMENI ONDULATORI
Acustica
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Suoni ed ultrasuoni
RIFRAZIONE
Foto: Giancoli,
Giancoli, Fisica, ed.
Ambrosiana, 2000
CL-INF/OST - FENOMENI ONDULATORI – Acustica
2
sensibilità
sensibilità
orecchio umano
ν, freq.
freq.
infrasuoni
16 Hz
λ, lunghezza d’
d’onda
21,4 m
90,6 m
λ=
SUONO UDIBILE
20.000 Hz
1,72 cm
7,25 cm
0,03 mm
0,15 mm
vel
ν
ultrasuoni
10 MHz
343 m/s
1450 m/s
velocità
velocità suono,
suono, vel
in H2O
aria
CL-INF/OST - FENOMENI ONDULATORI – in
Acustica
orecchio
AAVV, Enciclopedia
del corpo umano,
cd-rom,
CL-INF/OST
- FENOMENI ONDULATORI
– Acustica
1997
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Suoni ed ultrasuoni
Orecchio
AAVV, Enciclopedia
del corpo umano,
cd-rom,
CL-INF/OST
- FENOMENI ONDULATORI
– Acustica
1997
3
Suono & rumore
caratteristiche di un suono
altezza
frequenza
timbro
composizione armonica
energia
ΔS Δt
intensità
• Suono: pressione sonora variabile nel tempo
• Frequenza: altezza del suono, Δ = 1.250:1
• Pressione sonora: intensità, potenza fonica,
volume, Δ =3.500.000:1
CL-INF/OST - FENOMENI ONDULATORI – Acustica
banda udibile
Fonte: Medioacustic,
fond.–di
acustica,
CL-INF/OST
- FENOMENI ONDULATORI
Acustica
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Suoni ed ultrasuoni
Livello di pressione sonora
10,00
Sensazione
8,00
6,00
4,00
2,00
Pressione [Pa]
0,00
0
1
2
3
4
5
CL-INF/OST - FENOMENI ONDULATORI – Acustica
soglia minima uditiva: 0,00002 Pa (20
μPa)
Pa) per tono puro a 1000 Hz nel
soggetto normale
soglia del dolore: 20 Pa (≅120 dB)
rottura timpano: 70 Pa (≅
(≅145 dB)
orecchio sente variazioni di pressione
molto ampie: 7 ordini di grandezza
sensibilità
sensibilità orecchio è:
proporzionale a logaritmo energia
di eccitazione
variabile sullo spettro di frequenze
1 Pa = 1N/mq = 0,1 bar =10dine/cmq
=10dine/cmq
4
5
Il decibel
Poiché la scala della pressione sonora è troppo ampia, se ne è
introdotta una logaritmica, il decibel
2
⎛ Pressione ⎞
⎛P
⎞
= 20 ⋅ log10 ⎜ ressione
−5 ⎟
−5 ⎟
⎝ 2⋅10 ⎠
⎝ 2⋅10 ⎠
dB = 10 ⋅ log ⎜
10
alla minima pressione udibile corrisponde dB=0
1 dB rappresenta il suono più
più debole che l’l’orecchio può
rilevare, 20 μPa , che corrisponde allo spostamento della
membrana timpano di 1/10 diametro atomo di idrogeno, rumore
"termico" di fondo: rumore del mare nella conchiglia
al raddoppio dell’
dell’energia sonora (pressione) corrisponde un
incremento di 3 dB
ad un incremento di 30 dB corrisponde un aumento di 1000
dell’
dell’intensità
intensità sonora
CL-INF/OST - FENOMENI ONDULATORI – Acustica
1000
Soglia dolore
Pressione [Pa]
I livelli di rumore
100
10
1
0 ,1
0 ,0 1
0 ,0 0 1
dB
0 ,0 0 0 1
0 ,0 0 0 0 1
Soglia udito
0
14
34
54
74
94
114
134
154
CL-INF/OST - FENOMENI ONDULATORI – Acustica
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica
Livelli di rumore
ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Suoni ed ultrasuoni
Vari tipi di rumore
Soglia uditiva
Fruscio di foglie
Voce bisbigliata o sussurrata
Rumore medio diurno un in locale pubblico
Musica a basso volume
Conversazione normale
Autovettura in moto
Traffico stradale medio/intenso
Officine meccaniche di media rumorosità
Trombe di automobile, veicolo pesante
Laminatoio, metropolitana
Presse, magli, motore di aeroplano
Perforatrici, martello pneumatico, seghe circolari
Colpo di cannone
Soglia di dolore
Motore di aviogetti, amplificatori alla massima potenza
Missili in partenza
Fonte: Dossier Ambiente, n. 39, 1997
CL-INF/OST - FENOMENI ONDULATORI – Acustica
Intens. [dB]
0
10
30
40
40
50/60
60/70
70-80/90
70
90
100
110
120
130
130
140
180
velocità
velocità onde acustiche
Mezzo
Aria, a 0 °C e 1 atm di pressione
Aria, a 20 °C e 1 atm di pressione
Acqua, 0 °C
Acqua, a 20 °C
Velocità
Velocità, m/s
331
343
1402
1482
Acqua mare, a 20 °C e 3,5% salinità
salinità
Acqua del corpo umano
1522
1558
Legno
3350
Vetro
Acciaio
Granito
5200
5941
6000
Alluminio
6420
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ecografia
Foto: Giancoli,
Giancoli, Fisica, ed. Ambrosiana, 2000
LE ONDE E GLI OSTACOLI
ULTRASUONI:
10 MHz ⇒λ In H2O è 0,15 mm
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Suoni ed ultrasuoni
ecografia
CL-INF/OST - FENOMENI ONDULATORI – Acustica
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Ecografia
Foto: Giancoli, Fisica, ed. Ambrosiana, 2000
CL-INF/OST - FENOMENI ONDULATORI – Acustica
ecografia
Spessore, X =Velocità
=Velocità·2·Tempo
a)
b)
Foto: Giancoli, Fisica, ed. Ambrosiana, 2000
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Suoni ed ultrasuoni
effetto doppler in medicina
sorgente si avvicina(-) / si allontana(+)
ricevitore si avvicina(+) / si allontana(-)
⎛
velocità
ν percepita = ν sorgente ⎜⎜
⎝ velocità
suono
suono
± velocità ricevitore
± velocità sorgente
⎞
⎟
⎟
⎠
In avvicinamento la frequenza percepita è maggiore di
quella reale, in allontanamento diminuisce
Poiché frequenza e lunghezza d’onda sono
inversamente proporzionali, ne segue che in
avvicinamento la lunghezza d’onda percepita è
minore di quella reale, in allontanamento la
lunghezza d’onda percepita è maggiore
CL-INF/OST - FENOMENI ONDULATORI – Acustica
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effetto doppler in medicina
⎛
velocità
ν percepita = ν sorgente ⎜⎜
⎝ velocità
suono
suono
± velocità ricevitore
± velocità sorgente
⎞
⎟
⎟
⎠
In avvicinamento la frequenza percepita è maggiore di
quella reale, in allontanamento diminuisce
Limitazioni:
• Stessa direzione tra onda e ricevitore
• Velocità non relativistica
• Velocità sorgente e ricevitore inferiori a quella dell’onda
effetto doppler anche nella luce delle galassie
CL-INF/OST - FENOMENI ONDULATORI – Acustica
Doppler
Il doppler rivela la velocità del flusso sanguigno tramite il
riflesso di un segnale di ultrasuoni emesso da una
sonda esterna applicata sopra un vaso sanguigno. È un
esame rapido e di routine, che permette di accertare o
escludere la presenza di forti restringimenti (stenosi) nel
circolo extra- o intracerebrale (Doppler TSA - dei tronchi
sovraortici - o Doppler transcraniale), perché nel tratto
ristretto di un vaso si registra un aumento del segnale
(velocità accelerata dei globuli rossi) oppure la
mancanza del segnale (chiusura del vaso). Inoltre, si
possono registrare le turbolenze associate a processi
arteriosclerotici che producono irregolarità sulla
superficie interna dei vasi, che normalmente è liscia.
CL-INF/OST
- FENOMENI ONDULATORI – Acustica
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ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - Suoni ed ultrasuoni
EcoDoppler (dupplex)
dupplex)
20 cm/s
60 cm/s
Mentre il doppler indica solamente la velocità e la direzione del
flusso del sangue, l‘ecodoppler (duplex) sovrappone questa
informazione a una visualizzazione ecografica dei vasi, e con ciò è
in grado di fornire ulteriori informazioni sulla estensione e sulla
localizzazione di un processo arteriosclerotico.
Inoltre, possono essere visualizzati altri processi più rari ma
importanti, come l'aneurisma disseccante dell'arteria carotide.
CL-INF/OST - FENOMENI ONDULATORI – Acustica
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FENOMENI ONDULATORI
SUONI ED ULTRASUONI
FISICA MEDICA E RADIOPROTEZIONE
elio giroletti,
giroletti, 2005
dispense su internet
www.unipv.it/webgiro
elio giroletti .
Università
Università degli Studi di Pavia
dip. Fisica nucleare e teorica
[email protected] - 038298.7905
Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica
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