Активные акустические сенсоры: тонометры, эхолоты, гидролокаторы

Ответы

Ответы на вопросы

1. Тонометр – это сенсор артериального давления крови. Его относят к классу акустических сенсоров потому, что первичные информационные сигналы в нем появляются в форме звуковых колебаний, слышимых в фонендоскопе при колебаниях артериального давления крови. Активным его считают потому, что тонометр активно воздействует через манжету на артерии, изменяя внешнее давление на них, и позволяет прослушивать реакцию на это воздействие пульсаций крови в артериях.

2. Отличие электронного тонометра от ручного состоит в том, что в ручном тонометре все операции, необходимые для измерения артериального давления крови, производит пользователь (врач, медсестра или сам пациент). В электронном тонометре ручными остаются только операции наложения и снимания манжеты либо также операция нагнетания воздуха в манжету. Электронные тонометры разделяют на 2 основных вида: полуавтоматические и автоматические. В полуавтоматических тонометрах ручной остается только операция нагнетания воздуха в манжету (с помощью резиновой груши), а в некоторых – еще и операция постепенного снижения давления в манжете (с помощью ручного вентиля). В автоматических электронных тонометрах эти операции тоже автоматизированы. Кроме того, различают тонометры с манжетой на плечо, с манжетой на предплечье, на запястье и даже на палец руки.

3. Преимуществом автоматических электронных тонометров по сравнению с полуавтоматическими является то, что процесс нагнетания воздуха в этих тонометрах тоже автоматизирован. Пользователю остается лишь правильно наложить манжету на руку и нажать кнопку. Весь дальнейший процесс измерения происходит автоматически. Автоматический режим позволяет также повысить точность измерения. Запоминая типичное артериальное давление пользователя, микропроцессор при следующих измерениях сам регулирует уровень нагнетания воздуха, обеспечивая более комфортные условия измерения. Некоторые из автоматических тонометров имеют также интерфейс с внешним компьютером, выводят на свой дисплей текущие дату и время. Они могут быть запрограммированы на различные сервисные действия. Например, напоминать звуковым сигналом и значками на дисплее о необходимости приема лекарства или очередного измерения артериального давления и т.п.

Недостатком автоматических электронных тонометров по сравнению с полуавтоматическими является то, что на работу электронасоса расходуется значительно больше энергии, чем на измерение. Поэтому в автоматических тонометрах запас энергии встроенных аккумуляторов исчерпывается значительно быстрее, их приходится чаще заряжать. Да и цена их выше.

4. "Эхолокация" – это метод определения расположения предметов в пространстве, основанный на излучении звуковых импульсов, приёме и анализе отраженных от предметов эхо-сигналов. "Эхолот" – это интеллектуальный акустический сенсор, реализующий метод эхолокации. Понятия "гидролокация" и "гидролокатор" несколько уже. Они обозначают эхолокацию только в водной или в другой жидкой среде и сенсор, работающий в жидкой среде.

5. Гидролокаторы применяют для дистанционного наблюдения подводной обстановки, обнаружения подводных объектов, определения их координат и расстояний до них, для оценки их размеров. Их устанавливают на кораблях для обеспечения безопасности движения, на рыболовных судах для изучения рыбной обстановки и обнаружения косяков рыбы. В технических целях гидролокаторы используют для поиска затонувших кораблей, самолетов, обломков ракет-носителей и других конструкций, для наблюдений за состоянием подводных сооружений, газо- и нефтепроводов, конструкций ГЭС, опор мостов, для исследований шельфа морского и океанического дна и т.д.

6. "Индикатор кругового обзора" в гидролокации представляет собой экран, на котором отображается подводная обстановка вокруг корабля, на котором установлен гидролокатор. На нем можно увидеть все подводные объекты, расположенные в зоне наблюдения. Можно определить расстояния до них, их координаты относительно корабля, оценить их размеры.

7. "Рыбопоисковый эхолот" – это упрощенный гидролокатор, специализированный для применения рыбаками-любителями при изучении водоема (определение глубины, рельефа и структуры дна) и поиске рыбы. Он должен быть портативным, удобным для использования, рассчитанным на работу в жару и в мороз (для зимней рыбалки), водостойким, недорогим, обеспечивать понятное рыбакам отображение подводной обстановки на небольшом индикаторе.

8. Увидеть рыбу на экране эхолота позволяет, в основном, плавательный пузырь. Заполненный воздухом, он хорошо отражает и рассеивает УЗ волны и дает контрастный отраженный сигнал. На экране эхолота плавательный пузырь имеет форму овала. Для лучшего восприятия встроенный в рыбопоисковый эхолот микрокомпьютер сам формирует на экране изображение рыбы, соответствующее размерам её плавательного пузыря.

9. Связь акустического антенного и основного электронного блока в рыбопоисковых эхолотах осуществляется либо с помощью кабеля, либо с помощью микроволновой радиосвязи. Последняя преимущественно используется в эхолотах, ориентированных на рыбную ловлю с берега.

10. Многопучковые акустические антенны применяют для того, чтобы совместить более детальное "видение" подводной обстановки с одновременным наблюдением за значительным подводным пространством. Такие антенны состоят из нескольких излучателей и приёмников УЗ волн. Каждый канал в них может работать независимо и отдельно управляется от микропроцессора. Боковые пучки позволяют "видеть" то, что происходит в воде под крутым нависшим берегом или под скалой. Пучки с более высокой частотой УЗ волны обеспечивают более высокую разрешающую способность, а с более низкой частотой позволяют "видеть" дальше.

11. "Цифровые технологии" эхолокации состоят в том, что технические параметры УЗ зондирования водного пространства не устанавливаются однозначно заранее, а делаются перестраиваемыми. Микрокомпьютер автоматически подбирает именно такие мощность УЗ пучка, продолжительность, структуру импульсов и периодичность их излучения, которые лучше всего отвечают конкретным условиям функционирования. А с ними автоматически согласовываются работа и чувствительность приемника. Вместо аналогового фильтра применяется цифровая фильтрация, которая адаптируется к текущим обстоятельствам на всех глубинах. Адаптивное регулирование позволяет получать значительно более качественные данные о рыбе, о структуре дна и обстановке в воде.

Ответы к упражнениям

Упражнение 6.1. Перед измерением манжету накладывают на плечо пациента так, чтобы она охватила весь обвод руки, и застегивают. Наушники фонендоскопа вставляют в ухо измеряющего (врача, медсестры или самого пациента), а слуховой элемент фонендоскопа (стетоскоп) вставляют под край манжеты у сгиба локтя над артерией. Манометр ставят так, чтобы его шкала была видна пользователю. Перекрывают вентиль и с помощью резиновой "груши" нагнетают в манжету воздух до тех пор, пока в наушниках фонендоскопа не исчезнет звук пульсации крови в артерии. Затем с помощью вентиля понемногу "стравливают" давление в манжете со скоростью примерно 1-5 мм рт. ст. за один удар сердца. Когда в фонендоскопе возобновляются пульсации, надо сразу же считать значение давления на манометре. Это – систолическое давление. Продолжая стравливать давление и слушая звуки пульсации крови через фонендоскоп, надо теперь уловить момент, когда интенсивность этих звуков резко уменьшается. Давление, которое в этот момент показывает манометр, и принимают за диастолическое значение. Объектом наблюдения является в данном случае переменное артериальное давление крови. Элементом влияния служит манжета, с помощью которой пользователь меняет внешнее давление на артериальные сосуды. Чувствительным элементом являются слуховой элемент фонендоскопа и человеческое ухо. Точность отсчета систолического и диастолического давлений зависит от скорости снижения давления в манжете и от своевременности отсчета значений давления на манометре, а также от точности самого манометра. Чем быстрее стравливается давление, и чем медленнее реакция пользователя, тем больше погрешность. Точность зависит также от дыхания пациента, поскольку при этом изменяется давление внутри грудной клетки, которое является "опорным" давлением для сердца.

Упражнение 6.2. При использовании полуавтоматического электронного тонометра надо надеть манжету на плечо пациента так, чтобы она охватила весь обвод руки, застегнуть манжету и нажать кнопку старта на электронном блоке. После появления на экране жидкокристаллического дисплея соответствующей пометки, надо с помощью резиновой "груши" нагнетать воздух в манжету. Микропроцессор непрерывно следит за нарастанием давления в манжете и может отображать его значение на экране. Когда давление достигает нужного уровня, микропроцессор подает звуковой сигнал, после которого нагнетание воздуха надо прекратить. Дальше все происходит автоматически.

Пусть за период между последовательными ударами сердца давление в манжете снижается на величину . Возобновление пульсаций крови можно услышать только после очередного удара сердца (систолы). Поэтому и погрешность отсчета систолического и диастолического артериального давления не может быть меньше . Таким образом, между точностью измерения артериального давления и скоростью снижения давления в манжете имеется прямая зависимость.

Упражнение 6.3.

Вариант 1. Функциональная схема ручного тонометра выглядит так, как показано на рисунке.

Манжета 1 предназначена для создания всестороннего давления на ткани руки и кровеносные артерии. Резиновая "груша" 4 служит для нагнетания воздуха в манжету. С помощью вентиля 3 можно понемногу стравливать воздух из манжеты или полностью выпустить его. Манометр 5 используется для измерения давления в манжете. Соединительные резиновые трубки 2 пневматически соединяют манжету, вентиль, резиновую "грушу" и манометр. Слуховой элемент 6 служит для съёма звуковых сигналов, вызываемых пульсациями давления крови в артерии. Пользователь 7 вручную выполняет все действия, необходимые для измерения.

Вариант 2. Функциональная схема полуавтоматического электронного тонометра выглядит так, как показано на рисунке.

Манжета 1 предназначена для создания всестороннего давления на ткани руки и кровеносные артерии. Резиновая "груша" 4 служит для ручного нагнетания воздуха в манжету. Микрокомпьютер МК организует всю остальную работу тонометра. Управляемый от МК вентиль 3 понемногу стравливает воздух из манжеты или полностью выпускает его. Миниатюрный датчик давления 5 измеряет давление в манжете и передает результат в МК. Соединительные резиновые трубки 2 пневматически соединяют манжету 1, вентиль 3, резиновую "грушу" 4 и датчик давления 5. Клавиатура Кл позволяет пользователю управлять работой тонометра. На дисплей выводится вся необходимая пользователю информация. Звуковой сигнализатор Зв служит для подачи сигналов пользователю – о прекращении нагнетания воздуха, о сбоях в работе.

Вариант 3. Функциональная схема автоматического электронного тонометра выглядит так, как показано на рисунке. Манжета 1 предназначена для создания всестороннего давления на ткани руки и кровеносные артерии. Микрокомпьютер МК организует всю работу тонометра. Управляемый от МК вентиль 3 понемногу стравливает воздух из манжеты или полностью выпускает его. Миниатюрный электронасос 4 служит для нагнетания воздуха в манжету.

Миниатюрный датчик давления 5 измеряет давление в манжете и передает результат в МК. Соединительные резиновые трубки 2 пневматически соединяют манжету 1, вентиль 3, насос 4 и датчик давления 5. Клавиатура Кл позволяет пользователю управлять работой тонометра. На дисплей выводится вся необходимая пользователю информация. Звуковой сигнализатор Зв служит для подачи сигналов пользователю – о прекращении нагнетания воздуха, о сбоях в работе и т.д.

Упражнение 6.4.

Вариант 1. Интенсивности акустических волн, имеющих одинаковую амплитуду колебаний давления, но разную частоту, относятся как квадраты их частот. Поэтому интенсивность звуковых волн частотой 4 кГц больше интенсивности инфразвуковых волн частотой 2 Гц в (4000 : 2)² = 4 млн. раз!

Вариант 2. Интенсивность звуковых волн частотой 10 кГц больше интенсивности звуковых волн частотой 20 Гц с такой же амплитудой колебаний давления в (10000 : 20)² = 250000 раз.

Вариант 3. Интенсивность УЗ волн частотой 100 кГц больше интенсивности звуковых волн частотой 2 кГц с такой же амплитудой колебаний давления в (100 : 2)² = 2500 раз.

Вариант 4. Интенсивность УЗ волн частотой 1 МГц больше интенсивности звуковых волн частотой 1 кГц с такой же амплитудой колебаний давления в (1000 : 1)² = 1000000, т.е. в миллион раз!

Вариант 5. Интенсивность УЗ волн высокочастотного диапазона частотой 400 МГц больше интенсивности УЗ волн низкочастотного диапазона частотой 40 кГц с такой же амплитудой колебаний давления в (400000 : 40)2 = 108 раз.

Упражнение 6.5.

Вариант 1. Время запаздывания УЗ сигнала, отраженного от объекта, который удален от гидролокатора на 30 м, составляет (30 : 1500)x2 = 0,04 с = 40 мс. Время запаздывания УЗ сигнала, отраженного от объекта, удаленного от гидролокатора на 1800 м, составляет (1800 : 1500)x2 = 2,4 с.

Вариант 2. Если требуется наблюдать подводную обстановку, начиная с расстояний в 30 м, то максимальную длительность зондирующего УЗ импульса можно вычислить по формуле (6.1): .

Вариант 3. Если требуется наблюдать подводную обстановку на расстояниях до 4,5 км, то период генерирования зондирующих УЗ импульсов должен быть не меньше, чем .

Вариант 4. Если отраженный от подводного объекта УЗ сигнал запаздывает на 128 мс, то расстояние до него составляет 0,128x1500/2 = 96 м. Если же отраженный от подводного объекта УЗ сигнал запаздывает на 2,4 с, то расстояние до него составляет 2,4x1500/2 = 1800 м.

Вариант 5. Найдем сначала период УЗ колебаний с частотой 80 кГц:

1/80000 = 0,000125 с = 0,125 мс. Число полных колебаний давления в УЗ зондирующем импульсе длительностью 24 мс составляет 24 : 0,125 = 192.

Упражнение 6.6. Рыба свободно плавает в воде (не тонет и не всплывает), если её вес точно компенсируется подъёмной силой Архимеда. Последняя равна весу вытесненной рыбой жидкости. Поскольку плотность живых тканей рыбы близка к плотности воды, то подъёмную силу создаёт в основном именно её плавательный пузырь. Плотностью находящегося внутри него воздуха по сравнению с плотностью воды можно пренебречь. Получается, что масса плавающей рыбы приблизительно равна массе воды в объеме её плавательного пузыря. Этот объём можно оценить по видимым эхолотом размерам плавательного пузыря.