Download - New Microsoft Office Word Document

Transcript
Page 1: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 1

INTERACTIUNEA FACTORILOR FIZICI CU SISTEMELE BIOLOGICE biologie INTERACIUNEA FACTORILOR FIZICI CU SISTEMELEBIOLOGICE 

Mediul exterior reprezinta o sursa permanenta de factori de agresiune care inducabaterea de la starea stationara, de echilibru dinamic, a sistemelor vii. Factoriifizici de agresiune constau în fenomene fizice ce pot interactiona cu procesele

 biologice. Exista doua nivele de interactiune:· nivelul interactiei specifice, mediate si conditionate de consum intern deenergie;· nivelul interactiei nespecifice, nemediate, fara contributie energetica directadin partea sistemului.În prima categorie sunt incluse fenomenele de traducere de semnal de la nivelulstructurilor specializate ale analizatorilor, care se caracterizeaza în general printr-

un transfer redus de energie, nenociv, dinspre exterior spre interior. Depasireanivelelor maxime tolerabile poate declansa însa efecte nocive la nivel local, faraafectarea sistemului în ansamblu. Categoria a doua de interactii se refera la aceleefecte datorate interactiei nespecifice dintre anumite forme de variatie a energieidin mediul extern si materialul biologic, cu afectare globala, nespecifica a tuturor structurilor participante la interactie. Aici sunt incluse efectele unor factori fizici

 precum fenomenele radiative (radiatiile ionizante, UV, laser, microunde,ultrasunete), variatiile de temperatura, curentul electric, variatiile de presiune,câmp gravitational etc. Nocivitatea acestor interactii este dependenta în principal

de cantitatea de energie transferata sistemului biologic.Întelegerea mecanismelor biofizice ale interactiei structurilor vii cu agentii fizicieste conditionata de cunoasterea proprietatilor specifice ale acestora din urma.Influenta temperaturii asupra sistemelor biologiceGeneralitatiPrin faptul ca intervine direct la un nivel structural de baza (atomic si molecular),temperatura influenteaza prin modificarile ei toate functiile sistemelor vii.Fenomenele ce decurg direct din miscarea de agitatie termica a moleculelor si dinexistenta fortelor de interactiune moleculara, se afla nemijlocit sub influentatemperaturii (difuziunea, osmoza, tensiunea superficiala, vâscozitatea, potentialulelectric, de concentratie etc).Toate celulele sunt expuse la variatii de temperatura ale mediului lor ambiant, iar amplitudinea acestor variatii difera functie de conditiile în care traiesc organismelerespective. Cele care traiesc în mediu acvatic sunt expuse unei variatii mult mailimitate de temperatura, dat fiind valoarea ridicata a caldurii specifice a apei,comparativ cu organismele care traiesc pe uscat. Pentru majoritatea organismelor,intervalul de temperatura la care se desfasoara activitatile metabolice celulare,numit zona biocinetica (fereastra biologica), este între 10 si 450C. Exista însa

Page 2: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 2

si organisme termofile ce traiesc la temperaturi mai mari de 450C si organismecriofile ce traiesc la temperaturi mai mici de 100C. In general, forme de viata sunt

 posibile la orice temperatura la care apa celulara ramâne în stare lichida. Pentruexplicarea mecanismului prin care temperatura influenteaza procesele biologice

este necesara interpretarea din punct de vedere energetic a acestor procese. Oricetransformare (proces biologic) decurge cu scaderea energiei libere din stareainitiala catre o valoare finala. În momentul angajarii unui proces, particula (sausistemul biologic) sufera un proces de activare care este absolut necesar pentrudepasirea barierei energetice ce asigura, în starea inactiva, echilibrul energetic.

 Prezentare schematica a unui proces biologic, de la starea initiala la cea finala Energia de activare ( E a) este dependenta de temperatura dupa urmatoarea expresie:

unde q10 este un coeficient de temperatura egal cu raportul vitezelor dereactie masurate la o diferenta de temperatura de 10 grade,  R - constanta gazelor iar T - temperatura absoluta initiala.Rolul de catalizator al enzimelor este tocmai acela de a reduce energia de activare a

 proceselor biologice, ceea ce mareste foarte mult viteza de reactie.

 Prezentare schematica a unui proces biologic, mediat enzimatic De obicei, activarea enzimei necesita o energie mult mai mica decât energia deactivare a procesului mediat, iar activarea enzimei poate fi realizata de o serie defactori chimici locali (mesageri chimici), sau factori fizici externi (de ex. semnaleelectrice, optice etc).Efectele nocive ale temperaturii. Se pot distinge mai multe categorii de efectedeterminate de valori ale temperaturii în afara zonei biocinetice:

Page 3: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 3

1. efectele nocive ale cresterii temperaturii sunt reprezentate în principalde denaturarea ireversibila a conformatiei tridimensionale a macromoleculelor cu rol structural sau functional. Apar formatiuni globulare determinate de rupereasi rearanjarea legaturilor de H. Aceste conversii structurale sunt incompatibile cu o

functionare normala, iar celula moare în momentul depasirii mecanismelor derefacere. Cauzele majore de moarte celulara sunt: denaturarea ireversibila a ADN,a ribozomilor cu blocarea sintezei de proteine precum si a enzimelor, cu pierderea

 proprietatilor de catalizatori. In final, la valori mai mari de temperaturaa se produce lichefierea bistratului lipidic membranar si dezintegrarea celulei.Cresterile violente de temperatura pot determina direct evaporarea si carbonizareamaterialului biologic.

2. la scaderea temperaturii sub nivelul minim al "ferestrei biologice" celulareactioneaza diferit în functie de viteza de scadere a temperaturii:· la congelarea rapida apar cristale de gheata prin înghetarea apei libere atât

din afara cât si din interiorul celulei. Microcristalele produc ruperea structurilor membranare si a altor formatiuni intracelulare (chiar nucleul) ce determina moarteacelulei. Totodata, apare si o hiperosmolaritate relativa tranzitorieintracitoplasmatica ce contribuie suplimentar la destabilizarea si deteriorareamoleculelor proteice.· la congelarea lenta, îngheata mai întâi apa libera extracelulara, ce determinaun eflux pasiv de apa din celula ce reduce cantitatea de apa liberaintracitoplasmatica. Se împiedica astfel formarea de microcristale cu efect nociv,iar temperatura de congelare a macromoleculelor înconjurate de apa legata

(structurala) scade la aproximativ - 40°C. Ramâne însa prezent efectul datorathiperosmolaritatii tranzitorii care determina leziuni ce nu permit reluarea functiilor dupa dezghetare.In procedurile de crioprezervare se combate efectul nociv al microcristalelor deapa prin utilizarea unor substante de tipul glicerolului. Moleculele de glicerolinteractioneaza puternic prin punti de H cu moleculele de apa, integrându-secompetitiv în structura tridimensionala a apei. La scaderea miscarilor de agitatietermica (la reducerea temperaturii) moleculele de apa se agrega progresiv în jurul

 proteinelor, integrarea glicerolului împiedicând formarea microcristalelor. Seformeaza adevarate retele protectoare fata de socul osmotic în jurul

macromoleculelor si de-a lungul formatiunilor lipidice membranare care permite pastrarea intacta pentru timp îndelungat a viabilitatii celulare. Prin aceste procedeese pot conserva pe termen nelimitat celule seminale, celule stem pluripotente sauchiar elemente tisulare simple (cornee, cristalin).Glicerolul este un compus chimic utilizat în metabolismul lipidic celular, astfel ca,la dezghetarea celulelor, prezenta lui nu este nociva, el fiind utilizat chiar la sintezade glicogen. Din categoria substantelor crioprotectoare mai fac parte si dextranulsau dimetilsulfoxidul (DMSO).

Page 4: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 4

Efectele acceleratiei si imponderabilitatii asupra circulatiei sângeluiIntr-un fluid de masa volumica r , la o variatie de altitudine d x corespunde ovariatie de presiune d p.

Daca si g sunt independente de x, atunci:Astfel, doua puncte situate la acelasi nivel, într-un acelasi fluid în echilibru, auaceeasi presiune.In cazul organismului, presiunea arteriala (mai exact diferenta fata de presiuneaatmosferica) trebuie masurata în pozitia decliva pentru a elimina efectul gravitatiei.Astfel, presiunea arteriala pentru vasele cu sectiune egala este aceeasi în toate

 punctele circulatiei sanguine. Ea variaza de la un maxim (130 mmHg » 17 kPa) încursul sistolei ( p s) la o valoare minima (80 mmHg » 10 kPa) în cursul diastolei( pd ).

Valoarea medie a tensiunii arteriale se calculeaza dupa formula:

si este de aproximativ 100 mmHg în aorta, 35 mmHg în arteriole si 25mmHg în capilare.Pentru un subiect în ortostatism, intervine gravitatia, astfel ca pentru o valoaremedie de 100 mmHg la nivelul inimii, se gaseste o presiune arteriala medie de 60mmHg (8 kPa) la nivelul capului si de 200 mmHg (26 kPa) la picioare. Datoritalucrului efectuat de pompa cardiaca, sângele nu se acumuleaza în partile inferioare. 

Presiunea venoasa masurata în pozitie de decubit dorsal la nivelul venei cave estede 10 mmHg si 15 mmHg în venule. Aceasta presiune creste mult în ortostatismul prelungit ce favorizeaza staza venoasa la nivelul membrelor inferioare cu aparitiavaricelor (dilatatii cronice a venelor) si a edemelor ortostatice. In manevreleaviatice s-a constatat ca în timpul unui "looping" are loc o crestere a acceleratieidatorita fortei centrifuge de 3-4 ori. In acest caz acceleratia este îndreptata spre

 picioare (acceleratie negativa) si presiunea sistolica de la nivelul creierului scade la-12 mmHg. Arterele creierului se vor închide rezultând o ischemie cerebralatranzitorie urmata de pierderea vederii (val negru) si chiar a cunostintei. Pilotiitineri la antrenament nu pot suporta acceleratii de acest fel mai mult de 20 sec.

Folosirea unor costume speciale gonflabile (anti-g) ce împiedica aceste fenomene prin crearea unei presiuni externe la nivelul trunchiului si membrelor. Deasemenea, se face o asezare a corpului în asa fel (ca în cazul lansarii unei rachetecu om la bord) încât forta centrifuga sa actioneze transversal pe corp. Atunci cândse efectueaza manevre în picaj, pilotul este expus la acceleratii "pozitive"(acceleratia este îndreptata de la picioare spre cap). In acest caz sângele seacumuleaza spre creier, cu hipertensiune în vasele cerbrale si risc crescut de

Page 5: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 5

accident vascular. Se produce o congestionare a retinei cu senzatie de valrosu ocular. In ceea ce priveste efectul imponderabilitatii (g=0) asupra circulatiei sângelui nu sunt manifestari spectaculoase, apar unele manifestari care sunt compensate, în

mare parte, de catre reflexele de reglare cardiovasculara.Efectele principale ale imponderabilitatii (apar dupa o perioada mai lunga deexpunere) se manifesta la nivelul aparatului locomotor, prin atrofie musculara sidemineralizare osoasa. Aceste tulburari necesita precautii speciale la reintegraracosmonautilor dupa perioade îndelungate de sedere în afara spatiului gravitationalterestru. Astfel, pot apare fracturi la nivelul oaselor lungi si dificultati delocomotie, semne de insuficienta cardiaca acuta.Influenta curentului electricCurentul electric reprezinta unul din factorii fizici cei mai folositi în practicamedicala. Ca bioexcitant, curentul electric prezinta o serie de însusiri care-l fac

stimul universal:· la valori convenabile nu lezeaza tesuturile si poate fi aplicat în mod repetitiv,· actioneaza imediat (perioada scurta de latenta),· genereaza efecte în orice tip de celula sau tesut,· poate fi masurat cu precizie,· poate fi aplicat în zone restrânse prin intermediul electrozilor (anod,electrodul pozitiv si catod, electrodul negativ).Când un curent electric are o durata foarte scurta (mai mica de o miime desecunda) el se numeste impuls. Se caracterizeaza prin forma de variatie în timp,

amplitudine, durata si frecventa de repetitie. Graficul unui impuls în sistemul decoordonate intensitate-timp poate fi un dreptunghi, un triunghi sau o curba

exponentiala (figura).

Impulsurile rectangulare se obtin cu ajutorul unor dispozitive electronicenumite generatoare de functii. Undele rectangulare produse în acest fel au odurata cuprinsa între 10 si 10-5 secunde. Impulsurile exponentiale se produc prindescarcarea condensatorilor. Impulsurile de durata mare se supun legiiPflüger conform careia, laî nchiderea circuitului electric, efectul excitant se

 produce la catod iar la deschiderea circuitului, excitarea se produce la anod.

Page 6: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 6

Curentii electrici produc un mare numar de efecte biologice, cele mai multe fiindfolosite în practica medicala (diagnostic si terapeutica).Efectele curentului continuu.Aceste efecte pot fi:

· Efecte de vecinatate a electrozilor. Organismul poate fi asimilat unuiansamblu de unitati galvanice foarte mici (celule) umplute cu o solutieconductoare de electrolit. Aplicarea de curent electric continuu de joasa tensiune seface prin intermediul a doi electrozi, între care apare un flux preponderent deelectroni. În regiunea electrozilor apar curenti electrotonici în toate directiile.Astfel, la anod se produc curenti anelectrotonici, care au un efect de scadere a

 pragului de excitabilitate a celulelor excitabile prin inducerea unui deficit desarcini electrice elementare în spatiul extracelular, iar la catod curenticatelectrotonici cu efect contrar. Prin fenomen deelectroforeza, adica migrarea încâmp electric a particulelor încarcate electric, se acumuleaza la anod ioni Cl-, ceea

ce duce la formarea de acid clorhidric (coloratie galbena). La catod se acumuleaza Na+ care determina formarea de NaOH (coloratie cenusie).

· Efecte la distanta - sunt reprezentate de transportul transcutanat al ionilor,

 bazat tot pe efecte de electroforeza. Ionii medicamentosi pot fi introdusi înorganism fie pe cale electrica fie prin injectie subcutanata. Ultimul procedeu estemai usor de realizat, dar efectul este mai putin durabil. Introducerea electrolitica aionilor medicamentosi se numeste ionoforeza.· Galvanizarea - actiunea terapeutica a unui curent continuu de pâna la câtivazeci de mA. Prin galvanizare se urmareste fie scaderea excitabilitatii nervoase,folosita în tratamentul unor nevralgii, fie stimularea excitabilitatii în cazulsindroamelor miastenice sau recuperarilor neuromusculare. Galvanizarea poate ficombinata cu ionoforeza sau cu alte tratamente electrofiziologice, cum estediatermia (vezi mai jos).Efectele curentului alternativ· Curentul de joasa frecventa (câteva mii de hertzi) produce efecteexcitomotoare. Acest curent se aplica în tratamentul atrofiilor musculare si adegenerescentelor neuromusculare.· Curentul alternativ de frecventa medie (câteva zeci de mii de hertzi)

 produce o crestere a pragului de excitatie. Efectul excitosenzitiv are o actiunestimulativa folosita în cardiologie la reanimarea de urgenta, sau în cazurile cronice,când se asigura inimii un ritm sistolic permanent. Electrosocul se produce atunci

Page 7: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 7

când curentul alternativ, de intensitate mai mare, strabate encefalul. El provoaca laom crize convulsive, asemanatoare cu cele epileptice, având proprietati terapeuticeîn psihiatrie.· Curentul alternativ de înalta frecventa (peste 100 kHz) nu produce nici efecte

excitomotoare nici efecte excitosenzitive, ci numai o degajare decaldura, diatermie, depinzând de marimea electrozilor, de frecventa curentului side structura anatomica a tesutului prin care trece curentul (proprietatile electriceale tesuturilor). Bisturiul electric (electrocauterul) este reprezentat de un electrodactiv cu geometrie ascutita si un electrod de referinta, cu geometrie plana sisuprafata mare de contact, pus în contact electric cu zona de tegument dinvecinatatea zonei de incizie. Închiderea circuitului la nivelul electrodului activdescarca o mare cantitate de energie pe o suprafata minima de tesut. Sectionareatesuturilor are la baza fenomene termice violente ce se soldeaza cu evaporareastructurilor organice. Simultan cu "incizia"termoelectrica, se va produce

si sigilarea vaselor sanguine incizate (hemostaza), ceea ce reprezinta un avantajmajor în chirurgie, mai ales la nivelul mucoaselor, unde procesele de vindecaresunt mai lente.ElectrodiagnosticulUtilizarea curentului electric în medicina se poate face si în scop diagnostic,existând doua posibilitati:· diagnostic prin stimulare, atunci când se studiaza raspunsul nervilor simuschilor la actiunea curentilor, prin care se urmareste determinarea pragurilor deexcitatie. Se pun în evidenta modificari patologice ale reactiilor electrice

(cantitative, referitoare la marimea pragului de excitatie si calitative, referitoare lafelul de manifestare a reactiilor).· diagnostic prin detectie, când se înregistreaza activitatea electrica spontanaa organismului (masurând variatiile de potential ce apar în timpul functionariidiferitalor organe). Astfel, prin utilizarea de electrozi de suprafata se poateînregistra activitatea cardiaca (electrocardiografie), activitatea cerebrala(electroencefalografie) etc.Precautiuni la utilizarea curentilor electriciAtunci când trec prin organism, curentii slabi nu produc efecte daunatoare, înschimb curentii puternici (de intensitate mare) pot da nastere la accidente grave

(mortale chiar).Când atingem cu mâna capetele firelor aflate sub tensiune electrica de zeci sau sutede volti, poate apare în antebrat o contractie dureroasa, de asemenea, poate apare ostare de soc. Daca tensiunea atinge câteva mii de volti, moartea survine imediat.Pe lânga efectele electrolitice locale, din punctele de contact, accidentele mai gravesunt însotite de arsuri mergând pâna la carbonizare.Un acelasi curent poate sa

 provoace accidente cu gravitate diferita, deoarece rezistenta electrica a

Page 8: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 8/

organismului variaza de la individ la individ (dependent de starea de umiditate, decuratenie a organismului etc).Când pielea este uscata, datorita rezistentei electrice mari, apare un efect Joule(termic) intens ce determina arsuri, dar curentul electric circula prin organism cu o

intensitate relativ mica si electrocutarea este mai putin grava.Când pielea este umeda si exista contact electric cu pamântul, atunci rezistenta ceo întâmpina curentul la intrarea în organism este mica si electrocutarea esteviolenta.Daca rezistenta electrica joaca un rol important, intensitatea curentului electricconstituie factorul determinant în producerea accidentelor electrice. S-a masuratexperimental rezistenta electrica totala de la dosul mâinii pâna la regiuneaanterioara a abdomenului si s-au obtinut valori cuprinse între 30.000 si 40.000 W.De asemenea, s-a dovedit ca intensitatea minima ce poate provoca accidente

 periculoase este de 25 mA pentru curentul alternativ si de 50¸100 mA pentru

curentul continuu (curentul alternativ este de aprox. patru ori mai periculos decâtcurentul continuu). De exemplu, pentru o rezistenta interna de 10 KW, o tensiuneU=10.000 W x 0.025 A = 250 V poate provoca fenomene de electrocutare. Un roldeosebit îl are si traseul curentului prin organism. Curentul este daunator daca îndrumul lui întâlneste inima (daca contactul se face printr-un picior si o mâna).Influenta vibratiilor mecaniceGeneralitati Sunetul reprezinta o forma de transfer la distanta a energiei prin intermediul uneisuccesiuni de comprimari-decomprimari autopropagate prin elementele de mediu.

Propagarea sunetului este posibila numai prin mediile alcatuite din elemente care pot suferi compresii elastice. In vid, sunetul nu se poate propaga. Viteza de propagare a sunetului depinde de impedanta acustica specifica ( Z ) a mediului sidensitatea acestuia (r ):

Impedanta acustica specifica este o constanta, care masoara abilitateamaterialului de a propaga undele sonore. Unitatea de masura a impedantei acustice

specifice este N×s/m3

sau kg·s/m2

, iar valorile numerice ale lui Z sunt de ordinul102-103 pentru gaze, 106 pentru lichide si 107 pentru solide.Caracteristicile fizice ale semnalului acustic sunt interpretate diferit prin perceptiaauditiva corticala. Astfel intensitatea acustica sau nivelul acustic arecorespondent subiectiv în taria sonora, frecventa semnalului acustic este

 perceputa subiectiv ca înaltime tonala, iar compozitia spectrala a semnaluluiacustic induce timbrul sonor. Deosebim, astfel, doua categorii de caracterisitici

 pentru sunete: fizice si de perceptie.

Page 9: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 9

Caracteristici fizice Intensitatea acustica într-un punct dat este energia transportata de unda acustica

 printr-o suprafata de 1 m2 asezata perpendicular pe directia de propagare. Semasoara în W/m2.

Intensitatea semnalului acustic se exprima prin relatia:

unde pa este presiunea acustica, definita ca amplitudinea maxima a variatiei presiunii atmosferice. pa maxima a unui semnal acustic nociv este de 30 N/m2,fiind mult mai mica decât presiunea atmosferica (~ 105 N/m2). Sunetele audibile auo frecventa cuprinsa între 16 - 16.000 Hz. pa minima pentru un sunet audibil estede 10-5 N/m2 pentru .

In relatia de mai sus, r este densitatea mediului iar v este viteza de propagare a

semnalului acustic. Pentru aer ( Kg/m

3

, v = 340 m/s)la N/m2, I max = 1 W/m2. Intensitatea minima a unui semnal înca audibileste I min = 10-12 W/m2 (pentru sunete cu Hz).

Nivelul acustic se exprima prin:

 N = 10 log I / I min 

Page 10: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 1

unde I este intensitatea sonora, iar  I min este intensitatea minima a unuisunet de 1000 Hz care mai poate fi auzit, I min = 10-12 W. N se exprimaîn decibeli (dB). Nivelul în decibeli al unui sunet de intensitate I poate fi calculatcu relatia:   N = 10 log I + 120 

Se observa ca un sunet de intensitate minima are 0 db iar unul cu intensitate de1 W/m2 are 120 db. Caracterul nociv al efectelor produse de sunete este determinatde intensitatea poluarii sonore si de timpul de expunere la actiunea ei si semanifesta prin scaderea capacitatii de munca, boli profesionale, afectarea unor functii fiziologice, tulburari psihice.  Nivelul zero de intensitate a zgomotelor sisunetelor corespunde pragului de audibilitate al omului, iar nivelul superior de 200dB este echivalent cu cel produs de o racheta cosmica în momentul lansarii. Altezgomote apreciate sunt: fosnetul frunzelor - 10/15 dB, o convorbire telefonica -35/40 dB, un motor de autoturism - 70 dB, traficul marilor orase - 80/85 dB, un

 perforator pneumatic - 110/120 dB, un avion cu reactie - 140 dB. Frecventa

semnalelor sonore este cuprinsa între 0 si infinit. Semnalele acustice cu frecventasub 16 Hz se numesc infrasunete, între 16 si 16.000 Hz - sunete, între 16.000 Hz si109 Hz - ultrasunete iar peste 109 Hz - hipersunete.În natura se pot deosebi urmatoarele tipuri de sunete:· sunetul pur - reprezinta sunetul alcatuit dintr-o singura unda cu o anumitafrecventa· sunetul muzical (armonic) - sunet compus din mai multe frecventesupradaugate din care componenta cu frecventa cea mai joasa este frecventafundamentala, iar celelalte sunt armonice cu frecventa egala cu un multiplu întreg

al frecventei de baza. Armonicele pot avea diferite amplitudini.· zgomotul alb - sunet compus care contine toate frecventele posibile si cuamplitudine egala. Este echivalentul luminii albe.· zgomotul - sunet compus cu o combinatie neomogena de frecvente siamplitudini.Caracteristici de perceptie In ceea ce priveste caracterele perceptiei sonore, ele sunt codificate la nivel corticalîn felul urmator:Înaltimea tonala, sub care se percepe frecventa semnalului acustic este codificataspatial, fiecare frecventa componenta a semnalului acustic fiind receptata distinct

si trimisa sub forma potentialelor de actiune (PA) prin neuronii auditivi într-oanumita regiune a cortexului.Taria sonora cu care percepem intensitatea semnalului acustic se codifica, la felca în toate mesajele cantitative senzoriale, prin frecventa de repetitie aimpulsurilor nervoase. Când intensitatea depaseste capacitatea de transmisie a uneifibre (mai multe sute de impulsuri pe secunda) are loc fenomenul de recrutareneuronala, prin care doua sau mai multe fibre participa la transmiterea aceluiasisemnal.

Page 11: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 1

 Receptia senzoriala auditiva Semnalele auditive sunt transformate în potentiale electrice locale la nivelulcelulelor auditive din organul Corti (urechea interna). La nivelul organului auditiv

 putem deosebi doua tipuri de potentiale electrice:

1. potentiale permanente, neconditionate de prelucrarea semnalelor acustice:· potentiale endolimfatice, dintre mediul intracelular al celulelor auditive siendolimfa, la nivelul polului ciliar, este de aproximativ 100mV.

· potentialul de repaus al celulelor auditive ciliate (-50 ¸ -70 mV), masurat întrecitoplasma celulelor auditive si perilimfa.Aceste potentiale nu sunt implicate direct în prelucrarea informationala ceconstituie perceptia auditiva, ci asigura pragul energetic necesar traducerii mecano-electrice.2. potentiale de prelucrare informationala a semnalelor acustice în caredistingem:

· potentiale locale produse de vibratiile membranei bazilare si care se culegdirect la nivelul celulelor auditive ciliate. Aceste potentiale locale stimuleazaneuronii ganglionari ce produc PA transmise spre centri corticali din aria auditiva.Stimularea celulelor auditive, dispuse de-a lungul canalului cohlear pe membrana

 bazilara, se produce numai în acele zone în care membrana bazilara vibreaza cuamplitudine maxima. Aceste zone sunt selectate de fenomenul de rezonanta latransmiterea undelor sonore prin lichidul endocohlear (endolimfa), de la nivelulferestrei rotunde spre helicotrema si înapoi.

urechea interna - modul de propagare a undelor sonore prin canalul auditiv · potentialul microfonic cohlear, ce se poate culege prin electrozi plasati de o

 parte si de alta a membranei bazilare, între endolimfa si perilimfa, având o serie decaracteristici si anume: amplitudinea sa nu respecta legea "tot sau nimic", nu are

 prag de detonare, apare pentru orice frecventa, depasind spre infrasunete (sub 16Hz) si ultrasunete (peste 16 kHz) zona acustica si nu contribuie la transmitereasemnalelor acustice spre cortex.· potentiale de actiune (PA) din fibrele nervoase auditive, prin care setransmit, modulat în frecventa de catre neuronii ganglionari, informatiileacusticetraduse de la nivelul celulelor ciliate auditive catre aria corticala auditiva.Aceste potentiale contin codificate doua tipuri de informatii:

Page 12: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 1

1. înaltimea tonala, codificata prin originea de la nivelul canalului cohlear si zonade proiectie. Sunetele cu frecventa mare origineaza la baza melcului iar cele cufrecventa scazuta la varf.2. taria sunetului, codificata prin frecventa de repetitie a impulsurilor. Timbrul

sonor se formeaza prin stimularea simultana a diferitelor zone din aria corticala.Explorarea functiei auditive presupune aprecierea cantitativa a sensibilitatiiurechii. Audiometria este metode de determinare a pragului deaudibilitate (limita inferioara) ce reprezinta presiunea sonora minima a uneivibratii sonore cu o anumita frecventa ce poate fi perceputa de ureche într-unmediu foarte linistit. Curba de superioara reprezinta pragul senzatiei dureroase.Suprafata închisa de cele doua curbe reprezinta suprafata de audibilitate. Ea scadecu cât auzul subiectului este mai slab.

 Audiograma normala UltrasuneteleSunt vibratii mecanice cu o frecventa ce depaseste 16 kHz, ajungând pâna la109 Hz.Ele se pot produce cu ajutorul unor dispozitive (traductoare) speciale, dintre care

cele mai folosite sunt generatoarele piezoelectrice si cele magnetostrictive avândgama de frecventa între 1000 si 10.000.000 Hz. Acestea se compun din doua parti

 principale: un generator ce produce curent electric alternativ de frecventa necesarasi un vibrator care transforma energia electrica a generatorului în vibratii mecanice. Viteza de propagare, într-un mediu dat, variaza între 300 si 6000 m/s, functie de

 proprietati fizice precum densitatea sau impedanta acustica.esuturile traversate de ultrasunete (US) sufera o serie de efectemecanice, termice si chimice, care au la baza fenomene de absorbtie de energie:· Efectele chimice sunt caracterizate prin procese de oxidare, marirea vitezei de

reactie si a efectului catalizatorilor etc.· Efectele termice se manifesta prin ridicarea temperaturii tesuturilor.Reprezinta principala forma de interactie datorata fenomenului de absorbtie aenergiei undelor US la trecerea prin tesuturi.· Efectele mecanice sunt legate de producerea fenomenului de cavitatie, ruperiale lichidului strabatut de US. Aceste goluri se umplu cu gazele dizolvate în lichid.Cavitatile se produc în procesul de destindere a undei care se propaga. Peretiicavitatii fiind foarte apropiati permit producerea de descarcari electrice în gazelerarefiate din cavitate. Presiunea si temperatura din cavitate sunt scazute. In

Page 13: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 1

 procesul de formare a cavitatii se produc excitari, ionizari si se formeaza radicaliliberi (atomi, molecule sau fragmente de molecule ce au un electron periferic cuspinul necompensat). Cum în mediul biologic apa se afla în cantitate foarte mare,US pot produce "sonoliza" apei cu formarea de H+, OH-, H·, OH· etc. Durata de

viata a acestor radicali liberi este foarte scurta (10

-2

÷10

-4

s) dar mai mare ca cea acavitatii în sine (10-6s), ei acumulându-se în lichid si constituind un factor determinant în producerea efectelor nocive ale US. Procesul de formare a cavitatiieste urmat de anihilarea acesteia (în procesul de comprimare a undei). Presiunea sitemperatura cresc foarte mult, cu efecte asupra mediului înconjurator al zonei încare s-au aflat cavitatile (descompunerea moleculelor, depolimerizari, inactivarietc.). Datorita aceastor efecte, la nivel celular, US produc ruperea membranei

 biologice, clarificarea continutului citoplasmatic, descompunerea acizilor nucleici,desfacerea proteinelor la nivelul legaturii peptidice etc, în general afectareaîntregului metabolism celular (celulele tinere sunt mult mai sensibile).  De

mentionat ca influenta fenomenului de cavitatie asupra tesuturilor biologice lanivelurile de energie a US folosite în terapie sau diagnostic nu a fost completelucidata. Efectele US depind de intensitatea acestora si de durata de expunere. Inraport cu intensitatea, deosebim:

a) intensitati mici (<0.5 W/cm2), care nu produc schimbari morfologice alecelulelor;

  b) intensitati medii (1-5 W/cm2), care pot duce la transformari celulare reversibile(accelerarea fenomenelor fiziologice de reparare);

c) intensitati mari (>5 W/cm2), care produc schimbari ireversibile (nucleele

celulelor se deformeaza si se lizeaza).Datorita efectelor produse, US au în medicina o serie de aplicatii:1. Ultrasonoterapia actioneaza cu frecvente optime cuprinse între 800 - 3000kHz, adâncimea la care patrund în tesuturi fiind între 5 - 7 cm. Mentionam caultrasunetele sunt absorbite dupa o lege exponentiala de forma : 

unde I 0 este intensitatea la nivelul sursei, I la distanta d de sursa, e este bazalogaritmilor naturali (e=2.71), iar este un coeficient de absorbtie dependent deenergia transportata si de mediul strabatut.

Gradul de absorbtie a ultrasunetelor depinde de frecventa. Astfel, ultrasunetele defrecventa înalta sunt puternic absorbite, având efect local. Actiunile generale(sistemice) sunt caracteristice frecventelor joase.  Fenomenul fizic principaldeterminat de absorbtia ultrasunetelor la nivelul materiei biologice, este efectultermic. esuturile biologice absorb ultrasunetele în cantitate relativ mare (deexemplu, la 1 Mhz si la 37oC absorbtia în tesutul hepatic este de aproximativ de600 de ori mai mare decât în apa si de doua ori mai mare în muschi decât în tesutulhepatic, în timp ce grasimile absorb 50% din energia ultrasunetelor). Distributia

Page 14: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 1

caldurii în interiorul tesutului depinde de geometria si intensitatea fasciculului, câtsi de coeficientul de absorbtie. Datorita efectelor termice produse, ultrasunetele seutilizeaza în tratamentul starilor reumatismale, în afectiuni ale sistemului nervos

 periferic, în nevralgii si nevrite, în afectiuni circulatorii etc.2.

Ultrasonografia - un rol deosebit în medicina îl are diagnosticul cuultrasunete. Principiul metodei consta în emiterea si receptionarea consecutiva aundelor ultrasonice reflectate de pe suprafata de separatie a tesuturilor cuimpedanta acustica diferita. Prin aceasta metoda se poate examina structuratesuturilor moi, diagnosticul cu ultrasunete completând pe cel cu raze X. Metoda seaplica cu bune rezultate la examinarea organelor abdominale, a inimii etc, sau chiar 

  pentru aprecierea vitezei sângelui prin vase. In aceste cazuri se utilizeaza efectulDoppler (variatia frecventei de propagarea a sunetului emis de o sursa mobila,functie de viteza de deplasare a acesteia fata de receptor).In stomatologie, tehnicile ultrasonice sunt folosite mai ales pentru:

1. diagnosticarea microfracturilor dentare sau a cariilor aparute sub restaurari prin studiul propagarii pulsului ultasonor la nivelul structurilor dintelui; utilizareasistemelor ultrasonice puls-ecou permite masurarea vitezei undelor ultrasonore lanivelul dintilor intacti, cu detectarea jonctiunilor smalt-dentina sau dentina-pulpadentara si masurarea grosimii acestor straturi. S-au putut determina vitezeleundelor în smalt si dentina pentru fiecare tip de dinte. Exemple de valori ale vitezeiundelor ultrasonore de 10 MHz sunt prezentate în tabelul de mai jos:

Material Densitate (kg/m3) Viteza (m/s)Impedanta

acustica(kg/m2/s x

10

6

)Aer 1.2 330 0.0004Apa 1000 1480 1.48Dentina 2100 3800 8.0Smalt 2900 5700 16.5In imagine se poate observa jontiunea smalt-dentina la nivelul coroanei unui molar,obtinuta prin reconstructie 2D a datelor experimentale, comparativ cu imagineasectiunii aceluiasi dinte.

Page 15: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 1

2. diagnosticarea afectiunilor parodontale marginale; modificarile de la nivelulosului alveolar pot fi evidentiate prin examen radiografic al marginilor alveolare.In acest caz apar dificultati legate de abordarea regiunii (ce explica diferenteleindividuale constatate), marginea fiind mascata de umbra tesutului dur al dintelui

în regiunea vestibulara si linguala. Prin metoda ultrasonica s-a putut elimina acestimpediment, structurile alveolare fiind net deosebite pe ultrasonograma.

TRATAREA CU MICROUNDE A MATERIALELOR Procesarea în câmpul de microunde a materialelor este o tehnologie dezvoltat iutilizat în prezent într-un mare numr de aplicaii. Lucrarea de fa îi propune scontribuie la dezvoltarea unor sisteme de tratament termic cu microunde amaterialelor având la baz atât referine în domeniul electromagnetismului, cât ifenomenele de interaciune a acestuia cu materialele. Baza lucrrii o constituie

  prezentarea unui nou sistem de uniformitate a câmpului electromagnetic înaplicatoare rezonante destinate procesrii termice a materialelor. Alegerea tipuluide sistem de distribuire uniform a câmpului electromagnetic în aplicatoarelerezonante dezvoltat în cadrul tezei este antena: ± fant radiant,care permite ofuncionare optim a sursei generatoare de microunde, indiferent de modificrilecauzate de variaia constantelor dielectrice de material, pe durata procesriitermice. Calculul de dimensionare a sistemelor de radiaie de tip fant ± serie serefer la ghidurile corespunztoare benzii de frecven 2,45 GHz. Calculele s-auefectuat pentru sistemele de radiaie cu 3 ± 10 fante radiante înclinate, rezultând

unghiul de înclinaie al fantei. În final s-a prezentat configuraia câmpuluielectromagnetic în aplicatoare rezonante multimod, având modul de oscilaieTE102, TE222, TE323, comparativ cu un aplicator dotat cu sistemul de tip anten

 ± fant radiant. Capitolul 1. ± Constantele dielectrice ale materialelor 1.1. Constanta dielectric complex (*)Constanta dielectric complex este principala mrime care caracterizeazcomportarea unui dielectric sub influena unui câmp de înalt frecven i estedefinit prin:

* = ¶- j´ (1.1) în care: ¶± partea real a constantei dielectrice complexe denumit i

  permitivitate dielectric, definete dielectricul din punct de vedere al capacitiisale de a se polariza, înglobând pierderi datorate fenomenului de polarizaredipolar asociat cu frecarea dintre molecule, i ´± partea imaginar±factorul de

 pierderi ce înglobeaztoate efectele disipative datorate pierderilor prin efect Joulei dielectrice. Raportul dintre factorul de pierderi efectiv i permitivitateadielectric reprezint tangent unghiului de pierderi efectiv:

tg ef =´/¶ (1.2)

Page 16: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 1

El caracterizeaz capacitatea materialului de a transforma energiaelectromagnetic în cldur la o anumit frecven i temperatur.

1.2.1. ± Polarizarea de orientare (dipolar)Mecanismul polarizrii dipolare sau de orientare, care se manifest în gama de

frecvene a microundelor, are la baz rotaia dipolilor permaneni în câmpulelectric aplicat.1.2.2. ± Polarizarea de neomogenitate (Maxwell ± Wagner)Polarizarea de neomogenitate (Maxwell±Wagner) se manifest mai ales îndielectricii neomogeni care au în structura lor elemente conductive, într-o anumit

  proporie, dispersate în medii conductive. Polarizarea Maxwell±Wagner estedeterminat de apariia unor sarcini pe suprafeele de separare ale parilor omogenedin dielectricii neomogeni. Motivul tratrii acestui tip de polarizare este acela alcontribuiei importante pe care aceast polarizare o are asupra polarizrii totale aunui dielectric neomogen în banda de frecven a microundelor.

Capitolul 2 ± Pierderi dielectrice  Noiunea de pierderi dielectrice este asociat cu capacitatea materialului de aabsorbi o parte din energia electromagnetic (de microunde), energie care se disipsub form de cldur în interiorul materialului la frecvene corespunztoarerelaxrii dielectrice.´± factorul de pierderi msoar eficiena transformrii în cldur a energieitransportate de undele electromagnetice, fiind direct legat de pierderile dielectrice,cantitatea de cldur disipat fiind maxim când ´ ating e o valoare maxim.2.1 ± Variaia constantelor dielectrice de material cu frecvena,temperatura i

umiditateaPermitivitatea dielectric ¶ cât i factorul de pierderi ´ i implicit, tangentaunghiului de pierderi tg, joac un rol determinant în înclzirea cu microunde amaterialelor dielectrice. Aceste mrimi definesc proprietile dielectrice ale unuimaterial i caracterizeaz comportamentul acestuia sub influena unui camp deînalt frecven (microunde), fiind dependente de frecven, umiditate, temperaturetc.Capitolul 3. Consideraii teoretice referitoare la constantele dielectrice alematerialelor (permitivitate dielectric i factor de pierderi)În principal datele asupra proprietilor dielectrice sunt importante, deoarece ele

ofer valorile factorului de pierdere, ¶ i ´eff  , de care depind, alturi de ali parametrii, cum sunt cmpul electric i frecvena, puterea în microunde care poatefi disipat într-un volum de material dat. P = k f ´ E2 [W/m3]în care: k ± constant numeric; f ± frecvena microundelor [Hz]; ´± factor de

 pierdere electric;E ± intensitatea câmpului electric [V/m]; Cu cât valorile permitivitii dielectrice ¶i a factorului de pierderi ´ sunt mai mari i cresc cu temperatura i umiditateamaterialelor, cu atât nivelul puterii în microunde disipat în materiale este mai mare.

Page 17: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 1

În general, valori ale factorului de pierdere ´ ale materialelor mai mici de 10-2 necesit intensiti foarte mari ale câmpului electric pentru a asigura o ratrezonabil de cretere a temperaturii în materialul respectiv.Pe de alt parte, materialele care prezint factori de pierdere mai mari decât 5, pot

  prezenta probleme în ceea ce privete adâncimea de ptrundere, deoarecematerialul este foarte absorbant în energia de microunde.Capitolul 4. ± Influena variaiei constantelor dielectrice ale materialelorasupra parametrilor electrici ai câmpului de microunde4.1. Puterea dielectric (transmis) i reflectat în microunde.  La frecvenefoarte mari corespunztoare domeniului de utilizare a energiei microundelor aparenecesitatea ca generatorul i sarcina s fie conectate printr-o linie de transmisie saughid de und aa cum se prezint în fig4.1

4.2 Date experimentale privind evoluia puterii directe i reflectate în funciede temperaturSe precizeaz în continuare influena variaiei cu temperatura a constantelor dematerial asupra parametrilor specifici câmpului de microunde. Experimentrile s-

au efectuat pe standuri suprapuse de materiale care au fost expuse în câmp demicrounde la temperaturi de pân la 120C.Configuraia experimental pentru determinarea factorului de und staionar ainclus o linie de msur tip ³slotted line´ cu sond, detector cu diod imilivoltmetru pentru determinarea valorilor minime i maxime ale factorului deund staionar. Experimentele s-au efectuat la nivel redus de energie utilizând ungenerator de micrunde de tip 8616 A (Hewlett Packard) cu frecvena reglebil între1780 MHz i 4500 MHz. Frecvena la care s-au realizat testele a fost de 72450MHz conform cu banda ISM de utilizare a energiei microundelor pentru aplicaiiIndustriale

 

Page 18: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 1

 Analizând graficele din figurile 4 . 2 i 4 . 3 se constat c numrul optim destraturi de material pentru care ÄPr´ < 30% i FUS 4, este cuprins între 5 i 7,

 pentru temperaturi de procesare de cca. 10000C.4.3 Evoluia puterii transmise disipate i reflectate în microunde pentru argilPentru a evidenia influena variailor constantelor dielectrice asupra parametrilor 

electrici ai câmpului de microunde se prezint rezultatele experimentrilor efectuate asupra unor tipuri de argil umed i uscat. Alegerea pentruexperimentri a argilei s-a datorat faptului c prin structura sa aceasta prezint o

  pronunat dependen a valorilor constantelor dielectrice cu temperatura iumiditatea cu influene pronunate asupra parametrilor electrici ai câmpului demicrounde.

Puterea în microunde disipat într-un material depinde de nivelul pierderilor 

dielectrice care reprezint diferena între valoarea puterii incidente (furnizat degeneratorul de microunde) i puterea în microunde reflectat (neabsorbit desarcin).4.4 Date experimentale privind reglarea valorilor puterilor directe ireflectate în procese de sinterizare a materialelor ceramicePentru o putere incident dat (furnizat de generator) puterea reflectat în acest

  proces de sinterizare se poate calcula cu relaia: Pr = Pi ± Pa ± Pp

în care:

Page 19: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 1

Pi ± puterea incidentPa ± puterea absorbit de materialP p ± puterea pierdut în pereii aplicatorului (este constant pentru unaplicator dat i reprezint maxim 3% din puterea incident)

4.5. Influena variaiei constantelor de material asupra aplicatoarelorrezonanteÎn prima zon la o descretere a lungimii cavitii puterea reflectat ³Pr ́ descrete,având ca efect o cretere a puterii absorbite i deci, o înclzire a materialuluiceramic. În zona a doua puterea reflectat ³Pr´ rmâne constant în timp celungimea cavitii descrete. La sfâritul acestei zone ³Pr´ descrete foarte rapidavând drept rezultat creterea rapid a temperaturii materialului pe baza evoluieiacestei puteri absorbite în material. Se observ cum prin modificarea acorduluicavitii se poate obine un regim de sinterizare optim pentru materialele ceramice.Capitolul 5. Consideraii teoretice

5.1. Principiile sistemelor de radiaie cu microunde de tip anten ± fant radiantPentru determinarea parametrilor electrici ai unei fante radiante se face apel la

 principiul lui Babinet i la dipolul electric. În gama de frecven corespunztoaremicroundelor, dipolul electric poate constitui un element radiant.

Acest principiu afirm c dac între o surs luminoas i un plan B se interpune unecran A sau un ecran complementar lui, suma efectelor obinute pe plan B esteacceai cu efectul obinut în absena ecranului. f 1(x,y,z) + f 2(x,y,z) = f 0(x,y,z)(5.1)Concepia i realizarea unui sistem radiant necesit într-o prim etap,determinarea puterii totale în microunde, putere impus de procesul termic dorit ase realiza, etapa urmtoare fiind repartizarea acestei puteri pe fiecare fant pentru

a fi radiat. La concepia unui sistem radiant, obinerea unui anumit profil de putere radiat este condiionat de mai muli factori cum ar fi: numrul de ghiduriradiante (dac este cazul), numrul de fante radiante, dimensiunile i modul deamplasare al acestora pe suprafaa ghidului. Sistemul de distribuie este realizatdintr-un ghid de und având dimensiunile interioare de 109,22 x 54,6 [mm],scurtcircuit la un capt i prevzut cu fante de cuplaj la cellalt capt. Acest tip dedistribuie de tip radiant permite transferul total al energiei în incinta de procesaretermic cu microunde a materialelor. El poate realiza procesri termice de mare

  performan din punct de vedere al uniformitii, poate fi cuplat la incinte de

Page 20: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 2

  procesare, ale cror dimensiuni respect riguros condiia de rezonan i poaterealiza diverse profiluri de temperatur, în funcie de forma, numrul i înclinaiafantelor radiante. În plus, acest sistem asigur o funcionare optim (adaptat) ageneratorului de microunde, indiferent de modificrile cauzate de variaia

 parametrilor de material ( i tg) cu temperatura, pe durata tratamentului. Sistemulde radiaie cu microunde tip anten ± fant este realizat din unul sau mai multeghiduri de und radiante. În cazul în care sistemul de distribuie se compune dinmai multe ghiduri radiante acestea se cupleaz la un ghid principal în care energiamicroundelor este injectat de la generatorul de microunde. Energia microundelor este radiat în incinte prin fante radiante practicate pe latura mare a ghidurilor radiante. Un aspect deosebit de important îl constituie faptul c aplicatoarelemultimod prevzute cu sisteme de distribuie de tip radiant fac posibil procesareatermic cu microunde a obiectelor (produselor) care conin elemente 10 magnetice,fr ca prezena acestora s induc perturbaii mari în distribuia câmpului electric.

Un ghid de und uniform, cu dielectric fr pierderi, cu perei metalici perfectconductori se caracterizeaz printr-o frecven critic sub care fenomenul de

 propagare a undelor electromagnetice nu se mai produce.

Un astfel de ghid de und care are practicate pe faa lat mai multe fante radiante ieste scurtcircuitat la un capt poart denumirea de sistem de radiaie.(fig. 5.9)

Sistemul radiant se poate realiza din mai multe ghiduri radiante, funcie de putereacerut de o anumit aplicaie. În cazul unui sistem radiant format din mai multeghiduri radiante, cuplajul între magnetron i ghidurile radiante se realizeaz cu unghid intermediar (cuplor). Cuplajul între magnetron i ghidul intermediar serealizeaz prin fante de cuplaj ca în figura 5.8

Page 21: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 2

 Cuplajul ghidurilor radiante la ghidul intermediar se realizeaz prin fantetransversale aa cum se vede în fig. 5.12

Capitolul 6. ± Fanta radiant serie6.1. Rezistena normalizat a fantei radiantePentru o fant serie aceast energie radiant este proporional cu rezistena fantei,iar pentru o fant shunt ea va fi proporional cu conductana sa. Rezistena i

conductana sunt funcie de dimensiunile fantei i sunt maxime când fanta este larezonan. Parametrii electrici ai fantei, respectiv partea activ (real) a impedanei(rezistena i conductana) este aceeai pentru fiecare fant. Rezistena sauconductana normalizat a unei fante radiante sunt funcie de lungimea de und deexcitaie (0), dimensiunile interioare ale ghidului (a,b), lungimea de und în ghid(g) i de unghiul de înclinaie al fantei fa de axa central ().R, G = f(a, b, g, ) (6.1)

R = 1 / N (6.2) unde: N ± numrul de fante6.2. Dimensiunile fantei radiante

Pentru frecvena de lucru f = 2450 MHz, avem: 0 = 122, 4 mm. Rezult: L + l= 61,2 mmÎn general, se alege pentru limea fantei valori de 5 ± 6 mm i rezult lungimeaunei fante radiante: L = 55 ± 56 mm6.3 ± Poziia fantelor radiante pe suprafaa ghidului.  Condiiile care trebuierespectate sunt:

Page 22: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 2

- Meninerea aceleiai valori a impedanei de und staionar cât mai aproape deunitate într-o band de frecvene cât mai larg, condiie ce implic compensareacorespunztoare a reactanei sau susceptanei fantelor.- Evitarea formrii de lobi laterali pentru câmpul radiant de fante, în scopul

optimizrii radiaiei în direcia perpendicular pe suprafaa fantelor i deciobinerea unui câtig cât mai mare pentru emisie.

Calculul de dimensionare pentru un sistem radiant cu fante serie, radiind acelai procent din puterea incident în microunde 

Ghidul de und pe care se vor realiza fantele este de tip WR 430 cu N = 3 ± 10fante serie.Date iniiale:- viteza luminii c (m/s) c = 3x108;- frecvena de lucru f (Hz) f = 2450 x 106;- modul de oscilaie TEmn m = 1; n = 0;- dimensiunea Äa´ (mm) a ghidului a = 109,22;- dimensiunea Äb´ (mm) a ghidului b = 54,61;- lungimea de und în vid (spaiu liber ) 0 (mm) 0 = (c/f) x 103;

- lungimea de und critic c (mm)Rezultatele obinute sunt prezentate sintetic în tabelul de mai jos.

Page 23: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 2

Capitolul 8. ± Dimensionarea aplicatoarelor rezonante multimod  dotate cusisteme de radiaie de tip anten ± fant radiantUn prim criteriu important în dimensionarea aplicatoarelor multimod este evidentvolumul produsului ce urmeaz a fi procesat. Dac produsul are dimensiuni

comparabile cu lungimea de und, cavitatea poate lucra pe un singur mod deoscilaie iar dac dimensiunile produsului cresc, cavitatea va trebui dimensionat  pentru a lucra pe mai multe moduri de oscilaie. Dimensiunile cavitii suntdeterminate atât de dimensiunile produsului cât i funcie de numrul de modurirezonante produse în cavitate, în plaja de variaie a frecvenei de lucru, cum rezultdin relaia (8.1):

 

Fiecare mod de oscilaie prezent într-o cavitate multimod de dimensiuni a, b, c care

satisface aceast relaie reprezint o soluie a ecuaiei. O rezolvare este prezentatcalitativ în figura 8.1 prin curba care reprezint numrul total de moduri deoscilaie funcie de frecven.

Page 24: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 2

Calculul de dimensionare a unei caviti (aplicator) multimod Pentru o band defrecven dat i un produs de tratat cu anumite dimensiuni, calculul dedimensionare al unei caviti multimod cum este cea prezentat în figura 8.2.

În funcie de dimensiunile materialului (produsului) ce urmeaz a fi procesat cumicrounde se stabilete o dimensiune a cavitii, în general latura mare a acesteia(a).

Limea b a cavitii rezult din graficul din figura 8.3., cunoscând pe a i indiciim, n, p, adic modul de oscilaie pe care urmeaz s opereze aplicatorul respectiv.Capitolul 9. ± Modelarea numeric a cmpului electromagnetic în aplicatorul

rezonant multimod  dotat cu sisteme de distribuie de tip anten ± fantradiant. În cadrul acestui capitol se va prezenta gradul de neuniformitate al acestor aplicatoare, comparativ cu aplicatoarele dotate cu sistemede distribuie 15 de tipanten ± f a n t r a d i a n t p r i n m e t o d a c a l c u lului numeric alcâmpului electromagnetic i a cmpului termic într-un material. 9.1 ± Aplicatoarerezonante cu sisteme de radiaie a microundelor de tipanten ± fant ± radiant Pentru a acorda circuitele de înalt frecven se impuninductane i capaciti ale cror dimensiuni sunt de ordinul lungimii de und,adic de ordinul componentelor pe parcursul crora tensiunea i intensitatea potvaria. Aceste elemente vor constitui antene radiante. O schem foarte general aunei asemenea caviti este prezentat în figura 9.4.

Page 25: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 2

9.2 Analiza comparativ a configuraiei i distribuiei câmpuluielectromagnetic în aplicatoare rezonante de tip multimod Spre deosebire de ghidurile de microunde care sunt folosite pentru a transmiteenergia electromagnetic de înalt frecven dintr-un punct în altul, aplicatoarele

rezonante sunt dispozitive care înmagazineaz energia. La frecvena de microunde,o cavitate metalic reunete funciile bobinei i ale condensatorului. Principiul defuncionare al unui aplicator rezonant este funcie de condiiile de existen aleundelor staionare. Modul de varaie a câmpului într-o astfel de cavitate rezonantse definete în general cu notaia TElmn, în care l desemneaz numrul desemiperioade al câmpului în direcia Ox, m pe cele în direcia Oz iar n pe cele îndirecia Oy. În exemplul de mai sus s-a considerat n = 0, deci modul de variaieeste TElm0. Structura câmpului electromagnetic pentru acest mod este prezentatulterior.

Page 26: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 2

 

Page 27: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 2

 

Analiza acestor grafice indic faptul c aplicatoarele multimod existente prezintdezavantajul c în anumite situaii limiteaz sfera de utilizare a instalaiilor cumicrounde. Acest dezavantaj const în neuniformitatea înclzirii materialelor de

 procesat, datorit distribuiei neuniforme a câmpului electromagnetic din interiorulaplicatorului.CONCLUZIIUtilizarea eficient a energiei de microunde în procesarea termic a materialelor este în mod determinat de cunoatere a proprietilor de material, de concepia i

  proiectarea tipului de aplicator rezonant i a sistemului de distribuie a energieimicroundelor în aplicator. Din punct de vedere al proprietilor dielectrice alematerialelor, pot fi enumerate urmtoarele aspecte:

- în materialele cu un anumit coninut de umiditate, în care exist o orientaredefinit a structurii acestora, cum ar fi: hârtia, textilele, lemnul, proprietiledielectrice depind puternic de orietarea câmpului electric aplicat relativ la direciamaterialului.- influena orientrii câmpului electric asupra proprietilor dielectrice esteimportant mai ales în procesele de uscare a unor materiale sub form de foi,

 pentru care umiditatea trebuie eliminat pe toat secinea materialului.

Page 28: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 2

- determinarea factorului de pierderi în funcie de coninutul de umiditate esteestenial în alegerea optim a frevenei de lucru i a orientrii câmpului electric,oferind informaii asupra umiditii critice care impune anumite restricii în

 proiectarea unei instalaii cu microunde.

- factorul de pierderi " prezint variaii importante cu temperature dar i cufrecvena.- în procesele de sinterizare ale materialelor ceramice evoluia puterii directe ireflectate au un rol important în stabilirea parametrilor tehnologiei de proces; osoluie pentru reducerea la minim a puterii reflectate în procesele de sinterizare alematerialelor ceramice este utilizarea aplicatoarelor cu acord reglabil sau acirculatoarelor cu fante care se monteaz pe traseul de generare a microundelor i

  protejeaz magnetronul. Sistemul de distribuie al microundelor de tip radiant  permite transferul maxim al energiei microundelor în aplicatorul rezonant. Acesttip de sistem radiant poate realiza înclziri performante din punct de vedere al

uniformitii, poate fi cuplat la orice tip de aplicator rezonant care respect condiiade rezonan i poate realiza diverse profiluri de temperatur în funcie de forma idimensiunile fantelor radiante. Astfel, dimensionarea i poziionareacorespunztoare a fantelor radiante (care constituie surse elementare de radiaie)face posibil controlul pe parcursul procesrii puterii în microunde transmise degenerator în aplicator. Sistemul dezvoltat în cadrul acestei teze poate fi utilizat înactivitile de cercetare, pentru abordarea unor domenii noi de utilizare a energieide microunde, cum ar fi:- utilizarea eficient a energiei electrice în procese industriale de uscare.

- tehnologiile de uscare cu microunde în industria lemnului, hârtiei i materialelor ceramice disipative- tehnologii cu microunde pentru protecia mediului, sterilizare i decontaminareadeeurilor rezultate din activitile medicale- conservarea pe termen lung a documentelor din arhive i a monumentelor dinlemn.CONTRIBUII PERSONALEOrientarea cercetrilor din cadrul acestei teze în direcia elaborrii unui nou pachetde programe ar fi avut riscul obinerii unui rezultat neconvingtor. Din acest motiv,

  principalul obiectiv al lucrrii i principala contribuie original a acestei teze a

fost:· realizarea i studiul a unui sistem radiant în care în prima etap puterea total înmicrounde, impus în procesul termic dorit, este necesar a fi disipat în material,urmând a fi repartizat pe fiecare fant.· efectuarea experimentelor pentru a determina influena variaiei cu temperatura aconstantelor de material asupra parametrilor specifici câmpului de microunde, pestanduri suprapuse de materiale care au fost expuse în câmp de microunde latemperaturi de pân la 1200C.

Page 29: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 2

· realizarea unui sistem de distribuie dintr-un ghid de und având dimensiunileinterioare de 109,22 x 54,6 [mm] scurtcircuitat la un capt i prevzut cu fante decuplaj la cellalt capt.· verificarea corectitudinii calculului de dimensionare al fantelor rezonante care

implic o etap iniial de modelare numeric a distribuiei câmpuluielectomagnetric în aplicatorul rezonant ales.· dimensionarea aplicatorului i a celorlalte sisteme aferente acestuia (magnetron,ghid de lansare, cuplajul sistemului radiant la aplicator).· prezentarea gradului de neuniformitate al aplicatoarelor multimod comparativ cuaplicatoarele dotate cu sisteme de distribuie de tip anten fant radiant prinmetoda calculului numeric al cmpului electromagnetic i al câmpului termicîntrun material.· analiza graficelor obinute în 3D pentru distribuia câmpului electromagnetic înaplicatoare rezonante care oscileaz pe modul TEmnp, dotate cu sisteme de radiaie

anten-fant radiant, evideniaz atât uniformitatea câmpului electromagnetic câti a câmpului termic, comparativ cu sistemele clasice de distribuie a câmpului deenergie care prezint neuniformiti.Avantajele tehnice i economice ale metodei realizat de autor reprezint, prinurmare, o alternativ interesant pentru îmbuntirea sistemelor actuale. Deiorientarea cercetrilor din cadrul tezei a avut în special caracter tehnologic, pelâng modelarea numeric, lucrarea a dedicat câteva capitole i aspectelor teoretice.BIBLIOGRAFIE

1. Nelson S. ± Dielectric properties of materials ± T. Microw. Power, no. 2 ± 19832. Alioat M., Mazo L. Microwave sintering ceramics ± M a t e r i a l s l e t t e r s, V o l . 5 , n o . 9 ±19873. Andrade O., Iskander M., Bringhurst S. ± High Temperature bradband dielectric

  properties measurement techniques. Micriwave Processing of Materials III. Pros.Mat. Res. Soc. 269, pp. 527 ± 539 ± 19924. Maghiar Teodor ± Electrotehnic ± Editura Universitii din Oradea 1999 5.Maghiar Teodor ± Proiectarea, executarea i exploatarea echipamentelor cumicrounde ± Editura Universitii din Oradea ± 19996. Nagy St., Leuca T. Maghiar. ± P r o c e s a r e a m a t e r i a l e l o r î n c â

m pe l e c t r o m a g n e t i c ±Editura Universitatea din Oradea 20027. Harri Eskelinen, Pekka Eskelinen ± Microwave component mechanics ± ArtechHouse ± 20038. Maghiar Teodor, Soproni D. ± Tehnica înclzirii cu miocrounde ± Editurauniversitii din Oradea ± 2003

Page 30: New Microsoft Office Word Document

5/12/2018 New Microsoft Office Word Document - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/new-microsoft-office-word-document-55a368f9d22c1 3

9. Leuca Teodor ± A s p e c t e p r i v i n d î n c l z i r e a î n c â m p d em i c r o u n d e a m a t e r i a l e l o r dielectrice ± Universitatea din Oradea,Oradea - 200610. Popovici Ovidiu ± Utilizri ale energiei electrice: înclzirea cu microunde:

modelare ± Universitatea din Oradea, Oradea ± 2006

Separarea suspensiilor lichid ± solid în fazele componente se poate face prin:o sedimentare,o filtrare,(ambele putând avea loc atât în câmp

gravitaional, cât i în câmp centrifugal)o presare (stoarcere).