Opgave Echoscopie

1 Ding-dong
In figuur 1 zie je een foto van de binnenkant van een bepaald type huisdeurbel: de
ding- dong. Figuur 2 is een schematische tekening daarvan.
figuur 1
figuur 2
1 □
In figuur 2 is de ding-dong aangesloten op een gelijkspanningsbron. S is de drukknop
van de huisbel. Als je schakelaar S indrukt, ontstaat er een magneetveld in de spoel
en gaat de ijzeren pen in de spoel omhoog. Bij A botst hij tegen de rechterklankstaaf.
Je hoort: ‘ding’. Na het loslaten van S valt de pen weer omlaag en botst bij B tegen
de linkerklankstaaf. Je hoort: ‘dong’. Een veer zorgt ervoor dat de ijzeren pen weer
terugkomt in de beginpositie.
Leg uit of de ‘ding-dong’ ook kan werken bij gebruik van een wisselspanningsbron.
2 □
De metalen klankstaven zitten vast in de punten P en Q. De afstand tussen P en Q is
7,5 cm. Als de rechterklankstaaf aangeslagen wordt, gaat hij trillen. Er ontstaat een
staande transversale golf met knopen bij P en Q. De grondtoon is 392 Hz.
Bereken de voortplantingssnelheid van de golven in deze klankstaaf.
3 □
4 □
De ‘dong’ van de linkerklankstaaf klinkt lager dan de ‘ding’. Beide klankstaven
zijn van hetzelfde metaal gemaakt en even lang, maar de linkerklankstaaf is
dunner. Zie figuur 2.
Beredeneer of de voortplantingssnelheid van de transversale golven in een dunne
klankstaaf groter of kleiner is dan in een dikke klankstaaf.
De veer zit vast aan de ijzeren pen en beweegt met de pen mee. Zie
figuur 2. De spanningsbron levert een spanning van 6,0 V.
Als S wordt ingedrukt is de stroomsterkte 0,25 A.
De elektrische energie wordt in dit geval voor 4% omgezet in zwaarte-energie van
de ijzeren pen. Om de rechterklankstaaf te raken, moet de pen minstens 25 mm
omhoog gaan. De massa van de ijzeren pen is 12 gram.
Bereken de tijd dat S minimaal ingedrukt moet zijn om de ijzeren pen 25 mm
omhoog te brengen. Verwaarloos hierbij de vrijgekomen veerenergie.
Als de ijzeren pen terugvalt, wordt hij afgeremd doordat de veer die aan de pen
vastzit, ingedrukt wordt. De pen heeft voldoende snelheid om de veer zover in te
5 □
drukken dat de linkerklankstaaf geraakt wordt. Daarna voert de pen een gedempte
harmonische trilling uit zonder de klankstaaf nog te raken.
In de ruststand is de veer door de zwaartekracht van de pen 4,0 mm ingedrukt.
Bereken de trillingstijd van de trilling die de ijzeren pen uitvoert.
Echoscopie
In een ziekenhuis kan gebruik gemaakt worden van echoschopie om een ongeboren baby te bekijken.
Hierbij wordt gebruik gemaakt van ultrasone geluidsgolven met een frequentie tussen 1,0 MHz en 10
MHz.
Bij het maken van een echo worden deze golven uitgezonden door een bron in het echoapparaat en
teruggekaatst tegen het ongeboren kind. De teruggekaatste golven worden geregistreerd door een
ontvanger in het echoapparaat.
De geluidssnelheid in lichaamsweefsel is gelijk aan die in water van 40 ºC.
a.
Bereken tussen welke waarden de golflengte van de gebruikte golven in lichaamsweefsel ligt.
b.
Leg met het begrip buiging uit waarom geluidsgolven uit het hoorbare gebied niet geschikt zijn voor
deze toepassing van echoscopie.
Lees onderstaand krantenartikel.
artikel
Herrie voor ongeboren kind
Echo-onderzoek van een ongeboren kind
kan flink wat geluidsoverlast opleveren
voor de baby. Hoewel de geluidsgolven
zelf niet hoorbaar zijn, veroorzaakt het
echoapparaat door duizenden malen per
seconde steeds opnieuw pulsen uit te
zenden, hoorbare trillingen in de
baarmoeder. Recht op het oortje gericht,
produceert het echoapparaat zelfs 100
decibel, de herrie van een voorbij
denderende trein.
naar: Eindhovens Dagblad, december 2001
c.
d.
Bij het maken van een echo wordt de bron van het echoapparaat tegen de buikwand van de moeder
geplaatst. De afstand tussen de buikwand en het ongeboren kind is 12 cm. De ultrasone golven worden
in pulsen uitgezonden. De duur van een puls is 110 μs. Op een bepaald tijdstip vertrekt het begin van de
puls van de bron van het echoapparaat. Zodra het echoapparaat het einde van de teruggekaatste puls
heeft ontvangen, wordt de volgende puls uitgezonden.
Laat met een berekening zien dat het afgeven van de pulsen gebeurt met een frequentie waarvoor
het menselijk oor gevoelig is.
In het artikel staat dat het ongeboren kind een geluids(druk)niveau ontvangt van 100 dB. Stel dat men
door nieuwe technieken de geluidsintensiteit met 80% kan terugbrengen.
Bereken in dat geval het geluids(druk)niveau bij het oortje van het ongeboren kind.