Рабочая программа дисциплины


1. Название дисциплины: Экспериментальные методы в современной акустике, часть 2.


2. Уровень высшего образования – подготовка научно-педагогических кадров в аспирантуре.


3. Направление подготовки: 03.06.01 «Физика и Астрономия». Научная специальность: 01.04.06 «Акустика».


4. Место дисциплины (модуля) в структуре ООП: курс относится к дисциплинам научной специальности вариативной части Блока 1, по результатам освоения которых обучающиеся сдают кандидатский экзамен по научной специальности.


5. Планируемые результаты обучения по дисциплине, соотнесенные с планируемыми результатами освоения образовательной программы (компетенциями выпускников).


Формируемые компетенции

(код компетенции)

Планируемые результаты обучения по дисциплине

УК-1

З1 (УК-1) Знать методы критического анализа и оценки современных научных достижений, а также методы генерирования новых идей при решении исследовательских и практических задач в области экспериментальных акустических методов в медицине, физике твердого тела и аэроакустике.

У1 (УК-1) Уметь анализировать альтернативные варианты решения исследовательских и практических задач и оценивать потенциальные выигрыши/проигрыши реализации этих вариантов при исследовании задач в области экспериментальных акустических методов в медицине, физике твердого тела и аэроакустике.

В1 (УК-1) Владеть навыками анализа методологических проблем, возникающих при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях (медицинская акустика, физика твердого тела, аэроакустика).

УК-3

З1 (УК-3) Знать особенности представления результатов научной деятельности в устной и письменной форме при работе в российских и международных исследовательских коллективах в области экспериментальных акустических методов в медицине, физике твердого тела и аэроакустике.

У1 (УК-3) Уметь следовать нормам, принятым в научном общении при работе в российских и международных исследовательских коллективах с целью решения научных и научно-образовательных задач в области экспериментальных акустических методов в медицине, физике твердого тела и аэроакустике.

В1 (УК-3) Владеть навыками анализа основных мировоззренческих и методологических проблем, в.т.ч. междисциплинарного характера, возникающих при работе по решению научных и научно-образовательных задач в российских или международных исследовательских коллективах в области экспериментальных акустических методов в медицине, физике твердого тела и аэроакустике.

ОПК-1

Знать физические принципы основных акустических методов экспериментальных исследований в медицинской акустике, физике твердого тела и аэроакустике.

Уметь применять физические теории к описанию акустических методов экспериментальных исследований в медицинской акустике, физике твердого тела и аэроакустике.

Владеть методиками построения моделей, описывающих акустические методы экспериментальных исследований в медицинской акустике, физике твердого тела и аэроакустике.


6. Объем дисциплины составляет 3 зачетных единицы, всего 108 часов, из которых 48 часов составляет контактная работа аспиранта с преподавателями (28 часов занятия лекционного типа, 8 часов занятия семинарского типа (семинары и научно-практические занятия), 2 часа групповые консультации, 6 часов индивидуальные консультации, 2 часа мероприятия текущего контроля успеваемости, 2 часа мероприятия промежуточной аттестации), 60 часов составляет самостоятельная работа аспиранта. Форма отчетности - зачет с оценкой.


7. Входные требования для освоения дисциплины (модуля), предварительные условия.

Для изучения дисциплины требуются знания в объеме курсов для бакалавриата («Введение в акустику», «Теоретические основы акустики», «Ультразвук в науке и технике») и для магистратуры («Физическая акустика газообразных, жидких и вязкоупругих сред», «Физическая акустика твердого тела», «Физика шумов и вибраций. Акустическая экология», «Нелинейные явления в акустике»).


8. Формат обучения: очный, дистанционное обучение не предусмотрено.


9. Содержание дисциплины, структурированное по темам (разделам) с указанием отведенного на них количества академических часов и виды учебных занятий


Наименование и краткое содержание разделов и тем дисциплины (модуля),

форма промежуточной аттестации по дисциплине (модулю)

Всего

(часы)

В том числе

Контактная работа (работа во взаимодействии с преподавателем), часы

из них

Самостоятельная работа обучающегося, часы

из них

Занятия лекционного типа

Занятия семинарского типа

Групповые консультации

Индивидуальные консультации

Учебные занятия, направленные на проведение текущего контроля успеваемости коллоквиумы, практические контрольные занятия и др)*

Всего

Выполне-ние домашних заданий

Подготов-ка рефератов и т.п..

Всего

Тема 1. Типы источников, используемых в ультразвуковой диагностике и терапии: пьезоэлектрические, искровые, электромагнитные, лазерные. Пространственно-временные характеристики соответствующих акустических полей. Гидрофоны для измерения ультразвуковых полей мегагерцового диапазона в жидкости: мембранные, игольчатые, капсульные. Частотная характеристика и импульсный отклик. Оптические методы визуализации ультразвуковых полей и других фазовых объектов: теневой метод, метод тёмного поля (шлирен-метод), метод фазового контраста.

5

2





2

3


3

Тема 2. Методы измерения полной мощности ультразвуковых пучков: метод радиационной силы, калориметрические методы с измерением температуры и с измерением архимедовой силы. Метод акустической голографии для характеризации источников и их полей; его использование в комбинации с методом радиационной силы. Методы измерения и оценки температуры в биоткани и фантомах биоткани: термопарный метод, метод анализа эхо-импульсных ультразвуковых сигналов, метод магниторезонансной томографии и другие.

6

2





2

4


4

Тема 3. Средства и методы анализа кавитации: активные и пассивные детекторы кавитации. Методы измерения скорости звука в биологических тканях. Методы измерения коэффициента поглощения биологических тканей. Методы исследования параметра акустической нелинейности биологических тканей.

12

4

2




6

6


6

Тема 4. Измерение сдвиговой упругости мягких биологических тканей. Метод измерения сдвигового модуля по возбуждению и регистрации сдвиговых волн. Метод возбуждения сдвиговых волн низкочастотными вибраторами и регистрации их высокочастотным ультразвуком. Оптоакустический метод измерения коэффициента затухания света в рассеивающих и поглощающих жидкостях. Использование оптоакустического подхода для измерения параметров крови – концентрации гемоглобина и оксигенации.

13

2



2


4

4

5

9

Тема 5. Упругие волны в неограниченных кристаллах. Соотношения между смещением, деформацией и напряжением в кристаллах. Уравнение состояния анизотропного твердого тела. Коэффициенты упругости второго порядка. Уравнение движения и их решения. Уравнение Кристоффеля в анизотропных средах. Определение независимых коэффициентов тензора упругости второго порядка в кристаллах кубической системы.

5

2





2

3


3

Тема 6. Экспериментальные методы определения поглощения и скорости упругих волн в твердых телах. Виды потерь упругих волн в исследуемых материалах. Импульсные и резонансные методы поглощения упругих волн в твердых телах. Абсолютные и относительные измерения скорости звука в твердых телах. Импульсные и резонансные методы измерения скорости звука в твердых телах. Основные источники погрешностей при измерении поглощения и скорости упругих волн в твердых телах.

5

2





2

3


3

Тема 7. Ультразвуковые методы исследования упругой нелинейности в твердых телах. Термодинамические потенциалы. Механическое и термодинамическое напряжения. Уравнения состояния твердых тел. Коэффициенты упругости высших порядков. Упругие волны малой амплитуды в однородно-деформированных кристаллах.

10

2

2




4

6


6

Тема 8. Упругоакустический эффект в твердых телах. Метод Терстона-Браггера для определения коэффициентов упругости третьего порядка в кристаллах. Метод нелинейной акустической спектроскопии. Упругие волны конечной амплитуды в твердых телах. Спектральный метод исследования упругой нелинейности в твердых телах.

16

4



2

2

8

5

3

8

Тема 9. Экспериментальные методы в аэроакустике. Интерферометрические методы измерений (метод подвижного микрофона; метод 2-х микрофонов; метод 3-х микрофонов для сред с неизвестными газодинамическими параметрами; особенности измерений при высоких уровнях звукового давления).

6

2





2

4


4

Тема 10. Методы интенсиметрии. Основные источники погрешностей при использовании методов интенсиметрии.

8

2

2




4

4


4

Тема 11. Метод реверберационной камеры. Измерения в заглушенной (безэховой) камере.

8

2



2


4

4


4

Тема 12. Особенности измерений на местности. Шумомеры и их шкалы. Источники погрешностей при использовании шумомеров.

12

2

2

2



6

3

3

6

Промежуточная аттестация

2



2

2


Итого

108

28

8

2

6

4

48

49

11

60


10. Перечень учебно-методического обеспечения для самостоятельной работы аспирантов по дисциплине.


Самостоятельная работа аспиранта проводится в виде изучения рекомендованной литературы, решения задач, написания рефератов.

Текущий контроль осуществляется путем индивидуального обсуждения с преподавателем решений задач и рефератов, а также путем групповой дискуссии в группе аспирантов при участии преподавателя.


11. Фонд оценочных средств для промежуточной аттестации по дисциплине.


РЕЗУЛЬТАТ ОБУЧЕНИЯ

по дисциплине (модулю)

КРИТЕРИИ ОЦЕНИВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТА ОБУЧЕНИЯ

по дисциплине (модулю) и

ШКАЛА оценивания


ПРОЦЕДУРЫ ОЦЕНИВАНИЯ*



2

3

4

5


З1 (УК-1) Знать методы критического анализа и оценки современных научных достижений, а также методы генерирования новых идей при решении исследовательских и практических задач в области экспериментальных акустических методов в медицине, физике твердого тела и аэроакустике.

Фрагментарные знания методов критического анализа и оценки современных научных достижений, а также методов генерирования новых идей при решении исследовательских и практических задач

Общие, но не структурированные знания методов критического анализа и оценки современных научных достижений, а также методов генерирования новых идей при решении исследовательских и практических задач

Сформированные, но содержащие отдельные пробелы знания основных методов критического анализа и оценки современных научных достижений, а также методов генерирования новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том числе междисциплинарных.

Сформированные систематические знания методов критического анализа и оценки современных научных достижений, а также методов генерирования новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том числе междисциплинарных.

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, рейтинг

У1 (УК-1) Уметь анализировать альтернативные варианты решения исследовательских и практических задач и оценивать потенциальные выигрыши/проигрыши реализации этих вариантов при исследовании задач в области экспериментальных акустических методов в медицине, физике твердого тела и аэроакустике.

Частично освоенное умение анализировать альтернативные варианты решения исследовательских и практических задач и оценивать потенциальные выигрыши/проигрыши реализации этих вариантов

В целом успешно, но не систематически осуществляемые анализ альтернативных вариантов решения исследовательских и практических задач и оценка потенциальных выигрышей/проигрышей реализации этих вариантов

В целом успешно, но содержащие отдельные пробелы анализ альтернативных вариантов решения исследовательских задач и оценка потенциальных выигрышей/проигрышей реализации этих вариантов

Сформированное умение анализировать альтернативные варианты решения исследовательских и практических задач и оценивать потенциальные выигрыши/проигрыши реализации этих вариантов

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, написание реферата, рейтинг

В1 (УК-1) Владеть навыками анализа методологических проблем, возникающих при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях (медицинская акустика, физика твердого тела, аэроакустика).

Фрагментарное применение навыков анализа методологических проблем, возникающих при решении исследовательских и практических задач

В целом успешное, но не систематическое применение навыков анализа методологических проблем, возникающих при решении исследовательских и практических задач

В целом успешное, но содержащее отдельные пробелы применение навыков анализа методологических проблем, возникающих при решении исследовательских и практических задач

Успешное и систематическое применение навыков анализа методологических проблем, возникающих при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, защита реферата, рейтинг

З1 (УК-3) Знать особенности представления результатов научной деятельности в устной и письменной форме при работе в российских и международных исследовательских коллективах в области экспериментальных акустических методов в медицине, физике твердого тела и аэроакустике.

Фрагментарные знания особенностей предоставления результатов научной деятельности в устной и письменной форме

Неполные знания особенностей представления результатов научной деятельности в устной и письменной форме, при работе в российских и международных коллективах

Сформированные, но содержащие отдельные пробелы знания основных особенностей представления результатов научной деятельности в устной и письменной форме при работе в российских и международных исследовательских коллективах

Сформированные и систематические знания особенностей представления результатов научной деятельности в устной и письменной форме при работе в российских и международных исследовательских коллективах

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, рейтинг

У1 (УК-3) Уметь следовать нормам, принятым в научном общении при работе в российских и международных исследовательских коллективах с целью решения научных и научно-образовательных задач в области экспериментальных акустических методов в медицине, физике твердого тела и аэроакустике.

Фрагментарное следование нормам, принятым в научном общении при работе в российских и международных исследовательских коллективах с целью решения научных и научно-образовательных задач

В целом успешное, но не систематическое следование нормам, принятым в научном общении при работе в российских и международных исследовательских коллективах с целью решения научных и научно-образовательных задач

В целом успешное, но содержащее отдельные пробелы умение следовать основным нормам, принятым в научном общении при работе в российских и международных исследовательских коллективах с целью решения научных и научно-образовательных задач

Успешное и систематическое следование нормам, принятым в научном общении, для успешной работы в российских и международных исследовательских коллективах с целью решения научных и научно-образовательных задач

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, написание реферата, рейтинг

В1 (УК-3) Владеть навыками анализа основных мировоззренческих и методологических проблем, в.т.ч. междисциплинарного характера, возникающих при работе по решению научных и научно-образовательных задач в российских или международных исследовательских коллективах в области экспериментальных акустических методов в медицине, физике твердого тела и аэроакустике.

Фрагментарное применение навыков анализа основных мировоззренческих и методологических проблем, в т.ч. междисциплинарного характера, возникающих при работе по решению научных и научно-образовательных задач в российских или международных исследовательских коллективах

В целом успешное, но не систематическое применение навыков анализа основных мировоззренческих и методологических проблем, в т.ч. междисциплинарного характера, возникающих при работе по решению научных и научно-образовательных задач в российских или международных исследовательских коллективах

В целом успешное, но сопровождающееся отдельными ошибками применение навыков анализа основных мировоззренческих и методологических проблем, в т.ч. междисциплинарного характера, возникающих при работе по решению научных и научно-образовательных задач в российских или международных исследовательских коллективах

Успешное и систематическое применение навыков анализа основных мировоззренческих и методологических проблем, в т.ч. междисциплинарного характера, возникающих при работе по решению научных и научно-образовательных задач в российских или международных исследовательских коллективах

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, защита реферата, рейтинг

ОПК-1. Знать физические принципы основных акустических методов экспериментальных исследований в медицинской акустике, физике твердого тела и аэроакустике.

Допускает существенные ошибки при описании соответствующих методов.

Допускает отдельные ошибки при описании соответствующих методов.

Демонстрирует знание сущности при описании соответствующих методов в стандартных ситуациях.

Демонстрирует знание сущности при описании соответствующих методов нестандартных ситуациях.

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, рейтинг

ОПК-1. Уметь применять физические теории к описанию акустических методов экспериментальных исследований в медицинской акустике, физике твердого тела и аэроакустике.

Допускает существенные ошибки при применении соответствующих методов.

Допускает отдельные ошибки при применении соответствующих методов.

Демонстрирует знание сущности при применении соответствующих методов в стандартных ситуациях.

Демонстрирует знание сущности при применении соответствующих методов нестандартных ситуациях.

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, написание реферата, рейтинг

ОПК-1. Владеть методиками построения моделей, описывающих акустические методы экспериментальных исследований в медицинской акустике, физике твердого тела и аэроакустике.

Допускает существенные ошибки при использовании соответствующих методов.

Допускает отдельные ошибки при использовании соответствующих методов.

Демонстрирует знание сущности при использовании соответствующих методов в стандартных ситуациях.

Демонстрирует знание сущности при использовании соответствующих методов нестандартных ситуациях.

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, защита реферата, рейтинг


Вопросы и задания по курсу:

По теории:

  1. Расскажите об интерферометрических методах исследований в аэроакустике. Для каких задач они используются?

  2. Каковы физические основы методов акустической интенсиметрии?

  3. Опишите основы статистической теории реверберации. Приведите формулу Сэбина.

  4. Как учитываются в шумомерах особенности восприятия шума человеком? Что такое «децибел А»?

  5. Напишите уравнения Кристоффеля для анизотропных сред и дайте его характеристику.

  6. Опишите виды потерь энергии упругих волн в различных материалах.

  7. Что такое упругоакустический эффект в твердых телах?

  8. Перечислите основные виды источников ультразвука для диагностики и терапии, укажите их основные характеристики и области применения.

  9. Расскажите об оптических методах визуализации ультразвуковых полей, приведите схемы измерения для каждого из методов. Укажите преимущества и недостатки.

  10. Выведите зависимость силы радиационного давления от интенсивности для объектов с различным акустическим импедансом.

  11. Определите как зависит температура нагрева биоткани от ее теплофизических параметров и интенсивности ультразвука.

  12. Как и с какой точностью можно измерить параметр акустической нелинейности ткани?

  13. Как используется оптоакустический метод для измерения концентрации гемоглобина в крови?


По эксперименту:

  1. Что такое метод 2-х микрофонов в аэроакустике?

  2. Как измерить акустические характеристики образца (материала, глушителя) в канале при неизвестных газодинамических параметрах среды (температура, скорость потока)?

  3. Как «избавиться» от высших гармоник в интерферометре при высоких уровнях звукового давления?

  4. Опишите, как пользоваться шумомером при измерении уровней звука и шума. Что такое уровень звука (по шкале ДбА шумомера)?

  5. Какие экспериментальные задачи решаются в реверберационной камере? Основные методы их решения.

  6. Какие экспериментальные задачи решаются в звукомерной (заглушенной) камере? Основные методы их решения.

  7. В каких контрольных точках измеряется шум пассажирских самолетов?

  8. Опишите основные ультразвуковые методы исследования упругой нелинейности в твердых телах.

  9. Опишите метод Терстона-Браггера для определения коэффициентов упругости третьего порядка в кристаллах.

  10. Что такое метод нелинейной акустической спектроскопии?

  11. Что такое частотная характеристика и импульсный отклик гидрофона, как измеряются такие параметры.

  12. Перечислите основные методы неинвазивного измерения температуры биоткани при ультразвуковой хирургической операции, укажите их точность и локальность.

  13. Расскажите о методах измерения скорости звука и коэффициента поглощения в биологических тканях. Приведите характерные значения. Запишите связь коэффициента затухания ультразвука от частоты.

  14. Расскажите о методе дистанционного измерения упругости мягких тканей in vivo с помощью сдвиговых волн.



Крупноформатные цветные фотографии и цветные наглядные иллюстрации различных объектов и явлений, изучаемых в курсе. Посещение реверберационной и звукомерной камер кафедры акустики с описанием и обсуждением решаемых в них задач.


12. Ресурсное обеспечение:

1. Перечень основной и дополнительной учебной литературы

  1. Хилл К., Бэмбер Дж., тер Хаар Г. Ультразвук в медицине. Физические основы и применения. - М.: Физматлит, 2008. 539 с.

  2. Осипов Л.В. Ультразвуковые диагностические приборы: режимы, методы и технологии. - Москва : Изомед, 2011. 298 с.

  3. Бэйли М.Р., Хохлова В.А., Сапожников О.А., Каргл С.Г., Крам Л.А. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань (обзор). – Акуст. журн., 2003, т.49, №4, с.437-464.

  4. Гаврилов Л.Р. Фокусированный ультразвук высокой интенсивности в медицине. – М.: Фазис, 2013. 656 с.

  5. Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. Линейные и нелинейные волны. – М.: Ленанд, 2015.

  6. Ультразвук. Маленькая энциклопедия./ под ред. И.П. Голяминой. – М.: Советская энциклопедия, 1979, 400 с.

  7. Э.Дьелесан, Д.Руайе. Упругие волны в твердых телах. М.: Наука, 1982.

  8. Красильников В.А., Введение в акустику. – М.: МГУ. 1992.

  9. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. - М.: Мир, 1972.

  10. Задачи спецпрактикума кафедры акустики №1, №2, №3.

  11. Балдев Радж, В. Раджеран, П. Паланичами. Применение ультразвука. - М.: Техносфера. 2006.

  12. Физическая акустика, Т.1. Методы и приборы ультразвуковых исследований / под. ред. У. Мэзона. М.: Мир, 1966.

  13. Зарембо Л.К., Красильников В.А. Введение в нелинейную акустику. М.: Наука, 1966 г.

  14. Красильников В.А., Крылов В.В. Введение в физическую акустику. М.: Наука, 1984 г.

  15. Лямов В.Е. Поляризационные эффекты и анизотропия взаимодействия акустических волн в кристаллах. М.: Изд.-во МГУ, 1983.

  16. R. N. Thurston and K. Brugger, Phys. Rev. [Sect.] A133, 1604 (1964).

  17. Кравчун П.Н. Генерация и методы снижения шума и звуковой вибрации. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991. 185 с.

  18. Колесников А.Е. Акустические измерения - Л.: Судостроение, 1983. 256 с.

  19. Самохин В.Ф., Картовицкий Л.Л. Шум самолетов и двигателей. – М.: МАИ-Принт, 2009. 96 с.

  1. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети «Интернет»

  1. Сайт журнала «Акустический журнал» http://www.akzh.ru/

  2. Сайт журнала «Техническая акустика» http://www.ejta.org/ru


  1. Перечень используемых информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса.

Программное обеспечение по измерениям в медицинской акустике и физике твердого тела.


  1. Описание материально-технической базы.

Реверберационная и звукомерная камеры, экспериментальные установки кафедры акустики, проекторы для презентаций.


13. Язык преподавания. Русский


14. Преподаватели. Коробов Александр Иванович, профессор, д. физ.-мат. наук, кафедра акустики;

Сапожников Олег Анатольевич, профессор, д. физ.-мат. наук, кафедра акустики;

Андреев Валерий Георгиевич, доцент, канд. физ.-мат. наук, кафедра акустики;

Кравчун Павел Николаевич, доцент, канд. физ.-мат. наук, кафедра акустики.