ULTRADŹWIĘKI

1. Definicja

Ultradźwięki, inaczej fale naddźwiękowe, są falami mechanicznymi rozchodzącymi się w ośrodku sprężystym, posiadające częstotliwości wyższe od normalnych fal dźwiękowych, czyli powyżej około 16 kHz. Człowiek nie jest w stanie ich usłyszeć, natomiast dość dobrze odbierają je psy, delfiny, owady i inne zwierzęta. Powyżej górnej granicy dla fal ultradźwiękowych (ok. 100 Mhz) ultradźwięki przechodzą w tzw. hiperdźwięki, fale o nieco innych właściwościach fizycznych. Ultradźwięki charakteryzują się przy tym dość małymi długościami fali i dużą energią niesioną przez falę, przez co znalazły zastosowanie w technice, np. przy czyszczeniu bardzo niewielkich przedmiotów.

2. Występowanie

W naturze ultradźwięki występują powszechnie. Wiele zwierząt ma zdolność odbioru oraz nadawania fal z tego zakresu. Na szczególną uwagę zasługują przy tym psy, słyszące dźwięki wyższe niż 20 kHz, co wykorzystywane jest w tresurze z pomocą gwizdków naddźwiękowych, oraz delfiny i nietoperze. Nietoperze używają ultradźwięków do namierzania nocą owadów. Z kolei pewne owady wykształciły mechanizm wykrywania fal nadawanych przez polujące na nie nietoperze, dzięki czemu mogą przed nimi uciec. Delfinom ultradźwięki służą przede wszystkim do wykrywania przeszkód terenu - wysyłają je i odbierają fale odbite, uzyskując w ten sposób informacje o kształcie i strukturze otoczenia.

ULTRADŹWIĘKI W PRZYRODZIE

00031315.jpg

00031316.jpg

00031317.jpg

Delfin

Pies

Nietoperz

3. Zastosowanie

Ultradźwięki mają bardzo wiele zastosowań, wykorzystywane są intensywnie nie tylko w technice, ale i medycynie, nawigacji i w badaniach laboratoryjnych. Ograniczam się tu do opisu najbardziej popularnych przykładów użycia fal tego zakresu.

  • Medycyna. Dzięki ultradźwiękom możliwa stała się ultrasonografia (USG), czyli diagnostyka narządów i tkanek za pomocą odbijania od nich fal ultradźwiękowych i następnie badaniu odbitych sygnałów. Fale otrzymane przedstawia się zwykle na monitorze oscyloskopu (urządzenia do badania przebiegów falowych) i porównuje ze znanymi rozkładami fal dla tkanek zdrowych. Na podobnej zasadzie opiera się echokardiografia - metoda badania serca i naczyń krwionośnych poprzez fale ultradźwiękowe odbite od interesującej lekarzy części układu krwionośnego. Przy UAG i echokardiografii zazwyczaj przydatne są ultradźwioęki z wyższego przedziału częstości, kilku MHz. Ultradźwięki pomocne są poza tym przy inhalacjach, gdyż ich energia jest w stanie rozpylić leki do takie gęstości zawiesiny, że możliwe staje się jej wprowadzenie do wnętrza organizmu. W dentystyce fale naddźwiękowe stosowane są do precyzyjnego usuwania osadów nazębnych.
  • Echolokacja. W nawigacji morskiej używane są przyrządy zdolne do emisji i odbioru fal ultradźwiękowych. Jest to pomocne przy żegludze wszędzie tam, gdzie istnieje możliwość natrafienia na przeszkody niewidoczne pod wodą, jak np. góry lodowe.
  • Czyszczenie ultradźwiękami. Metoda ta pozwala na skuteczne oczyszczanie nawet mikroskopijnych urządzeń oraz miejsc trudno dostępnych. Ze względu na dużą energie oraz małą długość fale naddźwiękowe docierają do najmniejszych części mytego przedmiotu i bardzo efektywnie usuwają bród i osady, następnie resztki zanieczyszczeń są wypłukiwane przez odpowiednio dobrany płyn. Takie czyszczenie jest nie tylko precyzyjne i skuteczne, ale też jest niegroźne dla otoczenia i czyszczonego materiału oraz przyjazne dla środowiska. W praktyce czyszczenie takie odbywa się w specjalnych myjkach - pojemnikach, do których dna przytwierdza się oczyszczany przedmiot, a następnie wprowadza roztwór myjący i generowane fale.

4. Wytwarzanie

Wyróżnia się kilka głównych metod produkcji fal z zakresu częstości ultradźwięku:

  • Metoda mechaniczna

Polega na wykorzystaniu faktu, że ciało sztywne drgające z odpowiednią częstotliwością emituje falę mechaniczną. Częstotliwość tej fali zależy od rodzaju ciała i parametrów jego drgań. Na ogół w urządzeniach produkujących ultradźwięki ma miejsce przepływ gazu lub cieczy. Tymi sposobami można uzyskać jedynie niewielkie częstotliwości rzędu kilkudziesięciu kHz, ale wytwarzana fala może mieć znaczną moc. Urządzenia te to np. gwizdki, piszczałki, a także syreny policyjne. Nieco innym sposobem jest metoda udarowa. Wykorzystuje ona fakt, że przy zderzeniu małego ciała sztywnego z dużą bryłą sztywną lub z powierzchnią ściany budynku tworzą się wewnątrz dużego ciała fale mechaniczne o częstotliwościach ultradźwiękowych dochodzących nawet do 100 kHz.

  • Metoda termiczna

Pierwszymi, mało wydajnymi źródłami były wyładowania elektryczne w cieczach powodowane przez nagrzane przewodniki elektryczności. Te proste, prymitywne metody zostały z czasem udoskonalone. Jedną z nich jest obecnie wykorzystanie energii Joule'a - Lenza, czyli ciepła powstającego w przewodniku przy przepływie prądy zmiennego modulowanego z daną częstością. Występuje w nim tzw., łuk elektryczny, czyli strumień poruszających się jonów , cząstek naładowanych. Prąd ten jest drgającym źródłem emisji fal ultradźwiękowych o częstotliwościach dochodzących do kilkuset kHz. Układ opisany powyżej zwykle posiada dodatkowo specjalną tubę, która gromadzi i nadaje pożądany kierunek wiązce fal ultradźwiękowych.

  • Metoda optyczna

Metody optyczne polegają na produkcji ultradźwięków przy oddziaływaniu światła spójnego (laserowego) z 

Jakimś ośrodkiem, np. cieczą. Zakres tak generowanych fal jest duży i częściowo pokrywa się zarówno ze zwykłymi dźwiękami, jak i hiperdźwiękiem. Zależy od właściwości światła i użytego ośrodka. Metoda ta pozwala także na generowaniu ultradźwięków w niewielkim obszarze, co można wykorzystać w wielu dziedzinach techniki. Amplituda i moc formowanych fal zależne są przede wszystkim od wyjściowej mocy światła laserowego.

  • Metody elektryczne i magnetyczne

Ultradźwięki można także wytworzyć przez odwrotny efekt piezoelektryczny oraz tzw. magnetostrykcję. Odwrotny efekt piezoelektryczny spotykany jest w przypadku wielu substancji krystalicznych. Typowy przykład to kryształ tlenku krzemu (kwarcu.) Przy przyłożeniu do boków takiego kryształu zmiennego napięcia elektrycznego ciało kurczy się szybko na skutek zaburzenia w sieci krystalicznej. Efektem są emitowane z kryształu drgania o częstotliwości ultradźwiękowej. Podobną metodą jest magnetostrykcja, czyli zjawisko charakteryzujące się zmianami w długości rdzeni magnesów przy płynącym przez nawiniętą na magnesy cewkę zmiennym prądzie elektrycznym. Emitowane fale mają na ogół niskie częstotliwości, które wykorzystuje się w wielu dziedzinach przemysłu.