Ultradźwiękami (naddźwiękami) nazywamy fale mechaniczne, sprężyste charakteryzujące się własnościami dźwiękowymi oraz częstotliwościami od tzw. górnej granicy słyszalności przez człowieka, która wynosi ok. 20kHz, aż do ok. 10 GHz (częstotliwości hiperdźwięków). Ultradźwięki rozchodzą się zarówno w gazach, jak cieczach i ciałach stałych. Potocznie określa się je często jako "piski" tak wysokie, że aż niesłyszalne. W przyrodzie wytwarza je kilka zwierząt. Najbardziej znanym jest z pewnością nietoperz, a także delfin, wieloryb, szczur, a nawet pies. Zwierzęta te wykorzystuje emisję ultradźwięków do echolokacji, gdyż zakres ich słyszalności sięga aż 40 kHz. Natomiast sztucznie istnieje kilka metod wytwarzania ultradźwięków:

  • mechaniczne
  • termiczne
  • magnetostrykcja
  • odwrócenie efektu piezoelektrycznego
  • optyczne

METODY MECHANICZNE

  • Ultradźwięki o częstotliwościach do kilkudziesięciu kHz, można otrzymać w tradycyjny sposób przy pomocy syren, gwizdków, piszczałek, strun, fujarek, itp. W przyrządach tych mechaniczny przepływ powietrza lub cieczy, wywołuje drgania ich sprężystych elementów, które rozchodzą się jako fale ultradźwiękowe.
  • Innym rodzajem mechanicznej metody wytwarzania ultradźwięków jest tzw. metoda udarowa. Wykorzystuje ona zjawisko powstawania fal sprężystych w momencie deformacji jednego ciała sprężystego przez drugie takie ciało. Ciała te mogą się odkształcać np. w czasie zderzeń. Powstają wtedy ultradźwięki o częstotliwościach nawet do 100kHz.
  • Również w czasie tarcia ciał stałych o siebie, powstają ultradźwięki o różnorodnych częstotliwościach (tzw. szerokopasmowe). Na własności generowanych poprzez tarcie ultradźwięków ma wpływ prędkość pocierających się ciał oraz rodzaj ich powierzchni.

METODY TERMICZNE:

Termiczne metody wytwarzania dźwięków opierają się na zjawisku wyładowań elektrycznych zachodzących w płynach. Można je wywołać poprzez rozgrzewanie przewodników lub inicjowanie przeskoku iskier przez ciecz. W prawdzie wydajność tego typu źródła ultradźwięków jest bardzo mała, bo wynosi zaledwie 1%, ale odpowiednie zastosowanie impulsowego wzbudzania wyładowań elektrycznych może znacznie zwiększyć moc ultradźwięków.

Jeżeli przewodnik z płynącym w nim prądem stałym zostanie poddany modulacji prądem zmiennym o danej częstotliwości, to przewodnik rozgrzeje się do tzw. temperatury Joule'a - Lenza, indukującej ciągłą falę akustyczną. Ultradźwięki mogą powstawać również w wyniku modulacji prądu stałego nie tylko w przewodniku, ale również w postaci tzw. łuku elektrycznego, czyli ciągłego wyładowania elektrycznego w postaci strumienia jonów. Strumień ten zaczyna drgać, gdy poddawany jest modulacji ze znaczną częstotliwością. W ten sposób staje się źródłem ultradźwięków o częstotliwości rzędu kilkuset kHz, które po dołączeniu charakterystycznej tuby, nazywane jest jonofonem.

MAGNETOSTRYKCJA:

Ultradźwięki o niskich częstotliwościach można wytwarzać przy pomocy elektromagnesu - w postaci cewki z przewodnika, z magnesem umieszczonym wewnątrz. Na skutek zmiany kierunków prądu przepływającego przez cewkę, powstają w niej drgania pola magnetycznego o bardzo dużej częstotliwości. Pod ich wpływem rdzeń magnetyczny zmienia swoją długość, emitując równocześnie drgania podłużne, rozchodzące się w postaci fal ultradźwiękowych o częstotliwości drgań całego pola magnetycznego w cewce. Zjawisko magnetostrykcji odkrył w 1847 r. J. P. Joule. Jest ono szczególnie silne, gdy nastąpi rezonans drgań pola magnetycznego z drganiami własnymi pręta. Ta metod pozwala wytworzyć ultradźwięki o częstotliwościach sięgających nawet do 60kHz, przy zaledwie 4 cm długości rdzenia magnesu.

ODWRÓCENIE EFEKTU PIEZOELEKTRYCZNEGO:

Zjawisko to odkryli bracia Curie w 1881 roku, a najczęściej wykorzystuje się je w medycynie. Metoda odwrócenia efektu piezoelektrycznego pozwala wytwarzać ultradźwięki z drgań minerałów, głównie kwarcu, turmalinu i soli Seignette'a. Przed przeprowadzeniem doświadczenia przygotowuje się specjalnie wyciętej płytki z kryształów, której ścianki pokryte warstwą metalu służą jako elektrody. Gdy przyłożymy do nich napięcie o bardzo zmiennych wartościach, cały kryształ tego minerału zostanie wprawiony w ruch, objawiający się jego kurczeniem i rozszerzaniem. Powstałe w ten sposób drgania podłużne, rozprzestrzeniają się jako ultradźwięki. Płytkę wytwarzającą ultradźwięki umieszcza się w oleju, gdyż stawia on im o wiele większy opór niż powietrze, przez co otrzymana energia drgań wzrasta nawet do 3000 razy w porównaniu z drganiami w powietrzu. Olej ułatwia również przekazywanie ultradźwięków do badanego obiektu. Maksymalną wydajność płytki kryształu jako źródła ultradźwięków uzyskuje się, gdy dojdzie do rezonansu jej drgań własnych ze zmianami napięć elektrycznych. Ultradźwięki otrzymywane metoda odwróconego efektu piezoelektrycznego mogą osiągać częstotliwość do kilkudziesięciu MHz (przy wykorzystaniu kwarcu) lub do 300MHz przy zastosowaniu turmalinu.

METODY OPTYCZNE:

Metody te wykorzystują wiązki światła laserowego i wpływ jego impulsów na materialny ośrodek, w którym chcemy wytworzyć ultradźwięki. Skierowujemy światło lasera na dany ośrodek i emitujemy wiązkę w króciutkich impulsach, trwających nano- lub pikosekundę każdy (działamy bezdotykowo). W ten sposób wytwarzamy w ośrodku materialnym drgania w postaci ultradźwięków. W zależności od mocy wiązki lasera oraz rodzaju ośrodka i jego rekcji na sprężyste impulsy laserowe, możemy wytwarzać ultradźwięki o praktycznie każdej częstotliwości - nawet tej bliskiej własności hiperdźwięków. Dodatkowym atutem tej metody jest możliwość wytwarzania ultradźwięków nawet na bardzo małych powierzchniach wzbudzania.

Przykładowe zastosowania ultradźwięków w:

  1. ultrasonografii (USG) - fale ultradźwiękowe wykorzystywane w ultrasonografach umożliwiają badanie budowy wewnętrznych narządów ludzkiego ciała. Ma to szczególne znaczenie w diagnostyce schorzeń tych narządów, do której stosuje się metodę tzw. echa ultradźwiękowego. Daje ona wyniki, które lekarz ogląda na specjalnym ekranie oscyloskopowym w postaci przekroju rzeczywistego obrazu danego narządu lub np. płodu. Im niższą częstotliwość ultradźwięków zastosujemy, tym głębiej będziemy w stanie "zajrzeć", choć często otrzymamy w ten sposób niej dokładny obraz niż przy badaniach płytko położonych struktur.
  1. inhalatorze - tradycyjne i od dawna stosowane inhalatory, czyli przyrządy do rozpylania leków do inhalacji (wziewania), były oparte na wytwarzaniu pary. Jednak znacznie skuteczniejsze okazało się rozpylanie odpowiednich leków przy pomocy ultradźwięków. Rozbijają one kropelki leku na mikroskopijne cząsteczki, znacznie łatwiej przyswajalne nawet bezpośrednio przez pęcherzyki płucne.
  1. myjki ultradźwiękowe - są to najnowsze urządzenia do czyszczenia małych elementów lub trudno dostępnych części wielu urządzeń. Mycie przy pomocy ultradźwięków jest możliwe dzięki ich energii, która przenikając przez dany materiał usuwa wszelkiego jego zanieczyszczenia. Przedmiot wymagający oczyszczenia umieszcza się w pojemniku z wodnym roztworem środka czyszczącego, a następnie poddaje go działaniu ultradźwięków o odpowiednio dostosowanych parametrach. Drgania tych fal przenikają przez całość materiału (zjawisko kawitacji) i odrywają od niego wszelkie zanieczyszczenia. Zakończenie procesu mycia należy już wtedy tylko do roztworów środków czyszczących, które falując pod wpływem drgań, wypłukują zanieczyszczenia. System mycia za pomocą ultradźwięków jest najbardziej skutecznym i dającym najlepsze rezultaty sposobem czyszczenia, stosowanym np.. do odtłuszczania. Dodatkowymi zaletami myjek ultradźwiękowych, jest to, że nie niszczą powierzchni mytej, nie wywołują korozji i są bezpieczne dla środowiska.
  1. echokardiografii - ultradźwięki stosowane w echokardiografach (częstotliwość 1-10 MHz) umożliwiają otrzymywanie obrazów serca oraz całego układu krwionośnego. Działanie tych urządzeń opiera się na zjawisku odbicia ultradźwięków od tkanek naczyń krwionośnych lub serca, dających ich obraz na specjalnym ekranie. Ze względu na odbicie fal i ich powrót do aparatu echokardiografii, otrzymane w ten sposób obrazy serca nazywane są "echem" serca. Stad też sama nazwa aparatów - "echokardiografy".