ULTRADŹWIĘKI I HIPERDŹWIĘKI:

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, które omówimy za chwilkę.

Fale dźwiękowe powyżej częstotliwości 10GHz nazywamy hiperdźwiękami. Górna granica częstotliwości dla hiperdźwięków jest zależna od rodzaju ośrodka sprężystego, w którym się one rozchodzą. Zgodnie z teorią fal, wzrostowi częstotliwości towarzyszy zmniejszanie się długości fali. Dlatego też graniczne częstotliwości hiperdźwięków sięgają do wartości, powyżej której, krótsza fala nie może już zaistnieć, z powodu braku możliwości przekazywania zaburzeń w danym ośrodku. Hiperdźwięki są często określane jako fale cieplne lub fale debayowskie. Zasadnicza różnica miedzy ultradźwiękami i hiperdźwiękami, to przede wszystkim brak spójności wiązki fal tych drugich, która objawia się ich chaotycznym rozchodzeniem się we wszystkich kierunkach ośrodka. Tylko tzw. akustyczne zjawiska kwantowe umożliwiają w sposób pośredni wykrycie obecności tych fal - jest to tzw. zjawisko akustooptyczne, polegające na rejestrowaniu fal hiperdźwiękowych przy pomocy ich "obrazów" świetlnych. Natomiast główną cechą, która łączy obydwa rodzaje fal, jest mała ich długość. Np. dla ultradźwięków: częstotliwości 16kHz odpowiada długość fali 2cm (w powietrzu) i wraz ze wzrostem częstotliwości spada ona do ok. tysiąca nanometrów; dla hiperdźwięków długości ich fal są bliskie długości światła widzialnego, czyli od 400nm do 800 nm; przy maksymalnych częstotliwościach długość ta jednak może spadać nawet do 0,5 nm.

Ultradźwięki mają szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach, głównie dzięki małej długości fal, która korzystnie wpływa na dokładność i rozdzielczość prowadzonych przy ich pomocy pomiarów. Wysoka spójność wiązki fal ultradźwiękowych sprzyja łatwości ich ogniskowania i ukierunkowywania biegu ich promienia. W pewnym stopniu przy dużych częstotliwościach ultradźwięków, można je interpretować jako promieniowanie ultradźwiękowe.

Zastosowanie ultradźwięków jest obecnie bardzo szerokie i powszechne. Powstało tez wiele kategorii, według których można dzielić te zastosowania. Najbardziej ogólny podział ultradźwięków uwzględnia ich tzw. zastosowanie bierne i czynne. Bierne - w odniesieniu do diagnostyki, a czynne do terapii i innych działań, które w sposób kontrolowany wykorzystują ich siłę.

  1. Zastosowanie bierne ultradźwięków.

Rozchodzenie się fal akustycznych w danym ośrodku w ścisły sposób zależy od rodzaju i własności tego ośrodka. Jeżeli w ośrodku zachodzą zmiany, to momentalni znajduje to odzwierciedlenie w charakterze rozchodzenia się fal akustycznych w obszarze, w którym zaszły zmiany. Fala akustyczna zostaje wtedy "zmuszona" do dopasowania swojej prędkości do nowych warunków w ośrodku, w szczególności do innych warunków tłumiących jej rozchodzenie się. Zjawisko to jest podstawą wykorzystywania ultradźwięków w wielu urządzeniach, badających niejednorodności występujące w polu akustycznym danej substancji. Przy takich procesach mała długość fali ultradźwięków oraz nie zbyt wysoka prędkość (w porównaniu np. z falami elektromagnetycznymi) ich rozchodzenia się w ośrodku, gwarantuje większą zdolność rozdzielczą oraz tworzenie układów soczewek stycznych, które doskonale ogniskują wiązkę fal ultradźwiękowych. Dzięki temu otrzymane wyniki badań są wiarygodne i poprawne. Na dodatek możliwe jest nawet przedstawianie zmian pola akustycznego danej materii w postaci wizualnych obrazów, przedstawianych na specjalnym ekranie. Prędkość fal ultradźwiękowych w różnych charakterystycznych ośrodkach, przedstawia się następująco: w powietrzu około 340m/s, w wodzie 1500 m/s, w tkance tłuszczowej 1440 m/s, w mięśniach 1580 m/s, a w kościach czaszki 3400 m/s. W medycynie zakres fal ultradźwiękowych o częstotliwościach rzędu od 1 do 15 MHZ jest stosowany w diagnostyce, głównie ginekologii i położnictwie, kardiologii, neurologii oraz okulistyce. Istotą diagnostyki ultradźwiękowej jest jej nieinwazyjność i brak skutków ubocznych, z równoczesnym bardzo dokładnym obrazem stanu zdrowia danego organu lub ich zespołu.

Stosowanie ultradźwięków o wysokich częstotliwościach jest ograniczane przez odpowiadające im również coraz wyższe tłumienie rozchodzenia się fali. Dlatego też tzw. optymalne warunki wykorzystania ultradźwięków w danych urządzeniach, wybiera się najwyższą częstotliwość, przy której zarówno tłumienie jak i zdolność rozdzielcza odpowiadają wymogom czytelności i prawidłowości badań.

W takich dziedzinach jak: hydrolokacja, defektoskopia i diagnostyka medyczna defektów budowy niektórych narządów wewnętrznych, wykorzystuje się fale ultradźwiękowe impulsowe lub ciągłe, a na ich skuteczność wpływa dodatkowo fakt, że badane uszczerbki materii i jej niejednorodności mają wielkości porównywalne, albo i przekraczające długość fali. Ta zaleta ultradźwięków wpływa również na stosowanie ich do określania grubości materiałów lub tez poziomu cieczy w trudnodostępnych zbiornikach. Zależność prędkości rozchodzenia się fal ultradźwiękowych oraz stopnia ich tłumienia jako niezwykle czułego wskaźnika wszelkich zmian zachodzących w danym ośrodku (nawet temperatury i ciśnienia) ma ogromne znaczenie również w oznaczaniu zanieczyszczeń w spalinach przemysłowych, a także w takich procesach jak: polimeryzacja, depolimeryzacja, rozpuszczalność substancji, starzenie się materii, itp. Ultradźwięki są niezawodnym narzędziem również do sprawdzania właściwości mono- i polikryształów.

  1. Zastosowanie czynne ultradźwięków.

Czynne zastosowania ultradźwięków zależą od stopnia ich natężenia oraz zaawansowania nieodwracalności zmian, które pod ich wpływem zachodzą w danym ośrodku. Nieodwracalność niektórych zastosowań ultradźwięków wynika głównie z własności procesów nieliniowych, które są przez nie wywoływane. Przede wszystkim tzw. kawitacja (miejscowe wytwarzanie próżni) oraz strumienie akustyczne. Zjawiska te zachodzą przy dużym natężeniu ultradźwięków, które wprost proporcjonalnie zależy od częstotliwości fali, a więc jest stosunkowo łatwe do otrzymania. Przykładem wykorzystania tych zjawisk jest np. mycie ultradźwiękowe materiałów zanieczyszczonych.

W medycynie do leczenia schorzeń (terapii) stosuje się ultradźwięki o częstotliwościach od 0,8 do 1,2 MHz. Jednak każde stosowanie ultradźwięków na organizmach żywych, musi być sprawdzone pod względem nieszkodliwości dla układu nerwowego, który jest na nie szczególnie uwrażliwiony. Dlatego też najczęściej stosuje się ultradźwięki w działaniach przeciwbólowych, przeciwzapalnych oraz stymulacji zaburzeń neurologicznych.

W przypadku, gdy długość ultradźwięków jest zbliżona do wymiarów badanych niejednorodności lub struktury ośrodka, obserwuje się, że rozprzestrzenianie się ultradźwięków zależy wyłącznie od własności ośrodka. Dzięki za wszystko temu możemy z dużą dokładnością badać różnego typu ośrodki, mierząc jedynie i porównując szybkość rozchodzenia się oraz tłumienia w nich ultradźwięków. Natomiast procesy, które zachodzą w strukturze ośrodka pod wpływem ultradźwięków mają wyraźny charakter kwantowy.

Wytwarzanie i wykorzystywanie ultradźwięków wymaga użycia specjalnych urządzeń nazywanych przetwornikami ultradźwięków. Gdy ściśle określony układ nieakustyczy generuje drgania odpowiadające częstotliwością ultradźwiękom, to energia drgań tego układu zostaje zamieniana na energię akustyczną. Taki układ nazywamy przetwornikiem nadawczym ultradźwięków lub po prostu ich generatorem. Natomiast tzw. przetworniki odbiorcze - odbiorniki ultradźwiękowe, odbierając energię akustyczną z fal ultradźwiękowych, przekształcają ja w odpowiedni rodzaj energii, którą pobiera się z tego przetwornika. Wyróżniamy wiele rodzajów generatorów ultradźwięków oraz ich odbiorników, np.: elektryczne, cieplne, optyczne, magnetyczne, itp. Przetworniki, które swobodnie mogą spełniać zarówno rolę generatora jak odbiornika nazywamy przetwornikami odwracalnymi.

INFRADŹWIĘKI

Infradźwiękami nazywamy drgania ośrodka gazowego, ciekłego lub stałego, rozchodzące się w postaci fal mechanicznych o charakterze dźwiękowym i niskich częstotliwościach - poniżej dolnej granicy słyszalności człowieka ok. 16MHz. Naturalnie infradźwięki powstają w momencie uderzenia pioruna, silnych wiatrów fenowych - np. halny oraz podczas trzęsień ziemi. Jednak ich powstawanie nie zależy jedynie od zjawisk zachodzących w środowisku naturalnym. Powstają one również w halach fabrycznych i produkcyjnych oraz statkach, w czasie pracy silników wysokoprężnych i wielkich wiatraków. Niska częstotliwość fal infradźwięków wpływa na ich znaczne długości fali, a co za tym idzie możliwość łatwego rozchodzenia się na duże odległości.

Oddziaływanie infradźwięków na ludzkie ciało jest bardzo złożone i niestety niekorzystne. Przede wszystkim wywołują rezonansowe drgania narządów wewnętrznych, bóle głowy, nudności, bezsenność, zaburzenia w oddychaniu i trawieniu, a także nerwice, drażliwość i znaczne obniżenie nastroju. Obserwuje się również niekorzystny wpływ na pracę błędnika, a co za tym idzie, zawroty głowy, trudności w utrzymaniu równowagi oraz zaburzenia ostrości widzenia. W połączeniu ze spożyciem alkoholu znacznie osłabiają szybkość reakcji.

Odczuwanie bólu pod wpływem oddziaływania infradźwięków wzrasta wraz z obniżaniem ich częstotliwości.

Tak, więc szkodliwość infradźwięków dla organizmów żywych w znacznym stopniu zależy od zakresu poziomu ich natężenia:

  • < 120 dB - krótkotrwałe oddziaływanie infradźwięków o tym zakresie nie jest odczuwane i nie wywołuj skutków ubocznych. Nie określono jeszcze, czy długotrwały wpływ takich infradźwięków jest bardzo szkodliwy.
  • 120 - 140 dB. - takie oddziaływanie może powodować zmęczenie oraz początkowe zakłócenia pracy organizmu.
  • 140 - 160 dB - nawet krótkotrwałe (ok. 2 min) oddziaływanie infradźwięków jest bardzo szkodliwe, zaburza równowagę, powoduje nudności lub wymioty. Gdy dłużej jesteśmy narażeni na tego typu infradźwięki, możemy doświadczyć trwałych uszczerbków na zdrowiu.
  • > 170 dB - oddziaływanie tak mocnych infradźwięków przetestowano w warunkach laboratoryjnych na zwierzętach. Stwierdzono, że pod wpływem infradźwięków na tym poziomie następuje przekrwienie płuc i śmierć organizmu.

Szczegółowy opis źródeł infradźwięków:

Naturalne - głównie drgania wywoływane ruchem mas powietrza i wody, np.:

  • Falowanie wód morskich i oceanicznych, prądy podwodne - nie tylko szum słyszalny, ale również infradźwięki, które cechują się niskimi częstotliwościami oraz przedostawaniem się do atmosfery.
  • Spadająca z wodospadu woda, od czasu do czasu uzyskuje rezonans drgań o charakterze infradźwięków.
  • w czasie uderzenia pioruna, nieodłączny mu grzmot emituje oprócz słyszalnego huku również infradźwięki.
  • Silny wiatr, błądzący miedzy wysokimi budowlami.

Sztuczne:

  • Wybuch atomowe oraz termojądrowe. Natężenie fali infradźwięków jest proporcjonalne do ilości użytego ładunku.
  • Lotnictwo - zarówno poddźwiękowe jaki naddźwiękowe. Wśród samolotów poddźwiękowych najwięcej infradźwięków wywołuje helikopter, w zależności od ilości obrotów śmigła. Natomiast samoloty naddźwiękowe emitują infradźwięki w momencie przekraczania bariery dźwięku. Emisja ta ma charakter fali uderzeniowej o bardzo dużej mocy i zależy od rozmiarów samolotu. Podobną fale uderzeniowa, ale jeszcze bardziej silną, obserwuje się w czasie wystrzału rakiet i pocisków.
  • Wzdłuż dróg samochodowych i kolejowych w pasie o szerokości ok. 200 m, można wyraźnie odczuć wytwarzane przez środki transportu pole infradźwiękowe.
  • Żegluga morska - pokład głównie szybkich statków przenosi drgania o częstotliwości infradźwięków, które wytwarzają silniki pracujące pod pokładem.
  • W przemyśle - drgania systemów wentylacyjnych, intensywny przepływ gazów w różnego rodzaju dmuchawach, wywietrznikach. Narzędzia udarowe - np. młoty pneumatyczne, wiertarki, nitownice, itp. są źródłem drgań i infradźwięków, bezpośrednio przenoszonych na ciała ich użytkowników.

Stosunkowo niedawno odkryto szkodliwy wpływ infradźwięków na organizmy żywe, stąd wciąż zbyt mało posiadamy wiedzy na ich temat i w znacznym jeszcze stopniu ni potrafimy się przed nimi bronić.

Fale - ogólnie:

Fala to cyklicznie rozchodzące się w danym ośrodku zaburzenia różnych wielkości - drgania.

Własności fali:

Długość fali - to odległość między kolejnymi, powtarzającymi się fragmentami fali (miedzy jej dwoma najbliższymi grzbietami)

Amplituda - najwyższa wartość wychylenia fali od położenia równowagi (połowa z odległości pomiędzy grzbietem i doliną )

Okres fali - czas jednego pełnego drgania (czyli czas od wyjścia z położenia równowagi do momentu powrotu do niego)

Częstotliwość - odwrotność okresu - liczba drgań, które nastąpiły w jednostce czasu

Prędkość - stosunek długości fali do jej okresu.

Wyróżniamy wiele rodzajów fal, ale główne z nich, to: fale elektromagnetyczne i mechaniczne. Do fal elektromagnetycznych należą miedzy innymi fale radiowe, mikrofale, fale światła widzialnego, itd. Ten rodzaj fali rozchodzi się zarówno w różnych ośrodkach jak i w próżni.

Omówimy teraz pokrótce fale, z którymi spotykamy się na co dzień i które możemy zaobserwować "gołym" okiem lub też usłyszeć. Są to fale świetlne i dźwiękowe.

Światło widzialne ma bardzo charakterystyczną własność. W normalnych warunkach, choć nazywane jest światłem białym , nie posiada wyraźnej barwy, jednak gdy przechodzi przez ośrodek gęstszy od powietrza np. krople deszczu, ulega załamaniu i rozszczepieniu na siedem barw, nazywanych widmem światła białego. Zjawisko to zachodzi dlatego, że każda barwa składowa światła białego ma inną prędkość w wodzie i załamuje się w niej pod innym kątem. Zachodzi przy tym zależność - im mniejsza długość fali, tym większy kąt jej załamania. Najkrótsza jest fala o barwie fioletu, a najdłuższa fala czerwona.

Fale dźwiękowe są przykładem fal mechanicznych, zwanych falami ciśnienia, Nie należą one do fal elektromagnetycznych. Fala dźwiękowa (głosowa, akustyczna) to cykliczne wahania poziomu ciśnienia i gęstości powietrza, rozchodzące się w tym ośrodku. Gdy w źródle fali "uciśniemy" cząsteczki powietrza, zmieniając ich ciśnienie i lokalną gęstość, powoduje to ich rozprężanie i przekazywanie energii mechanicznej kolejnym cząsteczkom - właśnie w ten sposób powstaje fala dźwiękowa. Do jej fizycznych cech należą częstotliwość, natężenie dźwięku oraz charakter drgań wywołujących falę. W przypadku fal dźwiękowych, powstających w narządach mowy, mówimy o falach głosowych, w których wyróżniamy tony i dźwięki. Fala głosowa emitowana przez nasze gardła ma nie tylko pewną tonację i głośność, ale również charakterystyczną dla każdego człowieka barwę głosu. Sprawia ona, że bez problemu rozróżniamy np. wykonanie piosenki (przy tej samej głośności i tonacji) przez dwie osoby. Często barwa głosu, jego głośność i potoczna "wysokość"- ton, są cechami bardzo subiektywnymi, ale nie mniej dającymi się odczuć, szczególnie dla osób obdarzonych wysoką wrażliwością słuchu.