Od dawien dawna ludzkość zastanawiała się nad prawdziwą naturą dźwięku. Przez długi czas nawet uważano, iż jest to jakiś specjalny rodzaj materii, która rozchodzi się na wszystkie strony wokół drgającego ciała. Pewien czas później stwierdzono, że jednak źródło dźwięku stanowią drgania cząstek materii. W ten sposób np. pojmował dźwięk Arystoteles, który żył w IV w p. n. e. Dopiero Witriwiusz w I w n. e. porównał rozchodzenie się dźwięku do powstających fal na wodzie, kiedy do tej wrzuci się kamień. Jak widać było to porównanie bardzo trafne i bardzo bliskie odkryciu prawdziwej natury rozchodzącego się dźwięku.

Czym jest dźwięk?

Zastanówmy się nad tym, czym z fizycznego punktu widzenia jest dźwięk. Otóż dzięki dokonaniom wielkich fizyków, dzisiaj wiemy, że dźwięk jest falą. Dla przypomnienia powiedzmy, że fala to rodzaj zaburzenia które rozchodzi się jakimś ośrodku i falę stanowią okresowe zmiany pewnej wielkości. Jednak jaka wielkość ulega zmianie w przypadku dźwięku. Otóż jest to ciśnienie i gęstość ośrodka w którym rozchodzi się dźwięk. Otóż okazuje się że fala dźwiękowa to fala podłużna, czyli taka w której oscylacje mają kierunek równoległy do kierunku rozchodzenia się fali. Gdyby zrobić takiej fali pojedyncze zdjęcia, to moglibyśmy zauważyć iż w falę dźwiękową stanowią cykliczne zgęszczenie i rozrzedzenia powietrza ( w przypadku fali rozchodzącej się w powietrzu). Takie obszary zagęszczeń i rozrzedzeń rozprzestrzeniają się w powietrzu zgodnie z kierunkiem fali i mają szansę dotrzeć do czyjegoś ucha. W uchu powodują one ruch błony bębenkowej, który z kolei jest przetwarzany przez nasz mózg na określone wrażenia dźwiękowe.

Wrażenie dźwiękowe z kolei możemy podzielić na wiele rodzajów. Niektóre z nich odbieramy jako szmery, inne jako melodyjne tony, a jeszcze inne jako nieprzyjemne hałasy. Zastanówmy się co tak naprawdę decyduje o tym, że dany dźwięk brzmi tak jak brzmi. Otóż w przypadku tonów mamy do czynienia z drganiami harmonicznymi, które wywołane są oscylacje źródła z jedną określoną częstotliwością. Dany dźwięk powstaje wówczas, gdy niesionej fali podstawowej towarzyszą jeszcze dodatkowe częstotliwości, które są jej wielokrotnościami. Wówczas nasze ucho odbiera dany dźwięk jako regularny. Natomiast szmery lub hałas to fale dochodzące do nas które charakteryzują się częstotliwościami zupełnie ze sobą nieskorelowanymi. Gdy wiele takich dźwięków, których częstotliwości nie są ze sobą w żaden sposób powiązane nałoży się na siebie, to odbieramy wówczas wrażenie hałasu. Wspomniane wcześniej tony, czyli fale o jednej określonej częstotliwości występują bardzo rzadko w przyrodzie. Jednym z takich urządzeń, które w pewien sposób symuluje ton prosty jest kamerton. W jego przypadku oprócz emitowanej fali podstawowej istnieją jeszcze drgania harmoniczne składowe, jednak są bardzo słabe, przez co częstotliwość podstawowa znacznie przeważa.

Rozchodzenie się fal dźwiękowych w wodzie

Fale dźwiękowe potrafią rozchodzić się w środowisku wodnym na setki mil. Źródłem dźwięków w wodzie są wszelkie organizmy żyjące, fale morskie, oraz konstrukcje człowieka, czyli różnego rodzaju statki, czy platformy wiertnicze. W całym tym bogactwie dźwięków, które nam ludziom jednak jawi się jako względna cisza, poruszają się łodzie podwodne. Z kolei taki okręt podwodny potrafi generować szum, który może być słyszalny nawet z odległości ok. 1000 km. Tak więc wiedza o tym w jaki sposób rozchodzą się dźwięki w wodzie ma ogromne znaczenie z punktu widzenia zastosowań wojskowych. Ważne jest bowiem, aby odpowiednio wcześniej usłyszeć taką łódź podwodną i być przygotowany na jej atak. Obecne urządzenia służące do lokacji łodzi podwodnych nie są jednakże pozbawione wad. Wady te raczej wynikają z ograniczeń fizycznych, dzięki którym mogą powstać pewne luki, które z kolei mogą zostać wykorzystane przez wrogie łodzie. Często takie urządzenia wykorzystują zasadę echolokacji, która polega na rejestracji ultradźwięków odbitych od danych obiektów i rozpoznaniu co to jest za rodzaj obiektu. Jednak i tutaj pojawiają się pewne trudności z interpretacją wyników. Poza tym warstwy planktonu, czy fale morskie bardzo często powodują rozpraszanie takich emitowanych ultradźwięków. W przypadku łodzi podwodnych ważnym elementem służącym do zwalczania wrogich okrętów podwodnych jest tzw. termoklina. Jest to takie urządzenie które jest w stanie oddziaływać na prędkość rozchodzenia się fal dźwiękowych w wodzie. Jeśli stosuje się ciągłą termoklinę możliwe jest zmniejszenie tej prędkości nawet do wartości minimalnej.

Natężenie dźwięku

Ucho ludzkie zbiera energię niesioną przez falę akustyczną, tylko z obszaru jaki powierzchnia ucha zajmuje. Więc o wrażeniu głośności decyduje ilość padającej energii w jednostce czasu na jednostkę powierzchni. Tak więc dźwięk może mieć sumaryczną energię bardzo dużą, ale jeśli jest on wydzielany przez cały rok, i do tego rozkłada się na powierzchni boiska piłkarskiego to dla naszego ucha jest bardzo słaby.

Tak więc poprzez natężenie fali dźwiękowej określamy wielkość która jest energią fali akustycznej podzieloną przez czas w jakim została wyemitowana i przez powierzchnię na jaką padła.

Próg słyszalności

Otóż okazuje się, że minimalna wartość natężenia fali akustycznej jakie nasze ucho jest w stanie zarejestrować wynosi ok. 10-12 W/m2. Jeszcze mniejsza jest moc związana z tym natężeniem. Jednak widzimy jak doskonałym narządem jest nasze ucho, skoro potrafi usłyszeć dźwięki o tak niskim natężeniu. Dźwięki, które charakteryzują się mniejszym natężeniem niż podana wartość są przez nasze ucho nie rejestrowane, czyli po prostu nie jesteśmy w stanie ich usłyszeć. Oczywiście podana wartość jest średnią uzyskaną w wyniku badań dużej grupy osób, dlatego też dla każdego człowieka może ona różnić się. Dlatego też może zdarzyć się, że osoba obdarzona wyjątkowo dobrym słuchem jest w stanie usłyszeć dźwięki o natężeniu poniżej tej wartości.

Próg bólu

Jeśli dźwięk przekroczy natężenie o wartości ok. 1W/m2, to stanie się on wówczas zbyt silny dla naszego ucha i będziemy go odbierać już jako ból. Po prostu wtedy nasz organizm nie rejestruje go jako dźwięku, a tylko jako bodziec który powoduje ból. Najczęściej zwykłe dźwięki z którymi się spotykamy na co dzień i które słyszymy, charakteryzują się natężeniem, które zawiera się pomiędzy progiem słyszalności a progiem bólu.

Ultradźwięki

Są to fale dźwiękowe, których częstotliwość znajduje się powyżej górnej granicy słyszalności ludzkiego ucha (powyżej ok. 20 kHz). Ultradźwięki bardzo często można spotkać w środowisku naturalnym, ponieważ ogromna liczba gatunków zwierząt jest w stanie je emitować (np. delfiny, nietoperze). Najczęściej ultradźwięki przez te zwierzęta wykorzystywane są do echolokacji.

Metody wytwarzania ultradźwięków

Metody mechaniczne

Tą metodę wykorzystują klasyczne układy mechaniczne drgające, takie jak różnego rodzaju płytki, czy struny, a także specjalne gwizdki, czy syreny. W przypadku gwizdków i syren mamy do czynienia z generatorami ultradźwięków które wykorzystują w swym działaniu przepływ cieczy lub gazu. Jak łatwo się domyślić stosuje się je w środowisku wypełnionym powietrzem lub cieczą. Zazwyczaj dzięki nim można wytworzyć sygnał akustyczny o dużej mocy, charakteryzujący się częstotliwością nie przekraczającą zazwyczaj kilkudziesięciu kHz.

Jedną z bardziej interesujących metod do wytwarzania ultradźwięków, która pozwala na wygenerowanie ultradźwięków w szerokim zakresie częstotliwości jest tzw. metoda udarowa. Metoda ta polega na wytworzeniu pewnego odkształcenia (deformacji), podczas zderzenia się dwóch ciał sprężystych. Przykładem tu może być zderzenie metalowej kulki z określoną bryłą ciała stałego, np. płytą, lub blokiem. W wyniku takiego zderzenia powstaje fala uderzeniowa, której częstotliwość może dochodzić do nawet 100 kHz.

Inną z kolei metodą, która także pozwala na wytworzenie ultradźwięków w dosyć szerokim zakresie częstotliwości jest pocieranie dwóch ciał stałych o siebie. To jakimi parametrami będzie charakteryzował się wytworzony sygnał zależy głównie od szybkości z jaką pocierają się o siebie ciała, oraz od rodzaju ich powierzchni.

Metody termiczne

Klasycznym termicznym źródłem ultradźwięków, są wyładowania elektryczne zachodzące w cieczach. Poprzez zastosowanie okresowego, lub impulsowego ogrzewania przewodników, lub wykorzystanie wyładowań iskrowych, możliwe jest wytworzenie ultradźwięków charakteryzujących się dużą mocą. Bolączką tego typu układów jest ich niska wydajność, która jest na poziomie 1%. Jednak przy zastosowanie bardzo krótkich impulsów, produkowane ultradźwięki mogą charakteryzować się naprawdę znaczną mocą. Jeśli chodzi o wytwarzanie ciągłych ultradźwięków, to jedną z metod jest metoda wykorzystująca ciepło Joule'a - Lenza. W metodzie tej przez przewodnik przepływa prąd stały, który jest modulowany prądem zmiennym charakteryzującym się określoną częstotliwością. Przewodnikiem takim może także być łuk elektryczny, którym może być strumień jonów. Jeśli taki przepływający prąd jonowy modulowany jest określoną częstotliwością, to w wyniku jego drgań dochodzi do emisji ultradźwięków. Urządzenie działające na tej zasadzie dodatkowo zaopatrzone jest w tubę, i nazywane jest jonofonem. Dzięki metodzie tego typu możliwe jest uzyskanie ultradźwięków o częstotliwościach dochodzących do kilkuset kHz.

Magnetostrykcja

Jest to metoda wykorzystując do generacji ultradźwięków pole magnetyczne. Opiera się ona na zmianie długości rdzenia magnesu, w wyniku przepływu zmiennego prądu elektrycznego przez solenoid, który jest nawinięty na ten rdzeń. Tego typu metoda znalazła swoje zastosowanie w różnego rodzaju rozwiązaniach przemysłowych, w których zazwyczaj potrzeba wytworzyć ultradźwięki o raczej niskich częstotliwościach.

Odwrotny efekt piezoelektryczny

Efekt ten można zaobserwować w przypadku użycia różnego rodzaju minerałów, takich jak kryształ kwarcu, czy turmalin. Opiera się on na tym, że do przeciwległych płaszczyzn kryształu doprowadzane jest zmienne napięcie elektryczne. Dzięki temu dochodzi do drgań sieci krystalicznej, która objawia się w kurczeniu lub rozszerzaniu płytki kryształu. Drgania te mają określoną częstotliwość i powodują emisję ultradźwięków. Ta metoda wykorzystywana jest w urządzeniach stosowanych w medycynie.

Metody optyczne

W metodach tych wykorzystuje się zalety światła laserowego. W zależności od własności tego światła, oraz od tego w jaki sposób oddziałuje ono z ośrodkiem materialnym, możliwe jest wytworzenie w nim fali o określonej częstotliwości. Metodą tą można wytworzyć ultradźwięki z dosyć szerokiego zakresu częstotliwościowego. Metoda ta jest praktycznie bezkontaktowa i za jej pomocą można wytwarzać bardzo krótko trwające impulsy ultradźwiękowe, rzędu nano, a nawet pikosekundowe. Natężenie tak emitowanych ultradźwięków głównie zależy od mocy użytego lasera. Z kolei, dzięki dużej zbieżności wiązki laserowej możliwe jest wytworzenie wzbudzenia nawet na bardzo małych powierzchniach, co także ma ogromne znaczenie praktyczne.

Ultradźwięki a zwierzęta.

Aby zobrazować wykorzystanie ultradźwięków przez zwierzęta, weźmy sytuację taką: otóż w nocy fretka opuściła legowisko pozostawiając w nim swoje potomstwo. Podczas poszukiwania pożywienia, nagle reaguje ze strachem i natychmiast rzuca się z powrotem do legowiska. Dobiega do niego w samą porę aby odpędzić szczura który zaatakował jej dzieci. Zastanówmy się teraz, skąd matka wiedziała o niebezpieczeństwie jakie spotkało jej dzieci, pomimo całkowitych ciemności. Otóż jej potomstwo w momencie zagrożenie wyemitowało sygnał ultradźwiękowy, który odebrała ich matka i wiedziała że są one w niebezpieczeństwie. Inne zwierzęta jak np. ryjoskoczek są w stanie rejestrować niesłyszalne dla człowieka dźwięki, jak np. szelest pełznącego po piasku węża, czy ruch skrzydeł afrykańskiego puchacza.

Szczury wędrowne, które kłócą się między sobą to piszczą na siebie wydając ultradźwięki, których nie możemy usłyszeć. Jest to mechanizm pozwalający im na rozstrzygnięcie sporu zanim przejdą do bardziej drastycznych środków, jak np. do gryzienia.

Ultradźwięki można wykorzystać także przeciw zwierzętom. Jako że niektóre gatunki są na nie uwrażliwione, można przy ich pomocy wywołać u nich określone zachowanie. W ten sposób np. przegania się z domów czy ogrodów szczury, myszy, krety, czy kuny. Stosuje się tutaj specjalistyczne nadajniki ultradźwiękowe. Minusem tej metody jest to, że oprócz wymienionych zwierząt uciekną także koty i psy.

Chyba każdy słyszał o gwizdku który służy do przywoływania psów. Otóż dźwięk wydobywający się z niego dla ucha ludzkiego brzmi co najwyżej bardzo cicho. Jednak ucho zwierzęcia jest bardzo na niego wyczulone, dlatego też czasami można przywołać psa z odległości nawet kilkuset metrów. Innym przykładem są kory, które są w stanie rejestrować ultradźwięki wydawane przez myszy. Dzięki temu koty mogą lokalizować myszy. W latach 80 Związek Radziecki wykorzystywał do podsłuchu pluskwy pracujące na ultradźwiękach. Kilka takich pluskiew zostało podłożonych w ambasadzie holenderskiej. Podsłuchy te zostały odkryte nie przez ludzi, ale co ciekawe przez koty syjamskie które odkryły je pod dywanem uważając, że źródłem ultradźwięków są myszy.

Słuch ultradźwiękowy

Okazuje się, że gatunków zwierząt, które są w stanie rejestrować ultradźwięki, jest ogromna ilość. Z technicznego punktu widzenia ich narządy słuchu nie są bardziej skomplikowane od naszego. Po prostu są wrażliwsze na dźwięki o częstotliwościach powyżej 20 kHz. Jednak przez wiele lat problemem dla badaczy stanowił mechanizm wytwarzania ultradźwięków przez zwierzęta. Problem dotyczył takich zwierząt jak nietoperze, czy delfiny, które używają tzw. echolokacji do orientowania się w otoczeniu. Obecnie wydaje się, że problem ten został rozwiązany i naukowcy już znają mechanizm wytwarzania ultradźwięków przez zwierzęta, jednak jak na razie wyniki tych badań pozostają tajemnicą wojskową.

Zastosowanie ultradźwięków

Głównie wykorzystuje się je w celach echolokacyjnych jak np. do poszukiwania ławic ryb, pomiaru głębokości, analizy dna morskiego. Wszystkie te zadania można wypełnić za pomocą urządzenia zwanego sonarem. Zazwyczaj sonar zaopatrzony jest w komputer, który przetwarza sygnał echolokacyjny na obraz na ekranie.

Ultradźwięki wykorzystywane są także przez inżynierów, którzy za ich pomocą sprawdzają czy elementy konstrukcji budynków, samolotów, czy innych urządzeń nie posiadają żadnych pęknięć, czy innego tego typu usterek. Stosuje się tutaj tzw. metodę defektroskopii ultradźwiękowej, która jest metodą badania ciał stałych za pomocą echa ultradźwiękowego.

Każdy zapewne słyszał o ultrasonografie. Jest to urządzenie wykorzystujące ultradźwięki do skanowania organizmu ludzkiego. Wykorzystuje się tutaj różnicę w sposobie odbijania się dźwięków od kości, mięśni, czy innych tkanek. Emitowane fale przez ultrasonograf po odbiciu od organów wewnętrznych są rejestrowane i następnie przetwarzane przez komputer, w wyniku czego powstaje obraz wnętrza ciała na ekranie.