Zaletami pozwalającymi na szerokie zastosowanie ultradźwięków to mała długość fali ultradźwiękowej i duża energia, którą stosunkowo łatwo można regulować.
Ultradźwięki w naturze
W przyrodzie występują zwierzęta posługujące się na co dzień ultradźwiękami. Nietoperze rozwinęły w sobie zmysł echolokacji, dzięki któremu potrafią zlokalizować obiekty znajdujące się w otoczeniu wysyłając ultradźwięki z dużą częstością, co pozwala im wychwycić zmianę położenia obiektów czy kierunku poruszania się. Dźwięki emitowane przez nietoperze potrafią osiągnąć częstotliwość ponad 200 kHz.
Ultradźwiękami posługują się również walenie - wieloryby, kaszaloty, delfiny, itp. Spośród tej grupy najlepszy zmysł echolokacji posiada delfin. Rozwinięty mózg pozwala na analizę odbitych dźwięków i określenie takich parametrów, jak odległość, zmiany kierunku czy nawet trójwymiarowy obraz otoczenia obiektu.
Ultradźwięki słyszą również inne zwierzęta, np. pies, szczur czy też niektóre gatunki owadów.
Poniżej przedstawiono dziedziny, w których wykorzystywane są ultradźwięki:
1. Telekomunikacja i hydrolokacja
2. Miernictwo
3. Badanie materiałów
4. Metalurgia
5. Przemysł spożywczy
6. Przemysł chemiczny
7. Diagnostyka w medycynie
8. Biologia i farmacja
9. Medycyna
10. Inne
Telekomunikacja i hydrolokacja
Woda charakteryzuje się dobrym przewodnictwem elektrycznym co nie pozwala na komunikację, np. statków podwodnych będących w zanurzeniu. W tym celu wykorzystuje się łączność ultradźwiękową uzyskaną za pomocą nadajników. Pozwalają one na uzyskanie kierunkowej wiązki akustycznej, która swobodnie przekazywana jest przez wodę dociera do odpowiednio skonstruowanego odbiornika.
Hydrolokacja - technika określania położenia obiektów w wodzie. Kierunkowa wiązka ultradźwięków w postaci impulsów odbija się od elementów otoczenia i powraca w kierunku sondy. Znając czas jesteśmy określić odległość obiektu od sondy. Taki rodzaj hydrolokacji zwany jest aktywnym. Hydrolokacja pasywna opiera się na analizowaniu dźwięków docierających od lokalizowanego obiektu.
Miernictwo
Technika miernictwa ultradźwiękowego obejmuje pomiary wielkości akustycznych, takich, jak ciśnienie akustyczne, natężenie dźwięku, jego moc i przyspieszenie, rozkład pola akustycznego, czy też stałych akustycznych danego obiektu/ośrodka.
Stosowane do pomiarów przetworniki piezomagnetyczne i piezoelektryczne pozwalające dokonać pomiarów wykorzystują do tego celu proces odwrotny do wytwarzania ultradźwięków.
Przykładami zastosowania ultradźwięków w miernictwie jest betonoskop - przyrząd określający jakość betonu poprzez pomiar prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej.
Rys. Metody pomiaru jakości betonu: bezpośrednia i powierzchniowa
Batymetria zbiorników wodnych to kolejny przykład - dokonuje się pomiaru głębokości, które potem oznaczane są jako izobaty na mapach batymetrycznych odwzorowujących kształt dna zbiornika.
Badanie materiałów
Badania materiałowe opierają się na odbiciu wiązki akustycznej od zniekształceń materiałowych takich , jak pęknięcia, pęcherzyki, rysy, wtrącenia. Odbicie następuje w wyniku zmiany współczynnika pochłaniania i oporności akustycznych, co jest powodem wystąpienie zjawiska ugięcia, odbicia czy załamania wiązki. W badaniach struktury wykorzystuje się tzw. defektoskopy ultradźwiękowe. Są wyposażone w oscylator katodowy wykonujący analizę impulsów pochodzących z nadajnika i odbiornika. Urządzenia te potrafią wykazać zmiany, które powstały na skutek naprężeń jak i działania temperatury. Coraz częściej stosowane są defektoskopy pod postacią karty komputerowej, która wraz z odpowiednim oprogramowaniem pozwala na archiwizowanie i przesyłanie danych.
Oprócz tej pracy urządzenia wykorzystujące do swojej pracy ultradźwięki mogą również określać różne wielkości fizyczne i chemiczne, co pozwala doskonale scharakteryzować badane próbki.
Metalurgia
Obróbka twardych materiałów to proces niezwykle trudny ze względu na duże koszty stosowania narzędzi. Zastosowanie drgań ultradźwiękowych przy takich materiałach, jak twarda ceramika czy syntetyczne kamienie szlachetne pozwala dokonywać obróbki materiału metodą elektroerozyjno-ultradźwiękową - pozwala to uzyskać dowolne kształty w takich materiałach jak porcelana, szkło, węgliki spiekane i usuwać produkty erozji z obszaru obróbki. Stosowanie takich mieszanych metod pozwala na uzyskiwanie małych otworów o dużej dokładności w materiałach trudno obrabialnych, co jest wykorzystywane w m.in. przemyśle lotniczym czy elektronicznym.
Zgrzewanie ultradźwiękowe pozwala na łączenie ze sobą dwóch elementów, nierzadko wykonanych z różnego rodzaju materiałów. Zgrzewarki działają na zasadzie dostarczenia energii drgań ultradźwiękowych na styk łączonych elementów, co powoduje wystąpienie zarówno miejscowego podgrzania, ruchu cząstek jak i zwiększenia ciśnienia. Również lutowanie ultradźwiękowe ma swoją zaletę w postaci efektu kawitacji, która usuwa warstwę tlenków powstających na łączonych powierzchniach. W przemyśle stosowana jest również kontrola jakości połączeń spawanych przy wykorzystaniu ultradźwięków.
Ultradźwięki stosuje się przy odgazowaniu tworzącego się stopu, rozdrabnianiu cząstek oraz wykonywaniu stopu związków, które w normalnych warunkach nie mieszają się ze sobą. Utrwalają proces magnesowania ferromagnetyków i zmniejszają pozostałość magnetyczną. Przy hartowaniu stali znacznie przyspieszają procesu azotowania.
Oczyszczanie ultradźwiękowe to kolejne z zastosowań. Odbywa się przez zanurzenie na określony czas w odpowiednio dobranych cieczach i poddaniu działaniu ultradźwięków. Drgania przekazywane do cieczy przez przetworniki wywołują kawitację co powoduje fale ciśnienia docierające do najbardziej niedostępnych miejsc usuwając zanieczyszczenia - takie, jak olej, tłuszcz, lakier czy też cząstki stałe - z całej powierzchni elementu. Ciecze stosowane w płuczkach ultradźwiękowych to np. czterochlorek węgla, benzyna, alkohol.
Przemysł spożywczy
Procesy przetwórcze w przemyśle spożywczym dążą do skracania i uproszczenia procedur produkcyjnych - ultradźwięki pomagają m.in. przy ekstrakcji chmielu czy kawy, pozwala na sztuczne starzenie win i likierów. Przyspieszenie procesów utleniania i depolimeryzacji pozwala na przyspieszenie czasu pracy nad masą kakaową czy czekoladową przy zachowaniu aromatu. Stosowanie ultradźwięków przy sterylizacji mleka pozwala jednocześnie dokonywać homogenizacji - tworzenie mieszaniny z nie mieszających się składników. Wykorzystuje się to przy produkcji margaryny i homogenizowaniu olejów przy zastosowaniu niskiego ciśnienia.
Przemysł chemiczny
Ultradźwięki pozwalają przyspieszać wiele rodzajów reakcji chemicznych (głównie chodzi o utlenianie, redukcja, polimeryzacja i depolimeryzacja), co jest związane ze zwiększeniem energii ruchu cząsteczek, zmianą sił w wiązaniach międzycząsteczkowych.
Diagnostyka medyczna
Urządzenia medyczne do diagnostyki działają w oparciu o różnice w wartościach stałych akustycznych takich, jak współczynnik pochłaniania i prędkość fali, gdy mamy do czynienia z tkanką zdrową i tkanką chorą. Natężenie wiązki ultradźwięków jest niższa od natężenia biologicznie czynnego, by nie zakłócić naturalnej pracy organizmu. Zastosowanie odpowiednio zbudowanych przetworników obrazu optyczno-akustycznego w powiązaniu z odpowiednio przetworzonymi danymi przez komputer pozwala zajrzeć w głąb organizmu.
Do analizy stanu organów wewnętrznych wykorzystuje się ultrasonografię - metodę otrzymywania dwuwymiarowego obrazu badanego organizmu. W zależności od częstotliwości fali ultradźwiękowej możliwe jest uzyskanie obrazu organów położonych w różnych obszarach. Wykonywane są w ten sposób badania m.in. jamy brzusznej, serca, naczyń krwionośnych.
Biologia i farmacja
Wpływ ultradźwięków na organizmy żywe jest różny w zależności od ich natężenia - wiązka o małym na tężeniu pobudza rozmnażanie komórek i wzrost, przy dużym natężeniu fali ultradźwiękowej organizmu obumierają (wpływ na to ma zarówno kawitacja ja i depolimeryzacja łańcuchów białkowych). Odpowiednio określone natężenie wiązki pozwoli zniszczyć drobnoustroje chorobotwórcze (pałeczki duru brzusznego, streptokoki, itd., zaś z drugiej strony pozwoli na przyspieszenie procesu wzrostu roślin. Wiązka ultradźwiękowa o odpowiedniej długości fali i częstotliwości potrafi również likwidować nasiona grzybków pleśni i drożdży.
Przemysł farmaceutyczny wykorzystuje bakteriobójcze własności ultradźwięków przy sterylizacji środków farmaceutycznych. Własności ultradźwięków pozwalają na tworzenie trwałych emulsji i kruszenia kryształów (np. penicylina).
Medycyna
Oprócz diagnostyki ultradźwięki znalazły zastosowanie również w terapii, gdzie wykorzystano działanie przeciwzapalne, znieczulające, rozkurczowe czy pobudzające krążenie. Wiązka ultradźwiękowa zmniejsza napięcie mechaniczne tkanek przy jednoczesnym ogrzewaniu miejsca masażu.
Ultradźwięki pozwalają na leczenie bólu mięsni, stłuczeń, zapaleń stawów, odmrożeń. Przy stosowaniu tych form terapii niezwykle ważne jest dokładne określenie parametrów wiązki, co nie jest łatwe i w związku z tym jego stosowanie jest ograniczone.
Ultradźwięki wykorzystywane są w rozbijaniu kamieni przy leczeniu kamicy nerkowej czy przewodu pokarmowego i w oddechowej metodzie terapeutycznej - nebulizacji.
Inne
Ultradźwięki stosowane są przy zapobieganiu powstawania kamienia w kotle energetycznym. Fala ultradźwiękowa kierowana jest w kierunku wody - istniejące warstwy kamienia zostają rozbite, zaś wapno strąca się i zostaje usunięte przez płukanie. Okresowe stosowanie impulsów fal ultradźwiękowych skutecznie chronią kocioł przed osiadaniem kamienia.
W przemyśle tekstylnym i papierniczym odpowiednio skonstruowane przetworniki ultradźwiękowe stosuje się do suszenia taśmy papierowej i farby drukarskiej. Ultradźwięki stosuje się również w produkcji farb i lakierów, farbowaniu we włókiennictwie oraz praniu mocno ubrudzonych tkanin wysokogatunkowych.
Osady uzyskiwane w procesie biologicznego oczyszczania ścieków w procesie dezintegracji uwalniają biogaz. Produkcja metanu jest przyspieszana właśnie przy wykorzystaniu do rozdrabniania osadu ultradźwięków, które przy stosunkowo niskiej częstotliwości ale o dużej mocy potrafią efektywnie przyspieszyć proces dezintegracji.
Ultradźwięki mogą być stosowane jako dodatkowa forma dezynfekcji wody przy metodach chemicznych, mogą również być stosowane jako forma odpylenia cząsteczek ciał stałych lub cieczy z gazów uwalnianych przez zakłady przemysłowe i maszyny spalinowe.
W stomatologii stosuje się ultradźwięki w celu usuwania osadu i kamienia, zarówno nazębnego jak i poddziąsłowego.
Ultradźwięki coraz częściej towarzyszą nam w życiu - zaczynając od urządzenia wspomagającego parkowanie samochodu, autoalarm poprzez ultradźwiękowe odstraszacze komarów, kretów czy psów po skomplikowane analizatory akustyczne pomieszczeń czy przetworniki wizualizacyjne (hologramy).
