Wstęp. Definicja.

Fale dźwiękowe są zaburzeniem rozprzestrzeniającym się w ośrodku (woda, powietrze). Fale przenoszą energię bez transportu materii. W przypadku fal mechanicznych cząsteczki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, wykonują ruch oscylacyjny wokół położenia równowagi. Ultradźwięki to fale o częstotliwościach z zakresu 16 kHz - 100 MHz. Oznacza to, że są falami o częstotliwości zbyt wysokiej, nieodbieranej dla ludzkiego ucha, przy czym dla różnych ludzi granica słyszalności może wynosić od 16 nawet do 20 kHz.

Ultradźwięki w przyrodzie

Ultradźwięki są powszechnie wykorzystywane w komunikowaniu się ze sobą lub echolokacji przez wiele gatunków zwierząt (psy, delfiny, wieloryby, nietoperze, pewne gatunki owadów i ptaków). Echolokacja polega na przestrzennym orientowaniu się w otoczeniu różnych przedmiotów poprzez wysłanie sygnału a następnie odbiór i analizę fali odbitej i dotyczy głównie zwierząt żerujących nocą, pozbawionych dobrze wykształconego narządu wzroku lub przebywających stale w ciemnościach. Najlepszy zmysł echolokacji posiadają delfiny. Są wyposażone w rezonator generujący skupioną wiązkę fal. Wyspecjalizowany mózg tych zwierząt jest w stanie dokładnie zanalizować otrzymane drogą echolokacji dane i przedstawić je w postaci trójwymiarowej. Co ciekawe, delfiny nie tylko 'widzą" za pomocą ultradźwięków swe otoczenie, ale również wnętrza innych zwierząt. Wiele gatunków nietoperzy posiada narząd wytwarzający ultradźwięki oraz duże i czułe narządy słuchu. Dzięki temu potrafią bezbłędnie wykrywać owady latające nocą. Z kolei pewne owady umieją wykrywać emitowane przez nietoperze ultradźwięki i przez to bronić się przed nimi, na przykład maksymalnie składając skrzydła i szybko opadając ku ziemi.

Metody wytwarzania ultradźwięków

  1. mechaniczne

Pierwotnie generatorami ultradźwięków były po prostu mechaniczne układy drgające (struny, płytki sprężyste, piszczałki. Wykorzystywały one albo drgania same tworzywa (metalu), albo przepływ gazów i cieczy. Typowe przykłady to syreny ultradźwiękowe i piszczałka Pohlmana - Janowskiego, wykorzystywana do wytwarzania rozmaitych emulsji w chemii i biotechnologii. Urządzenia takie charakteryzuje: duża moc akustyczna otrzymanego dźwięku, stosunkowa niewielka częstotliwość fali, niewielki zakres dostrajania systemu oraz wąskie widma falowe. Aby otrzymać szerszy zakres widmowy zaczęto wykorzystywać tarcie pomiędzy ciałami stałymi. Można się o tym łatwo przekonać, obserwując bardzo wysokie tony generowane podczas tarcia kawałkiem styropianu o szybę. W tym ostatnim przypadku charakterystyka wyjściowej fali zależy oczywiście od typu trących powierzchni (ich chropowatości) oraz prędkości tarcia.

Inną możliwością otrzymania ultradźwięku o szerokim spektrum częstotliwości jest tzw. metoda udarowa. Mamy tu na celu wytworzenie mechanicznej fali sprężystej w ciele stałym na skutek uderzenia jednego ciała o drugie poprzez zjawisko wewnętrznego odkształcenia ciała uderzanego. Szerokość widma ultradźwięku jest w tym przypadku odwrotnie proporcjonalna do masy ciała uderzającego. Skrajnym przypadkiem jest modyfikacja metody udarowej wykorzystująca strumień jonów lub elektronów do wzbudzania w ciałach stałych fal o małych długościach i, co za tym idzie, dużych częstościach. Przykład zastosowania metod udarowych stanowi generowanie ultradźwięków szerokopasmowych o widmie z zakresu 1-1,5 MHz wewnątrz konstrukcji stalowych na skutek zderzenia ze strugą cząstek unoszonych przez sprężone powietrze.

  1. termiczne

Termicznie generowane ultradźwięki można uzyskać poprzez wyładowania elektryczne w płynach i gazach, poprzez ciągle lub tez impulsowe podnoszenie temperatury przewodników prądu. Wydajność takich prostych źródeł termicznych jest wprawdzie nieznaczna i wynosi około 1%, jednak można tymi metodami otrzymać duże moce fal akustycznych. Najbardziej typową metodą jest w tym przypadku wykorzystanie efektu Joulea-Lenza. W przewodniku prądu stałego modulowanego napięciem zmiennym powstaje na skutek wyładowań elektrycznych prąd (strumień) jonowy. W wyniku modulacji o dużej częstotliwości otrzymuje się drgający emiter fal ultradźwiękowych. Jeżeli układ ten, zwany też jonofonem, uzupełnimy o specjalna tubę, możliwe będzie uzyskanie ultradźwięków o częstościach z zakresu kilkuset kHz. Metody te jako mało wydajne przez długi czas uznawane były za przestarzałe i wykorzystywano je sporadycznie (głównie eksplozje na morzu celem wywołania impulsów ultradźwiękowych). Dopiero wraz z rozwojem spektroskopii optoakustycznej (Rozenweig, Bell, Tyndall - lata 80 XX wieku) termiczne sposoby generowania ultradźwięków bardzo rozpowszechniły się w nauce i technice. Podstawą jest tutaj efekt optoakustyczny, zachodzący, gdy gaz zamknięty w komorze oświetla się modulowaną wiązka światła. Wówczas energia pochłaniana przez gaz przechodzi w energie kinetyczną jego cząstek, dając wypadkowe zmiany ciśnienia w komorze. Fluktuacje ciśnienia zaś generują fale akustyczne. Najczęściej używanym źródłem światła jest laser impulsowy o dużej mocy.

  1. optyczne

Optyczne metody przypominają nieco sposoby termiczne i również bazują na odkryciach Bella i innych. Oddziaływanie światła laserowego na ośrodek ciekły lub stały powoduje powstawanie w nim mechanicznych fal sprężystych o dużej dowolności częstotliwości w zależności od parametrów lasera (zwłaszcza moc lasera jest tu silnie skorelowana z wyjściową amplitudą ultradźwięku). Wykorzystanie wiązki światła pozwala na wytworzenie krótkich impulsów nano- i pikosekundowych. Istotną zaletą metod optycznych jest z technicznego punktu widzenia możliwość wzbudzenia fal na bardzo niewielkich powierzchniach ciał.

  1. elektryczne i magnetyczne

Są to z punktu widzenia techniki najnowocześniejsze metody. Jedną z nich, wykorzystywaną głównie w medycynie, stanowi odwrotny efekt piezoelektryczny. Zjawisko piezoelektryczności polega na pojawieniu się polaryzacji elektrycznej pod wpływem naprężeń mechanicznych w ciele. Istnieje także efekt odwrotny, przejawiający się istnieniu naprężeń sprężystych i deformacji ciała krystalicznego umieszczonego w polu elektrycznym. Typowymi takimi kryształami są turmalin lub kwarc. Do symetrycznie położonych względem siebie ścian kryształu przykłada się zmienne napięcie elektryczne. W rezultacie zachodzi deformacja sieci krystalicznej i wystąpienie drgań o częstości ultradźwiękowej.

Mająca duże znaczenie praktyczne metodą wzbudzania fal akustycznych w metalu jest wzbudzanie drgań poprzez oddziaływanie z polem magnetycznym bez wykorzystania pośrednich przetworników. Można to osiągnąć np. umieszczając powierzchnię ciała metalicznego w sposób prostopadły lub równoległy do linii sił pola silnego magnesu lub elektromagnesu. Efektem są odpowiednio ultradźwięki poprzeczne i podłużne. Inna podobna metoda oparta jest na zjawisku magnetostrykcji. Polega ono na zmianie długości rdzenia magnesu pod wpływem zmiennego prądu przepuszczanego przez zwojnicę (np. drut miedziany) nawinięty na rdzeń. Tą droga otrzymuje się głównie fale ultradźwiękowe o niskich częstotliwościach.

.

Zastosowanie ultradźwięków

  1. medycyna

Główne zastosowanie medyczne to ultrasonografia, w której dane na temat budowy i czynności narządów wewnętrznych otrzymuje się drogą odbicia fal ultradźwiękowych od narządów i różnych pod względem struktury tkanek oraz obserwacją zmian częstotliwości fal odbitych (dzięki efektowi Dopplera) od narządów w będących w ruchu. Do ciekawostek należy fakt, że, jak w wielu innych przypadkach w nauce i technice, rozwój ultrasonografii zapoczątkowany został bezpośrednio poprzez odkrycia militarne z zakresu badań promieniowania radarowej i sonarowej. Obecnie częstości ultradźwięków używane do badań wnętrza ciała ludzkiego to zakres od ok. 1 do 15 MHz, w zależności od głębokości, na jakiej leżą badane narządy. I tak na przykład organy jamy brzusznej wymagają fal o częstotliwości nawet 0,5 MHz, a diagnostyka zmian podskórnych i skórnych wykorzystuje dźwięki dochodzące nawet do kilkudziesięciu MHz. Leczniczy wpływ drgań ultradźwiękowych polega też na zmniejszaniu bólu i napięć mięśniowych, usuwaniu procesów zapalnych, pomocy w leczeniu naczyń krwionośnych, nerwobóli oraz zwyrodnień stawów. Ponadto ultradźwięki pomocne są w ustalaniu położenia zmian nowotworowych (w sytuacjach, gdy niemożliwa jest diagnostyka za pomocą promieni Roentgena, zwłaszcza we wczesnych stadiach rozwoju choroby.) Dobrze skupiona, spójna wiązka ultradźwiękowa jest w stanie doprowadzić do destrukcji tkanek nowotworowych oraz kamieni wewnątrzustrojowych w sposób prawie bezinwazyjny dla bliskich tkanek niezmienionych chorobowo. Impulsowe drgania znajdują tez zastosowanie w diagnozowaniu chorób serca. Przeprowadza się także leczenie polegające na wprowadzaniu do narządów (np. pęcherzyków płucnych) lekarstw w postaci zawiesiny aerozolowej, otrzymywanej poprzez działanie ultradźwięków. Wreszcie w stomatologii stosowane są już od kilku lat specjalne wiertła ultradźwiękowe, umożliwiające precyzyjne i niemal bezbolesne borowanie i plombowanie zębów, oraz wiązki fal zdolne do usuwania kamienia nazębnego.

  1. czyszczenie ultradźwiękowe

Ultradźwięki są bardzo powszechnie wykorzystywane w rozmaitych laboratoriach badawczych i przemysłowych do oczyszczania urządzeń oraz przedmiotów badań. Tzw. myjki ultradźwiękowe znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie brudu i osadów nie można usunąć klasycznymi metodami, lub też rozmiary czyszczonych obiektów są bardzo małe: elektronika, elektryka, produkcja podzespołów komputerowych (płytki drukowane itp.), biotechnologia, medycyna, przemysł precyzyjny, galwanizacja i wiele więcej. Myjki (inaczej: płuczki) ultradźwiękowe są pojemnikami o określonych rozmiarach, z przyczepionymi do dna emiterami drgań ultradźwiękowych (zazwyczaj są to emitery piezoelektryczne lub działające na zasadzie magnetostrykcji). Fale są emitowane wprost do wypełniającej zbiornik cieczy. Szybko drgająca ciecz produkuje pęcherzyki kawitacyjne, skutecznie usuwające zanieczyszczenia z przedmiotów zanurzonych w zbiorniku, przy czym czas i skuteczność czyszczenia zależna jest zarówno od częstotliwości, jak i amplitudy wytwarzanych fal. Im mniejsze rozmiary obiektu, tym większe częstotliwości fal są potrzebne - dla rozmiarów submikroskopowych używane są częstotliwości nawet do 150 kHz. Oczywiście, by metoda była skuteczna, muszą być spełnione określone warunki: równomierny rozkład energii drgań w myjce, brak dużej ilości fal stojących, a w przypadku ich zaistnienia - optymalne umieszczenie mytego ciała w pojemniku.

  1. Silniki i inne urządzenia

Działanie miniaturowych, precyzyjnych silników ultradźwiękowych opiera się na produkcji siły liniowej posuwistej lub obrotowej poprzez specjalnie generowanych drgań piezoelektrycznych. Podobnie działają urządzenia sterujące i wszystkie inne niewielkie źródła energii mechanicznej. Pod względem wykorzystanych efektów można je zaklasyfikować jako: urządzenia mikropopychowe, bezwładnościowe, wykorzystujące fale biegnące lub zjawisko lewitacji akustycznej w polu bliskim.

  1. Badania ośrodka

Podobnie jak zwierzęta, człowiek wykorzystuje ultradźwięki do badania ośrodka. Fale sprężyste o odpowiednich, bezpiecznych dla badanej struktury natężeniach są wysyłane, a następnie, po odbiciu od interesującego nas obiektu, odbierane i analizowane. Ciągłość, amplituda i częstotliwość fali musi być odpowiednio dobrana do danego problemu. Najczęstsze takie zastosowania to: diagnostyka materiałowa, procesy produkcyjne i technologiczne, hydrolokacja, echolokacja. Ultradźwięki dzięki małej długości fal pozwalają na uzyskanie dokładnych obrazów przedmiotów. Np. urządzeniem umożliwiającym obserwację głębin morskich jest sonar, zdolny do lokalizacja obiektów zanurzonych w wodzie, mające także istotne zastosowania militarne. Ultradźwięki są ponadto istotne w nawigacji do łączności, i, co najważniejsze, do wykrywania przeszkód (zwierząt, gór lodowych, podwodnych jednostek pływających.) Statki pasażerskie jak i okręty wojskowe standardowo posiadają specjalne urządzenia hydroakustyczne zapewniające bezpieczną żeglugę.

  1. Obróbka ultradźwiękami i spajanie

Ultradźwięki o odpowiednio dużej mocy mogą służyć do obrabiania tych tworzyw, w przypadku których zastosowanie tradycyjnych metod nie jest wykonalne (pewne rodzaje stopów metali i niemetali, stopy magnetyczne, ceramika, kamienie szlachetne, szkło, krzem i inne półprzewodniki.) Przyrządy do obróbki ultradźwiękami wykorzystują dość małe częstotliwości dochodzące maksymalnie do 30 kHz i amplitudy rzędu setnych części milimetra. Obróbka taka realizowana jest przez skierowanie zmieszanego z wodą proszku szlifierskiego (np. korundowego) i pobudzonego do drgań wraz z fala ultradźwiękową w stronę przedmiotu obrabianego. Takie drgające nie tylko szlifują materiał, ale i z wielką precyzją wiercą w nim odpowiedniego kształtu otwory lub tną ciało. Co najistotniejsze, rozkład naprężeń działających lokalnie na tak obrabiany obiekt jest tak dobrany, że nawet najkruchsze stopy i kryształy nie pękają pod wpływem tych sił.

Lutowanie i spajanie za pomocą ultradźwięków umożliwia łączenie jednego lub różnych metali bez roztapiania ich części stykowych. Polega w ogólności na łączeniu obu styków poprzez dostarczenie im energii mechanicznej i termicznej niesionej przez drgania. Na podobnej zasadzie odbywa się łączenie innych tworzyw, np. mas plastycznych. Używane w tym celu częstotliwości fal to kilkadziesiąt kHz.

.

  1. Ekstrakcja i suszenie ultradźwiękami

Zjawisko ekstrakcji polega na rozdzieleniu zawiesiny i przejściu poszczególnych frakcji gęstości substancji z wnętrza ciał stałych do objętości cieczy poprzez wypłukiwania roztworu. W polu energii gęstości ultradźwięków ekstrakcja ma szybsze tempo, o ile zachodzi jednocześnie kawitacja (zjawisko wywołane zmiennym polem ciśnień cieczy, polegające na tworzeniu się, powiększeniu i zanikaniu pęcherzyków lub innych obszarów zamkniętych zawierających parę danej cieczy, gaz lub mieszaninę parowo-gazową).

Końcowym produktem ekstrakcji jest uzyskanie roztworu zawierającego albo oczekiwany produkt (np. daną klasę bakterii lub substancje leczniczą) albo pewną substancje pośrednią, poddawaną następnie dalszej obróbce. Mając taki roztwór możemy wydobyć z niego owe pożądane substancje poprzez suszenie, odsączenie, odparowywanie lub krystalizację. Suszenie można także znacznie przyśpieszyć stosując ultradźwięki niskoczęstotliwościowe o dużych natężeniach fali, rzędu ponad stu decybeli. Z kolei typowe częstotliwości przydatne przy procesie ekstrakcji to zakres od 20 do 500 kHz. Ekstrakcja ultradźwiękowa znajduje zastosowanie głównie w biologii i biotechnologii, farmacji, oraz przemyśle spożywczym, kosmetycznym i perfumeryjnym.

  1. Technika komputerowa i kosmiczna

Ultradźwięki były dawniej powszechnie stosowane w pamięciach rtęciowych prototypów we wczesnych komputerach. Obecnie są używane w wielu układach sterowniczych komputerów i aparatury kosmicznej. Są nadal tez istotne przy testowaniu materiałów i konstrukcji promów i sond kosmicznych. Na podobnej zasadzie znalazły zastosowanie w astrofizyce: przy badaniu własności skał księżycowych i komet. W tym ostatnim przypadku ogromnym sukcesem zakończyło się użycie ultradźwięków przy badaniu komety Halleya podczas jej przelotu w pobliżu Ziemi w 1986 roku, gdy detektory czułe na częstotliwości z zakresu ok. 200 kHz zmierzyły stopień oddziaływań drobin w warkoczu pyłowym komety na aparaturę satelity Giotto, przecinającego warkocz.

  1. Rolnictwo

Zastosowanie ultradźwięków w rolnictwie to głównie bezpieczne i precyzyjne czyszczenie nasion i części roślin (m.in. nasiona bawełny, liście kawy i herbaty), poprawiające wegetację i ogólny metabolizm danej rośliny, a zatem i zwiększenie jakości otrzymywanych w niej produktów spożywczych i przemysłowych. Z kolei krótkie naświetlanie innych nasion ultradźwiękami ma wpływ na ich szybszy niż zazwyczaj rozwój (dotyczy to np. warzyw i owoców: pomidory, cebula, melony i inne). Drgania akustyczne są ponadto przydatne przy produkcji środków ochrony roślin oraz przy usuwaniu bakterii i innych szkodników (np. pozbywanie się uporczywych bakterii infekujących buraki cukrowe).