Ultradźwięki

Co to są ultradźwięki?

Ultradźwięki (naddźwięki) są to fale sprężyste o częstotliwościach znajdujących się powyżej górnej granicy słuchu człowieka to znaczy powyżej 20 kHz. Ultradźwięki to fale akustyczne o częstotliwości wyższej niż 16 kHz (to znaczy przekraczającej górny próg słyszalności dla człowieka) i niższej od 100 MHz (hiperdźwięk). W naturze ultradźwięki emitowane są przez niektóre ssaki (m.in. nietoperze i delfiny) i wykorzystywane przez nie do echolokacji.

Metody mechaniczne
Tradycyjne mechaniczne układy drgające, jak płytki, struny oraz wszelkiego rodzaju gwizdki i syreny (wykorzystujące przepływ płynu lub gazu) były używane jako pierwsze generatory (urządzenia lub maszyny do wytwarzania określonego czynnika energetycznego)fal ultradźwiękowych. Mechaniczne układy przepływowe do wytwarzania ultradźwięków stosuje się w powietrzu i cieczach, i są to zazwyczaj syreny i piszczałki umożliwiające wytworzenie dużych mocy akustycznych przy częstotliwościach nie przekraczających kilkudziesięciu kHz.

Jedną z ciekawszych metod mechanicznego wytwarzania ultradźwięków o stosunkowo szerokim widmie częstotliwości jest metoda udarowa polegająca na wytworzeniu deformacji (odkształcenia) przy zderzeniu stałych ciał sprężystych np. uderzenie małej kuli stalowej o bryłę (płytę, blok, itp.) ciała stałego powoduje powstanie fal sprężystych, których częstotliwości mogą sięgać 100kHz.

Do mechanicznych metod wytwarzania ultradźwięków szerokopasmowych należy także wykorzystanie zjawiska tarcia między ciałami stałymi. Generowane sygnały zależą od prędkości poruszania się i stanu trących o siebie powierzchni.

Metody termiczne
Klasycznymi źródłami termicznymi ultradźwięków są wyładowania elektryczne w płynach. Stosując periodyczne lub impulsowe nagrzewania przewodników, a także wyładowania iskrowe można uzyskiwać w cieczach stosunkowo duże natężenia dźwięków i ultradźwięków. Wydajność takich źródeł nie jest duża (około 1%), jednakże przy wytwarzaniu bardzo krótkich impulsów uzyskiwane moce mogą być znaczne.

Jako metodę termicznego wytwarzania ciągłej fali akustycznej wykorzystuje się ciepło Joule’a-Lenza wytwarzane przez przewodnik, przez które płynie prąd stały zmodulowany prądem zmiennym o określonej częstotliwości. Przewodnik taki może stanowić także łuk elektryczny, który jest strumieniem jonów. Płynący prąd jonowy modulowany (modulacja- proces fizyczny polegający na oddziaływaniu pewnego przebiegu wielkości fiz.) z dużą częstotliwością stanowi drgające źródło promieniujące ultradźwięki. Urządzenie takie zaopatrzone w odpowiednią tubę nazywa się jonofonem. Metodami tego rodzaju wytwarzano ultradźwięki o częstotliwościach sięgających kilkuset kHz.

Magnetostrykcja
Jest to zmiana długości rdzenia magnesu pod wpływem zmiennego prądu przepuszczanego przez solenoid (walcowa cewka powietrzna [bez rdzenia] w postaci przewodu elektrycznego) nawinięty na ten rdzeń. Zjawisko to znalazło zastosowanie w licznych urządzeniach przemysłowych, w których drgania ultradźwiękowe są wytwarzane zazwyczaj w zakresie niskich częstotliwości.

Odwrócenie efektu piezoelektrycznego
Efekt ten zachodzi w różnych minerałach, np. kryształach kwarcu lub turmalinu. Polega na doprowadzeniu do przeciwległych płaszczyzn kryształu kwarcu lub innego minerału szybko zmiennego napięcia elektrycznego. Powoduje to do rozszerzenia lub skurczenia grubości płytki i do powstania drgań o odpowiedniej częstotliwości. Sposób ten jest wykorzystywany w generatorach mających zastosowanie w lecznictwie.

Metody optyczne
W zależności od własności światła laserowego i sposobu jego oddziaływania z materialnym ośrodkiem można w nim wytworzyć fale sprężyste w szerokim zakresie częstotliwości ultradźwiękowych aż do zakresu hiperdźwiękowego. Metoda ta jest bezkontaktowa i umożliwia wzbudzanie bardzo krótkich impulsów o nano- i pikosekundowych czasach trwania, przy czym amplitudy impulsów sprężystych mogą być bardzo małe oraz bardzo duże w zależności od mocy użytych laserów. W zależności od uformowania wiązki laserowej wzbudzania mogą być zlokalizowane nawet na bardzo małych powierzchniach, co także ma duże znaczenie praktyczne.

Zastosowanie ultradźwięków (cztery przykłady).
Ultrasonografia, USG, badanie narządów wewnętrznych za pomocą fal ultradźwiękowych. Metoda diagnostyczna oparta na zjawisku echa ultradźwiękowego. Informacje uzyskane tą metodą mogą być przedstawione na ekranie oscyloskopowym w postaci impulsów lub w postaci obrazu rozkładu tkanek normalnych i patologicznych.

Inhalator, aparat do rozpylania płynów leczniczych przeznaczonych do wziewania (inhalacja). Obok dawniej stosowanych aparatów parowych, stosuje się obecnie napęd elektryczny lub rozpylanie przy użyciu ultradźwięków. Pozwala to na uzyskanie niezwykle drobnych cząsteczek, co umożliwia przenikanie ich do drobnych oskrzelików, a nawet pęcherzyków płucnych.

Myjki ultradźwiękowe - Nowa technologia mycia za pomocą ultradźwięków zapewnia szybkie i skuteczne oczyszczenie najbardziej niedostępnych miejsc. Energia fali ultradźwiękowej przenika przez każdy materiał usuwając zanieczyszczenia; specjalnie dobrany roztwór wodny środka myjącego wypłukuje je. Są to środki niepalne, nie wybuchowe, niepowodujące korozji, nie zanieczyszczające środowiska. System mycia za pomocą ultradźwięków jest najbardziej skutecznym i dającym najlepsze rezultaty sposobem czyszczenia wałków rastrowych (aniloxów). Jest to metoda nieniszcząca powierzchni i może być stosowana również do form drukowych.

Echokardiografia jest to obrazowa metoda badania serca i naczyń krwionośnych za pomocą ultradźwięków. Na ekranie monitora uzyskuje się obraz („echo”) powstający w wyniku odbicia od badanych struktur wewnątrz ciała fali ultradźwiękowej wysyłanej z głowicy aparatu. Zwykle stosuje się ultradźwięki o częstotliwości od 1 do 10 MHz. Istnieje możliwość zarejestrowania obrazu w dowolnym momencie na papierze lub taśmie video.

Agnieszka Warpachowicz