Ultradźwięki i infradźwięki

Fale sprężyste o częstotliwościach powyżej słyszalnych to jest powyżej 16 kHz – częstość taka przyjmuje się jako granicę słyszalności, nazywa się ultradźwiękami (naddźwiękami), przy czym terminem tym obejmuje się zjawisko do częstotliwości 10 GHz fale sprężyste, których częstotliwość przewyższa 10 GHz, nazywa się hiperdźwiękami. Hiperdźwiękowy zakres zjawisk sprężystych kończy się od góry naturalną granicą wyznaczoną dla danego ośrodka przez częstotliwość odpowiadającą długości fali porównywalnej o mniejszych długościach nie mogą powstać, gdy znikają warunki konieczne dla ich rozprzestrzeniania się (to jest znikania możliwości przekazania zaburzenia sprężystego jako energii mechanicznej po miedzy atomami w drodze bezpośredniej). Ultradźwięki które wytwarzamy i odbieramy jako koherentne (spójne) wiązki fal sprężystych, hiperdźwiękowe fale cieplne (tzw. debayowskie) stanowią zbiór fal niekoherentnych rozchodzących się we wszystkich możliwych kierunkach wewnątrz ciała, które rejestrujemy tylko pośrednimi metodami wykorzystując zjawisko akustooptyczne (akustyczne zjawiska kwantowe).
Ultradźwięki, a tym bardziej hiperdźwięki, odznaczają się małymi długościami fal, np. przy częstotliwości 16 kHz długość fali w powietrzu wypada około 2 cm w cieczach około 8 cm, w ciałach stałych około 30 cm, natomiast przy 10 GHz długość fali była by około 3‾ cm w cieczy rzędu 1,210‾ i w ciele stałym 410‾ cm . W zakresie hiperdźwiękowych długości fal sprężystych stają się porównywalne z długościami światła widzialnego (400 – 800 nm), w granicznym przypadku w ciałach stałych przy częstotliwości 10¹² - 10¹³ Hz długości fal sprężystych wynoszą od 5 – 0,5 nm.
Nie wątpliwie małe długości fal ultra – i hiperdźwiękowych zadecydowały o specjalnym ich zastosowaniu. Dzięki małym długościom fal ultradźwięki można wizualizować za pomocą światła (zjawiska akustooptyczne), można je ogniskować i kształtować w wiązki o dobrej kierunkowości (akustyka morza, holografia akustyczna) i można mówić z dobrym przybliżeniem o promieniach ultradźwiękowych.
Zastosowanie ultradźwięków można podzielić zasadniczo na bierne i czynne, które uzupełniają metody bezpośredniego wzmacniania drgań ultradźwiękowych.
Zastosowanie bierne ultradźwięków. Każda zmiana stanu lub właściwości ośrodka powoduje zmianę warunków rozchodzenia się w nim fali akustycznej (co przede wszystkim przejawia się w zmianie prędkości fali o tłumienia), badanie zmiany parametrów pola akustycznego jest jedną z bardzo czułych metod badania właściwości i struktury różnych ciał. Zwłaszcza dobrze do tego celu nadają się ultradźwięki, gdyż mniejsza długość fali zapewnia większą zdolność rozdzielczą i dokładność pomiaru.
Jeśli chodzi o dokładność pomiaru, ultradźwięki mają dużą przewagę nad drganiami elektromagnetycznymi z powodu dużo mniejszej (o kilka rzędów) prędkości ich rozchodzenie się, zatem znacznie polepsza to zdolność rozdzielczą metod ultradźwiękowych, w porównaniu z metodami elektromagnetycznymi. Mała długość fali umożliwia po za tym realizację ultradźwiękowych układów ogniskujących (soczewki styczne) odważających niejednorodności pola akustycznego. Za pomocą specjalnych metod (wizualizacja pól akustycznych) obrazy te mogą być obserwowane wzrokiem na ekranie. Jeszcze jednym skutkiem małej prędkości rozchodzenia się ultradźwięków jest możliwość uzyskania dużych opóźnień sygnału przy niewielkich rozmiarach urządzenia, co jest wyzyskiwane w ultradźwiękowych liniach opóźniających, stosowanych szeroko w elektronowych maszynach liczących, a także w maszynach sterujących i w urządzeniach radio – i hydrolokacyjnych.
Górna granica stosowanych częstotliwości ultradźwiękowych zależy od tłumienia dźwięku w ośrodku, ponieważ tłumienie reguły wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości. W konkretnych sytuacjach optymalną częstotliwością pacy zbiera się uwzględniając z jednej strony tłumienie, a z drugiej – wymaganą zdolność rozdzielczą.
Ultradźwięki w badaniach strukturalnych stosuje się przede wszystkim do wykrywania nie jednorodności makroskopowych, których wymiary są porównywalne lub większe od długości fali. Na tym też polega zastosowanie ultradźwięków w hydrolokacji i defektoskopii, a także w badaniach struktury części organizmów żywych (gałki oczne, serca), w diagnostyce medycznej itd. Do tej grupy zagadnień zaliczyć też można wyznaczenie geometryczne wymiarów ciał, np. grubości blach lub poziomu cieczy w zbiornikach. Odpowiednie pomiary mogą być przeprowadzane zarówno przy pracy impulsowej, jak przy użyciu fali ciągłej.
Pomiar prędkości rozchodzenia się i tłumienia ultradźwięków jest szczególnie czułym wskaźnikiem zmian warunków zewnętrznych (temp., ciśnienie i inne) oraz spowodowanych przez nie zmian właściwości samego ośrodka na tej zasadzie opierają się metody określania ilości domieszek i stopnia zanieczyszczenia, stosowane w kontroli przemysłowej, a także kontroli takich procesów jak ługowanie, rozpuszczanie, polimeryzacja i depolimeryzacja, starzenie. Metody ultradźwiękowe stosuje się również do badania właściwości monokryształów i ośrodków polikryształów.
Zastosowanie czynne ultradźwięków. Cechą charakterystyczną czynnych zastosowań ultradźwięków jest stosowanie średnich i dużych natężeń powodujących zmiany nieodwracalne w nadźwiękawianym ośrodku. Zmiany te są również związane z różnymi efektami nieliniowymi(kawitacja akustyczna, ciśnienie promieniowania akustycznego), z których najbardziej istotne znaczenia mają strumienie akustyczne i kawitacja.
W przypadku ośrodków biologicznych ultradźwięki umożliwiają nawet wizualizację wnętrza niedostępnego dla oka bez dokonywania krwawego zabiegu, a także – co jest szczególnie cenne bez żadnych szkodliwych skutków ubocznych. Dzięki temu ultradźwięki znalazły obecnie szerokie zastosowanie diagnostyczne w medycynie, w takich jej dziedzinach jak położnictwo, kardiologia, okulistyka, neurologia, onkologia, chirurgia naczyniowa itp.
Dzięki małym długościom fal a wysokim częstotliwością (natężenie jest proporcjonalne do kwadratu częstotliwości) można stosukowo łatwo otrzymywać ultradźwięki o dużym natężeniu (dziesiątki W/cm²), przy którym pojawiają się zjawiska nieliniowe nie występujące przy falach o małej amplitudzie.
Jeśli długości fal ultradźwiękowych stają się porównywalne z wielkością niejednorodności lub ziarnistości ośrodka, w szczególności z rozmiarami określającymi jego strukturę molekularną, w tedy charakter rozchodzenia się tych fal zależy wyraźnie od własności ośrodka. Badając prędkość rozchodzenia się i tłumienia fal ultradźwiękowych możemy określać procesy molekularne w rożnych ośrodkach (badanie środków za pomocą ultradźwięków). Oddziaływanie fal ultradźwiękowych o dużych częstotliwościach ze strukturą ośrodka prowadzi do wystąpienia zjawisk, które wykazują kwantowy charakter tych procesów.
Do wytwarzania i odbioru ultradźwięków stosuje się różne urządzenia zwane przetwornikami ultradźwiękowymi. Przeważają one energię określonego układu nieakustycznego, drgającego z częstością ultradźwiękową, w energię akustyczną (przetworniki nadawcze – generatory ultradźwiękowe) lub odwrotnie – energię akustyczną w energię innego rodzaju (przetworniki odbiorcze). W zależności od rodzaju energii, która jest przetwarzana na akustyczną lub odwrotnie, rozróżniamy generatory lub odbiorniki ultradźwiękowe mechaniczne, elektryczne, magnetyczne, cieplne, chemiczne i optyczne. Przetwornikami odwracalnymi nazywa się takie, które działają w obydwu kierunkach z równymi sprawnościami. Różne rodzaje przetworników ultradźwiękowych dzieli się na grupy biorąc za podstawę zasadę działania wykorzystującą określone zjawisko fizyczne, w którym zachodzi przeważanie jednej energii w drugą.
Infradźwiękami nazywamy drgania ośrodka gazowego lub ciekłego o częstotliwościach poniżej słyszalnej. Zwykle przyjmuje się umowie jako zakres infradźwięków pasmo o częstości 0,1 – 20 Hz. W ostatnich latach zainteresowanie tego typu drganiami bardzo wzrosło, gdyż w środowisku współczesnego człowieka stanowią one ważny czynnik zakłócający.
Fale infradźwiękowe działają na cały organizm ludzki. Wywołują one drgania rezonansowe klatki piersiowej, przepony brzusznej i organów trawiennych. Schemat zastępczy człowieka pokazuje rysunek:




Powoduje to zaburzenia systemu oddychania, a przy dłuższym działaniu prowadzi do chorób układu trawienia. Infradźwięki mogą też powodować zakłócenia organu równowagi i zmniejszenia ostrości widzenia. Istniej pewna analogia i addytywność infradźwięków i alkoholu, objawiająca się zmniejszeniem szybkości reakcji nerwowych.
Granice bólu i próg odczuwania wrażeń pochodzących od infradźwięków określa się podobnie, jak dla dźwięków słyszalnych. Im nisza częstość tym bardziej te dwie granice do siebie się zbliżają. Tak ogólnie można rozróżnić następujące zakresy oddziaływania infradźwięków na organizm ludzki.
Poniżej 120 dB. W tym zakresie krótkie działanie infradźwięków nie wywołuje wrażeń przykrych i nie jest szkodliwe. Przy dłuższym działaniu wytopić mogą jeszcze mało zbadane ujemne skutki infradźwięków.
Między 120 –140 dB. Przebywanie w polu infradźwięków powodować może lekkie zakłócenia procesów fizjologicznych i uczucie nadmiernego zmęczenia.
Między 140 – 160 dB. Już przy krótkim (2 min) działaniu, infradźwięki powodują nie przyjemne objawy fizjologiczne (zakłócenia zmysłu równowagi, wymioty). Dłuższe działanie spowodować może trwałe uszkodzenia organiczne.
Powyżej 170 dB. Stwierdzono na zwierzętach śmiertelne działanie infradźwięków spowodowane przeważnie przekrwieniem płuc.
Źródła infradźwięków podzielić można na naturalne i sztuczne. W naturze główną przyczyną powstawania infradźwięków są ruchy powietrza i wody. Falowanie powierzchni mórz i oceanów i prądy podwodne wytarzają szumy o maksimach leżących w widmie dźwięków słyszalnych, ale wchodzących również w zakres infradźwiękowy. Prócz tego falująca powierzchnia morza jest źródłem fal infradźwiękowych o bardzo niskich częstotliwościach (rzędu 0,2 Hz) rozchodzących się w atmosferze. Inny jest mechanizm powstawania infradźwięków w wodospadach, gdzie rezonans obszaru między skałą a płaszczem wodnym daje czasem wyraźne maksima szumu w zakresie infradźwiękowy.
Ruchy górnych warstw atmosfery powodują odbicia fal powstających na powierzchni morza. Wyładowania atmosferyczne są źródłem fali infradźwiękowej towarzyszącej grzmotowi. Wiatr opływający wysokie budynki także generuje fale infradźwiękowe o natężeniu mogącym przekraczać 100 dB.
W śród źródeł sztucznych najsilniejszymi są wybuchy atomowe lub termojądrowe. Typowy przebitek zmian ciśnienia wywołanym wybuchem atomowym. Natężenia fali infradźwiękowej wywołanej wybuchem wnioskować można o wielkości ładunku wybuchowego.
Najgroźniejszym w przyszłości źródłem infradźwięków może stać się transport lotniczy. W lotnictwie poddźwiękowym najhałaśliwsze są helikoptery dające infradźwięki zawierające maksima o częstościach odpowiadających liczbie obrotów śmigieł. Samoloty naddźwiękowe przy przekraczaniu bariery dźwięku wytwarzają fale uderzeniową o bardzo dużej amplitudzie. Maksimum przenoszonej energii zależy od wielkości samolotu – pościgowce dają fale o maksimum przy 20 Hz, gdy dla ciężkich samolotów typu concorde maksimum to przypada przy około 2 Hz. Silna fala uderzeniowa powodowana jest również wystrzeleniem ciężkich rakiet. Obserwowano, że przy nie sprzyjającym gradientu temperatura w atmosferze, fala podmuchu od rakiety może uszkodzić budynki. Pociągi u ruch drogowy dają lokalne pole infradźwiękowe w pasie około 200 metrów w wokół trasy przejazdów.
Na statkach zwłaszcza na szybkich jednostkach, nie przyjemne są drgania o częstości infradźwiękowej przenoszonej od silnika Diesla po przez konstrukcje statku.
W przemyśle jednym z głównych źródeł infradźwięków są szybkie przepływy gazów np. w dmuchawach wielkopiecowych osiągają one poziom 120 dB. Szczególnie uciążliwe mogą być drgania rezonansowe kanałów wentylacyjnych.
Narzędzia udarowe jak nitownice, młoty pneumatyczne i inne wytwarzają jednocześnie infradźwięki i drgania przenoszące się na ręce robotników. Stwierdzono, że przyśpieszenia przekraczają w tych przypadkach wielokrotnie przyśpieszenie ziemskie i działają szkodliwie na organizm.
Systematyczne badania źródeł fal infradźwiękowych i ich działania na żywe organizmy datują się zaledwie od kilku lat, to też wielu zjawisk nie wyjaśniono do końca.