Zastosowanie ultradźwięków

Ultradźwiękami nazywamy dźwięki o częstotliwości większej niż górna granica częstotliwości dźwięku słyszalnego przez człowieka, a więc powyżej 20 kHz. Do ich wytwarzania służą generatory ultradźwięków (przetworniki nadawcze), do odbioru zaś — różnego rodzaju przetworniki odbiorcze (radiometry ultradźwiękowe, przetworniki piezoelektryczne, magnetostrykcyjne i in.). Przy większej częstości ultradźwięków przetworniki piezoelektryczne mają specjalne konstrukcje cienkowarstwowe. W przyrodzie ultradźwięki występują zarówno jako składniki szumów naturalnych (szum wiatru, morza, deszczu i in.), jak też wśród głosów świata zwierzęcego (nietoperze, delfiny). W mojej pracy postaram się opisać kilka przykładów użyteczności ultradźwięków.

Jedną z dziedzin, w których są one wykorzystywane jest medycyna. Używa się ich np. w USG (ultrasonografach). Jest to nieinwazyjna metoda diagnostyczna wykorzystująca zjawisko częściowego odbijania fal ultradźwiękowych na granicach tkanek i narządów o różnych gęstościach. Czas przejścia fali i jej amplituda są podstawowymi parametrami, z których uzyskuje się informacje o ośrodku badanym metodą echa ultradźwiękowego. Nadajnikiem ultradźwięków, będącym również odbiornikiem (dzięki odwracalności zjawiska piezoelektrycznego), jest kryształ odpowiedniego dielektryka umieszczony w głowicy ultradźwiękowej, która przesuwa się po powierzchni ciała pacjenta. Zmienne napięcie elektryczne przyłożone do kryształu generuje impulsy ultradźwiękowe wysokiej częstości, o małym natężeniu, które wnikają w głąb tkanek. Odbite od powierzchni granicznych kolejne echa są przetwarzane w krysztale głowicy na sygnał elektryczny, a czas pomiędzy emisją i odbiorem jest miarą odległości przebytej przez ultradźwięki. Współczesne ultrasonografy zawierają do kilkunastu przetworników piezoelektrycznych. Po elektronicznym przetworzeniu otrzymanych sygnałów można uzyskać na ekranie monitora obraz przekroju narządu w dowolnej płaszczyźnie. Odpowiednie oprogramowanie komputera, będącego częścią nowoczesnego ultrasonografu, pozwala na prezentację trójwymiarową — obraz badanego organu można obracać na ekranie monitora, co ułatwia określenie jego kształtu i budowy anatomicznej. Szczegółowych informacji dostarcza analiza wybranych przekrojów organu. Metoda ta jest znacznie bezpieczniejsza dla zdrowia człowieka od „prześwietlania” ciała promieniami rentgenowskimi.

Inną grupę metod ultradźwiękowych w diagnostyce medycznej stanowią sposoby oparte na zjawisku Dopplera , w których wykorzystuje się zależność między różnicą częstości fali emitowanej i fali odbitej od poruszającego się obiektu (ośrodka) a jego prędkością Umożliwia ono pomiar prędkości przepływu krwi w naczyniach krwionośnych. Zjawisko to wykorzystuje się także w hydrolokacji oraz do pomiarów prędkości strumienia płynów.

Ultradźwięków używa się również w echosondzie. Jest to urządzenie nawigacyjne wykorzystujące odbicie fali ultradźwiękowej od ciał stałych, służące głównie do wyznaczania głębokości wód morskich lub śródlądowych, bądź położenia skał, gór lodowych, zatopionych wraków, ławic ryb (na łowiskach mor.) itp. Nadajnik ultradźwięków, najczęściej wbudowany w kadłub statku, wysyła impulsy, które po odbiciu od przeszkody wracają do odbiornika, umieszczonego w pobliżu nadajnika. Miarą odległości od przeszkody jest czas przebiegu fali tam i z powrotem (prędkość dźwięku w wodzie ok. 1500 m/s). Pomiar czasu przebiegu bywa zwykle dokonywany automatycznie przez specjalną aparaturę pomiarowo-rejestrującą, umożliwiającą bezpośrednie odczytywanie w sposób ciągły mierzonych odległości oraz obserwację (na monitorze) i zapisanie w pamięci komputera, a w razie potrzeby wykreślenie (na papierze) sygnału echa reprezentującego profil dna lub inne obiekty znajdujące się w toni wodnej i odbijające sygnał akustyczne, np. ryby. Natężenie sygnałów odbitych informuje o tzw. sile celu (analiza sygnałów odbitych pozwala m.in. dokonywać oszacowań zasobów rybnych). Nowoczesne metody detekcji wykorzystują także barwne techniki zapisu, przy których kolor jest dodatkowym nośnikiem informacji o obiektach i ich rozkładzie w toni morskiej. Echosonda jest podstawowym elementem ultradźwiękowych układów echolokacyjnych w morzu, tzw. sonarów (ang. Sonic Navigation and Ranging), wykorzystywanych do zdalnych pomiarów wielkości fizycznych charakteryzujących środowisko morskie (rozkład temperatury, zasolenia, pęcherzyków, prędkości mas wodnych), pomiarów głębokości, analizy dna i poddennych warstw geologicznych, wykrywania zasobów rybnych, przeszukiwania toni wodnej w określonym sektorze azymutalnym (sonar boczny), wykrywania obiektów podwodnych. Na dużych statkach jest często zainstalowanych kilka echosond o różnych zasięgach i różnych częstościach sygnałów oraz różnych szerokościach wiązki ultradźwiękowej. Echosondy, współdziałające z komputerami, są sprzężone z innymi układami nawigacyjnymi, za których pomocą bardzo szybko i dokładnie przetwarza się odebrane echosygnały na pożądane informacje. Echosondy stanowią cenne uzupełnienie urządzeń radarowych, które ze względu na silne tłumienie fal elektromagnetycznych w wodzie są w tych przypadkach bezużyteczne.

Kolejną dziedziną, gdzie ultradźwięki znalazły swoje wykorzystanie, jest ultradźwiękowa obróbka czyli obróbka ziarnami ściernymi swobodnie zawieszonymi w cieczy, wprawianymi w ruch przez narzędzie wykonujące drgania o częstości ultradźwiękowej. W wyniku procesów skrawania, kruszenia i ścierania w obrabianym materiale jest odwzorowywany kształt narzędzia. Ruch drgający narzędzia uzyskuje się wykorzystując zjawisko magnetostrykcji. Obróbkę ultradźwiękową stosuje się do bardzo twardych i kruchych materiałów (hartowana stal, węgliki spiekane, szkło, diament, szafir, porcelana i in.), przy czym kształty obrobionych powierzchni mogą być różnorodne (otwory walcowe i kształtowe, płaszczyzny, powierzchnie grawerowane itp.).

Ultradźwięki są wykorzystywane przez człowieka jeszcze w wielu innych dziedzinach. Czynne ich zastosowanie powoduje zmiany nieodwracalne lub częściowo nieodwracalne w ośrodku poddanym ich działaniu, natomiast zastosowanie bierne, nie wpływające destrukcyjnie na ośrodek, w którym się rozchodzą, możliwe jest tylko przy małym ich natężeniu. Tak czy inaczej są one bardzo użyteczne ludziom w życiu codziennym.