Jak vzniká ultrazvuk?
Není možné, abychom vytvářeli ultrazvuk stejným způsobem, jakým vytváříme normální zvuky – údery a foukáním, jak to děláme například v hudebních nástrojích. To proto, že nemůžeme do věcí udeřit a fouknout dostatečně rychle. Ultrazvuk však můžeme vytvářet pomocí elektrického zařízení, které vibruje s extrémně vysokou frekvencí. Krystaly některých materiálů (například křemene) vibrují velmi rychle, když jimi prochází elektrický proud – tento jev se nazývá piezoelektrický. Při vibracích tlačí a táhnou vzduch kolem sebe a vytvářejí ultrazvukové vlny. Zařízení, která produkují ultrazvukové vlny pomocí piezoelektřiny, se nazývají piezoelektrické snímače. Piezoelektrické krystaly fungují také opačným způsobem: pokud se ultrazvukové vlny procházející vzduchem náhodou srazí s piezoelektrickým krystalem, velmi lehce stlačí jeho povrch a způsobí krátký výboj elektřiny. Pokud tedy připojíte piezoelektrický krystal k elektroměru, získáte okamžitý detektor ultrazvuku.
Artwork: Jak se ultrazvuk vyrábí pro čištění věcí. 1) Vysokofrekvenční střídavý zdroj elektrické energie vysílá energii do tří piezoelektrických měničů (2). Ty se třesou na ultrazvukových frekvencích a vysílají své vibrace na tenkou desku z křemenného skla (3), která přenáší vlny (4) do misky naplněné tekutinou (5), do níž umístíte předměty určené k čištění.
Ultrazvukové vlny lze vytvářet pomocí magnetismu místo elektřiny. Stejně jako piezoelektrické krystaly vytvářejí ultrazvukové vlny v reakci na elektřinu, existují i jiné krystaly, které vytvářejíultrazvuk v reakci na magnetismus. Tyto krystaly se nazývají magnetostrikční a převodníky, které je využívají, se nazývají magnetostrikční převodníky. (Magnetický efekt se nazývá magnetostrikce.)
K čemu se ultrazvuk používá?
Používání ultrazvuku pro praktické účely se někdy nazývá ultrazvuk – a používá se ke všemu, od průmyslového svařování a vrtání až po výrobu homogenizovaného mléka a fotografického filmu.
Medicínské ultrazvukové skenování
Foto: Tato těhotná žena sleduje ultrazvukové snímání dítěte, které se vyvíjí v její děloze. Všimněte si ultrazvukového skeneru (vpravo dole), který se pomalu pohybuje po jejím břiše, a monitoru (nahoře), který ukazuje obraz jejího dítěte. foto: Rafael Martie se svolením US Navy.
Pravděpodobně nejznámějším příkladem ultrazvuku je lékařské testování. aby nemuseli otevírat vaše tělo, aby zjistili nemoc, mohou lékaři jednoduše přejet ultrazvukovým skenerem přes vaši kůži a vidět dovnitř. Sonda skeneru často vypadá trochu jako počítačová myš.Má zabudovaný snímač, který vysílá neškodné ultrazvukové vlny dolů do vašeho těla. Jak vlnyprocházejí různými kostmi a tkáněmi, odrážejí se zpět nahoru. Stejný snímač (nebo samostatný snímač vedle něj) přijímá odražené vlny a počítač připojený ke skeneru je používá k vykreslení podrobného obrazu toho, co se ve vás děje, na obrazovce. tímto způsobem se provádí snímkování plodů (nenarozených dětí, které se vyvíjejí v děloze).
Foto: Detailní záběr malé ultrazvukové sondy. Foto: Rafael Martie s laskavým svolením amerického námořnictva.
Nedestruktivní testování
Podobné zařízení se používá k testování vad strojů, například leteckých proudových motorů. Pokud je prasklina hluboko uvnitř kovu, kontrola zevnitř problém neodhalí. Pokud však přejedete ultrazvukovým skenerem přes vnější stranu kovu, prasklina uvnitř naruší a odrazí část ultrazvukových vln, takže se vada objeví na monitoru. Kontrola materiálů tímto způsobem se někdy označuje jako nedestruktivní testování, protože ke kontrole nemusíte věci poškozovat nebo rozebírat.
Foto: Zkoumání leteckého motoru pomocí ultrazvukového nedestruktivního testování. Inspektorka pohybuje pravou rukou ultrazvukovou sondou nad letadlovou součástí. Současně levou rukou nastavuje ultrazvukový paprsek. foto: Michelle Michaud s laskavým svolením US Air Force.
Vysoce výkonný ultrazvuk
Ultrazvukové vlny o relativně nízké síle se používají pro lékařské skenování a nedestruktivní testování. Mnohem silnější ultrazvukové vlny mají velmirůzné využití. Pokud máte bolestivý ledvinový kámen, vypálení silnýchultrazvukových vln zvenčí vašeho těla může způsobit, že se kámen rozvibruje a rozpadne. Silné ultrazvukové vlny se někdy používají také k ničenírakovinných nádorů a mozkových lézí (poškozených oblastí mozku). Podobným způsobem lze ultrazvukové vlny použít k čištění šperků, hodinek, umělých zubů a celé řady strojních součástí, které mohou být jinými způsoby obtížně čistitelné (nebo nepřístupné).
Sonar
Další oblíbené využití ultrazvuku je v lodích, a to jak pro navigaci, tak pro vyhledávání objektů pod vodou. Zvuk se vodou šíří rychleji než vzduchem, což je velmi užitečné, protože světlo se vodou téměř vůbec nešíří. Většina lidí ví, že velryby mohou pomocí nízkofrekvenčního zvuku komunikovat přes celé oceány. ponorky používají podobný trik s druhem navigace zvaným sonar (zvuková navigace a dálkoměr), což je něco jako podvodní ekvivalent radaru.
Foto: Sledování obrazovky sonaru vyžaduje zručnost a soustředění. Tento systém je na palubě lodi USS Gladiator a používá se k odhalování min. Foto: Peter D. Lawlor se svolením US Navy.
Jak to funguje? Když se ponorka nachází hluboko pod hladinou, může najít cestu tak, že vysílá zvukové signály a naslouchá echolokaci – podobně jako netopýr používá echolokaci. Podle času, za jak dlouho se ozvěna vrátí, může navigátor ponorky zjistit, zda jsou v blízkosti jiné lodě, ponorky nebo jiné překážky. Sonar je také používán loděmi k výpočtu hloubky moře (nebo k vykreslení mapy mořského dna) tím, že střílí zvukové paprsky přímo dolů. Tato technika je známá jako echosondáž.
Sonar s bočním snímáním
Foto: Typický vlečný člun se sonarem s bočním snímáním. Tento používá ultrazvuk o frekvenci 600 kHz, což je vysoko nad hranicí lidského sluchu. Zde je připojen k zařízení na palubě vědecké výzkumné lodi předtím, než je spuštěn do vody, aby byl tažen podél břehu. Foto John F. Williams s laskavým svolením US Navy.
Různé sonarové systémy používají velmi širokou škálu zvukových frekvencí, od velmi nízkých infrazvuků (které mohou způsobovat problémy velrybám a jiným mořským tvorům), přes slyšitelný zvuk (klasický zvuk „ping“, který slyšíte ve válečných ponorkách ve filmech) až po velmi vysoký ultrazvuk (typicky používaný v systémech pro lokalizaci ryb, které používají mimo jiné průmyslové trawlery). Vysokofrekvenční zvuky se používají v bočním sonaru, kdy je za lodí vlečena malá skenovací jednotka podobná torpédu, tzv. towfish, která vysílá široké sonarové paprsky na obě strany. Paprsky opouštějí vlečnou loď pod úhlem a odrážejí se zpět, čímž vytvářejí profil široké oblasti moře (a mořského dna) pod ní.Boční sonar se používá v mořské archeologii (k vyhledávání vraků na mořském dně), při výzkumu oceánů a při obyčejném rybolovu.Různé ryby odrážejí zvuk v různé míře a s trochou zručnosti a zkušeností je možné ze sonarového paprsku zjistit nejen to, které ryby jsou přítomny, ale i kolik jich je v určité oblasti. Obecně platí, že čím vyšší frekvence zvuku se použije, tím více detailů se zobrazí, ale tím kratší je dosah, na kterém je účinný; vyšší frekvence jsou nejlepší pro detailní práci v malých oblastech relativně mělkých vod, zatímco nižší frekvence jsou potřebné pro hlubší vody nebo detekci na velké vzdálenosti.
.