Hvordan fremstilles ultralyd?
Det er umuligt for os at fremstille ultralyd på samme måde, som vi fremstiller normale lyde – ved at slå og blæse på ting, som vi f.eks. gør i musikinstrumenter. Det er fordi, vi ikke kan slå og blæse i tingene hurtigt nok. Men vi kan lave ultralyd ved hjælp af elektrisk udstyr, der vibrerer med en ekstremt høj frekvens. Krystaller af visse materialer (f.eks. kvarts) vibrerer meget hurtigt, når man lader elektricitet passere igennem dem – en effekt, der kaldes piezoelektricitet. Når de vibrerer, skubber og trækker de luften omkring dem og producerer ultralydsbølger. Apparater, der producerer ultralydsbølger ved hjælp af piezoelektricitet, kaldes piezoelektriske transducere. Piezoelektriske krystaller fungerer også på den omvendte måde: Hvis ultralydsbølger, der bevæger sig gennem luften, tilfældigvis støder sammen med en piezoelektrisk krystal, trykker de meget let på dens overflade, hvilket får et kort strømstød af elektricitet til at strømme gennem den. Så hvis man kobler et piezoelektrisk krystal til en elektrisk måler, får man en øjeblikkelig ultralydsdetektor.
Artwork: Hvordan ultralyd er lavet til at rengøre ting. 1) En højfrekvent vekselstrømforsyning sender strøm til tre piezoelektriske transducere (2). Disse rykker rundt ved ultralydsfrekvenser og sender deres vibrationer til en tynd kvartglasplade (3), som sender bølgerne (4) ud i et bassin fyldt med væske (5), hvori man placerer de genstande, der skal rengøres.
Ultralydsbølger kan produceresved hjælp af magnetisme i stedet for elektricitet. Ligesom piezoelektriske krystaller producerer ultralydsbølger som reaktion på elektricitet, findes der også andre krystaller, der producerer ultralyd som reaktion på magnetisme. Disse krystaller kaldes magnetostriktive krystaller, og de transducere, der anvender dem, kaldes magnetostriktive transducere. (Den magnetiske effekt er kendt som magnetostriktion.)
Hvad bruges ultralyd til?
Anvendelse af ultralyd til praktiske formål kaldes undertiden for ultralyd – og det bruges til alt fra industriel svejsning og boring til fremstilling af homogeniseret mælk og fotografisk film.
Medicinsk ultralydsscanning
Foto: Denne gravide kvinde ser en ultralydsscanning af barnet, der er under udvikling i hendes livmoder. Bemærk ultralydsscanneren (nederst til højre), der flyttes langsomt hen over hendes underliv, og skærmen (øverst), der viser billedet af hendes barn.Foto af Rafael Martie, venligst udlånt af US Navy.
Det mest kendte eksempel på ultralyd er nok medicinske undersøgelser.For at undgå at skulle åbne kroppen for at opdage en sygdom kan lægerne simpelthen køre en ultralydsscanner hen over huden for at se indvendigt. Scannersonden ligner ofte lidt en computermus og har en indbygget transducer, som sender uskadelige ultralydsbølger ned i din krop. Når bølgerne bevæger sig gennem de forskellige knogler og væv, reflekteres de tilbage opad igen. Den samme transducer (eller en separat transducer ved siden af) modtager de reflekterede bølger, og en computer, der er knyttet til scanneren, bruger dem til at tegne et detaljeret billede af, hvad der sker inde i dig på en skærm.Scanninger af fostre (ufødte børn, der udvikler sig i livmoderen) foretages på denne måde.
Foto: Et nærbillede af en lille ultralydssonde. Foto af Rafael Martie, venligst udlånt af US Navy.
Nondestruktiv prøvning
Sådan udstyr bruges til at teste for fejl i maskiner som f.eks. jetmotorer til fly. Hvis der er en revne dybt inde i et metal, vil det ikke afsløre problemet at inspicere det indefra. Men hvis du kører en ultralydsscanner hen over ydersiden af metallet, vil revnen indeni forstyrre og reflektere nogle af ultralydsbølgerne – så fejlen vil blive vist på din testskærm. Inspektion af materialer på denne måde kaldes undertiden for ikke-destruktiv prøvning, fordi man ikke behøver at beskadige eller skille tingene ad for at undersøge dem.
Foto: Undersøgelse af en flymotor ved hjælp af ultralydsbaseret, ikke-destruktiv prøvning. Inspektøren bevæger en ultralydssonde over en flykomponent med sin højre hånd. Hun justerer samtidig ultralydsstrålen med venstre hånd.Foto af Michelle Michaud, venligst udlånt af US Air Force.
Højtydende ultralyd
Forholdsvis svage ultralydsbølger anvendes til medicinske scanninger og ikke-destruktiv prøvning. Meget stærkere ultralydsbølger har meget forskellige anvendelsesmuligheder. Hvis du har en smertefuld nyresten, kan kraftige ultralydsbølger uden for din krop få stenen til at vibrere og gå i stykker. Stærke ultralydsbølger bruges undertiden også til at ødelægge kræfttumorer og hjernelæsioner (beskadigede områder i hjernen). På samme måde kan ultralydsbølger bruges til at rense smykker, ure, falske tænder og en lang række maskindele, som kan være for vanskelige (eller utilgængelige) at rense på andre måder.
Sonar
En anden populær anvendelse af ultralyd er i skibe, både til navigation og til at lokalisere objekter under vandet. Lyd bevæger sig hurtigere gennem vand end gennem luft, hvilket er meget nyttigt, fordi lys næsten ikke bevæger sig gennem vand overhovedet. De fleste ved, at hvaler kan bruge lavfrekvent lyd til at kommunikere på tværs af hele oceaner.Ubåde bruger et lignende trick med en type navigation kaldet sonar (sound navigation and ranging), som er lidt som en undervandsækvivalent til radar.
Foto: Det kræver dygtighed og koncentration at overvåge en sonarscanningsskærm. Dette system er om bord på skibet USS Gladiator og bliver brugt til at opdage miner. Foto af Peter D. Lawlor, venligst udlånt af US Navy.
Hvordan virker det? Når en ubåd befinder sig dybt under overfladen, kan den finde vej ved at udsende lydbølger og lytte efter ekkoerne – ligesom en flagermus, der bruger ekkolokalisering. Ved at tage tid på, hvor lang tid det tager for ekkoerne at komme tilbage, kan ubådens navigatør finde ud af, om der er andre skibe, ubåde eller andre forhindringer i nærheden. Sonar bruges også af skibe til at beregne, hvor dybt havet er (eller tegne et kort over havbunden), ved at sende lydstråler lige nedad. Denne teknik er kendt som ekkolodning.
Side-scan sonar
Foto: En typisk side-scan sonar slæbefisk. Denne bruger ultralyd med en frekvens på 600 kHz, hvilket er et godt stykke over grænsen for den menneskelige hørelse. Her bliver den koblet til udstyr om bord på et videnskabeligt forskningsskib, inden den sænkes ned i vandet for at blive trukket langs siden. Foto af John F. Williams, venligst udlånt af US Navy.
De forskellige sonarsystemer anvender et meget bredt spektrum af lydfrekvenser, fra meget lav infrasound (som kan skabe problemer for hvaler og andre havdyr), over hørbar lyd (den klassiske “ping”-lyd, som man hører i krigsubåde i filmene) og helt op til meget høj ultralyd (som typisk anvendes i systemer til lokalisering af fisk, der bl.a. anvendes af industrielle trawlere). Højfrekvente lyde anvendes i side-scan sonar, hvor en lille torpedolignende scanning-enhed, en såkaldt slæbefisk, trækkes bag et skib og sender brede sonarstråler ud til begge sider. Strålerne forlader slæbefisken i vinkler og reflekteres tilbage igen, hvilket giver en profil af et stort område af havet (og havbunden) under sig. Side-scan sonar anvendes inden for marinarkæologi (til at lokalisere vrag på havbunden), havforskning og almindeligt fiskeri. forskellige fisk reflekterer lyd i forskelligt omfang, og med dygtighed og erfaring er det muligt ud fra sonarstrålen at regne ud, ikke blot hvilke fisk der er til stede, men også hvor mange der er i et bestemt område. Generelt gælder det, at jo højere lydfrekvens der anvendes, jo flere detaljer vises, men jo kortere er den rækkevidde, som den er effektiv over; højere frekvenser er bedst til detaljeret arbejde i små områder på relativt lavt vand, mens lavere frekvenser er nødvendige til dybere vand eller til detektion over store afstande.
