Miten ultraääni syntyy?
Meille on mahdotonta tuottaa ultraääntä samalla tavalla kuin tavallisia ääniä lyömällä ja puhaltamalla, kuten esimerkiksi soittimissa. Se johtuu siitä, että emme voi lyödä ja puhaltaa asioita tarpeeksi nopeasti. Mutta voimme tehdä ultraääntä käyttämällä sähkölaitteita, jotka värähtelevät erittäin korkealla taajuudella. Joidenkin materiaalien (kuten kvartsin) kiteet värähtelevät hyvin nopeasti, kun niiden läpi johdetaan sähköä – tätä ilmiötä kutsutaan pietsosähköisyydeksi. Kun ne värähtelevät, ne työntävät ja vetävät ilmaa ympärillään tuottaen ultraääniaaltoja. Laitteita, jotka tuottavat ultraääniaaltoja pietsosähköisyyden avulla, kutsutaan pietsosähköisiksi muuntimiksi. Pietsosähköiset kiteet toimivat myös päinvastoin: jos ilmassa kulkevat ultraääniaallot sattuvat törmäämään pietsosähköiseen kiteeseen, ne puristavat sen pintaa hyvin kevyesti ja saavat aikaan lyhyen sähköpurkauksen. Jos siis kytket pietsosähköisen kiteen sähkömittariin, saat välittömästi ultraääni-ilmaisimen.
Artwork: Miten ultraääni tehdään asioiden puhdistamiseen. 1) Korkeataajuinen vaihtosähkölähde lähettää virtaa kolmelle pietsosähköiselle anturille (2). Nämä värähtelevät ultraäänitaajuuksilla ja lähettävät värähtelynsä ohuelle kvartsilasilevylle (3), joka lähettää aallot (4) nesteellä täytettyyn altaaseen (5), johon asetetaan puhdistettavat esineet.
Ultraääniaaltoja voidaan tuottaa käyttämällä magnetismia sähköisyyden sijasta. Aivan kuten pietsosähköiset kiteet tuottavat ultraääniaaltoja vasteena sähkölle, niin on olemassa muitakin kiteitä, jotka tuottavatultraääniä vasteena magnetismille. Näitä kutsutaan magnetostriktiivisiksi kiteiksi ja niitä käyttäviä muuntimia magnetostriktiivisiksi muuntimiksi. (Magneettinen vaikutus tunnetaan nimellä magnetostriktio.)
Mihin ultraääntä käytetään?
Ulkoäänen käyttöä käytännön tarkoituksiin kutsutaan joskus ultraääneksi – ja sitä käytetään kaikkeen teollisesta hitsauksesta ja porauksesta homogenoidun maidon ja valokuvausfilmin valmistukseen.
Lääketieteellinen ultraäänitutkimus
Kuva: Tämä raskaana oleva nainen katselee ultraäänitutkimusta hänen kohdussaan kehittyvästä vauvasta. Huomaa, että ultraäänitutkimuslaite (alhaalla oikealla) liikkuu hitaasti hänen vatsansa yli ja että monitori (ylhäällä) näyttää kuvan hänen lapsestaan.Kuva: Rafael Martie Yhdysvaltain laivaston välityksellä.
Luultavasti tunnetuin esimerkki ultraäänitutkimuksesta on lääketieteellinen testaaminen.Säästyäkseen ruumiin avaamiselta sairauden havaitsemiseksi lääkärit voivat yksinkertaisesti ajaa ultraäänitutkimuslaitteiston ihosi ylitse nähdäksesi sisälle. Siinä on sisäänrakennettu anturi, joka säteilee vaarattomia ultraääniaaltoja kehoosi. Kun aallot kulkevat eri luiden ja kudosten läpi, ne heijastuvat takaisin ylöspäin. Sama anturi (tai sen vieressä oleva erillinen anturi) vastaanottaa heijastuneet aallot, ja skanneriin liitetty tietokone käyttää niitä piirtääkseen näytölle yksityiskohtaisen kuvan siitä, mitä sisälläsi tapahtuu.Sikiöiden (kohdussa kehittyvien syntymättömien vauvojen) skannaukset tehdään tällä tavoin.
Kuva: Lähikuva pienestä ultraäänisondista. Photo by Rafael Martie courtesy of US Navy.
Nondestructive testing
Samankaltaisia laitteita käytetään koneiden, kuten lentokoneiden suihkumoottorien, vikojen testaamiseen. Jos metallissa on särö syvällä, sen tarkastaminen sisältäpäin ei paljasta ongelmaa. Mutta jos ultraäänitutkimuslaite ajetaan metallin ulkopinnan yli, sisäpuolella oleva halkeama häiritsee ja heijastaa osan ultraääniaalloista takaisin, jolloin vika näkyy testausmonitorilla. Materiaalien tarkastamista tällä tavoin kutsutaan toisinaan rikkomattomaksi testaukseksi, koska tarkastusta varten ei tarvitse vaurioittaa tai purkaa osia.
Kuva: Lentokoneen moottorin tutkiminen ultraäänellä, rikkomattomalla testauksella. Tarkastaja siirtää oikealla kädellään ultraäänisondia lentokoneen osan yli. Hän säätää ultraäänisädettä samalla vasemmalla kädellään.Kuva: Michelle Michaud, US Air Force.
Suuritehoinen ultraääni
Suhteellisen pienitehoisia ultraääniaaltoja käytetään lääketieteellisiin skannauksiin ja ainetta rikkomattomaan testaukseen. Paljon voimakkaammilla ultraääniaalloilla on hyvinerilaisia käyttötarkoituksia. Jos sinulla on kivulias munuaiskivi, voimakkaiden ultraääniaaltojen ampuminen kehon ulkopuolelta voi saada kiven värähtelemään ja hajoamaan. Voimakkaita ultraääniaaltoja käytetään joskus myös syöpäkasvainten ja aivovaurioiden (aivojen vaurioituneet alueet) tuhoamiseen. Vastaavalla tavalla ultraääniaaltoja voidaan käyttää korujen, kellojen, tekohampaiden ja monenlaisten koneen osien puhdistamiseen, joiden puhdistaminen muilla tavoin voi olla vaikeaa (tai mahdotonta).
Sonar
Toinen suosittu käyttötapa ultraäänelle on laivoissa sekä navigointiin että kohteiden paikantamiseen veden alla. Ääni kulkee vedessä nopeammin kuin ilmassa, mikä on erittäin hyödyllistä, koska valo ei kulje vedessä juuri lainkaan. Useimmat ihmiset tietävät, että valaat voivat käyttää matalataajuista ääntä kommunikoidakseen kokonaisten valtamerten yli.Sukellusveneet käyttävät samanlaista temppua suunnistustyypillä, jota kutsutaan kaikuluotaimeksi (sound navigation and ranging), joka on vähän kuin tutkan vedenalainen vastine.
Kuva: Vaatii taitoa ja keskittymiskykyä tarkkailla kaikuluotaimen skannausnäyttöä. Tämä järjestelmä on USS Gladiator -aluksella, ja sitä käytetään miinojen havaitsemiseen. Kuva: Peter D. Lawlor Yhdysvaltain laivaston luvalla.
Miten se toimii? Kun sukellusvene on syvällä pinnan alla, se voi löytää tiensä lähettämällä piippauksia ja kuuntelemalla kaikuja – aivan kuten lepakko, joka käyttää kaikuluotainta. Kun sukellusveneen suunnistaja mittaa, kuinka kauan kestää, ennen kuin kaiku tulee takaisin, hän voi selvittää, onko lähellä muita aluksia, sukellusveneitä tai muita esteitä. Alukset käyttävät kaikuluotainta myös meren syvyyden laskemiseen (tai merenpohjan kartan piirtämiseen) ampumalla äänisäteitä suoraan alaspäin. Tätä tekniikkaa kutsutaan kaikuluotaukseksi.
Sivuluotain
Kuva: Tyypillinen sivukuvausluotaimen hinauskala. Tämä käyttää ultraääntä 600 kHz:n taajuudella, joka on selvästi ihmisen kuulon rajan yläpuolella. Tässä sitä kytketään tieteellisellä tutkimusaluksella oleviin laitteisiin ennen kuin se lasketaan veteen vedettäväksi rantaan. Kuva: John F. Williams, US Navy.
Erilaiset kaikuluotainjärjestelmät käyttävät hyvin laajaa äänitaajuuksien kirjoa, hyvin matalasta infraäänestä (joka voi aiheuttaa ongelmia valaille ja muille mereneläville), kuultavasta äänestä (klassinen ”ping”-ääni, jonka kuulee elokuvissa sota-ajan sukellusveneissä) aina hyvin korkeaan ultraäänen taajuuteen (jota käytetään tyypillisesti kalanpaikannusjärjestelmissä, joita käytetään muun muassa teollisissa troolareissa). Korkeataajuisia ääniä käytetään sivuttaisluotainkaikuluotainta, jossa pieni, torpedonmuotoinen luotaimen, niin sanottu hinauskala, vedetään aluksen perässä ja se lähettää laajoja kaikuluotaimen säteitä kummallekin puolelle. Säteet lähtevät hinaajakalasta vinosti ja heijastuvat takaisin, mikä tuottaa profiilin laajasta merialueesta (ja merenpohjasta).Sivukuvauskaikuluotainta käytetään meriarkeologiassa (merenpohjassa olevien hylkyjen paikantamiseen), valtamerten tutkimuksessa ja tavallisessa kalastuksessa.Eri kalat heijastavat ääniä eri tavoin, ja taitavasti ja kokeneesti kaikuluotaimen säteilyn perusteella on mahdollista saada selville, mitä kaloja alueella on, mutta myös se, kuinka paljon niitä on. Yleensä mitä korkeampaa äänitaajuutta käytetään, sitä enemmän yksityiskohtia näkyy, mutta sitä lyhyemmällä alueella se tehoaa; korkeammat taajuudet soveltuvat parhaiten yksityiskohtaiseen työskentelyyn pienillä alueilla suhteellisen matalassa vedessä, kun taas matalampia taajuuksia tarvitaan syvemmissä vesissä tai pitkän matkan havaitsemiseen.
