Hogyan készül az ultrahang?
Az ultrahangot nem lehet ugyanúgy előállítani, mint a normális hangokat – ütögetve és fújva, mint például a hangszereken. Ez azért van, mert nem tudjuk elég gyorsan ütni és fújni a dolgokat. De ultrahangot tudunk készíteni olyan elektromos berendezésekkel, amelyek rendkívül magas frekvencián rezegnek. Egyes anyagok kristályai (például a kvarc) nagyon gyorsan rezegnek, amikor áramot vezetünk át rajtuk – ezt a hatást nevezzük piezoelektromosságnak. Ahogy rezegnek, nyomják és húzzák a körülöttük lévő levegőt, ultrahanghullámokat keltve. A piezoelektromosság segítségével ultrahanghullámokat előállító eszközöket piezoelektromos átalakítóknak nevezik. A piezoelektromos kristályok fordított módon is működnek: ha a levegőben terjedő ultrahanghullámok véletlenül összeütköznek egy piezoelektromos kristállyal, akkor nagyon enyhén összenyomják annak felületét, és rövid ideig áramot bocsátanak ki rajta. Ha tehát egy piezoelektromos kristályt összekötünk egy villanyórával, azonnal ultrahangdetektort kapunk.
Artwork: Hogyan készül az ultrahang a dolgok tisztítására. 1) Egy nagyfrekvenciás váltakozó áramforrás áramot küld három piezoelektromos átalakítónak (2). Ezek ultrahangfrekvencián rázkódnak, rezgéseiket egy vékony, kvarcüveglapra (3) küldik, amely a hullámokat (4) továbbítja egy folyadékkal töltött medencébe (5), amelybe a tisztítandó tárgyakat helyezzük.
Az ultrahanghullámok előállíthatókelektromosság helyett mágnesességgel. Ahogyan a piezoelektromos kristályok is termelnek ultrahanghullámokat az elektromosság hatására, úgy vannak más kristályok is, amelyek mágnesesség hatására termelnek ultrahangot. Ezeket magnetostriktív kristályoknak nevezik, az ezeket használó átalakítókat pedig magnetostriktív átalakítóknak. (A mágneses hatást magnetostrikciónak nevezik.)
Mire használják az ultrahangot?
Az ultrahang gyakorlati célú felhasználását néha ultrahangnak nevezik – és az ipari hegesztéstől és fúrástól kezdve a homogenizált tej és a fényképészeti film előállításáig mindenre használják.
Az orvosi ultrahangos szkennelés
Fotó: Ez a terhes nő nézi a méhében fejlődő baba ultrahangos vizsgálatát. Figyelje meg az ultrahangos szkennert (jobbra lent), amelyet lassan mozgatnak a nő hasán, és a monitort (fent), amely a gyermeke képét mutatja.A fényképet Rafael Martie készítette a US Navy jóvoltából.
Az ultrahang talán legismertebb példája az orvosi vizsgálatok: hogy ne kelljen felnyitni a testet egy betegség kimutatásához, az orvosok egyszerűen egy ultrahangos szkennert futtatnak a bőr fölött, hogy belelássanak. A szonda gyakran úgy néz ki, mint egy számítógépes egér.Beépített jelátalakítóval rendelkezik, amely ártalmatlan ultrahanghullámokat sugároz a testbe. Ahogy a hullámok áthaladnak a különböző csontokon és szöveteken, visszatükröződnek. Ugyanez a jelátalakító (vagy egy különálló mellette) fogadja a visszavert hullámokat, és a szkennerhez csatlakoztatott számítógép ezeket felhasználva egy képernyőn részletes képet rajzol arról, hogy mi történik Önben.A magzatok (az anyaméhben fejlődő születendő babák) vizsgálatát is így végzik.
Fotó: Közelkép egy kis ultrahangszondáról. Rafael Martie fotója a US Navy jóvoltából.
Roncsolásmentes vizsgálat
Hasonló berendezéseket használnak gépek, például repülőgépek sugárhajtóműveinek hibáinak vizsgálatára. Ha van egy repedés mélyen egy fémben, a belülről történő vizsgálat nem fogja felfedni a problémát. De ha egy ultrahangos szkennert futtatunk a fém külseje fölött, a repedés belülről megzavarja és visszaveri az ultrahanghullámok egy részét, így a hiba megjelenik a vizsgálati monitoron. Az anyagok ilyen módon történő vizsgálatát néha roncsolásmentes vizsgálatnak nevezik, mivel az ellenőrzéshez nem kell károsítani vagy szétszedni a dolgokat.
Fotó: Egy repülőgépmotor vizsgálata ultrahangos, roncsolásmentes vizsgálattal. Az ellenőr jobb kezével egy ultrahangos szondát mozgat egy repülőgép-alkatrész felett. Ezzel egyidejűleg a bal kezével állítja be az ultrahangsugarat.A fényképet Michelle Michaud készítette a US Air Force jóvoltából.
Nagy teljesítményű ultrahang
Viszonylag kis erősségű ultrahanghullámokat használnak orvosi vizsgálatokra és roncsolásmentes vizsgálatokra. A jóval erősebb ultrahanghullámoknak nagyonkülönböző felhasználási területei vannak. Ha fájdalmas veseköve van, a testén kívülről kilőtt erősultrahanghullámok rezgésbe hozhatják a követ és széttörhetik. Az erős ultrahanghullámokat néha rákos daganatok és agyi elváltozások (az agy sérült régiói) elpusztítására is használják. Hasonló módon az ultrahanghullámok felhasználhatók ékszerek, órák, műfogak és számos olyan gépalkatrész tisztítására, amelyek más módon nehezen tisztíthatók (vagy hozzáférhetetlenek).
Szonár
Az ultrahang másik népszerű felhasználási területe a hajókban van, mind a navigáció, mind a víz alatti tárgyak helyének meghatározására. A hang gyorsabban terjed a vízben, mint a levegőben, ami nagyon hasznos, mivel a fény alig terjed a vízben. A legtöbb ember tudja, hogy a bálnák alacsony frekvenciájú hanggal egész óceánokon át tudnak kommunikálni.A tengeralattjárók hasonló trükköt alkalmaznak a szonárnak (hangnavigáció és távolságmérés) nevezett navigációs eszközzel, amely egy kicsit olyan, mint a radar víz alatti megfelelője.
Fotó: Ügyesség és koncentráció kell a szonár pásztázó képernyőjének figyeléséhez. Ez a rendszer a USS Gladiator hajó fedélzetén van, és aknák felderítésére használják. A fotót Peter D. Lawlor készítette a US Navy jóvoltából.
Hogyan működik? Amikor egy tengeralattjáró mélyen a felszín alatt van, úgy találja meg az útját, hogy hangjelzéseket bocsát ki, és figyel a visszhangokra – akárcsak egy denevér, amely az echolokációt használja. A tengeralattjáró navigátora a visszhangok visszaérkezésének idejét mérve tudja megállapítani, hogy vannak-e más hajók, tengeralattjárók vagy egyéb akadályok a közelben. A szonárt a hajók arra is használják, hogy kiszámítsák, milyen mély a tenger (vagy térképet rajzoljanak a tengerfenékről), egyenesen lefelé irányuló hangsugarakkal. Ezt a technikát visszhangzásnak nevezik.
Side-scan sonar
Fotó: Egy tipikus oldalsó szonár vontatóhal. Ez 600 kHz-es frekvenciájú ultrahangot használ, ami jóval az emberi hallás határértéke felett van. Itt épp egy tudományos kutatóhajó fedélzetén lévő berendezéshez csatlakoztatják, mielőtt a vízbe engednék, hogy a hajó mellé húzzák. John F. Williams fotója az amerikai haditengerészet jóvoltából.
A különböző szonárrendszerek a hangfrekvenciák nagyon széles skáláját használják, a nagyon alacsony infrahangtól (amely problémákat okozhat a bálnák és más tengeri élőlények számára), a hallható hangon keresztül (a klasszikus “ping” zaj, amelyet a háborús tengeralattjárókon hallani a filmekben), egészen a nagyon magas ultrahangig (amelyet jellemzően a többek között az ipari vonóhálós hajók által használt halfelderítő rendszerekben használnak). A nagyfrekvenciás hangokat az oldalsó szonárban használják, amelyben egy kis, torpedószerű, vontatóhalnak nevezett pásztázó egységet húznak a hajó mögé, és széles szonársugarakat bocsát ki mindkét oldalra. A sugarak szögben hagyják el a vontatóhalat, majd visszaverődnek, így a tenger (és a tengerfenék) széles területének profilja rajzolódik ki.Az oldalsó szonárt a tengeri régészetben (a tengerfenéken lévő roncsok felkutatására), az óceánkutatásban és a hagyományos halászatban használják.A különböző halak különböző mértékben verik vissza a hangot, és ügyességgel és tapasztalattal a szonársugárból nemcsak azt lehet megállapítani, hogy mely halak vannak jelen, hanem azt is, hogy egy adott területen hány van belőlük. Általában minél magasabb az alkalmazott hangfrekvencia, annál több részletet mutat, de annál kisebb a hatótávolság, amelyen a hang hatásos; a magasabb frekvenciák a legjobbak a viszonylag sekély vizek kis területein végzett részletes munkához, míg az alacsonyabb frekvenciák mélyebb vizekhez vagy nagy hatótávolságú észleléshez szükségesek.
