Hoe wordt ultrageluid gemaakt?
Het is voor ons onmogelijk om ultrageluid op dezelfde manier te maken als normale geluiden, door op dingen te slaan en te blazen, zoals we bijvoorbeeld doen in muziekinstrumenten. Dat komt omdat we niet hard genoeg op dingen kunnen slaan en blazen. Maar we kunnen wel ultrageluid maken met elektrische apparatuur die met een extreem hoge frequentie trilt. Kristallen van sommige materialen (zoals kwarts) trillen zeer snel wanneer je er elektriciteit doorheen laat gaan – een effect dat piëzo-elektriciteit wordt genoemd. Door het trillen duwen en trekken ze aan de lucht eromheen, waardoor ultrageluidsgolven ontstaan. Apparaten die ultrasone golven produceren met behulp van piëzo-elektriciteit staan bekend als piëzo-elektrische transducers. Piëzo-elektrische kristallen werken ook omgekeerd: als ultrageluidsgolven die door de lucht reizen tegen een piëzo-elektrisch kristal botsen, wordt het oppervlak ervan heel licht samengedrukt, waardoor er een korte stroomstoot doorheen gaat. Als je dus een piëzo-elektrisch kristal aansluit op een elektrische meter, krijg je meteen een ultrasoondetector.
Artwork: Hoe ultrageluid wordt gemaakt om dingen schoon te maken. 1) Een hoogfrequente wisselspanning stuurt stroom naar drie piëzo-elektrische transducers (2). Deze trillen op ultrasone frequenties en zenden hun trillingen naar een dunne, kwartsglasplaat (3), die golven (4) uitzendt naar een met vloeistof gevuld bekken (5) waarin u de schoon te maken voorwerpen plaatst.
Ultrasone golven kunnen worden geproduceerd met magnetisme in plaats van elektriciteit. Zoals piëzo-elektrische kristallen ultrageluidsgolven produceren als reactie op elektriciteit, zo zijn er andere kristallen die ultrageluid produceren als reactie op magnetisme. Deze kristallen worden magnetostrictieve kristallen genoemd en de omvormers die er gebruik van maken worden magnetostrictieve omvormers genoemd. (Het magnetische effect staat bekend als magnetostrictie.)
Waarvoor wordt ultrageluid gebruikt?
Het gebruik van ultrageluid voor praktische doeleinden wordt soms ultrasonisch genoemd en het wordt gebruikt voor alles van industrieel lassen en boren tot het produceren van gehomogeniseerde melk en fotografische film.
Medische echoscopie
Foto: Deze zwangere vrouw bekijkt een echoscopie van de baby die zich in haar baarmoeder ontwikkelt. Let op de echoscanner (rechtsonder) die langzaam over haar buik wordt bewogen, en de monitor (boven) waarop het beeld van haar kind te zien is. Foto door Rafael Martie met dank aan de US Navy.
Het bekendste voorbeeld van echoscopie is waarschijnlijk medisch onderzoek. Om een ziekte niet te hoeven opsporen, kunnen artsen een echoscanner over je huid laten gaan om naar binnen te kijken. De scanner lijkt vaak een beetje op een computermuis. Hij heeft een ingebouwde transducer die onschadelijke ultrasone golven in uw lichaam straalt. Terwijl de golven door de verschillende botten en weefsels reizen, weerkaatsen ze weer naar boven. Dezelfde transducer (of een aparte ernaast) ontvangt de teruggekaatste golven en een computer die aan de scanner is gekoppeld, gebruikt ze om op een scherm een gedetailleerd beeld te schetsen van wat er in u gebeurt. Scans van foetussen (ongeboren baby’s die zich in de baarmoeder ontwikkelen) worden op deze manier gemaakt.
Foto: Een close-up van een kleine echografische sonde. Foto door Rafael Martie met dank aan de US Navy.
Nondestructief onderzoek
Dergelijke apparatuur wordt ook gebruikt om te testen op gebreken in machines zoals straalmotoren van vliegtuigen. Als er een scheur diep in een metaal zit, zal inspectie van binnenuit het probleem niet onthullen. Maar als je een ultrasound scanner over de buitenkant van het metaal laat gaan, zal de scheur binnenin de ultrasound golven verstoren en terugkaatsen, zodat het defect op je test monitor te zien zal zijn. Het op deze manier inspecteren van materialen wordt ook wel niet-destructief onderzoek genoemd, omdat je dingen niet hoeft te beschadigen of uit elkaar te halen om ze te controleren.
Photo: Onderzoek van een vliegtuigmotor met behulp van ultrasoon, niet-destructief onderzoek. De inspecteur beweegt met haar rechterhand een ultrageluidsonde over een vliegtuigonderdeel. Foto door Michelle Michaud met dank aan US Air Force.
High-power ultrasound
Relatief lage-sterkte ultrasone golven worden gebruikt voor medische scans en niet-destructief onderzoek. Veel sterkere ultrasone golven worden voor heel andere doeleinden gebruikt. Als u een pijnlijke niersteen hebt, kan het afvuren van krachtige ultrageluidsgolven van buiten uw lichaam de steen doen trillen en uiteen doen breken. Sterke ultrageluidsgolven worden soms ook gebruikt om kankertumoren en hersenletsels (beschadigde delen van de hersenen) te vernietigen. Op soortgelijke wijze kunnen ultrasone golven worden gebruikt om sieraden, horloges, valse tanden en allerlei machineonderdelen schoon te maken die op andere manieren te moeilijk (of ontoegankelijk) te reinigen zijn.
Sonar
Een ander populair gebruik van ultrasone golven is in schepen, zowel voor navigatie als voor het lokaliseren van voorwerpen onder water. Geluid gaat sneller door water dan door lucht, wat zeer nuttig is omdat licht nauwelijks door water gaat. De meeste mensen weten dat walvissen laagfrequent geluid kunnen gebruiken om over hele oceanen te communiceren.Onderzeeërs gebruiken een soortgelijke truc met een type navigatie dat sonar(geluidsnavigatie en -bereik) wordt genoemd, wat een beetje het onderwaterequivalent van radar is.
Foto: Het vergt vaardigheid en concentratie om een sonar-scanscherm in de gaten te houden. Dit systeem is aan boord van het schip USS Gladiator en wordt gebruikt om mijnen op te sporen. Foto door Peter D. Lawlor met dank aan US Navy.
Hoe werkt het? Wanneer een onderzeeër zich diep onder de oppervlakte bevindt, kan hij zijn weg vinden door geluidssignalen uit te zenden en naar de echo’s te luisteren – net als een vleermuis die echolocatie gebruikt. Door te timen hoe lang het duurt voor de echo’s terugkomen, kan de navigator van een onderzeeër te weten komen of er andere schepen, onderzeeërs of andere obstakels in de buurt zijn. Sonar wordt ook door schepen gebruikt om te berekenen hoe diep de zee is (of om een kaart van de zeebodem te tekenen) door geluidsstralen recht naar beneden af te vuren. Deze techniek staat bekend als echosounding.
Side-scan sonar
Photo: Een typische side-scan sonar sleepvis. Deze maakt gebruik van ultrageluid met een frequentie van 600 kHz, ruim boven de limiet van het menselijk gehoor. Hier wordt hij aangesloten op apparatuur aan boord van een wetenschappelijk onderzoeksschip voordat hij in het water wordt gelaten om langszij te worden gesleept. Foto door John F. Williams met dank aan de US Navy.
De verschillende sonarsystemen maken gebruik van een zeer breed scala aan geluidsfrequenties, van zeer laag infrageluid (dat problemen kan veroorzaken voor walvissen en andere zeedieren), via hoorbaar geluid (het klassieke “ping”-geluid dat je hoort in oorlogsonderzeeërs in de films), tot zeer hoog ultrageluid (dat typisch wordt gebruikt in vislokalisatiesystemen die worden gebruikt door, onder andere, industriële trawlers). Hoogfrequente geluiden worden gebruikt in side-scan sonar, waarbij een klein, torpedo-achtig aftastapparaat, een towfish genaamd, achter een schip wordt gesleept en brede sonarstralen naar beide zijden uitzendt. De stralen verlaten de towfish onder een hoek en weerkaatsen weer, waardoor een profiel ontstaat van een groot gebied van de zee (en zeebodem) eronder. Side-scan sonar wordt gebruikt in de maritieme archeologie (om wrakken op de zeebodem te lokaliseren), bij oceaanonderzoek en bij gewone visserij. Verschillende vissen weerkaatsen het geluid in verschillende mate en met vaardigheid en ervaring is het mogelijk om uit de sonarstraal niet alleen af te leiden welke vissen er aanwezig zijn, maar ook hoeveel het er zijn in een bepaald gebied. Over het algemeen geldt dat hoe hoger de gebruikte geluidsfrequentie is, hoe meer details zichtbaar zijn, maar hoe korter het bereik waarover het effectief is; hogere frequenties zijn het beste voor gedetailleerd werk in kleine gebieden in relatief ondiep water, terwijl lagere frequenties nodig zijn voor dieper water of detectie over grote afstanden.
