Jak powstają ultradźwięki?
Nie jest możliwe, abyśmy wytwarzali ultradźwięki w taki sam sposób, w jaki wytwarzamy normalne dźwięki – uderzając i dmuchając w przedmioty, jak to robimy na przykład w instrumentach muzycznych. To dlatego, że nie potrafimy uderzać i dmuchać wystarczająco szybko. Możemy jednak wytwarzać ultradźwięki za pomocą urządzeń elektrycznych, które wibrują z bardzo wysoką częstotliwością. Kryształy niektórych materiałów (takich jak kwarc) wibrują bardzo szybko, gdy przepuszczamy przez nie prąd – efekt ten nazywamy piezoelektrycznością. Wibrując, przepychają i ciągną powietrze wokół siebie, wytwarzając fale ultradźwiękowe. Urządzenia, które wytwarzają fale ultradźwiękowe z wykorzystaniem piezoelektryczności, znane są jako przetworniki aspiezoelektryczne. Kryształy piezoelektryczne działają również w odwrotny sposób: jeśli fale ultradźwiękowe podróżujące w powietrzu zderzą się z kryształem piezoelektrycznym, ściskają jego powierzchnię, powodując krótkotrwały przepływ prądu. Jeśli więc podłączysz kryształ piezoelektryczny do miernika elektrycznego, otrzymasz natychmiastowy detektor ultradźwięków.
Opracowanie plastyczne: Jak ultradźwięki są wykonane do czyszczenia rzeczy. 1) Zasilacz prądu zmiennego o wysokiej częstotliwości przesyła energię do trzech przetworników piezoelektrycznych (2). Te poruszają się z częstotliwością ultradźwiękową, wysyłając swoje wibracje do cienkiej szklanej płytki kwarcowej (3), która przekazuje fale (4) do zbiornika wypełnionego płynem (5), w którym umieszcza się przedmioty przeznaczone do czyszczenia.
Fale ultradźwiękowe można wytwarzać wykorzystując magnetyzm zamiast elektryczności. Tak jak kryształy piezoelektryczne wytwarzają fale ultradźwiękowe w odpowiedzi na elektryczność, tak samo istnieją inne kryształy, które wytwarzająultradźwięki w odpowiedzi na magnetyzm. Są one nazywane kryształami magnetostrykcyjnymi, a przetworniki, które je wykorzystują są nazywane przetwornikami magnetostrykcyjnymi. (Efekt magnetyczny jest znany jako magnetostrykcja.)
Do czego wykorzystuje się ultradźwięki?
Używanie ultradźwięków do celów praktycznych jest czasami nazywane ultradźwiękami – i jest wykorzystywane do wszystkiego, od spawania przemysłowego i wiercenia do produkcji homogenizowanego mleka i klisz fotograficznych.
Medyczne skanowanie ultradźwiękowe
Fot: Ta kobieta w ciąży ogląda USG scanof dziecka rozwijającego się w jej łonie. Note the ultrasound scanner (bottom right) beingmoved slowly across her abdomen, and the monitor (above) showing the picture of her child.Photo by Rafael Martie courtesy of US Navy.
Probably the best known example of ultrasonics is medical testing.To save having to open up your body to detect an illness, doctors cansimply run an ultrasound scanner over your skin to see inside. Sonda skanera często wygląda trochę jak mysz komputerowa, ma wbudowany przetwornik, który emituje nieszkodliwe fale ultradźwiękowe w dół ciała. Gdy fale przechodzą przez różne kości i tkanki, odbijają się z powrotem w górę. Ten sam przetwornik (lub oddzielny obok) odbiera odbite fale, a komputer podłączony do skanera wykorzystuje je do rysowania na ekranie szczegółowego obrazu tego, co dzieje się wewnątrz ciebie.Skany płodów (nienarodzonych dzieci rozwijających się w łonie matki) są wykonywane w ten sposób.
Zdjęcie: Zbliżenie na małą sondę ultrasonograficzną. Photo by Rafael Martie courtesy of US Navy.
Badania nieniszczące
Podobny sprzęt jest używany do badania wad w maszynach takich jak silniki odrzutowe samolotów. Jeśli w metalu jest głębokie pęknięcie, badanie go od wewnątrz nie ujawni problemu. Jeśli jednak przesuniesz skaner ultradźwiękowy po zewnętrznej stronie metalu, pęknięcie wewnątrz zakłóci i odbije część fal ultradźwiękowych, więc defekt pojawi się na monitorze testowym. Inspekcja materiałów w ten sposób jest czasami znana jako badanie nieniszczące, ponieważ nie trzeba uszkadzać lub rozbierać rzeczy na części, aby je sprawdzić.
Foto: Badanie silnika samolotu za pomocąultradźwiękowych, nieniszczących badań. Inspektor przesuwa prawą ręką sondę ultradźwiękową nad elementem samolotu. Photo by Michelle Michaud courtesy of US Air Force.
High-power ultrasound
Relative low-strength ultrasound waves are used for medical scansand non-destructive testing. Znacznie silniejsze fale ultradźwiękowe mają bardzo różne zastosowania. Jeśli masz bolesny kamień nerkowy, wystrzelenie silnych fal ultradźwiękowych spoza twojego ciała może wprawić kamień w drgania i spowodować jego rozpad. Silne fale ultradźwiękowe są czasem wykorzystywane także do niszczenia guzów nowotworowych i zmian w mózgu (uszkodzonych obszarów mózgu). W podobny sposób fale ultradźwiękowe mogą być używane do czyszczenia biżuterii, zegarków, sztucznych zębów i szerokiej gamy części maszyn, które mogą być trudne (lub niedostępne) do czyszczenia w inny sposób.
Sonar
Innym popularnym zastosowaniem ultradźwięków są statki, zarówno do nawigacji, jak i do lokalizowania obiektów pod wodą. Dźwięk przemieszcza się szybciej przez wodę niż przez powietrze, co jest bardzo pomocne, ponieważ światło prawie w ogóle nie przemieszcza się przez wodę. Większość ludzi wie, że wieloryby mogą używać dźwięku o niskiej częstotliwości do komunikowania się przez całe oceany. Okręty podwodne używają podobnej sztuczki z rodzajem nawigacji zwanym sonarem (sound navigation and ranging), który jest trochę jak podwodny odpowiednik radaru.
Foto: Potrzeba umiejętności i koncentracji, aby monitorować ekran skanujący sonaru. Ten system znajduje się na pokładzie okrętu USS Gladiator i jest wykorzystywany do wykrywania min. Zdjęcie autorstwa Petera D. Lawlora dzięki uprzejmości US Navy.
Jak to działa? Kiedy okręt podwodny znajduje się głęboko pod powierzchnią, może odnaleźć drogę, wysyłając sygnały dźwiękowe i nasłuchując echa – podobnie jak nietoperz używający echolokacji. Odmierzając czas, po jakim echo powraca, nawigator łodzi podwodnej może dowiedzieć się, czy w pobliżu znajdują się inne statki, łodzie podwodne lub inne przeszkody. Sonar jest również używany przez statki do obliczania głębokości morza (lub rysowania mapy dna morskiego) poprzez wystrzeliwanie wiązek dźwięku prosto w dół. Technika ta jest znana jako echosonda.
Sonar boczny
Foto: Typowy holownik z sonarem bocznym. Ten wykorzystuje ultradźwięki o częstotliwości 600 kHz, czyli znacznie powyżej granicy ludzkiego słuchu. Tutaj jest podłączana do sprzętu na pokładzie statku naukowo-badawczego, zanim zostanie opuszczona do wody i przeciągnięta obok. Photo by John F. Williams courtesy of US Navy.
Różne systemy sonarowe wykorzystują bardzo szeroki zakres częstotliwości dźwięku, od bardzo niskich infradźwięków (które mogą powodować problemy dla wielorybów i innych stworzeń morskich), przez dźwięk słyszalny (klasyczny hałas „ping”, który słyszy się w filmach o łodziach podwodnych w czasie wojny), aż po bardzo wysokie ultradźwięki (zazwyczaj wykorzystywane w systemach lokalizacji ryb używanych między innymi przez trawlery przemysłowe). Dźwięki o wysokiej częstotliwości są wykorzystywane w sonarach bocznych, w których mała, podobna do torpedy jednostka skanująca, zwana holownikiem, jest ciągnięta za statkiem i wysyła szerokie wiązki sonarowe na obie burty. Wiązki opuszczają holownik pod kątem i odbijają się z powrotem, tworząc profil szerokiego obszaru morza (i dna morskiego) pod nim.Sonar boczny jest używany w archeologii morskiej (do lokalizowania wraków na dnie morskim), badaniach oceanów i zwykłym wędkarstwie.Różne ryby odbijają dźwięk w różnym stopniu i, z umiejętnościami i doświadczeniem, można dowiedzieć się z wiązki sonaru nie tylko, które ryby są obecne, ale ile ich jest w danym obszarze. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa częstotliwość dźwięku, tym więcej szczegółów się pojawia, ale tym krótszy jest zasięg, w którym jest on skuteczny; wyższe częstotliwości są najlepsze do szczegółowej pracy na małych obszarach stosunkowo płytkiej wody, podczas gdy niższe częstotliwości są potrzebne do głębszych wód lub wykrywania na duże odległości.
.