Cum se produc ultrasunetele?
Este imposibil să producem ultrasunete în același mod în care producem sunete normale – lovind și suflând în lucruri, așa cum facem, de exemplu, în instrumente muzicale. Asta pentru că nu putem lovi și sufla lucrurile suficient de repede. Dar putem produce ultrasunete folosind echipamente electrice care vibrează cu o frecvență extrem de înaltă. Cristalele unor materiale (cum ar fi cuarțul) vibrează foarte repede atunci când treci electricitate prin ele – un efect numit piezoelectricitate. În timp ce vibrează, ele împing și trag aerul din jurul lor, producând unde cu ultrasunete. Dispozitivele care produc unde cu ultrasunete folosind piezoelectricitatea sunt cunoscute sub numele de transductoare piezoelectrice. Cristalele piezoelectrice funcționează, de asemenea, în mod invers: dacă undele de ultrasunete care călătoresc prin aer se ciocnesc întâmplător cu un cristal piezoelectric, acestea îi comprimă foarte ușor suprafața, provocând o scurtă explozie de electricitate care trece prin el. Așadar, dacă conectați un cristal piezoelectric la un contor electric, obțineți un detector instantaneu de ultrasunete.
Artwork: Cum se fac ultrasunetele pentru curățarea lucrurilor. 1) O sursă de electricitate alternativă de înaltă frecvență trimite energie la trei transductoare piezoelectrice (2). Aceștia se agită la frecvențe ultrasonice, trimițându-și vibrațiile către o placă subțire de sticlă de cuarț (3), care transmite undele (4) într-un bazin umplut cu lichid (5) în care se plasează obiectele ce urmează a fi curățate.
Undele ultrasonice pot fi produsefolosind magnetismul în loc de electricitate. La fel cum cristalele piezoelectrice produc unde ultrasonore ca răspuns la electricitate, există și alte cristale care produc ultrasunete ca răspuns la magnetism. Acestea se numesc cristale magnetostrictivecristale, iar transductoarele care le utilizează se numesc transductoare magnetostrictivecristale. (Efectul magnetic este cunoscut sub numele de magnetostricție.)
La ce se utilizează ultrasunetele?
Utilizarea ultrasunetelor în scopuri practice se numește uneori ultrasunete – și se utilizează pentru orice, de la sudarea și forarea industrială până la producerea laptelui omogenizat și a filmelor fotografice.
Scanare medicală cu ultrasunete
Foto: Această femeie însărcinată urmărește o ecografie a copilului care se dezvoltă în uterul ei. Observați ecograful (în dreapta jos) care se deplasează încet pe abdomenul ei și monitorul (deasupra) care arată imaginea copilului ei.Fotografie realizată de Rafael Martie, prin amabilitatea US Navy.
Probabil cel mai cunoscut exemplu de ultrasunete este testarea medicală.Pentru a nu fi nevoiți să vă deschidă corpul pentru a detecta o boală, medicii pot pur și simplu să treacă un ecograf peste piele pentru a vedea interiorul. Sonda scanerului seamănă adesea cu un mouse de calculator.Are un transductor încorporat care emite unde inofensive de ultrasunete în corpul dumneavoastră. Pe măsură ce undele călătoresc prin diferite oase și țesuturi, ele se reflectă din nou în sus. Același transductor (sau unul separat alături) primește undele reflectate și un computer atașat la scaner le folosește pentru a desena pe un ecran o imagine detaliată a ceea ce se întâmplă în interiorul dumneavoastră.Scanările fetușilor (copii nenăscuți care se dezvoltă în uter) se fac în acest fel.
Foto: Un prim-plan al unei mici sonde cu ultrasunete. Fotografie realizată de Rafael Martie, prin amabilitatea US Navy.
Testări nedistructive
Echipamente similare sunt folosite pentru a testa defectele din mașini, cum ar fi motoarele cu reacție ale avioanelor. Dacă există o fisură în adâncul unui metal,inspectarea din interior nu va dezvălui problema. Dar dacă treceți un scaner cu ultrasunete peste partea exterioară a metalului, fisura din interior va perturba și va reflecta o parte din undele ultrasonice, astfel încât defectul va apărea pe monitorul de testare. Inspectarea materialelor în acest mod este uneori cunoscută sub numele de testare nedistructivă, deoarece nu trebuie să deteriorați sau să demontați lucrurile pentru a le verifica.
Foto: Examinarea unui motor de avion cu ajutorul testelor ultrasonice, nedistructive. Inspectorul deplasează o sondă cu ultrasunete peste o componentă a avionului cu mâna dreaptă. În același timp, ea reglează fasciculul de ultrasunete cu mâna stângă.Fotografie realizată de Michelle Michaud, prin amabilitatea Forțelor Aeriene ale SUA.
Ultrasunete de mare putere
Undele ultrasonore de intensitate relativ scăzută sunt folosite pentru scanări medicale și teste nedistructive. Undele cu ultrasunete mult mai puternice au utilizări foartediferite. Dacă aveți o piatră la rinichi dureroasă, lansarea unor unde ultrasonore puternice din afara corpului dumneavoastră poate face piatra să vibreze și să se spargă. Undele puternice de ultrasunete sunt uneori folosite și pentru a distruge tumorile canceroase și leziunile cerebrale (regiuni deteriorate ale creierului). În mod similar, undele ultrasonice pot fi folosite pentru a curăța bijuterii, ceasuri, dinți falși și o gamă largă de piese de mașini care pot fi preadificile (sau inaccesibile) pentru a fi curățate în alte moduri.
Sonar
O altă utilizare populară a ultrasunetelor este în nave, atât pentru navigație cât și pentru localizarea obiectelor subacvatice. Sunetul se deplasează mai repede prin apă decât prin aer, ceea ce este foarte utilpentru că lumina nu se deplasează aproape deloc prin apă. Cei mai mulți oameni știu că balenele pot folosi sunetele de joasă frecvență pentru a comunica prin oceane întregi.Submarinele folosesc un truc similar cu un tip de navigație numit sonar (navigație și telemetrie prin sunet), care este un pic ca un echivalent subacvatic al radarului.
Foto: Este nevoie de îndemânare și concentrare pentru a monitoriza un ecran de scanare sonar. Acest sistem se află la bordul navei USS Gladiator și este folosit pentru a detecta minele. Fotografie realizată de Peter D. Lawlor prin amabilitatea US Navy.
Cum funcționează? Atunci când un submarin se află la mare adâncime sub suprafață, acesta își poate găsi drumul trimițând semnale sonore și ascultând ecourile – exact ca un liliac care folosește ecolocația. Cronometrând timpul necesar pentru ca ecourile să revină, navigatorul unui submarin își poate da seama dacă există alte nave, submarine sau alte obstacole în apropiere. Sonarul este, de asemenea, utilizat de nave pentru a calcula adâncimea mării (sau pentru a trasa o hartă a fundului mării) prin lansarea de raze sonore direct în jos. Această tehnică este cunoscută sub numele de ecosoundare.
Sonar cu scanare laterală
Foto: Un pește de remorcare tipic cu sonar cu scanare laterală. Acesta folosește ultrasunete la o frecvență de 600 kHz, care este mult peste limita auzului uman. Aici, este conectat la echipamentul de la bordul unei nave de cercetare științifică înainte de a fi coborât în apă pentru a fi tras pe lângă. Fotografie realizată de John F. Williams, prin amabilitatea US Navy.
Diferitele sisteme sonar utilizează o gamă foarte largă de frecvențe sonore, de la infrasunete foarte joase (care pot cauza probleme balenelor și altor creaturi marine), trecând prin sunetul audibil (zgomotul clasic „ping” pe care îl auziți în filmele cu submarine în timp de război), până la ultrasunete foarte înalte (utilizate de obicei în sistemele de localizare a peștilor folosite, printre altele, de traulerele industriale). Sunetele de înaltă frecvență sunt utilizate în sonarul cu scanare laterală, în care o unitate de scanare mică, asemănătoare unei torpile, numită „towfish”, este trasă în spatele unei nave și trimite fascicule sonare largi în ambele părți. Sonarul cu scanare laterală este utilizat în arheologia marină (pentru a localiza epavele de pe fundul mării), în cercetarea oceanică și în pescuitul obișnuit.Diferiți pești reflectă sunetul într-o măsură diferită și, cu îndemânare și experiență, este posibil să se afle din fasciculul sonar nu numai ce pești sunt prezenți, ci și câți sunt într-o anumită zonă. În general, cu cât frecvența sonoră folosită este mai mare, cu atât mai multe detalii apar, dar cu atât mai scurtă este raza de acțiune pe care este eficientă; frecvențele mai mari sunt cele mai bune pentru lucrul detaliat în zone mici din ape relativ puțin adânci, în timp ce frecvențele mai mici sunt necesare pentru ape mai adânci sau pentru detectarea pe distanțe mari.
.