Hur framställs ultraljud?
Det är omöjligt för oss att framställa ultraljud på samma sätt som vi framställer normala ljud – genom att slå och blåsa på saker, som vi till exempel gör i musikinstrument. Det beror på att vi inte kan slå och blåsa på saker tillräckligt snabbt. Men vi kan skapa ultraljud med hjälp av elektrisk utrustning som vibrerar med extremt hög frekvens. Kristaller av vissa material (t.ex. kvarts) vibrerar mycket snabbt när man låter elektricitet passera genom dem – en effekt som kallas piezoelektricitet. När de vibrerar trycker och drar de på luften runt omkring dem och producerar ultraljudsvågor. Enheter som producerar ultraljudsvågor med hjälp av piezoelektricitet kallas piezoelektriska transduktorer. Piezoelektriska kristaller fungerar också på det omvända sättet: om ultraljudsvågor som rör sig genom luften råkar kollidera med en piezoelektrisk kristall trycker de mycket lätt på dess yta, vilket leder till att en kort elstöt flödar genom den. Om du kopplar en piezoelektrisk kristall till en elmätare får du alltså en omedelbar ultraljudsdetektor.
Artwork: Hur ultraljud används för att rengöra saker. 1) En högfrekvent växelström skickar ström till tre piezoelektriska transduktorer (2). Dessa skakar runt med ultraljudsfrekvenser och sänder sina vibrationer till en tunn kvartsglasplatta (3), som sänder vågorna (4) till en bassäng fylld med vätska (5) i vilken man placerar föremålen som ska rengöras.
Ultraljudsvågor kan framställas med hjälp av magnetism i stället för med hjälp av elektricitet. Precis som piezoelektriska kristaller producerar ultraljudsvågor som svar på elektricitet finns det andra kristaller som producerar ultraljud som svar på magnetism. Dessa kallas magnetostriktiva kristaller och de omvandlare som använder dem kallas magnetostriktiva omvandlare. (Den magnetiska effekten kallas magnetostriktion.)
Vad används ultraljud till?
Att använda ultraljud för praktiska ändamål kallas ibland för ultraljud – och det används till allt från industriell svetsning och borrning till produktion av homogeniserad mjölk och fotografisk film.
Medicinsk ultraljudsskanning
Foto: Denna gravida kvinna tittar på en ultraljudsskanning av barnet som utvecklas i hennes livmoder. Lägg märke till ultraljudsskannern (längst ner till höger) som sakta förflyttas över hennes buk och monitorn (ovan) som visar bilden av hennes barn.Foto av Rafael Martie med tillstånd av US Navy.
Det mest kända exemplet på ultraljud är förmodligen medicinska tester.För att slippa öppna din kropp för att upptäcka en sjukdom kan läkarna helt enkelt köra en ultraljudsskanner över din hud för att se in i den. Den har en inbyggd transducer som sänder ofarliga ultraljudsvågor ner i din kropp. När vågorna färdas genom de olika benen och vävnaderna reflekteras de tillbaka uppåt igen. Samma givare (eller en separat givare bredvid) tar emot de reflekterade vågorna och en dator som är kopplad till skannern använder dem för att på en skärm teckna en detaljerad bild av vad som händer inuti dig.Skanningar av foster (ofödda barn som utvecklas i livmodern) görs på detta sätt.
Foto: En närbild av en liten ultraljudssond. Foto av Rafael Martie med tillstånd av US Navy.
Nondestruktiv testning
Samma utrustning används för att testa fel i maskiner som t.ex. flygplansmotorer. Om det finns en spricka djupt inne i en metall kommer en inspektion från insidan inte att avslöja problemet. Men om du kör en ultraljudsskanner över metallens utsida kommer sprickan på insidan att störa och reflektera tillbaka en del av ultraljudsvågorna – så felet kommer att synas på testskärmen. Att inspektera material på detta sätt kallas ibland för icke-förstörande provning, eftersom du inte behöver skada eller ta isär saker för att kontrollera dem.
Foto: Undersökning av en flygplansmotor med hjälp av ultraljud, icke-förstörande provning. Inspektören flyttar en ultraljudssond över en flygplanskomponent med sin högra hand. Samtidigt justerar hon ultraljudsstrålen med vänster hand.Foto av Michelle Michaud med tillstånd av US Air Force.
Högintensivt ultraljud
Relativt låga ultraljudsvågor används för medicinska skanningar och oförstörande provning. Mycket starkare ultraljudsvågor har mycket olika användningsområden. Om du har en smärtsam njursten kan kraftiga ultraljudsvågor utanför kroppen få stenen att vibrera och gå sönder. Starka ultraljudsvågor används ibland också för att förstöra cancertumörer och hjärnskador (skadade områden i hjärnan). På samma sätt kan ultraljudsvågor användas för att rengöra smycken, klockor, falska tänder och ett stort antal maskindelar som kan vara svåra (eller otillgängliga) att rengöra på andra sätt.
Sonar
Ett annat populärt användningsområde för ultraljud är i fartyg, både för navigering och för att lokalisera föremål under vattnet. Ljudet färdas snabbare genom vatten än genom luft, vilket är till stor hjälp eftersom ljus knappt färdas genom vatten alls. De flesta vet att valar kan använda lågfrekvent ljud för att kommunicera över hela hav.Ubåtar använder ett liknande trick med en typ av navigering som kallas sonar (sound navigation and ranging), som är lite som en undervattensekvivalent till radar.
Foto: Det krävs skicklighet och koncentration för att övervaka en sonarskärm. Det här systemet finns ombord på fartyget USS Gladiator och används för att upptäcka minor. Foto av Peter D. Lawlor med tillstånd av US Navy.
Hur fungerar det? När en ubåt befinner sig djupt under ytan kan den hitta sin väg genom att sända ut ljudbuller och lyssna efter ekot – precis som en fladdermus som använder ekolokalisering. Genom att mäta hur lång tid det tar för ekot att komma tillbaka kan ubåtens navigatör ta reda på om det finns andra fartyg, ubåtar eller andra hinder i närheten. Sonar används också av fartyg för att beräkna hur djupt havet är (eller för att rita en karta över havsbotten) genom att skjuta ljudstrålar rakt nedåt. Denna teknik kallas ekolod.
Side-scan sonar
Foto: En typisk bogserfisk med side-scan sonar. Den här använder ultraljud med en frekvens på 600 kHz, vilket ligger långt över gränsen för den mänskliga hörseln. Här kopplas den till utrustning ombord på ett vetenskapligt forskningsfartyg innan den sänks ner i vattnet för att dras längs med. Foto av John F. Williams med tillstånd av US Navy.
Olika sonarsystem använder ett mycket brett spektrum av ljudfrekvenser, från mycket lågt infra-ljud (som kan orsaka problem för valar och andra havsdjur), via hörbart ljud (det klassiska ”ping”-ljudet som man hör i ubåtar under kriget i filmerna), ända upp till mycket högt ultraljud (som vanligtvis används i system för lokalisering av fiskar som används av bl.a. industritrålare). Högfrekventa ljud används i side-scan-sonar, där en liten torpedliknande skanningsenhet, en s.k. bogserfisk, dras bakom ett fartyg och sänder ut breda sonarstrålar åt båda hållen. Strålarna lämnar bogserfisken i vinklar och reflekteras tillbaka igen, vilket ger en profil av ett stort område av havet (och havsbottnen) under sig. Side-scan-sonar används inom marinarkeologi (för att lokalisera vrak på havsbottnen), havsforskning och vanligt fiske. olika fiskar reflekterar ljudet i olika utsträckning och med skicklighet och erfarenhet kan man med hjälp av sonarstrålen räkna ut inte bara vilka fiskar som finns, utan också hur många det finns i ett visst område. Generellt sett gäller att ju högre ljudfrekvens som används, desto mer detaljer syns, men desto kortare räckvidd är det effektivt; högre frekvenser är bäst för detaljerat arbete i små områden på relativt grunt vatten, medan lägre frekvenser behövs för djupare vatten eller upptäckt på långa avstånd.
