Ultradźwięki - zastosowanie i wytwarzanie

Zuzanna Ziętarska kl. 3a nr 29

Wytwarzanie i zastosowanie ultradźwięków

Fale sprężyste o częstotliwościach znajdujących się powyżej górnej granicy słuchu człowieka (tj. powyżej 20kHz) nazywa się ultradźwiękami (naddźwiękami) Ultradźwięki to fale akustyczne o częstotliwości wyższej niż 16 kHz (tj. przekraczającej górny próg słyszalności dla człowieka) i niższej od 100 MHz (hiperdźwięk).
, przy czym terminem tym obejmuje się zjawisko zachodzące do częstotliwości 10GHz. Fale sprężyste, których częstotliwość przekracza 10GHz nazywa się Ultradźwięki, a tym bardziej hiperdźwięki, odznaczają się małymi długościami fal, np. przy częstotliwości 16 kHz długość fali w powietrzu wypada około 2 cm w cieczach około 8 cm, w ciałach stałych około 30 cm, natomiast przy 10‾ i w ciele‾ cm w cieczy rzędu 1,210 GHz długość fali była by około 3 10‾ ==================================================
1. Właściwości ultradźwięków

Fale sprężyste, których częstotliwość przewyższa 10 GHz, nazywa się hiperdźwiękami. Ultradźwięki które wytwarzamy i odbieramy jako koherentne (spójne) wiązki fal sprężystych, hiperdźwiękowe fale cieplne (tzw. debayowskie) stanowią zbiór fal niekoherentnych rozchodzących się we wszystkich możliwych kierunkach wewnątrz ciała, które rejestrujemy tylko pośrednimi metodami wykorzystując zjawisko akustooptyczne (akustyczne zjawiska kwantowe).
Ultradźwięki, a tym bardziej hiperdźwięki, odznaczają się małymi długościami fal, np. przy częstotliwości 16 kHz długość fali w powietrzu wypada około 2 cm w cieczach około 8 cm, w ciałach stałych około 30 cm.

2. Wytwarzanie ultradźwięków

Wytworzyć je można korzystając ze zjawiska magnetostrykcji albo z odwrotnego zjawiska piezoelektrycznego.
Zjawisko magnetostrykcji zostało wykryte w 1847 r. przez J. P. Joule’a, a polega na tym, że pręty ciał ferromagnetycznych , np. żelaza czy niklu, doznają podczas magnesowania zmian długości. Pręt z żelaza lub niklu umieszczony w cewce wytwarzającej drgania pola magnetycznego wielkiej częstotliwości, jest pobudzany do drgań podłużnych z częstotliwością drgań pola. Drgania te są szczególnie silne w przypadku rezonansu, tj. gdy częstotliwość zmian pola pokrywa się z częstotliwością własną pręta.
Energia drgań jest odprowadzona z końca pręta z przekroju poprzecznego. Za pomocą tej metody można wytworzyć drgania nawet o częstotliwości 60 000 Hz, przy czym długość pręta niklowego wynosi w tym przypadku zaledwie 4 cm. Zjawisko piezoelektryczne, odkryte przez braci Curie ( 1881 ) r. występuje w takich kryształach, jak turmalin, kwarc, sól Seignette’a i polega na tym, że przy deformacji, np. zgniataniu w określonych kierunkach, występują na końcach osi polarnej kryształu ładunki elektryczne przeciwnego znaku. Przy tzw. Odwrotnym, którego kierunek pokrywa się z jego osią biegunową, doznaje deformacji mechanicznej.
Płytki kryształów używane do wytwarzania ultradźwięków wycina się prostopadle do osi biegunowej kryształu. Powierzchnie płytek pokrywa się cienkimi warstwami metalu stanowiącymi dwie metalowe elektrody. Płytkę umieszczamy następnie w pojemniku z olejem, którego zadaniem jest przekazywanie ultradźwięków do badanego obiektu, oraz chłodzenie. Przyłożenie zmiennego napięcia elektrycznego do elektrod metalowych pobudza kryształ do drgań sprężystych, których amplituda osiąga maksymalną wartość, gdy częstotliwość zmian napięcia elektrycznego pokrywa się z częstotliwością własną drgań mechanicznych płytki.
Ultradźwięki są silnie tłumione przez powietrze. Energia, jaką przy tej samej amplitudzie drgań daje płytka kwarcowa drgając w oleju, jest 3000 razy większa, niż gdy drga ona w powietrzu. Powodem tego jest znacznie większy opór stawiany drganiom przez olej w porównaniu z powietrzem. Przy zastosowaniu płytek piezokwarcowych można uzyskać częstotliwości w granicach od kilkudziesięciu tysięcy do kilkudziesięciu milionów herców. Przy zastosowaniu płytek turmalinu, które dają wyższe harmoniczne, uzyskuje się ultradźwięki o częstotliwości do 300 milionów herców. Gęstość energii przekazywana płytce w jednostce czasu może osiągnąć wartość do 10 W/cm2, co przewyższa o koło 100 razy natężenie dźwięku orkiestry. Amplituda drgań ultradźwiękowych jest bardzo mała, przyspieszenie zaś nawet 105 razy przewyższać przyspieszenie ziemskie.
Ultradźwięki wywołują ciekawe efekty fizyczne i fizjologiczne: tak np. ciecze, które nie mieszają się z sobą, poddane działaniom ultradźwięków tworzą w ciągu kilku minut emulsję ( np. woda i rtęć ). Termometru zanurzonego w oleju, w którym rozchodzą się fale ultradźwiękowe, nie można dotknąć ręką, ponieważ doznaje się oparzenia pod działaniem ultradźwięków, mimo że termometr wskazuje niską temperaturę.
Ultradźwięki zabijają drobnoustroje i niektóre prostsze zwierzęta, np. żaby, ryby. Warto tu przypomnieć pewną ciekawostkę przyrody: nietoperze reagują na częstotliwości do 100 kHz, a ponadto korzystają z ultradźwięków w celu określenia położenia przeszkody. Wysyłają one impulsy ultradźwiękowe o częstotliwości 35 do 70 kHz i czasie trwania rzędu 1/100s, a następnie nasłuchują impulsów odbitych od przeszkody. Z opóźnienia czasowego ( podobnie jak przy zastosowaniu radaru ) nietoperze oceniają położenie przeszkody. Studiowanie podobnych „aparatur” w przyrodzie żywej celem wykorzystania w technice jest przedmiotem nowej nauki – bioniki.
Langevin w 1918 roku po raz pierwszy zastosował ultradźwięki do pomiarów głębokości morza. Użycie ultradźwięków do tego typu pomiarów jest bardzo korzystne, ponieważ dają one możliwości wysyłania energii promieniowania w postaci wąskiego zorientowanego strumienia. Umożliwiają one wykrycie gór lodowych i ławic ryb. Elektromagnetyczne fale radarowe nie znajdują tu zastosowania z powodu zbyt silnej absorbcji w słonej wodzie morskiej. Ultradźwięki znalazły również zastosowanie w tzw. Defektoskopii do badań uszkodzeń nawet bardzo grubych odlewów, których już nie można prześwietlić promieniami X.


c) Zastosowanie ultradźwięków w medycynie

Można wprowadzić niejaki podział fal wysokich częstotliwości (0,8 – 30 MHz), ze względu na ich zastosowanie. Dzielą się one na formę bierną (diagnostyka) i czynna (leczenie schorzeń).
Czynne zastosowanie ultradźwięków, od czasów pionierskich badań Pohlmana (1935r.) zostało wprowadzone do wielu specjalności lekarskich jako energia mająca wpływ na przebieg wielu schorzeń. Ustalono listę kilkudziesięciu jednostek chorobowych, w przebiegu których wskazane jest korzystanie z energii ultradźwiękowej. Nie należy jednak zapominać, że równocześnie nagromadziło się też wiele spostrzeżeń negatywnego wpływu ultradźwięków na procesy wewnątrzustrojowe. Doprowadziło to w konsekwencji do opracowania przeciwwskazań, których pominąć nie sposób. Zastosowanie ultradźwięków ogranicza się jednak niemal do działania przeciwbólowego i przeciwzapalnego, gdyż odkryto wielki ich wpływ na układ nerwowy.
Najchętniej stosuje się terapię ultradźwiękową w przypadkach porażeń nerwów obwodowych z zaburzeniami czucia, zapalenia nerwu kulszowego i trójdzielnego a także przy różnego rodzaju nerwobólach. Z tego względu ultradźwięki to chętnie widziana forma leczenia w neurologii. Oprócz tego wiele schorzeń stawów , a także narządów wewnętrznych i skóry dobrze poddaje się terapii ultradźwiękami o wysokich częstotliwościach. Co ciekawe, fale te są też wykorzystywane do inhalacji, celem uzyskania odpowiedniej konsystencji aerozolu z cząsteczkami o małej średnicy, co dotąd było niezwykle trudne. Zaletą tego typu inhalacji jest wyeliminowanie nadciśnienia oddechowego oraz osiągnięcie odpowiednio dużego stężenia, co znacznie skraca okres zabiegu.
Warto zwrócić też uwagę, iż ultradźwiękami można oczyszczać narzędzia chirurgiczne, co jest stanowczo dokładniejsze od tradycyjnego mycia; a nawet je sterylizować. Niemniej jednak dla bezpieczeństwa pomimo mycia ultradźwiękowego, stosuje się dodatkowo tradycyjne metody sterylizacji. W bardzo podobny sposób usuwane są z różnych przedmiotów skażenia radioaktywne, pozostające na sprzęcie laboratoryjnym.
Czynne zastosowanie ultradźwięków znalazło także zastosowanie w technice przygotowywania preparatów histologicznych. Doskonałe rozdrobnienie roztworów impregnujących lub barwiących oraz działanie energii akustycznej pozwala na otrzymanie lepszej jakości i większej wyrazistości preparatów.
Zastosowanie bierne. Technika ta (ultrasonografia – USG) pod kilkoma zasadniczymi względami ma przewagę nad badaniami promieniami rentgenowskimi, dostarczając informacji w tych sytuacjach kiedy rentgenogram (RTG) zawodzi ze względu na zbyt małą kontrastowość między granicą interesującej nas tkanki a otoczeniem.
Budowa urządzeń ultradźwiękowych dla celów diagnostycznych opiera się bądź na zasadzie odbierania i analizowania echa, podobnie jak jest to wykorzystywane w defektoskopii, bądź na przepuszczaniu drgań ultradźwiękowych i ocenie stopnia pochłaniania.
W tych warunkach wykorzystuje się istnienie różnych oporów akustycznych tkanek miękkich. Tłumienie jest zależne od stosowanej częstotliwości drgań. Na przykład dla częstotliwości f=1MHz, tłumienie wynosi od ok. 3,3dB/cm w mięśniu szkieletowym do 0,1dB/cm w gałce ocznej. Pozwala to na odpowiednie zróżnicowanie położenia interesujących nas tkanek miękkich przy zastosowaniu częstotliwości w zakresie od 1 do 20MHz. Odbijane na granicy dwóch tkanek echo jest odpowiednio wzmacniane i uwidaczniane na lampie oscyloskopowej. W ten sposób ultrasonografia pozwala wniknąć w strukturę prawidłowych lub chorobowo zmienionych wiązadeł, ścięgien, nerwów, narządów czy mięśni, które dotąd za pomocą techniki rentgenowskiej nie były dostępne obserwacji.
Jedyną przeszkodą są jamy zawierające powietrze, gdyż te całkowicie odbijają wysyłane impulsy. A znów w tych wypadkach istnieje odpowiednia kontrastowość w obrazie radiologicznym. Można więc powiedzieć, że obie techniki wzajemnie się uzupełniają. Największe perspektywy ma niewątpliwie ultrasonografia jamy brzusznej w tym płodów. Przeprowadzenie RTG o okresie płodowym u kobiety może spowodować zmiany chromosomalne, jak też uszkodzenia rozwojowe płodu.
Czynione są także próby możliwości diagnozowania guzów nowotworowych i ich usytuowania. Osiągnięcia polskie w diagnostyce ultradźwiękowej są szczególnie duże, a zespół pod kierownictwem prof. L. Filipczyńskiego opracował wiele odmian ultrasonografów stosowanych w lecznictwie.
Zaobserwowane zmiany pod wpływem fal ultradźwiękowych polegające na trwałym uszkodzeniu tkanki nerwowej mózgu odnotowano dopiero przy półminutowym działaniu bezpośrednio na mózg natężeniem 80W/cm2, podczas gdy średnie natężenie podczas USG dochodzi do kilku W/cm2 w czasie ok. jednej milionowej sekundy! Wielokrotne stosowanie ultradźwięków nie powoduje efektu kumulacji, jak to ma miejsce w przypadku promieniowania jonizującego, którego skumulowana dawka określonej wielkości może później wywołać swoiste zmiany chorobowe.

d) Inne zastosowania ultradźwięków

1. Głowica ultradźwiękowa, podstawowy zespół obrabiarki ultradźwiękowej, składający się z przetwornika magnetostrykcyjnego wytwarzającego drgania ultradźwiękowe oraz mechanizmu ruchu posuwowego. Głowica ultradźwiękowa stosowana jest do obróbki twardych i kruchych materiałów, m.in. szkła, porcelany.

2. Echolokacja, sposób ustalania przez niektóre organizmy żywe swego położenia względem otaczających je przedmiotów, polegający na wysyłaniu (do 150 kHz a czasem więcej, są to tzw. piski ultradźwiękowe) i odbieraniu sygnałów akustycznych odbitych od otoczenia. Zdolność3. echolokacji, pozwalającą na swobodne poruszanie się między przeszkodami, a także na zdobywanie pokarmu, posiadają niektóre zwierzęta prowadzące nocny tryb życia lub żyjące w niekorzystnych warunkach oświetlenia, np. delfiny, nietoperze. Nietoperze w czasie lotu wydają średnio 20-30 ultradźwięków na sekundę, natomiast gdy zbliżają się do przeszkody ok. 200/sekundę. Potrafią bezbłędnie odróżnić echo własnych dźwięków od innych, nawet o tej samej
częstotliwości. Odbioru własnych sygnałów nie zakłócają nawet hałasy otoczenia. U niektórych ptaków np. tłuszczaków i jerzyków, występuje podobny system echolokacji, z tym, że wydają one dźwięki o częstotliwości dużo mniejszej ok. 7kHz, więc słyszalnej dla człowieka.

5. Ultrasonografia, USG, badanie narządów wewnętrznych za pomocą fal ultradźwiękowych. Metoda diagnostyczna oparta na zjawisku echa ultradźwiękowego. Informacje uzyskane tą metodą mogą być przedstawione na ekranie oscyloskopowym w postaci impulsów lub w postaci obrazu rozkładu tkanek normalnych i patologicznych.

7. Grawerowanie, czynność polegająca na wykonywaniu wzorów w metalu lub szkle, przy pomocy rylca, ostrza diamentowego, tarczy obrotowej (do szkła), środków chemicznych lub metodami obróbki ultradźwiękowej, elektroiskrowej. Wykonany wzór może być wypukły lub wklęsły, wówczas wypełnia się go innym materiałem. Grawerowanie służy do żłobienia matryc, miedzianych form drukarskich, stalorytów do banknotów, znaków pocztowych. Do XVIII w . grawerowanie wchodziło w skład sztuki złotniczej.

10. Ultradźwiękowa obróbka, obróbka udarowo-ścierna, wariant obróbki skrawaniem wykorzystujący pracę ziaren, poddawanych okresowym obciążeniom koncentratora o częstotliwości ultradźwiękowej (rzędu 20-25 kHz). Końcówka koncentratora jest narzędziem odwzorowującym się w obrabianym materiale.

11. Defektoskopia, nie niszcząca metoda badań uszkodzeń i wykrywania defektów w przedmiotach, głównie metalowych (odlewach, odkuwkach, spawach itp.). Ze względu na wykorzystywane w badaniu zjawiska fizyczne rozróżnia się defektoskopię gamma, rentgenowską, luminescencyjną, magnetyczną i elektromagnetyczną oraz ultradźwiękową. W defektoskopii ultradźwiękowej bada się rozchodzenie się fali akustycznej wysokiej częstości w danym przedmiocie. Stosuje się tu metody: echa, cienia, rezonansu, impedancji oraz drgań własnych.

12. Ultrasonoterapia, leczenie ultradźwiękami. Ich wpływ leczniczy polega na działaniu przeciwbólowym, zmniejszaniu napięcia mięśni, rozszerzeniu naczyń krwionośnych, hamowaniu procesów zapalnych, przyspieszaniu wchłaniania tkankowego.. Działają na autonomiczny układ nerwowy.

13. Litotrypsja, kruszenie kamieni (kamica) w pęcherzu moczowym przyrządem (litotryptor) wprowadzonym przez cewkę. Można wykonać litotrypsję ślepą lub optyczną, działając falą elektrohydrauralityczną lub falą ultradźwiękową. Pokruszone odłamki ewakuuje się ewakuatorem (gruszka Bigelowa lub Ellika). Obecnie najczęściej stosuje się litotrypsję w nerce dwoma sposobami: przezskórnie - za pomocą ultradźwięków, lub nieinwazyjnie za pomocą fal uderzeniowych wytwarzanych w lipotrypterach (ESWL).

15. Homogenizacja, wytwarzanie jednolitej, trwałej mieszaniny z dwóch lub więcej składników, nie mieszających się ze sobą w warunkach normalnych. Homogenizację przeprowadza się m.in. metodą ciśnieniową, sposobem udarowym, działaniem ultradźwięków, poprzez intensywne, szybkie mieszanie oraz przez zastosowanie środków chemicznych (dyspergatorów lub emulgatorów). Homogenizacja stosowana jest w przemyśle spożywczym (np. przy wyrobie margaryny, majonezu), w przemyśle kosmetycznym (przy wyrobie kremów) itp. W mikrobiologii lekarskiej termin ten oznacza jedną z technik przygotowania materiału klinicznego (np. do badania plwociny na obecność prątków gruźliczych).

17. Magnetyczny zapis dźwięku (obrazu, informacji), metoda zapisu informacji, polegająca na wytworzeniu (na drodze indukcji, dzięki odpowiedniej głowicy będącej rodzajem elektromagnesu) w nośniku informacji (taśmie magnetycznej, dysku magnetycznym itp.), wykonanym z magnetodielektryka, namagnesowania proporcjonalnego do chwilowej wartości zapisywanego sygnału. Przesuw nośnika zapewnia uzyskanie zapisu czasowych zmian sygnału. Odczyt polega na indukcyjnym wzbudzaniu w głowicy odczytującej prądu proporcjonalnego do zarejestrowanego namagnesowania. Kasowanie informacji polega na zapisie informacji neutralnej (np. dźwięku o częstotliwości ultradźwiękowej). Technika magnetycznego zapisu dźwięku wykorzystywana jest do zapisu informacji cyfrowych (np. dyskietki, dyski i taśmy komputerowe) oraz analogowych (np. taśmy magnetofonowe i magnetowidowe). Magnetyczny zapis dźwięku zastosowany został po raz pierwszy w 1898 (tzw. telegrafon, nośnik informacji w postaci drutu stalowego). W 1935 opracowano pierwszy magnetofon z taśmą z magnetodielektryka, w 1963 wprowadzono (Philips) kasetę magnetofonową.

18. Grzejnik, urządzenie wypromieniowujące energię cieplną, powstającą w nim w wyniku przetwarzania innych rodzajów energii (np. energii elektrycznej) lub doprowadzoną do niego z zewnątrz za pośrednictwem nośników ciepła (np. pary wodnej, gorącej wody). W zależności od rodzaju przetwarzanej energii rozróżnia się m.in. grzejniki elektryczne (np. indukcyjne, oporowe, ultradźwiękowe), grzejniki gazowe, grzejniki naftowe. Grzejniki stosowane są do nagrzewania ciał stałych lub ciekłych (piece przemysłowe, kanałowe grzejniki rurowe typu Junkersa itp.), jak również do ogrzewania powietrza w pomieszczeniach zamkniętych (potocznie zwane kaloryferami grzejniki wodne, parowe, elektryczne itp.).

19. Odemglanie, usuwanie mgły znad ograniczonego obszaru (np. lotniska) za pomocą małych rakiet prochowych (rakieta) z ładunkiem chemicznym albo przy użyciu syren ultradźwiękowych (o częstotliwości 45-200 kHz i mocy rzędu 35 kW), wysyłających za pośrednictwem rogu akustycznego fale o dużej częstotliwości, pod których wpływem mgła kondensuje się na powierzchni ziemi.

20. Sonoluminescencja, odmiana luminescencji zachodzącej pod wpływem działania fal ultradźwiękowych (ultradźwięki).

21. Hydrolokacja, ogół technik akustycznych służących lokalizowaniu przedmiotów zanurzonych w zbiornikach wodnych. Wyróżnia się hydrolokację pasywną i aktywną. Hydrolokacja pasywna polega na wykorzystywaniu pola akustycznego pochodzącego od lokalizowanego przedmiotu, w hydrolokacji aktywnej wykorzystuje się echo akustyczne (echolokacja) przedmiotów, stosuje się fale ultradźwiękowe (ultradźwięki). Hydrolokator, aktywne urządzenie hydrolokacyjne złożone z obrotowego reflektora nadajnika, emitującego wąską wiązkę ultradźwięków, oraz odbiornika i układu przeliczeniowego, dzięki któremu czas powrotu fali wyznacza odległość22. od wykrytego obiektu.

23. Inhalator, aparat do rozpylania płynów leczniczych przeznaczonych do wziewania (inhalacja). Obok dawniej stosowanych aparatów parowych, stosuje się obecnie napęd elektryczny lub rozpylanie przy użyciu ultradźwięków. Pozwala to na uzyskanie niezwykle drobnych cząsteczek, co umożliwia przenikanie ich do drobnych oskrzelików, a nawet pęcherzyków płucnych.

24. Nebulizator, mgielnik, przyrząd lub aparat służący do rozpraszania płynu na bardzo drobne cząsteczki, do wytwarzania mgły (nebula - mgła, nebulizacja). Nebulizatory mechaniczne są najprostszymi urządzeniami, działającymi na zasadzie rozpylacza. Nebulizatory ultradźwiękowe są aparatami złożonymi i najbardziej wydajnymi. Powszechnie stosowane w terapii oddechowej.

25. Nefroskop, przyrząd optyczny przystosowany do oglądania wnętrza nerki. Wprowadza się go przez uprzednio przygotowany kanał przezskórny do miedniczki nerkowej. Przez nefroskop operacyjny można kruszyć26. kamienie miedniczki i kielichów (falą ultradźwiękową) lub wprowadzić27. kleszczyki do usuwania drobnych kamieni (kamica).

28. Betonoskop, urządzenie, które poprzez pomiar rozchodzenia się fali ultradźwiękowej określa jakość29. betonu.

30. Sonar (z angielskiego Sound Navigation and Ranging), urządzenie do określania położenia obiektów podwodnych (ławic ryb, okrętów podwodnych) za pomocą dźwięków i ultradźwięków. Rodzaj hydrolokatora.

31. Zgrzewanie, trwałe łączenie materiałów (metali, tworzyw sztucznych) przez silne dociśnięcie do siebie łączonych części, bez podgrzania lub z wcześniejszym podgrzaniem miejsc łączonych. Najczęściej stosuje się zgrzewanie: oporowe (elektryczne), gazowe (za pomocą palników acetylenowo-tlenowych), termitowe (termit), indukcyjne (elektryczne), tarciowe, dyfuzyjne oraz zgniotowe i ultradźwiękowe. Zgrzewanie znajduje szerokie zastosowanie m.in. w przemyśle samochodowym i lotniczym.

32. Fetografia, metoda rentgenologiczna (radiologiczna) diagnostyczna uwidocznienia płodu. W najprostszej postaci polega na zdjęciu radiologicznym macicy po czwartym miesiącu ciąży, gdy kościec płodu zawiera dość wapnia, aby się kontrastowo uwidocznić na tle tkanek nieuwapnionych. Wykonuje się ją przy bezwzględnych wskazaniach lekarskich, jak np. podejrzenie śmierci płodu lub wad rozwojowych wykluczających życie noworodka (np. bezgłowie), albo przy podejrzeniu ciąży mnogiej i w innych wypadkach wymagających zmian planu działania położnika. We wcześniejszym okresie ciąży płód daje się uwidocznić po wprowadzeniu przez powłoki środka cieniującego o kontraście dodatnim do wód płodowych. Obecnie najlepiej uwidaczniamy płód za pomocą ultradźwięków.

36. Litotryptor, skruszacz, przyrząd służący do kruszenia kamieni w pęcherzu moczowym, wprowadzany przez cewkę do pęcherza. Litotryptory mogą być "ślepe" i optyczne. Obecnie stosuje się sondy - ureterorenoskopy, które wysyłają ultradźwięki i za ich pomocą rozbijają kamienie.

38. Fakoemulsyfikacja, metoda operacji zać39. my polegająca na rozdrobnieniu soczewki za pomocą ultradźwięków i aspiracji powstałych mas soczewkowych.

40. Leczenie chondromalacji rzepki

41. Leczenie chorób reumatycznych

42. Leczenie zwyrodnień stawów

43. Zanieczyszczenia wód, wprowadzone do wód naturalnych organizmy żywe, zanieczyszczenia mechaniczne lub substancje chemiczne, które albo nie są ich naturalnymi składnikami, albo - będąc nimi - występują w stężeniach przekraczających właściwy dla nich zakres. Usuwaniu zanieczyszczeń wód służy: zmiękczanie wody, jej napowietrzanie, chlorowanie, ozonowanie, koagulacja, odpędzanie gazów w wieżach desorpcyjnych, naświetlanie promieniowaniem ultrafioletowym, działanie ultradźwiękami oraz oczyszczanie biochemiczne. Często stosowanymi wskaźnikami jakości wód są biochemiczne zapotrzebowanie tlenu (BZT) i chemiczne zapotrzebowanie tlenu (ChZT).

44. Drążarka, obrabiarka służąca do drążenia otworów lub wgłębień o złożonych kształtach w przedmiotach wykonanych ze stali hartowanych, stopowych, węglików spiekanych i innych materiałów, których obróbka skrawaniem jest bardzo trudna lub nawet niemożliwa. W zależności od stosowanej metody obróbki rozróżnia się drążarki: elektroiskrowe, elektrochemiczne, ultradźwiękowe oraz fotonowe.

45. Obróbka erozyjna, obróbka materiału polegająca na usuwaniu określonej części materiału przy wykorzystaniu zjawiska erozji. Obróbkę erozyjną wykonuje się najczęściej na drążarkach. Obróbkę erozyjną stosuje się głównie do kształtowania materiałów trudno skrawalnych i nieskrawalnych. Rozróżnia się obróbkę erozyjną: elektroerozyjną, strumieniowoerozyjną (np. obróbka fotonowa, jonowa, elektronowa), ultradźwiękową.

46. Odpylacz, urządzenie służące do usuwania cząstek ciał stałych lub cieczy z gazów spalinowych i przemysłowych. W zależności od zasady działania rozróżnia się: (…) odpylacze akustyczne i ultraakustyczne (gaz poddawany jest działaniu fal dźwiękowych (fale akustyczne) lub ultradźwiękowych).

47. Leczenie ostróg piętowych

48. Leczenie choroby sudeckiej

49. Leczenie rozstępów

50. Batymetria jeziora lub zbiornika wodnego polega na pomiarze jego głębokości z jednoczesnym naniesieniem wyników na mapę. Sondowanie głębokości odbywa się w sposób ciągły tzn. sonda przymocowana do deski pływającej jest ciągnięta za łódką i wykonuje pomiar odległości pomiędzy zwierciadłem wody a dnem zbiornika. Echosonda emituje ultradźwięki, które odbijają się od dna zbiornika i następnie rejestrowane są przez odpowiedni sensor, czas upływający od wysłania ultradźwięku do jego ponownej rejestracji jest wprost proporcjonalny do głębokości. Integralną częścią echosondy jest dalmierz, który rejestruje w momencie pomiaru głębokości odległość51. od brzegu.

52. Elektrohydraulicznie sterowana platforma może być zastosowana w układach ruchu symulatorów samolotów, śmigłowców, pojazdów itp. Umożliwia ona doskonałe odzwierciedlenie stymulacji przedsionkowej zachodzącej podczas ruchu w rzeczywistym obiekcie. System ruchu platformy składa się z sześciu serwonapędów. Impulsy sterujące generowane są komputerowo. W sprzężeniu zwrotnym zostały zastosowane zaawansowane technicznie ultradźwiękowe przetworniki przemieszczeń.

54. Pomocnik parkowania na ultradźwięki (instalowany w samochodach)

55. Usuwanie (odsysanie) tkanki tłuszczowej

56. Autoalarmy, alarmy, czujniki ultradźwiękowe

57. Tester grubości słoniny

58. Leczenie uszkodzonych stawów

59. Leczenie uszkodzonych ścięgien

60. Leczenie „łokcia tenisisty”

61. Leczenie zespołu bolesnego barku

62. Ultradźwiękowy tester ciąży dla świń i owiec

63. Ultradźwiękowy odstraszacz gryzoni

64. Robot często musi poruszać się w terenie pełnym przeszkód. Mogą to być chociażby ściany w pokoju. Rzeczą oczywistą jest to, że robot nie może bezmyślnie wjeżdżać na napotykane przeszkody. W związku z tym należy skonstruować system, który umożliwi mu bezkonfliktowe poruszanie się w terenie. Chyba najprostszym rozwiązaniem jest zastosowanie przełącznika typu reset. Należy go umieścić w przedniej części naszego robota. Gdy podjedzie on np. do ściany, spowoduje to że przełącznik zostanie wciśnięty i robot zacznie np. poruszać się w kierunku przeciwnym. Podobny przełącznik można również zamocować z tyłu robota. Innym, zdecydowanie trudniejszym sposobem jest wykorzystanie podczerwieni lub ultradźwięków. W pierwszym przypadku robot wykorzystuje odbicia podczerwieni od przeszkód. Co jakiś czas z diody nadawczej wysyłany jest sygnał świetlny (podczerwony). Jeżeli napotka on na przeszkodę to odbija się od niej i wraca do diody odbiorczej. Wtedy robot wie, że natrafił na niepożądany obiekt. Bardzo podobnie wygląda system ultradźwiękowy. Ultradźwięk zostaje wysłany i jeżeli powróci do odbiornika, to znaczy że robot natrafił na

72. Ultradźwiękowe usuwanie kamienia nazębnego

73. Usuwanie blizn

74. Dźwiękowy odstraszacz kretów

75. Leczenie celulitisu

76. Leczenie astmy oskrzelowej

77. Leczenie nadciśnienia pierwotnego

78. Pomiar zawartości wapnia w kości

79. Kontrola bieżąca spawania i sprawdzenie jakości złącz po spawaniu za pomocą metod nieniszczących (Rtg, ultradźwięki, magnetyczne-proszkowe, penetracyjne)

80. Licznik ultradźwiękowy (liczy, ile osób weszło do sali, nie liczy osób wychodzących - dwa czujniki)

81. Biometryczna kontrola dostępu, czyli badanie palców za pomocą ultradźwięków

82. Odczytywanie struktury linii papilarnych za pomocą kamery ultradźwiękowej

83. Badanie podniebienia miękkiego

84. Badanie wad materiałowych

85. Ultradźwiękowe czujki ruchu

86. Płuczki i łaźnie ultradźwiękowe

87. Leczenie nerwobólu nerwu trójdzielnego

88. Leczenie szczękościsku


89. Leczenie przykurczu Dupuytrena

90. Myjki ultradźwiękowe - Nowa technologia mycia za pomocą ultradźwięków zapewnia szybkie i skuteczne oczyszczenie najbardziej niedostępnych miejsc. Energia fali ultradźwiękowej przenika przez każdy materiał usuwając zanieczyszczenia; specjalnie dobrany roztwór wodny środka myjącego wypłukuje je. Są to środki niepalne, nie wybuchowe, nie powodujące korozji, nie zanieczyszczające środowiska. System mycia za pomocą ultradźwięków jest najbardziej skutecznym i dającym najlepsze rezultaty sposobem czyszczenia wałków rastrowych (aniloxów). Jest to metoda nieniszcząca powierzchni i może być stosowana również do form drukowych.

92. Wysokoenergetyczna obróbka ultradźwiękowa drewna i surowców włóknistych

93. Echokardiografia jest to obrazowa metoda badania serca i naczyń krwionośnych za pomocą ultradźwięków. Na ekranie monitora uzyskuje się obraz („echo”) powstający w wyniku odbicia od badanych struktur wewnątrz ciała fali ultradźwiękowej wysyłanej z głowicy aparatu. Zwykle stosuje się ultradźwięki o częstotliwości od 1 do 10 MHz. Istnije możliwość zarejestrowania obrazu w dowolnym momencie na papierze lub taśmie video.
95. Tester mięsności bydła
96. Leczenie stanów po urazach sportowych
97. Obróbka twardych i kruchych materiałów
98. Spawanie
99. Otrzymywanie stopów różniących się znacznie temperaturami topnienia i gęstością
100. Oczyszczanie dymów
101. Otrzymywanie emulsji, aerozoli
102. Przyspieszenie i wzmaganie wzrostu roślin
103. Badanie akustyki sal widowiskowych
104. Określanie właściwości materiałów lepkosprężystych
105. Radiometry ultradźwiękowe
106. Przetworniki piezoelektryczne

107. Przetworniki umożliwiające wizualizację pola ultradźwiękowego stosowane w optosonice i holografii akustycznej

Bibliografia:

1. Jerzy Massalski, Michalina Massalska
„Fizyka dla inżynierów”
2. Wielka Internetowa Encyklopedia Multimedialna. Wersja 2.03
3. Encyklopedia powszechna PWN 2000
4. Encyklopedia Fizyki
2. ===============================================

Dla ucha ludzkiego rozpiętość natężeń odbieranych jako wrażenie dźwiękowe jest niezwykle duża, waha się bowiem od wartości progowej do wartości wywołującej uczucie bólu przy stosunku natężeń = 1013.
Wartość progowa natężenia dźwięku o częstotliwości 1000Hz, która staje się słyszalna dla człowieka, wyraża się wielkością 10-16 W/cm2, zaś wartość odpowiadająca pojawieniu się uczucia bólu - 10-3 W/cm2. Operowanie jednak tymi wielkościami dla celów pomiarowych jest jednak dosyć kłopotliwe, z tego względu powszechnie została przyjęta logarytmiczna skala decybelowa (dB). Według niej wartości progowej dla ucha ludzkiego odpowiada 10dB, wartości bólowej zaś 130dB. Wprawdzie najpowszechniej stykamy się z skalą decybelową do opisu poziomu natężenia wrażeń słuchowych wywołanych audioakustycznym zakresem drgań, to jednak w przypadku zakresu infra- lub ultradźwiękowego używa się tej skali też do wyrażania poziomu ich natężenia. Należy podkreślić, że w wielu przypadkach drgań pozasłuchowych istnieje wyraźne przekroczenie wartości 120dB. Dotyczy to jednak nie naturalnych źródeł lecz przede wszystkim urządzeń umyślnie wytwarzających te drgania.
Przy analizie ultradźwięków miarodajną wielkością określającą wywołany efekt jest natężenie , a nie całkowita moc akustyczna źródła. Wiemy, że wartością natężenia dźwięku wywołującego uczucie bólu jest natężenie równe 10-3 W/cm2, a więc w paśmie ultradźwięków o wysokiej częstotliwości mogą być wytworzone natężenia dochodzące nawet do 1000W/cm2. Wprawdzie w technice ultradźwiękowej najczęściej stosowane są natężenia osiągające wartość od ułamków do kilku W/cm2, to ostatnio uczonym rosyjskim udało się otrzymać w laboratorium, przy odpowiedniej koncentracji fali natężenie rzędu 50000 W/cm2. W wykorzystaniu ultradźwięków stosuje się wg. propozycji Romińskiego podział na trzy zakresy, a mianowicie:
- Drgania ultradźwiękowe o niskim natężeniu – do 1 W/cm2
- Drgania ultradźwiękowe o średnim natężeniu – do 10 W/cm2
- Drgania ultradźwiękowe o dużym natężeniu – od 10W/cm2.
Aby zobrazować występujące natężenia ultradźwięków można przytoczyć dla porównania, że natężenie akustyczne odbierane z odległości 10m od strzelającego działa artyleryjskiego wynosi zaledwie 3,2·10-3 W/cm2.

Kawitacja
Interesującym zjawiskiem występującym w cieczach pod wpływem fali ultradźwiękowej jest kawitacja. Aczkolwiek zjawisko to było obserwowane już od dawna, to wyjaśnienie jego istoty nie jest dotąd pełne. W silnym polu ultradźwiękowym w płynach występuje zjawisko kawitacji polegające na polegające na powstawaniu we wnętrzu cieczy nieciągłości w postaci jam wypełnionych rozrzedzonym gazem i kolejnym ich zapadaniu się.
Powstanie nieciągłości wymaga rozerwania cieczy siłami działającymi w przeciwnych kierunkach (tzw. ciśnienie ujemne). Rozrywanie to jest ułatwione ze względu na fakt, że płyn nie jest ośrodkiem idealnie jednorodnym lecz zawiera większe lub mniejsze ilości rozpuszczonego gazu. Gaz ten może stać się ośrodkami miejscowego osłabienia spoistości cieczy. Istniejące pęcherzyki gazu wywierają na drobiny płynu nacisk związany z ciśnieniem istniejącym w pęcherzyku. Ponadto siły rozrywające w odpowiednich warunkach są na tyle duże, że mogą przezwyciężyć siły spójności. Wówczas powstają nawet tzw. pęcherzyki próżniowe, wypełniające się parami cieczy. W przypadkach obecności pęcherzyków gazu siły wywierane na ciecz są mniejsze lecz i tak (jak podaje następna tabela)wartości te wynoszą od kilku do kilkunastu atmosfer.
Częstotliwość (kHz) Ciśnienie (Pa) Natężenie (W/cm2)
15 0,49∙105 – 1,96∙105 0,16 – 2,6
175 4,39∙105 10
365 6,86∙105 – 19,61∙105 33 – 270
500 11,77∙105 – 24,52∙105 100 – 400
330 225,55∙105 – 294,20∙105 35000 – 60000

Minimalna wartość natężenia ultradźwięku, powyżej której pojawia się kawitacja, nazywana jest progiem tego zjawiska. Poziom progu kawitacji zależy w dużej mierze od stopnia obecności gazów jak też od częstotliwości działającego bodźca.

Zastosowanie ultradźwięków w technice
Możliwość biernego zastosowania wiąże się przede wszystkim z opanowaniem techniki emitowania drgań ultradźwiękowych o znacznej częstotliwości (1-5MHz) w środowisku stałym albo płynnym.
Nawigacja. Jednym z wczesnych zastosowań było wykrywanie przeszkód znajdujących się w wodzie. Stąd w nawigacji morskiej echosondy ultradźwiękowe służą przede wszystkim do określania położenia dna morskiego, podając informacje o usytuowaniu dna pod statkiem. Analiza echa służy także do wykrywania ławic ryb oraz przeszkód jak wraki czy góry lodowe. W ten sposób zostało zrealizowane pierwotne założenie wykorzystania ultradźwięków, jakim poświęcił wiele lat pracy Langevin. Ze względu na niewielkie praktycznie pomijane uginanie się fali ultradźwiękowej w wodzie różnego rodzaju echosondy bardzo rozpowszechniły się w żegludze i jest to jeden z nieodzownych instrumentów.
Defektoskopia. W warunkach przemysłowych defektoskopia stanowi ważne uzupełnienie techniki rentgenowskiej badania struktury materiałów, w wielu przypadkach nawet ją przewyższając. W przedmiotach o dużym przekroju promienie Roentgena są silnie pochłaniane dając niewyraźny obraz szczelin i jam jako wad produktu, zjawisko takie nie ma miejsca w przypadku drgań ultradźwiękowych. Ultradźwiękowe badanie materiałów jest prowadzone dwoma metodami: przepuszczania i echa.
Metoda przepuszczania należy do wcześniej stosowanych, a dziś o znacznie mniejszym zastosowaniu. Pozostaje jednak nadal przydatna do badania cienkich elementów. W tych bowiem przypadkach metoda echa bywa zawodna. W metodzie przepuszczania stosuje się oddzielnie czujniki do wysyłania a następnie odbierania sygnału po przejściu ultradźwięku przez strukturę. Przenikalność materiału jest mniejsza w miejscu zawierającym wadę materiałową. Pomiar taki można przeprowadzić z wielką dokładnością, wykrywając zmiany różniące się o jeden procent od struktury prawidłowej. Urządzenia pracują zwykle przy częstotliwościach od 0,9 do 2,1 MHz, a zautomatyzowanie tego procesu bardzo upraszcza kontrolę.
Metoda echa jest rozpowszechniona w większym stopniu i wyparła w wielu dziedzinach inne sposoby. Wysyłane przez defektoskop impulsy są odbierane po odbiciu od granicy ośrodka i mogą być odróżniane w funkcji czasu przy wielokrotnym odbiciu od kilku warstw. Na ekranie defektoskopu można analizować odbicia pochodzące od wad znajdujących się w materiale. Ultradźwięki wykorzystywane w tych badaniach mają częstotliwość 2 – 4 MHz i więcej. Jak wspomniano wcześniej , są one tłumione przez środowisko powietrzne. Nawet przyłożenie czujnika bezpośrednio do badanej powierzchni nie zapobiega temu tłumieniu, jak się bowiem okazało, dopiero nacisk rzędu kilkuset kG w miejscu przykładania czujnika może spowodować wyeliminowanie tej przeszkody. Dlatego jako środek stosuje się roztwory olejowe o lepkości odpowiedniej dla danego procesu.
W hutnictwie metoda echa wymaga nieco niższych częstotliwości – około 500 – 700 kHz. Albowiem fale o częstotliwości drgań wyższej są pochłaniane przez sam materiał badany. Jest to jednak metoda tańsza i bezpieczniejsza do promieni Roentgena. Metoda ta jest również stosowana do kontroli elementów betonowych.
Metoda echa oddaje też liczne usługi w medycynie (np.: echo serca, ultrasonograf, etc.). Coraz częściej jednak ultradźwięki są również stosowane w przemyśle spożywczym, celem kontroli stanu mrożonek, szczególnie ryb i mięsa. Jest to dogodna metoda sprawdzania w jakim tempie produkty były mrożone oraz czy nie uległy one rozmrożeniu i ponownemu zamrożeniu. W takim wypadku artykuły rozmrożone będą miały szerszą amplitudę i więcej załamków w porównaniu do tkanki świeżej. Rozchodzenie ultradźwięków jest uzależnione od własności fizycznych i struktury tkanki.
Zgrzewanie. Istotną cechą wyróżniającą ten proces jest możliwość uzyskania połączeń w trudnodostępnych miejscach bez uprzedniego oczyszczenia oraz fakt, iż nie wymaga ona czynności wykańczających. Szybkość i prostota procesu wpływają na jego ekonomiczność. Zgrzewanie tworzyw sztucznych i metali polega na wytwarzaniu ciepła tarcia w następstwie punktowego drgania o dużej częstotliwości warstw, które mają być połączone. Ciepło czyni materiały plastycznymi, łącząc je w ten sposób w jednorodny materiał w czasie ułamków sekundy. Warunkiem zajścia zjawiska jest zbliżona temperatura topnienia wszystkich materiałów. Proces ten polega na nacisku głowicy ultradźwiękowej w miejscu łączenia materiału. Jednocześnie w tych warunkach częstotliwość 20-24kHz przy amplitudzie kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów wywołuje miejscowe drgania przyczyniając się do wzrostu temperatury, uplastycznienia i połączenia. W ten sposób można łączyć materiały o różnych grubościach ale zbliżonych temperaturach topnienia. Tą metodą można scalić np.: glin (aluminium) ze szkłem, a więc materiały o różnych właściwościach fizykochemicznych.
Coraz bardziej popularna staje się ostatnio również ultradźwiękowa obróbka metali, materiałów twardych i kruchych oraz o złym przewodnictwie elektrycznym (diamenty, węgliki, lane magnesy, szkło)Przy drążeniu wprowadza się w przestrzeń między narzędziem wycinającym a przedmiotem proszki ścierne, które pod wpływem drgań ultradźwiękowych i nacisku kształtują odpowiednie wgłębienia. W przeciwieństwie do tradycyjnej metody wydziela się tutaj mało ciepła, co nie powoduje zmian powierzchniowych. Szybkość ścierania zależy od tworzywa, gdyż najszybszemu ścieraniu ulegają materiały twarde i kruche. Liniowa zaś prędkość drążenia zależy od rodzaju obrabianego materiału, częstotliwości i amplitudy drgań, wielkości i rodzaju proszku szlifierskiego. Najlepsze wyniki drążenia uzyskuje się przy małych częstotliwościach, toteż stosuje się drgania o częstotliwości od 16 do 24 kHz.
Emulgowanie. Jest to przykład efektywnego wpływu ultradźwięków, sprowadzający się do emulgowania cieczy, dyspergowania ciał stałych, rozdrabniania ziaren zawiesin. W niektórych przypadkach metody ultraakustyczne są jedynymi (np.: tworzenie emulsji rtęci w wodzie), które można wykorzystać do tych celów. Głównym czynnikiem powodującym emulgowanie jest zjawisko kawitacji., a tworzenie się emulsji odbywa się na granicy faz. Z tego względu wstępne wymieszanie składników przyspiesza ten proces. Przykładowo mleko poddane działaniu ultradźwięków jest łatwiej przyswajalne i wolniej się psuje.
Odpylanie. O ile emulgowanie jest procesem wykorzystującym zjawisko dyspersji, o tyle przeciwnym procesem jest koagulacja, służąca tworzeniu się skupisk cząsteczek. Zjawisko łączenia się cząsteczek w węzłach fali stojącej początkowo obserwowano w zakresie drgań ultradźwiękowych lecz obecnie proces ten jest znacznie wydajniejszy w przypadku stosowania drgań słyszalnych (4-6 kHz). Efektywność procesu zależy wyłącznie od natężenia działającego bodźca, którego wartości w tych przypadkach sięgają 170dB (10W/cm2). Toteż wprowadza się syreny akustyczne jako urządzenia najwydajniejsze w tym procesie. Ponadto prowadzi się próby koagulacji różnych zawiesin w cieczach, służących do rozdzielania różnych mieszanin, oczyszczania wód opadowych itp.
Ultradźwiękowy system zdalnego sterowania można wykorzystać np. do otwierania i zamykania drzwi garażowych. Polega on na emisji fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości, które następnie odbierane są przez mikrofon. Ten z kolei wysyła impuls do silnika poruszającego drzwi. System zdalnego sterowania oparty na ultradźwiękach oparty na ultradźwiękach jest skuteczny jedynie w linii prostej od drzwi, dlatego coraz częściej używa się systemów radiowych.
Również w systemach alarmowych wykorzystywane są fale niesłyszalne dla ucha ludzkiego. Detektory te, poprzez przetwornik wysyłają fale o określonej częstotliwości, które odbijają się od przedmiotów umieszczonych w pomieszczeniu i powracają do przetwornika. Ruch, powoduje zmianę częstotliwości fali (efekt Dopplera). Sygnał o zmianie częstotliwości przekazywany jest do układu scalonego, który ocenia prędkość oraz wymiary poruszającego się „intruza”. Wszystko, co rozmiarami przypomina człowieka, włącza alarm.

Zastosowanie ultradźwięków w medycynie
Można wprowadzić niejaki podział fal wysokich częstotliwości (0,8 – 30 MHz), ze względu na ich zastosowanie. Dzielą się one na formę bierną (diagnostyka) i czynna (leczenie schorzeń).
Czynne zastosowanie ultradźwięków, od czasów pionierskich badań Pohlmana (1935r.) zostało wprowadzone do wielu specjalności lekarskich jako energia mająca wpływ na przebieg wielu schorzeń. Ustalono listę kilkudziesięciu jednostek chorobowych, w przebiegu których wskazane jest korzystanie z energii ultradźwiękowej. Nie należy jednak zapominać, że równocześnie nagromadziło się też wiele spostrzeżeń negatywnego wpływu ultradźwięków na procesy wewnątrzustrojowe. Doprowadziło to w konsekwencji do opracowania przeciwwskazań, których pominąć nie sposób. Zastosowanie ultradźwięków ogranicza się jednak niemal do działania przeciwbólowego i przeciwzapalnego, gdyż odkryto wielki ich wpływ na układ nerwowy.
Najchętniej stosuje się terapię ultradźwiękową w przypadkach porażeń nerwów obwodowych z zaburzeniami czucia, zapalenia nerwu kulszowego i trójdzielnego a także przy różnego rodzaju nerwobólach. Z tego względu ultradźwięki to chętnie widziana forma leczenia w neurologii. Oprócz tego wiele schorzeń stawów , a także narządów wewnętrznych i skóry dobrze poddaje się terapii ultradźwiękami o wysokich częstotliwościach. Co ciekawe, fale te są też wykorzystywane do inhalacji, celem uzyskania odpowiedniej konsystencji aerozolu z cząsteczkami o małej średnicy, co dotąd było niezwykle trudne. Zaletą tego typu inhalacji jest wyeliminowanie nadciśnienia oddechowego oraz osiągnięcie odpowiednio dużego stężenia, co znacznie skraca okres zabiegu.
Warto zwrócić też uwagę, iż ultradźwiękami można oczyszczać narzędzia chirurgiczne, co jest stanowczo dokładniejsze od tradycyjnego mycia; a nawet je sterylizować. Niemniej jednak dla bezpieczeństwa pomimo mycia ultradźwiękowego, stosuje się dodatkowo tradycyjne metody sterylizacji. W bardzo podobny sposób usuwane są z różnych przedmiotów skażenia radioaktywne, pozostające na sprzęcie laboratoryjnym.
Czynne zastosowanie ultradźwięków znalazło także zastosowanie w technice przygotowywania preparatów histologicznych. Doskonałe rozdrobnienie roztworów impregnujących lub barwiących oraz działanie energii akustycznej pozwala na otrzymanie lepszej jakości i większej wyrazistości preparatów.
Zastosowanie bierne. Technika ta (ultrasonografia – USG) pod kilkoma zasadniczymi względami ma przewagę nad badaniami promieniami rentgenowskimi, dostarczając informacji w tych sytuacjach kiedy rentgenogram (RTG) zawodzi ze względu na zbyt małą kontrastowość między granicą interesującej nas tkanki a otoczeniem.
Budowa urządzeń ultradźwiękowych dla celów diagnostycznych opiera się bądź na zasadzie odbierania i analizowania echa, podobnie jak jest to wykorzystywane w defektoskopii, bądź na przepuszczaniu drgań ultradźwiękowych i ocenie stopnia pochłaniania.
W tych warunkach wykorzystuje się istnienie różnych oporów akustycznych tkanek miękkich. Tłumienie jest zależne od stosowanej częstotliwości drgań. Na przykład dla częstotliwości f=1MHz, tłumienie wynosi od ok. 3,3dB/cm w mięśniu szkieletowym do 0,1dB/cm w gałce ocznej. Pozwala to na odpowiednie zróżnicowanie położenia interesujących nas tkanek miękkich przy zastosowaniu częstotliwości w zakresie od 1 do 20MHz. Odbijane na granicy dwóch tkanek echo jest odpowiednio wzmacniane i uwidaczniane na lampie oscyloskopowej. W ten sposób ultrasonografia pozwala wniknąć w strukturę prawidłowych lub chorobowo zmienionych wiązadeł, ścięgien, nerwów, narządów czy mięśni, które dotąd za pomocą techniki rentgenowskiej nie były dostępne obserwacji.
Jedyną przeszkodą są jamy zawierające powietrze, gdyż te całkowicie odbijają wysyłane impulsy. A znów w tych wypadkach istnieje odpowiednia kontrastowość w obrazie radiologicznym. Można więc powiedzieć, że obie techniki wzajemnie się uzupełniają. Największe perspektywy ma niewątpliwie ultrasonografia jamy brzusznej w tym płodów. Przeprowadzenie RTG o okresie płodowym u kobiety może spowodować zmiany chromosomalne, jak też uszkodzenia rozwojowe płodu.
Czynione są także próby możliwości diagnozowania guzów nowotworowych i ich usytuowania. Osiągnięcia polskie w diagnostyce ultradźwiękowej są szczególnie duże, a zespół pod kierownictwem prof. L. Filipczyńskiego opracował wiele odmian ultrasonografów stosowanych w lecznictwie.
Zaobserwowane zmiany pod wpływem fal ultradźwiękowych polegające na trwałym uszkodzeniu tkanki nerwowej mózgu odnotowano dopiero przy półminutowym działaniu bezpośrednio na mózg natężeniem 80W/cm2, podczas gdy średnie natężenie podczas USG dochodzi do kilku W/cm2 w czasie ok. jednej milionowej sekundy! Wielokrotne stosowanie ultradźwięków nie powoduje efektu kumulacji, jak to ma miejsce w przypadku promieniowania jonizującego, którego skumulowana dawka określonej wielkości może później wywołać swoiste zmiany chorobowe.

Powstawanie infradźwięków
W warunkach laboratoryjnych stosuje się generatory infradźwiękowe, które wytwarzają drgania przenoszone przez powietrze za pomocą elastycznej membrany. Poziom natężenia tak uzyskiwanych infradźwięków sięga wartości od 100 do 160dB. W dawnym Leningradzie skonstruowano stanowisko badawcze dla małych zwierząt, w którym można uzyskać drgania w zakresie częstotliwości od 1 do 12,5Hz, a poziomie natężenia dochodzącym do 170dB.
W warunkach naturalnych infradźwięki towarzyszą wielu procesom technicznym, zwłaszcza tym, których praca wiąże się z dużym upływem gazów znajdujących się pod ciśnieniem. Z tego względu zwrócono uwagę na emisję tego zakresu drgań akustycznych w przemyśle i transporcie; ponieważ w tych warunkach istnieje największa możliwość oddziaływania na człowieka.
Przyjmuje się na podstawie pomiarów, że w samochodach osobowych fale infradźwiękowe mogą mieć większe natężenie niż towarzyszący im hałas. Źródłem infradźwięków w tych warunkach stają się zawirowania powietrza, szczególnie dające się we znaki w przypadku otwierania okna samochodu podczas jazdy. Różnice natężenia infradźwięków wewnątrz pojazdu przy zamkniętym i otwartym oknie przedstawia rysunek na poprzedniej stronie. W pojazdach napędzanych silnikami wysokoprężnymi podstawowym źródłem infradźwięków stają się silniki, a mają one znaczenie w trakcji szynowej, jak też i na statkach morskich.
Oprócz ultradźwięków, infradźwięki są stałą składową występującym w dużym natężeniu także w transporcie lotniczym. Dotyczy to zwłaszcza samolotów ponad dźwiękowych, ze względu na wytwarzaną falę uderzeniową, powstającą przy przekraczaniu bariery prędkości dźwięku. Znaczną część składową takiej fali stanowi energia akustyczna zakresu infradźwiękowego. Kucharski podaje, że dla samolotów pasażerskich maksimum energii znajduje się w paśmie 2Hz. Również rakiety różnego rodzaju są źródłem infradźwięków. Wprawdzie obecnie mają one ograniczone znaczenie , możne jednak się spodziewać, że w miarę rozwoju techniki rakietowej oddziaływanie to wzrośnie.
Poza środkami transportu, które wkraczają w obszar działalności człowieka, oddziałując infra- i ultradźwiękami na jego organizm, potężnym źródłem staje się przemysł. Poza wspomnianymi już sprzętami powszechnym źródłem infradźwięków stały się wentylatory i urządzenia wibrujące (np.: telefony komórkowe, pagery, etc.). Trzeba przyznać, że rozeznanie stopnia zagrożenia ze strony urządzeń technicznych nie jest jeszcze pełne , tym bardziej, iż szkodliwość dla człowieka tego rodzaju energii akustycznej nie została dotąd powszechnie uznana.

Przejawy biologicznego działania infradźwięków
Infradźwięki jako czynnik zakłócający prawidłową działalność organizmu do niedawna nie znajdowały się w sferze zainteresowań człowieka. Ponieważ występują one w warunkach naturalnych , zazwyczaj łącznie z dźwiękami słyszalnymi, znajdującymi się w zakresie niskich częstotliwości, to analizowanie odrębnego wpływu jest trudne, a często zmiany będące wynikiem działania infradźwięków są przypisywane hałasom o niskich tonach.
Oprócz oddziaływania infradźwięków na człowieka w środkach transportu czy warunkach pracy przemysłowej, w natężeniach umożliwiających przestrojenie czynności organizmu, ostatnio wspomina się o bardzo powszechnym ich działaniu na populację ludzką. Otóż ruch wiatru napotykającego przeszkodę a następnie opływającego ją przyczynia się do powstania drgań powietrza o częstotliwości zależnej od powstania takich parametrów jak prędkość przepływu powietrza oraz kształt i wielkość przeszkody. Tego rodzaju generatorem infradźwięków są wysokie, wolnostojące budynki. Dlatego drgania infraakustyczne w niektórych doniesieniach są traktowane jako jeden z przyszłych, uciążliwych czynników środowiska człowieka.


Zainteresowanie reakcjami fizjologicznymi wywołanymi infradźwiękami jest spowodowane faktem, iż w czasie lotów kosmicznych główna część energii akustycznej, wyzwalanej w czasie pracy silników, a działającej na człowieka zawarta jest między 1 a 100Hz. Wprawdzie oddziaływanie to może wiązać się bezpośrednio z przenoszeniem energii zasadniczo na drodze wibracji, to jednak nie można wykluczyć możliwości działania przez środowisko powietrzne. Infradźwięki bowiem o odpowiednio wysokim natężeniu przenoszone przez powietrze mogą wnikać do organizmu na zasadzie absorpcji przez skórę, narząd słuchu, pobudzać narząd równowagi. W konsekwencji wywołują rozmaite efekty fizjologiczne, zbliżone do zmian stwierdzonych pod wpływem wibracji.

Wpływ infradźwięków na układ nerwowy
Układ nerwowy reaguje podobnie na infradźwięki jak na działanie drgań ultradźwiękowych, w związku z czym większość objawów jest do siebie zbliżona. Ponieważ układ nerwowy reaguje jako całość zrozumiałe się staje, że objawy psychiczne mieszają się z wegetatywnymi, a pełny obraz nie wykazuje cech swoistości. Zmiany te mają charakter przemijający, czynnościowy.
Na czoło zmian wysuwają się przede wszystkim niezwykle subiektywne dolegliwości o charakterze podmiotowym, jak: szybkie pojawienie się zmęczenia, bóle, zawroty głowy, uczucie chwiania się, skłonności do omdleń, ogólne osłabienie, drażliwość, wybuchowość oraz zaburzenia snu. Brak jakichkolwiek objawów wskazujących na uszkodzenia narządów wewnętrznych. Występuje drżenie palców u rąk, wzmożony dermografizm, zaburzenia czynności serca, zwolnienie tętna, obniżenie ciśnienia tętniczego krwi. Zauważono także, iż mogą występować drgania gałki ocznej o maksymalnym okresie 4 sekundy, po ponad pięciogodzinnym przebywaniu w strefie infradźwięków o natężeniu przekraczającym 120dB


Temat: Powstawanie i wytwarzanie w zastosowaniach technicznych ultradźwięków.



Ultra dźwięki – fale akustyczne o częstotliwości wyższej niż 16 kHz ( tj. przekraczającej górny próg słyszalności dla człowieka ) i niższej od 100 Mhz ( hiperdźwięk ). W naturze ultradźwięki emitowane są przez niektóre ssaki ( m.in. nietoperze i delfiny ) i wykorzystywane przez nie do echolokacji.
Antologiczne zastosowanie znajdują ultradźwięki w technice. Ponadto, ze względu na silną zależność właściwości rozchodzenia się ultradźwięków w danym ośrodku od jego budowy, słóżą one do badania budowy struktury innych ciał, m.in. organizmów żywych ( ultrasonografia ). Zogniskowanych wiązek ultradźwięków używa się do odrywania ciał ciał stałych z bardziej elastycznego podłoża ( usuwanie kamienia nazębnego, rozbijanie kamieni nerkowych, oczyszczanie powierzchni metali przed lutowaniem itd. )

Energia drgań ultradźwięków może być też wykożystana do rozpylania aerozoli i emulsji, a nawet do spawania.




Dźwięki o częstotliwości drgań większej niż 20 000 Hz nazywamy ultradźwiękami. Wytworzyć je można korzystając ze zjawiska magnetostrykcji albo z odwrotnego zjawiska piezoelektrycznego.
Zjawisko magnetostrykcji zostało wykryte w 1847 r. przez J. P. Joule’a, a polega na tym, że pręty ciał ferromagnetycznych , np. żelaza czy niklu, doznają podczas magnesowania zmian długości. Pręt z żelaza lub niklu umieszczony w cewce wytwarzającej drgania pola magnetycznego wielkiej częstotliwości, jest pobudzany do drgań podłużnych z częstotliwością drgań pola. Drgania te są szczególnie silne w przypadku rezonansu, tj. gdy częstotliwość zmian pola pokrywa się z częstotliwością własną pręta, określoną własnościami pręta zgodnie z wzorem ( Rys. 1 ).
Energia drgań jest odprowadzona z końca pręta z przekroju poprzecznego. Za pomocą tej metody można wytworzyć drgania nawet o częstotliwości 60 000 Hz, przy czym długość pręta niklowego wynosi w tym przypadku zaledwie 4 cm. Zjawisko piezoelektryczne, odkryte przez braci Curie ( 1881 ) r. występuje w takich kryształach, jak turmalin, kwarc, sól Seignette’a i polega na tym, że przy deformacji, np. zgniataniu w określonych kierunkach, występują na końcach osi polarnej kryształu ładunki elektryczne przeciwnego znaku. Przy tzw. Odwrotnym, którego kierunek pokrywa się z jego osią biegunową, doznaje deformacji mechanicznej.
Płytki kryształów używane do wytwarzania ultradźwięków wycina się prostopadle do osi biegunowej kryształu. Powierzchnie płytek pokrywa się cienkimi warstwami metalu stanowiącymi dwie metalowe elektrody. Płytkę umieszczamy następnie w pojemniku z olejem, którego zadaniem jest przekazywanie ultradźwięków do badanego obiektu, oraz chłodzenie. Przyłożenie zmiennego napięcia elektrycznego do elektrod metalowych pobudza kryształ do drgań sprężystych, których amplituda osiąga maksymalną wartość, gdy częstotliwość zmian napięcia elektrycznego pokrywa się z częstotliwością własną drgań mechanicznych płytki.
Ultradźwięki są silnie tłumione przez powietrze. Energia, jaką przy tej samej amplitudzie drgań daje płytka kwarcowa drgając w oleju, jest 3000 razy większa, niż gdy drga ona w powietrzu. Powodem tego jest znacznie większy opór stawiany drganiom przez olej w porównaniu z powietrzem. Przy zastosowaniu płytek piezokwarcowych można uzyskać częstotliwości w granicach od kilkudziesięciu tysięcy do kilkudziesięciu milionów herców. Przy zastosowaniu płytek turmalinu, które dają wyższe harmoniczne, uzyskuje się ultradźwięki o częstotliwości do 300 milionów herców. Gęstość energii przekazywana płytce w jednostce czasu może osiągnąć wartość do 10 W/cm2, co przewyższa o koło 100 razy natężenie dźwięku orkiestry. Amplituda drgań ultradźwiękowych jest bardzo mała, przyspieszenie zaś nawet 105 razy przewyższać przyspieszenie ziemskie.
Ultradźwięki wywołują ciekawe efekty fizyczne i fizjologiczne: tak np. ciecze, które nie mieszają się z sobą, poddane działaniom ultradźwięków tworzą w ciągu kilku minut emulsję ( np. woda i rtęć ). Termometru zanurzonego w oleju, w którym rozchodzą się fale ultradźwiękowe, nie można dotknąć ręką, ponieważ doznaje się oparzenia pod działaniem ultradźwięków, mimo że termometr wskazuje niską temperaturę.
Ultradźwięki zabijają drobnoustroje i niektóre prostsze zwierzęta, np. żaby, ryby. Warto tu przypomnieć pewną ciekawostkę przyrody: nietoperze reagują na częstotliwości do 100 kHz, a ponadto korzystają z ultradźwięków w celu określenia położenia przeszkody. Wysyłają one impulsy ultradźwiękowe o częstotliwości 35 do 70 kHz i czasie trwania rzędu 1/100s, a następnie nasłuchują impulsów odbitych od przeszkody. Z opóźnienia czasowego ( podobnie jak przy zastosowaniu radaru ) nietoperze oceniają położenie przeszkody. Studiowanie podobnych „aparatur” w przyrodzie żywej celem wykorzystania w technice jest przedmiotem nowej nauki – bioniki.
Langevin w 1918 roku po raz pierwszy zastosował ultradźwięki do pomiarów głębokości morza. Użycie ultradźwięków do tego typu pomiarów jest bardzo korzystne, ponieważ dają one możliwości wysyłania energii promieniowania w postaci wąskiego zorientowanego strumienia. Umożliwiają one wykrycie gór lodowych i ławic ryb. Elektromagnetyczne fale radarowe nie znajdują tu zastosowania z powodu zbyt silnej absorbcji w słonej wodzie morskiej. Ultradźwięki znalazły również zastosowanie w tzw. Defektoskopii do badań uszkodzeń nawet bardzo grubych odlewów, których już nie można prześwietlić promieniami X.




Bibliografia:

1. Jerzy Massalski, Michalina Massalska
„Fizyka dla inżynierów”
Wydawnictwa Naukowo Techniczne
Warszawa 1973

2. Wielka Internetowa Encyklopedia Multimedialna. Wersja 2.03

===========================================