Ultradźwięki.
Dźwięk jest to zaburzenie falowe (fale sprężyste) rozchodzące się w ośrodku materialnym(w powietrzu z prędkością ok.330m/s). Źródłem dźwięku słyszalnego dla człowieka jest każde ciało drgające, którego częstotliwość wynosi od 16Hz do 20 000Hz (czyli 20kHz). Nauką o dźwięku jest akustyka.
Jeżeli za detektor dźwięku uznamy np. ucho nietoperza, słonia lub czujniki urządzeń pomiarowych, to dźwiękami staną się także fale znajdujące się absolutnie poza zasięgiem słyszalności ludzi. Delfiny, psy, nietoperze z łatwością rozpoznają ultradźwięki, niedostępne percepcji ludzkiego słuchu. Z kolei słonie posiadają własny rodzaj "mowy" oparty o infradźwięki. Infradźwięki są to fale akustyczne (dźwięk) o częstotliwości mniejszej od 20 Hz. Infradźwięki nie są słyszane przez człowieka, lecz przy odpowiednim poziomie ciśnienia akustycznego mogą oddziaływać powodując zaniepokojenie, nudności itp. W naturze towarzyszą eksplozjom, trzęsieniom ziemi, wyładowaniom atmosferycznym itp. Infradźwięki są słabo tłumione w skorupie ziemskiej i w wodzie, mogą się rozchodzić na znaczne odległości. Echolokacja jest to sposób ustalania przez niektóre organizmy żywe swego położenia względem otaczających je przedmiotów, polegający na wysyłaniu fal (do 150 kHz a czasem więcej, są to tzw. piski ultradźwiękowe) i odbieraniu sygnałów akustycznych odbitych od otoczenia.
Określenie „ultradźwięki” przypisano falom akustycznym (dźwiękowym) o wysokich częstotliwościach, przekraczających 16000 cykli na sekundę (16 kHz), tj. przekraczających górny próg słyszalności dla człowieka i niższych od 100 MHz (hiperdźwięki). W naturze ultradźwięki emitowane są przez niektóre ssaki(m.in. nietoperze i delfiny) i wykorzystywane przez nie do (wyjaśnionej wyżej) echolokacji.
Ultradźwięki znajdują liczne zastosowania techniczne: przy wierceniu otworów w bardzo twardych i kruchych materiałach, do koagulacji dymów, polegającej na zbijaniu drobin w większe i łatwiej opadające cząstki, do tworzenia emulsji z substancji, które w zasadzie nie mieszają się, do mieszania surowca w stanie płynnym dla polepszenia jakości materiałów, do terapii ultradźwiękowej. Ponadto ultradźwięki wykorzystywane są dla diagnostyki (defektoskopia ultradźwiękowa), np. do oceny jakości materiałów, badania szyn, cementu, skóry, badania złóż geologicznych. Silne pola ultradźwiękowe, aczkolwiek niesłyszalne, są szkodliwe dla ludzi.
Sondy ultradźwiękowe są przeznaczone do ciągłego pomiaru poziomu materiałów sypkich i cieczy. Pomiar ultradźwiękowy jest bezkontaktowy tzn. sonda nie styka się bezpośrednio z produktem. Dzięki temu oraz ze względu na niską cenę, sondy ultradźwiękowe są najczęściej stosowanymi urządzeniami do pomiaru poziomu.
Sonda ultradźwiękowa mierzy poziom na podstawie pomiaru czasu pomiędzy wysłaniem impulsu pomiarowego a odebraniem echa. Sygnały odebrane są przetwarzane przez elektronikę sondy na sygnał wyjściowy. Niektóre sondy są wyposażone w system analizy echa, dzięki któremu mogą prawidłowo pracować również w trudnych aplikacjach (zaparowanie, mieszadła, elementy konstrukcyjne wewnątrz zbiorników).
Zastosowanie techniki ultradźwiękowej w medycynie rozpoczęto w latach czterdziestych wykorzystując początkowo reflektoskopy (defektoskopy) opracowane do wykrywania wad materiałowych. Pierwsze diagnostyczne urządzenia ultrasonograficzne zaczęto stosować od 1951 roku i od tego czasu, mimo pewnych obaw w początkowym okresie co do bezpieczeństwa metod ultradźwiękowych, następuje stały rozwój techniczny i rośnie dziedzina aplikacji diagnostyki i terapeutyki ultradźwiękowej.
Ultrasonografia jest to badanie narządów wewnętrznych za pomocą fal ultradźwiękowych. Ta metoda diagnostyczna oparta jest na zjawisku echa ultradźwiękowego: fale wysyłane przez ultrasonograf odbijają się od tkanek i kości i powracają w różnym czasie do urządzenia. Informacje uzyskane tą metodą mogą być przedstawione na ekranie oscyloskopowym w postaci impulsów lub w postaci obrazu rozkładu tkanek normalnych i patologicznych.
Impulsy fal ultradźwiękowych wytwarzane przez ultrasonografy mają częstotliwość od 2 do 10 MHz ( 1 MHz odpowiada 1000000 cyklom na sekundę). Czas trwania takiego impulsu wynosi ok. 1 mikrosekundę, impulsy zaś są powtarzane około 1000 razy na sekundę. Poszczególne rodzaje tkanek oddziaływają odmiennie na fale: niektóre wyłącznie odbijają, podczas gdy inne powodują rozproszenie fali, zanim wróci ona do głowicy w postaci echa. Prędkość rozchodzenia się fali w tkankach jest różna (np. 1540 m/s w tkance miękkiej).
Odbite impulsy ultradźwiękowe zarejestrowane przez głowicę muszą być wzmocnione w aparacie ultrasonograficznym. Echa docierające do warstw położonych dalej od głowicy są bardziej stłumione niż echa powstające w warstwach przypowierzchniowych stąd wymagają większego wzmocnienia. Ultrasonografy są wyposażone w regulatory pozwalające zmienić czułość odbiornika powracających ech, poziom „odcięcia”, jak również zmieniać wzmocnienie ech przychodzących z różnych głębokości. Przystępując do badania ultrasonograficznego należy – bez względu na rodzaj ultrasonografu – wyrównać obraz tak, aby echa pochodzące z różnych głębokości były prezentowane na obrazie w zbliżony sposób.
Kiedy echa zostaną odebrane przez głowicę, można dokonać dwuwymiarowej rekonstrukcji obrazu położenia tkanek leżących na drodze wiązki fal ultradźwiękowych. Informacja ta jest opracowywana na komputerze ultrasonografu i wyświetlona w postaci obrazu na monitorze. Silne echa są określane jako echa „o dużej intensywności” i pojawiają się w postaci jasnych punktów na ekranie.
System alarmowy, czyli system sygnalizacji włamania i napadu jest typem instalacji elektrycznej przewodowej (lub bezprzewodowej), opatrtej na ultradźwiękach, w której niebagatelną funkcję pełnią czujki alarmowe.Są dwa sposoby ich wykorzystywania: detektor z falą stojącą (który wyszedł już z użycia) oraz radar dopplerowski.
Jeżeli w pomieszczeniu umieszczone są obok siebie nadajnik i odbiornik ultradźwiękowy, to tworzą one razem ultradźwiękowy detektor radarowy. Nadajnik wysyła energię, która jest źródłem zaburzenia rozchodzącego się w powietrzu jako fala akustyczna o prędkości v =343 m/s zależnej od temperatury. Jest to fala podłużna, mająca postać cyklicznych maksimów i minimów ciśnienia. Odbiornik odbiera energię o tej samej częstotliwości, częściowo bezpośrednio z nadajnika, a częściowo odbitą od ścian pomieszczenia. Gdy w pomieszczeniu znajdzie się obiekt, który będzie się poruszać, część energii odbijać się będzie teraz od niego. W przypadku przybliżania się obiektu częstotliwość odbieranego sygnału będzie większa (fala krótsza), w przypadku oddalania się obiektu częstotliwość będzie mniejsza (fala dłuższa).
Częstotliwość fali odbitej jest elektronicznie porównywalna ze stałą częstotliwością nadajnika, a zarejestrowana różnica częstotliwości jest wykorzystywana jako kryterium alarmu.
Im wyższa częstotliwość, tym wyższe tłumienie ośrodka, jednak uwzględniając odległości, jakie występują tam, gdzie zaleca się stosowanie czujek ultradźwiękowych, efekt zmiany tłumienia fal dźwiękowych w powietrzu jako funkcja częstotliwości jest pomijalny.
Jeśli w pomieszczeniu, w którym zamontowano czujkę ultradźwiękową, pojawi się prąd powietrza, fala w kierunku "z prądem" poruszać się będzie szybciej, "pod prąd" – wolniej. Całkowity czas wędrówki fali będzie taki, jak przy nieruchomym powietrzu. Odbiornik nie wywoła więc fałszywego alarmu spowodowanego ruchem powietrza. Czułość czujki jest największa dla ruchu poosiowego – a jeśli tak, to czujkę należy umieścić w kierunku spodziewanego ruchu intruza: naprzeciw drzwi lub okna i jak najbliżej chronionego obiektu. Jeśli intruz zachowa się nietypowo: będzie poruszał się w poprzek, tzn. po okręgu, stale w jednakowej odległości – czujnik nie zadziała. Wystarczy wtedy dołożyć drugi czujnik.
W czujce ultradźwiękowej gęstość energii emitowanej przez nadajnik maleje odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości. Dokładnie taka sama zależność dotyczyć będzie energii odbitej od poruszającej się osoby. Prawo odwrotności kwadratu zadziała tu dwukrotnie: najpierw w drodze do intruza, potem – do odbiornika. Przy dwukrotnym zwiększeniu odległości między nadajnikiem a odbiornikiem ilość energii docierającej do odbiornika wynosić będzie 1/16 energii pierwotnej. Aby więc dwukrotnie zwiększyć zasięg typowego detektora radarowego, należy 16–krotnie zwiększyć moc nadajnika, co z reguły nie jest możliwe. Jeżeli jednak dwukrotnie zmniejszy się kąt widzenia nadajnika i odbiornika, można dwukrotnie zwiększyć efektywny zasięg wykrywania bez zwiększania mocy nadajnika lub czułości odbiornika.
Fale ultradźwiękowe dają się ogniskować. Za pomocą odpowiednich przetworników wiązkę ultradźwięków można dowolnie formować. Dzięki temu energię ultradźwiękową można skierować w kierunku największego zagrożenia. Efektywny zasięg detektora zależy od minimalnej wielkości energii odbitej. Energia ta zależeć będzie od warunków propagacji fali dźwiękowej w pomieszczeniu. Warunki pogorszą się, gdy fala napotka stałą przeszkodę, na której część energii zostanie pochłonięta, a część odbita. Gdy maleje odległość między układem nadajnik–odbiornik a ruchomym obiektem, szybko wzrasta czułość wykrywania. Im mniejszy jest obiekt, tym jest trudniej wykrywalny.
Aby skutecznie zmniejszyć prawdopodobieństwo wyzwolenia fałszywego alarmu przez dźwięki naturalne i ich harmoniczne częstotliwości, częstotliwość pracy czujnika ultradźwiękowego powinna być jak największa. Ze wzrostem częstotliwości wzrasta dokładność detekcji przedmiotów, wzrasta także tłumienie atmosfery, wskutek czego spada czułość systemu i wzrasta jego podatność na zakłócenia. Zazwyczaj częstotliwość pracy ustala się w przedziale od 20 do kilkuset kHz. Jest ona uzależniona od wymiarów zewnętrznych płytki drgającej czujnika. Przy zabezpieczaniu większych pomieszczeń nie należy polegać tylko na jednym czujniku. Jeśli zastosuje się dwa detektory o tej samej częstotliwości nominalnej, może się okazać, że na skutek dryfu częstotliwości ich różnica jest równa częstotliwości progowej jednego z czujników – i nastąpi wyzwolenie alarmu. Aby unikać wzajemnych interferencji pomiędzy różnymi czujkami zainstalowanymi w tym samym pokoju, powinny one pracować na ustalonych niezależnych częstotliwościach harmonicznych. Odstępy powinny być znacznie większe od maksymalnej dopuszczalnej różnicy częstotliwości, przy której czujki generują sygnał alarmu. Nie jest wskazane doprowadzanie sygnałów o jednakowej częstotliwości do wszystkich nadajników, ponieważ może powstać kłopotliwy system z falą stojącą – co oznacza brak odporności na prądy powietrza.
Czujki muszą mieć własny nadajnik fali ultradźwiękowej. Każdy nadajnik musi być wyposażony w przetwornik zamieniający energię elektryczną na akustyczną. W czujkach alarmowych praktycznie stosuje się jeden rodzaj przetwornika. Ma on postać płaskiego krążka o średnicy ok. 10mm, wykonanego z ceramiki piezoelektrycznej. Przetworniki konstruuje się tak, by pracowały na częstotliwości rezonansowej. Podnosi to sprawność przetwarzania, co oznacza, że do wytworzenia fali ultradźwiękowej o określonym natężeniu jest potrzebna mniejsza moc elektryczna. Przetwornik odbiorczy musi mieć tę samą charakterystykę, co nadawczy.
Czujki ultradźwiękowe przeznaczone są jedynie do zastosowań wewnątrz chronionych obiektów. Idealne dla nich są małe pomieszczenia. Dobrym rozwiązaniem jest stosowanie ich do wczesnego wykrywania. Fale ultradźwiękowe nie przenikają przez szkło. Stąd też ruch za oknem nie wywoła fałszywego alarmu.
Czujki ultradźwiękowe umieszcza się najczęściej poziomo na ścianie bądź pionowo w rogu pomieszczenia. Zalecana wysokość montażu, to 1,5–2 m. Wybór miejsca jest najważniejszy dla prawidłowej pracy czujki i dlatego należy pamiętać, że duży wpływ na występowanie fałszywych alarmów mają:
– turbulencja zimnego i ciepłego powietrza, przeciągi, wentylatory,
– bardzo wysokie dźwięki, upust pary, wibracje (np. drgania szyb spowodowane ruchem pojazdów),
– dzwonki elektryczne, również telefon z dzwonkiem,
– ruchome przedmioty (np. falujące zasłony, kołyszące się żarówki) i zwierzęta,
– zakłócenia radiowe, pioruny, wyładowania elektryczne.
Nowoczesne czujki ultradźwiękowe nie są wrażliwe na przelatujące tuż przed nimi owady. Dzieje się tak dlatego, że nadajnik i odbiornik takiej czujki są przesunięte względem siebie. Dzięki temu w pobliżu czujki pole oświetlane przez nadajnik nie pokrywa się z polem obserwacji odbiornika i na przykład ćma nie wywoła fałszywego alarmu.
Obecnie zastosowania medyczne, chyba nawet bardziej niż militarne, są głównym motorem postępu technologicznego w obszernej dziedzinie zastosowań techniki ultradźwiękowej. Dotyczy to zarówno wykorzystywania efektów polowych (np. akustyki nieliniowej), techniki wytwarzania elementów i rozbudowanych struktur głowic ultradźwiękowych jak i specyficznych układów elektronicznych, szczególnie zaś metod komputerowej obróbki i zobrazowania sygnałów, wykorzystującej zarówno wyspecjalizowane procesory sygnałowe (DSP) jak też "zwykłe" komputery.
Zastosowania techniki ultradźwiękowej w medycynie nie sprowadzają się wyłącznie do ultrasonografii. Istnieją narzędzia ultradźwiękowe stosowane w stomatologii (najpopularniejsze to narzędzia do usuwania kamienia nazębnego i kiretażu ale też do mieszania amalgamatu czy nawet obróbki kanałów. Prowadzone są zabiegi terapeutyczne – masaż ultradźwiękowy, leczenie złamań. Stosując odpowiednio duże dawki można doprowadzać do obumierania niepożądanych komórek w sytuacjach, gdy są one trudno dostępne dla klasycznych operacji chirurgicznych.
Wytwarzane są także skalpele ultradźwiękowe,. Myjki ultradźwiękowe są używane do sterylizacji narzędzi. Wreszcie do wytwarzania aerozoli (inhalacje indywidualne, w namiotach i salach) stosowane są także aparaty ultradźwiękowe, dające bardziej jednorodne i drobnocząsteczkowe zawiesiny niż aparaty mechaniczne.
Tego rodzaju zastosowania "wysokoenergetyczne" są niekiedy bardzo zaawansowane technologicznie w zakresie wykonywania samych narzędzi, jednakże ich zasada działania i układy elektroniczne (tylko układy nadawcze) są bardzo proste w porównaniu z ultrasonografami i istnieją niekiedy ich komercyjne lub przemysłowe, popularne odpowiedniki (np. domowe nawilżacze powietrza o konstrukcji prawie identycznej jak aparaty do wytwarzania aerozoli). Dlatego urządzenia te nie będą w dalszej części opracowania oddzielnie omawiane, a specyficzne cechy ich istotnych elementów (głównie przetworników ultradźwiękowych i nadajników) zostaną omówione przy okazji prezentacji ich odpowiedników w ultrasonografach.
Wyjątek stanowią tu skomplikowane, wysoko energetyczne aparaty – litotrypy – z precyzyjnym ogniskowaniem wiązki i "celownikami" rentgenowskimi lub ultrasonograficznymi, służące do rozbijania kamieni nerkowych.
Do mechanicznych źródeł ultradźwięków zalicza się popularna piszczałka ultradźwiękowa Galtona – przywoływacz psów. W bardzo małej rurce piszczałki powietrze drga z o wiele większą częstotliwością niż w dużej rurze organów koncertowych. Generatory piezoelektryczne są to materiały (kryształy piezoelektryczne), które zmieniają swoje wymiary po przyłożeniu do nich napięcia. Jeżeli to napięcie zmienia się bardzo szybko, wtedy kryształ bardzo szybko się kurczy i rozszerza, przez co generuje ultradźwięki. Generatory magnetostrykcyjne natomiast działają przeciwnie do piezoelektrycznego: w tym wypadku ruch w generatorze wywoływany jest przez szybko zmieniające się pole magnetyczne.