Ultradźwięki - właściwości, wytwarzanie, zastosowanie.
1. Właściwości ultradźwięków
Ultradźwięki to fale akustyczne o częstotliwości wyższej niż 16 kHz (tj. przekraczającej górny próg słyszalności dla człowieka) i niższej od 100 MHz (hiperdźwięk).
Fale sprężyste, których częstotliwość przewyższa 10 GHz, nazywa się hiperdźwiękami. Hiperdźwiękowy zakres zjawisk sprężystych kończy się od góry naturalną granicą wyznaczoną dla danego ośrodka przez częstotliwość odpowiadającą długości fali porównywalnej o mniejszych długościach nie mogą powstać, gdy znikają warunki konieczne dla ich rozprzestrzeniania się (to jest znikania możliwości przekazania zaburzenia sprężystego jako energii mechanicznej po miedzy atomami w drodze bezpośredniej). 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.
Nie wątpliwie małe długości fal ultradźwiękowych zadecydowały o specjalnym ich zastosowaniu. Dzięki małym długościom fal ultradźwięki można wizualizować za pomocą światła (zjawiska akustooptyczne), można je ogniskować i kształtować w wiązki o dobrej kierunkowości (akustyka morza, holografia akustyczna) i można mówić z dobrym przybliżeniem o promieniach ultradźwiękowych.
2. Wytwarzanie ultradźwięków
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.
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.
3. Zastosowanie ultradźwięków
Zastosowanie ultradźwięków można podzielić zasadniczo na bierne i czynne:
a) Zastosowanie bierne ultradźwięków
Każda zmiana stanu lub właściwości ośrodka powoduje zmianę warunków rozchodzenia się w nim fali akustycznej (co przede wszystkim przejawia się w zmianie prędkości fali o tłumienia), badanie zmiany parametrów pola akustycznego jest jedną z bardzo czułych metod badania właściwości i struktury różnych ciał. Zwłaszcza dobrze do tego celu nadają się ultradźwięki, gdyż mniejsza długość fali zapewnia większą zdolność rozdzielczą i dokładność pomiaru.
Jeśli chodzi o dokładność pomiaru, ultradźwięki mają dużą przewagę nad drganiami elektromagnetycznymi z powodu dużo mniejszej (o kilka rzędów) prędkości ich rozchodzenie się, zatem znacznie polepsza to zdolność rozdzielczą metod ultradźwiękowych, w porównaniu z metodami elektromagnetycznymi. Mała długość fali umożliwia po za tym realizację ultradźwiękowych układów ogniskujących (soczewki styczne) odważających niejednorodności pola akustycznego. Za pomocą specjalnych metod (wizualizacja pól akustycznych) obrazy te mogą być obserwowane wzrokiem na ekranie. Jeszcze jednym skutkiem małej prędkości rozchodzenia się ultradźwięków jest możliwość uzyskania dużych opóźnień sygnału przy niewielkich rozmiarach urządzenia, co jest wyzyskiwane w ultradźwiękowych liniach opóźniających, stosowanych szeroko w elektronowych maszynach liczących, a także w maszynach sterujących i w urządzeniach radio – i hydrolokacyjnych.
Górna granica stosowanych częstotliwości ultradźwiękowych zależy od tłumienia dźwięku w ośrodku, ponieważ tłumienie reguły wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości. W konkretnych sytuacjach optymalną częstotliwością pacy zbiera się uwzględniając z jednej strony tłumienie, a z drugiej – wymaganą zdolność rozdzielczą.
Ultradźwięki w badaniach strukturalnych stosuje się przede wszystkim do wykrywania nie jednorodności makroskopowych, których wymiary są porównywalne lub większe od długości fali. Na tym też polega zastosowanie ultradźwięków w hydrolokacji i defektoskopii, a także w badaniach struktury części organizmów żywych (gałki oczne, serca), w diagnostyce medycznej itd. Do tej grupy zagadnień zaliczyć też można wyznaczenie geometryczne wymiarów ciał, np. grubości blach lub poziomu cieczy w zbiornikach. Odpowiednie pomiary mogą być przeprowadzane zarówno przy pracy impulsowej, jak przy użyciu fali ciągłej.
Pomiar prędkości rozchodzenia się i tłumienia ultradźwięków jest szczególnie czułym wskaźnikiem zmian warunków zewnętrznych (temp., ciśnienie i inne) oraz spowodowanych przez nie zmian właściwości samego ośrodka na tej zasadzie opierają się metody określania ilości domieszek i stopnia zanieczyszczenia, stosowane w kontroli przemysłowej, a także kontroli takich procesów jak ługowanie, rozpuszczanie, polimeryzacja i depolimeryzacja, starzenie. Metody ultradźwiękowe stosuje się również do badania właściwości monokryształów i ośrodków polikryształów.
b) Zastosowanie czynne ultradźwięków
Cechą charakterystyczną czynnych zastosowań ultradźwięków jest stosowanie średnich i dużych natężeń powodujących zmiany nieodwracalne w nadźwiękawianym ośrodku. Zmiany te są również związane z różnymi efektami nieliniowymi(kawitacja akustyczna, ciśnienie promieniowania akustycznego), z których najbardziej istotne znaczenia mają strumienie akustyczne i kawitacja.
W przypadku ośrodków biologicznych ultradźwięki umożliwiają nawet wizualizację wnętrza niedostępnego dla oka bez dokonywania krwawego zabiegu, a także – co jest szczególnie cenne bez żadnych szkodliwych skutków ubocznych. Dzięki temu ultradźwięki znalazły obecnie szerokie zastosowanie diagnostyczne w medycynie, w takich jej dziedzinach jak położnictwo, kardiologia, okulistyka, neurologia, onkologia, chirurgia naczyniowa itp.
Dzięki małym długościom fal a wysokim częstotliwością (natężenie jest proporcjonalne do kwadratu częstotliwości) można stosukowo łatwo otrzymywać ultradźwięki o dużym natężeniu (dziesiątki W/cm²), przy którym pojawiają się zjawiska nieliniowe nie występujące przy falach o małej amplitudzie.
Jeśli długości fal ultradźwiękowych stają się porównywalne z wielkością niejednorodności lub ziarnistości ośrodka, w szczególności z rozmiarami określającymi jego strukturę molekularną, w tedy charakter rozchodzenia się tych fal zależy wyraźnie od własności ośrodka. Badając prędkość rozchodzenia się i tłumienia fal ultradźwiękowych możemy określać procesy molekularne w rożnych ośrodkach (badanie środków za pomocą ultradźwięków). Oddziaływanie fal ultradźwiękowych o dużych częstotliwościach ze strukturą ośrodka prowadzi do wystąpienia zjawisk, które wykazują kwantowy charakter tych procesów.
Do wytwarzania i odbioru ultradźwięków stosuje się różne urządzenia zwane przetwornikami ultradźwiękowymi. Przeważają one energię określonego układu nieakustycznego, drgającego z częstością ultradźwiękową, w energię akustyczną (przetworniki nadawcze – generatory ultradźwiękowe) lub odwrotnie – energię akustyczną w energię innego rodzaju (przetworniki odbiorcze). W zależności od rodzaju energii, która jest przetwarzana na akustyczną lub odwrotnie, rozróżniamy generatory lub odbiorniki ultradźwiękowe mechaniczne, elektryczne, magnetyczne, cieplne, chemiczne i optyczne. Przetwornikami odwracalnymi nazywa się takie, które działają w obydwu kierunkach z równymi sprawnościami. Różne rodzaje przetworników ultradźwiękowych dzieli się na grupy biorąc za podstawę zasadę działania wykorzystującą określone zjawisko fizyczne, w którym zachodzi przeważanie jednej energii w drugą.
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. Istnieje 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