Źródła naturalne i sztuczne ultradźwięków Metody wytwarzania ultradźwięków

Źródła naturalne i sztuczne

ultradźwięków

Metody wytwarzania

ultradźwięków

Sylwia Winiewska

Amadeusz Pławski

Naturalne źródła

ultradźwięków:

•

Nietoperze

•

Walenie

•

Delfiny

Nietoperze:

•

Niektóre nietoperze posiadają specjalny narząd

wytwarzający ultradźwięki oraz bardzo duże i

sprawne uszy. Są one zdolne do wykrywania owadów

latających w absolutnych ciemnościach (ćmy).

Niektóre owady bronią się przed atakiem nietoperza

dzięki zdolności do detekcji pochodzących od niego

ultradźwięków. Ten mały ssak tuż przed atakiem

wysyła w kierunku ofiary specjalną skupioną wiązkę

promieniowania, aby zwiększyć precyzję pomiaru

odległości. Jeżeli owad usłyszy taki dźwięk,

natychmiast składa skrzydła i spada na ziemię,

dzięki czemu nietoperz nie może go już odnaleźć.

Walenie:

•

Ultradźwięki wykorzystują również

walenie. Wieloryby czy kaszaloty

używają ich do echolokacji

analogicznie do łodzi podwodnych,

dzięki czemu mogą namierzać ławice

swoich ofiar.

Delfiny:

•

Jednak najdoskonalszy zmysł echolokacji posiadają delfiny.

Na ich głowach umieszczony jest specjalny rezonator

pozwalający na bardzo precyzyjne generowanie strumienia

ultradźwięków. Jednocześnie ogromne mózgi delfinów są w

stanie przetworzyć uzyskane w ten sposób dane w

trójwymiarowy model otoczenia. Badania nad tymi

niesamowitymi ssakami wykazały, że poprzez ultradźwięki

postrzegają one swoje środowisko z taką precyzją jak my

widzimy nasz świat oczami odbierającymi światło. Jednak

delfiny są w stanie nie tylko dostrzec wszystko wokół siebie,

ale również mogą zajrzeć do wnętrza innych istot. Ssaki te

wykorzystują swoje zdolności podczas polowania. Mogą

odnaleźć ukryte pod piaskiem zwierzęta. Niektórzy biolodzy

uważają, że delfiny wykorzystują silne ultradźwięki również

do ogłuszania swoich ofiar.

Sztuczne źródła

ultradźwięków:

•

Piszczałki

•

Turbiny

•

Drgające z odpowiednią częstotliwością

powierzchnie ciał stałych

•

Struny

•

Gwizdki

•

Syreny

Generowanie ultradźwięków w

medycynie jest związane z

odwróconym efektem

piezoelektrycznym

Efekt piezoelektryczny:

•

Występuje w niektórych rodzajach

kryształów jonowych

•

Jest to powstawanie momentu

dipolowego czyli pola elektrycznego

w tych kryształach w odpowiedzi na

przyłączone do nich napięcie

mechaniczne

1.Naprężenie mechaniczne

2.Przesunięcie względem siebie

jonów dodatnich i ujemnych

wchodzących w skład kryształu

3.Zaburzenie równomierności

przestrzennego rozłożenia ładunku

4.W krysztale indukuje się moment

dipolowy

5.Pojawia się różnica potencjałów

elektrycznych między ściskanymi

powierzchniami

Efekt piezoelektryczny

charakteryzuje liniowość- w

pewnych granicach istnieje

liniowa zależność między

wielkością odkształcenia a

powstającym w jego wyniku

napięciem elektrycznym.

Odwrócony efekt

piezoelektryczny:

•

Odkształcenie kryształu (naprężenie

mechaniczne) w odpowiedzi na

pojawienie się zewnętrznego pola

elektrycznego.

1.Kryształ np. kwarcu umieszczony w

zewnętrznym zmiennym polu

elektrycznym.

2.Zaczyna drgać zgodnie z częstotliwością

Zmian pola elektrycznego

3.Jeśli częstotliwość zew. pola

elektrycznego jest równa

częstotliwości własnej drgań

kryształu następuje rezonans

4.Powierzchnie kryształu

zaczynają drgać ze znaczną

amplitudą

5.Powstaje fala akustyczna

6.Gdy częstotliwość zmian pola

elektrycznego> 20kHz

generowane są ultradźwięki.

Zjawisko magnetostrykcji:

•

Zjawisko magnetostrykcji 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.

Metoda udarowa:

•

Metoda udarowa polegająca na wytworzeniu

deformacji (odkształcenia) przy zderzeniu stałych

ciał sprężystych np. uderzenie małej kuli stalowej o

bryłę (płytę, blok, itp.) ciała stałego powoduje

powstanie fal sprężystych, których częstotliwości

mogą sięgać 100kHz..

Do mechanicznych metod wytwarzania

ultradźwięków szerokopasmowych należy także

wykorzystanie zjawiska tarcia między ciałami

stałymi. Generowane sygnały zależą od prędkości

poruszania się i stanu trących o siebie powierzchni.

Metody optyczne:

•

W zależności od własności światła laserowego i

sposobu jego oddziaływania z materialnym ośrodkiem

można w nim wytworzyć fale sprężyste w szerokim

zakresie częstotliwości ultradźwiękowych aż do

zakresu hiperdźwiękowego. Metoda ta jest

bezkontaktowa i umożliwia wzbudzanie bardzo

krótkich impulsów o nano- i pikosekundowych czasach

trwania, przy czym amplitudy impulsów sprężystych

mogą być bardzo małe oraz bardzo duże w zależności

od mocy użytych laserów. W zależności od

uformowania wiązki laserowej wzbudzania mogą być

zlokalizowane nawet na bardzo małych

powierzchniach

Document Outline