Właściwości fizyczne oraz przykłady wytwarzania i zastosowania fal ultradźwiękowych

1. Definicja, opis oraz właściwości ultradźwięków

Fale ultradźwiękowe (inaczej zwane naddźwiękami) są rodzajem fal akustycznych, rozchodzących się w ośrodkach sprężystych (powietrze, woda, ciała stałe) o częstotliwościach z zakresu od 16 kHz (granica słyszalność dźwięku dla ucha ludzkiego) do ok. 100 MHz. Poniżej nich leżą zwykłe dźwięki słyszalne, jeszcze niżej tzw. infradźwięki. Powyżej granicy dla ultradźwięku rozchodzi się fala zwana hiperdźwiękiem, charakteryzująca się dość innymi już własnościami fizycznymi. Granicę dla hiperdźwięków stanowi w naturalny sposób limit określany przez własności ośrodka, w jakim fala ma się propagować - częstotliwość bliska fali drgań samego ośrodka (wówczas bowiem fale sprężyste nie mają jak się rozchodzić.

Typowe właściwości ultradźwięków to:

• Niskie długości falowe, średnio wynoszące kilka centymetrów, np. dwa centymetry w gazie, kilkadziesiąt centymetrów w ciałach stałych, przy częstotliwości kilkunastu kHz,

• Znane nam ultradźwięki, mające zastosowanie w medycynie i technice, są wiązkami falowymi spójnymi, czyli koherentnymi , w przeciwieństwie do fal hiperdźwiekowych, które propagują się w postaci nie koherentnych fal cieplnych Debay'a,

• Dzięki małym długościom fal, ultradźwięki występują często w formie promieni ultradźwięku i łatwo dają się ogniskować, kształtować w dowolne i precyzyjnie położone i skierowane wiązki, jak również wizualizować świetlnie przy wykorzystaniu tzw. efektu akustooptycznego,

• Umożliwiają obserwację interesujących zjawisk fizycznych i biologicznych. Często wiąże to się z nagłym wzrostem energii układu poddawanego ultradźwiękom, np. w przypadku termometru umieszczonego w cieczy w obecności źródła fal naddźwiękowych następuje silne nagrzewanie się jego powierzchni zewnętrznej, ale przy zachowaniu niskich wskazań temperatury.

• W obecności dużych dawek ultradźwiękowych możliwe staje się łączenie (mieszanie) różnych cieczy i powstawanie rożnego rodzaju emulsji.

• Ultradźwięki skutecznie niszczą bakterie, drobnoustroje i niektóre drobne zwierzęta (ryby, owady.) Z drugiej strony wiele zwierząt wykorzystuje zjawisko rozchodzenia się ultradźwięków, m.in. do orientacji przestrzennej, unikania przeszkód (delfiny) i łapania owadów w locie w ciemności (nietoperze.) Te ostatnie korzystają z fal o częstotliwościach kilkudziesięciu kHz, wysyłają sygnały nie większe niż 70 kHz i okresie rzędu 1/100 s w celu wykorzystania zjawiska ich odbicia od przeszkód, np. drzew. Odległość do przeszkody wyznaczana jest tu z czasu jaki zużywa sygnał na jej pokonanie., Na identycznej niemal zasadzie funkcjonuje wynalazek radaru.

• Fale naddźwiękowe są mocno tłumione w atmosferze, na jej niejednorodnościach. Jeżeli obserwujemy drgania mechaniczne płytki kwarcowej umieszczonej w powietrzu oraz w cieczy, to energia niesiona przez falę o tej samej amplitudzie jest aż kilka tysięcy większa w przypadku cieczy - dzieje się tak, ponieważ opór cieczy jest znacznie większy od oporu gazu. Wynika z tego możliwość wytwarzania płytek kwarcowych piezoelektrycznych o dużych efektywnych częstościach fal emitowanych (np. częstotliwość ok. 300 000 000 Hz dla płytki z turmalinu.) Dla takie przypadku propagacji fal amplitudy ich są minimalne, a przyśpieszenia dochodzą do ponad stukrotnej wartości przyśpieszenia grawitacyjnego Ziemi.

2. Metody wytwarzania fal ultradźwiękowych

Istnieje dość duża różnorodność znanych metod produkowania fal ultradźwiękowych. Zasadniczo można wyróżnić sposoby mechaniczne, elektryczne i mechaniczne. Oto najbardziej powszechne przykłady:

• Metoda mechaniczna, wykorzystująca mechanizm przepływu cieczy lub gazów, ma zastosowanie przy konstrukcji równego rodzaju syren policyjnych, piszczałek, gwizdków itp.,

• Metody elektryczne - tzw. elektrostrykcja, czyli wytwarzanie się fal o częstotliwościach ultradźwiękowych podczas działania siłą ściskająca na przeciwległe ścianki kryształów niektórych substancji (przy zgniataniu.) Deformacja musi na ogół zachodzić pewnych ustalonych kierunkach w stosunku do sieci kryształu. Prowadzi to wówczas do pojawienia się ładunków elektrycznych (ujemnych.) Mówimy, ze ma miejsce tzw. efekt lub też zjawisko piezoelektryczne, istnieją także zjawisko odwrotne, czyli deformacja przy działaniu polem elektrycznym na kryształ. Kryształami najczęściej używane w produkcji fal ultradźwiękowych są różne odmiany kwarcu, turmalin, oraz specjalna substancja zwana solą Seignette'a. Zjawisko piezoelektryczności zostały odkryte dość dawno temu, już w roku 1881. Wynalazcami byli fizycy francuscy - bracia Curie. W praktyce uzyskiwanie fal o częstotliwości ultradźwięku polegać będzie na korzystaniu płaskich elementów krystalicznych, tzw., płatków wyżej wymienionych kryształów, uformowanych tak, że ich powierzchnie są prostopadłe w stosunku do osi biegunowej kryształu. Dodatkowo płytki te pokrywa się najczęściej z wierzchu cienki warstwami przewodnika, tak, by otrzymać pewien typ elektrody przewodzącej. Takie ciało umieszczane jest w specjalnym pojemniku w cieczą wzmacniająca działanie przekazywanych fal ultradźwiękowych. Ciecz ma na ogół także zadania chłodzenia układu. Do powierzchni metalicznych elektrody przyłożone zostaje odpowiednio duże napięcie elektryczne, które na skutej wyżej wymienionych mechanizmów generuje drgania mechaniczne w ośrodku zewnętrznym zgodnie z ogólnymi praw ruchu falowego najlepsze rezultaty w intensywności otrzymywanych fal pojawią się wówczas, gdy amplituda wytwarzanej tak fali sprężystej zrówna się w przybliżeniu z kształtem amplitudy częstości zmian przyłożonego napięcia.

• Metody magnetyczne - tzw. magnetostrykcja; jest to zjawisko fizyczne polegające na zmianach w długości pręta wykonanego z ferromagnetyka (materiału magnetycznego) podczas jego namagnesowywania. Jeżeli taki układ umieścimy w uzwojeniu prądu, np. miedzianym, będzie wytwarzał drgania pola. Drgania te są tym silniejsze, im układ jest bliższy stanowi rezonansu. Można tak dobrać parametry, by pręt emitował ultradźwięki. Są one energią odprowadzaną z drgającego pręta (z powierzchni jego poprzecznego przekroju.) Pręt ma długości kilku centymetrów. W rezultacie uzyskiwać można drgania ultradźwiękowe dochodzące nawet do 60 kHz.

• Metody optyczne polegają głównie na wykorzystaniu promieni lasera (źródła światła koherentnego) do wytworzenia fal ultradźwiękowych w danym ośrodku,

• Metody cieplne, bazują w uproszczeniu na emitowaniu fal o danych energiach i częstościach, w tym częstotliwościach ultradźwiękowych, podczas nadawaniu ciału wysokiej temperatury,

3. Zastosowanie ultradźwięków

Nie jest to powszechnie znane, ale fale z zakresu częstości ultradźwiękowej mają tak wiele zastosowań, że nie sposób ich wszystkich ani wymienić ani dokładnie opisać. Dlatego też w tym referacie wymieniam najważniejsze przykłady zastosowań ultradźwięków oraz wyjaśniam tylko najciekawsze, najprzydatniejsze z nich. Zasadniczo wykorzystywania tych fal dzieli się na czynne i bierne, które starano się tu w pewnym stopniu scharakteryzować.

• Zastosowanie bierne ultradźwięków

Wykorzystuje się tu, mówiąc dość ogólnie, dowolną zmianą właściwości fizycznych ośrodka, w którym rozprzestrzeniają się fale ultradźwiękowe, pojawiającą się podczas rozprzestrzeniania się tych fal. Zmiany te modą przykładowo dotyczyć tłumienia fali, zmiany jej prędkości i kierunku, niesionej przez nią energii, długości itp. W praktyce wysyła się pewien pakiet falowy, następnie rejestruje fale odbite oraz rozproszone i bada ogólny rozkład tzw. pola fal dźwiękowych. Jest to jedna z najprecyzyjniejszych obecnie metod służących określaniu własności ośrodków i obiektów. Ma wiele zastosowań w leczeniu i diagnostyce, gdyż pozwala na łatwe, bezpiecznie, pewne uzyskanie ważnych danych o wnętrzu ciała ludzkiego (narządy, tkanki) oraz ewentualnych zaburzeń w jego funkcjonowaniu. Teoretycznie można by oczywiście w tym samym celu użyć innych fal akustycznych, jednak fale naddźwiękowe posiadają odpowiednio małe długości, przez co uzyskuje się lepsze czułości i zdolności rozdzielcze w badaniach ta metodą. Ultradźwięki wykazują ponadto dużo lepsze charakterystyki rozchodzenia się fali (zwłaszcza dotyczy to prędkości propagacji, znacząco mniejszej niż dla światła i innych fal elektromagnetycznych. Jest to właśnie główny czynnik odpowiedzialny za dobrą zdolność rozdzielczą metod ultradźwiękowych i ogólnie akustycznych. Pozwala to m.in. na budowę układów ogniskujących fal ultradźwiękowych, takich jak np. soczewki styczne. Urządzenia takie określają pola akustyczne, a więc i strukturę badanych ciał. Dodatkowo można przedstawić fale akustyczne na specjalnym ekranie, dzięki czemu możliwa się staje ich wygodna obserwacja i analiza w czasie rzeczywistym. Z małej prędkości czoła fal dźwiękowych wynika również duże opóźnienie czasowe wysłanego impulsu falowego, co z powodzeniem stosuje się obecnie w elektronice, elektryce i automatyce (radary, hydrolokatory, ultradźwiękowe linie opóźniające w złożonych urządzeniach elektronicznych itd.) Wobec powyższych właściwości tych fal, ultradźwięki wykorzystywane są najpowszechniej w ogólnie pojętych badaniach struktury, gdzie detekcja wad czy nierówności na poziomie mikroskopowym nie byłaby możliwa przy zastosowaniu innych, bardziej konwencjonalnych metod. Wymiary nierówności muszą być jednak co najmniej porównywalne z długościami użytych w tym celu fal. Tak również bada się wielkości oraz geometryczne wymiary obiektów, szczególnie grubość rozmaitych ciał i materiałów. To samo dotyczy badania wad (defektoskopia), znajdywania obiektów i przeszkód podwodnych (hydrolokacja), badań ściśle medycznych (np. diagnostyka chorób serca), określania wysokości poziomu cieczy w naczyniach i zbiornikach wodnych, itd. We wszystkich tych przypadkach pomiary za pomocą ultradźwięku wykonuje się najczęściej przy użyciu fali ciągłej (np. w hydrolokacji) lub też impulsów falowych (gdy zachodzi potrzeba dokonania jedynie pojedynczych, dyskretnych pomiarów.) Badania prędkości propagacji fali i intensywności jej tłumienia stanowią także pewien wyznacznik zachodzących zmian zewnętrznych, jak np. temperatury, oraz własności zmieniających się w przestrzeni ośrodka zewnętrznego. Dzięki temu możliwe jest zbadanie rodzaju domieszek, kontrola zanieczyszczeń w przemyśle, badanie substancji krystalicznych i ośrodków polikrystalicznych, kontrolowanie procesów chemicznych takich jak m.in. polimeryzacja, depolimeryzacja, ługowanie, rozpuszczanie, stężanie substancji.

Istnieje pewien limit określający przydatność i możliwości przemysłowego wykorzystania fal ultradźwiękowych; spowodowane jest to z fizycznego punktu widzenia zjawiskiem tłumienia fal akustycznych w ośrodku, w jakim one się propagują. Tłumienie to wzrasta proporcjonalnie do zwiększania się częstotliwości fali. Dlatego też da się zwykle określić pewną optymalną częstotliwość fal, jakie chcemy użyć w danym, konkretnym przypadku fizycznym. Uwzględnia się przy tym zarówno wpływ tłumienia, jak i precyzyjność pomiaru, jaka jest dla nas w tej sytuacji niezbędna.

• Zastosowanie czynne ultradźwięków

W tym przypadku zastosowanie ultradźwięków zawsze pociąga za sobą nieodwracalne zmiany w badanym za pomocą fal ciele. Często występują przy tym takie efekty uboczne jak kawitacja akustyczna i pojawienie się strumieni akustycznych, przy czym są to łatwe do zauważenia zjawiska nieliniowe, nie uwidaczniające się zwykle w przypadku fal o niewielkiej amplitudzie. Na ogół używane są przy tym fale naddźwiękowe o znacznych natężeniach. Ultradźwięki takie są stosunkowe proste w produkcji na skutek ich malej długości fali oraz towarzyszącej temu dużej częstotliwości drgań. Natężenie jest dla fal wielkością fizyczną rosnąca proporcjonalnie wraz z częstością. Załóżmy, że długość ultradźwięku jest prawie równa rozmiarom podłużnym wszelkich niejednorodności ośrodka w skali cząsteczkowej. Wówczas proces rozprzestrzeniania się pola fal akustycznych w takim ośrodku (który może być właśnie ciałem przez nas badanym) jest zależnie od obszaru ośrodka i jego właściwości. Oznacza to, że na podstawie obserwacji propagujących się fal naddźwiękowych można łatwo ustalić stan oraz procesy chemiczne zachodzące w badanym obiekcie. W rzeczywistości jednak sytuacja jest jeszcze bardziej skomplikowana, bowiem prawie zawsze maja miejsce znaczne efekty kwantowe zachodzące przy rozchodzeniu się fal w ośrodku.

Ultradźwięki w zastosowaniach medycznych i technicznych wytwarza się w rozmaitych urządzeniach przetwornikowych (tzw. przetworniki ultradźwiękowe.) Zasada ich działania jest wyjaśniona następująco: energia drgań systemu drgającego z częstotliwością taką jak fale ultradźwiękowe zgodnie z zasadą zachowania energii przemieniana jest w energie drgań akustycznych ośrodka. Przetwornik taki zwany jest wtedy generatorem lub emiterem sygnału ultradźwiękowego. Możliwa jest także sytuacja dokładnie odwrotna, kiedy energia drgań przetwarzana jest przez pewien układ na energię elektryczną lub innego jeszcze rodzaju, a następnie najczęściej gromadzona w formie informacji i poddawana analizie. Wówczas mamy odbiornik ultradźwięku, inaczej: przetwornik odbiorczy. Typy energii mogą być tu bardzo różne, można np. wyróżnić przetworniki chemiczne, elektryczne, mechaniczne, optyczne, temperaturowe i magnetyczne. Urządzenia te mogą bazować na efekcie odwracalnym bądź nieodwracalnym. Te pierwsze omegą dokonywać wydajnego procesu przemiany energii jednej w drugą.

W ciele ludzkim i żywych tkankach roślinnych i zwierzęcych zastosowanie fal ultradźwiękowych bywa czasem jedyna drogą do wizualizacji części niewidzialnych z zewnątrz, jak narządy i rozmaite anomalie. Często pozwala to na uniknięcia wykonywania operacji (co pociąga za sobą brak wielu efektów ubocznych podczas operacji) lub tez niszczenia żywych komórek. Ze względu na to użycie diagnostyki ultradźwiękowej jest powszechnie stosowane w medycynie (m.in. kardiologia, onkologia, neurologia), o czym dokładniej traktować będzie kolejny paragraf.

Zastosowania fal ultradźwiękowych w medycynie i profilaktyce

Także w stosowane w medycynie fale ultradźwiękowe dzielą się w zależności od konkretnego wykorzystania na użycie czynne (leczenie chorób i urazów) oraz bierne (w diagnostyce i profilaktyce.) Ten sposób wykorzystania ultradźwięków dotyczy w ogromnej większości fal z zakresu od 1 do 30 MHz. Już od początków wieku (lata trzydzieste XX wieku, lekarz - pionier Pohlman) znano dobroczynny wpływ aktywnego użycia ultradźwięków na skutki oraz przyczyny wielu schorzeń człowieka i zwierząt. Została to szybko dostrzeżone przez ówczesną medycynę i oficjalnie wprowadzone do metodyki leczenia kilkudziesięciu powszechnych chorób. Były także używane do usuwania stanów zapalnych i do walki z bólem. Jednak znano też już wtedy negatywny wpływ fal naddźwiękowych działających na organizmy żywe i ich metabolizm. Oznacza to, że istnieją pewne przeciwwskazania co do pełnego używania fal tego zakresu, dotyczy to głównie ich szkodliwym działaniem na układ nerwowy człowieka.

Przyrządy medyczne wykorzystywane do takich badań działają zawsze na zasadzie echa, to jest odbioru i obserwacji rozkładu sygnałów falowych odbitych od ciała, przy jednoczesnym analizowaniu części fal ultradźwiękowych, ulegającej rozproszeniu i pochłanianiu w badanym narządzie lub tkance.

Terapia ultradźwiękowa jest nadal bardzo powszechna w neurologii. Leczenie ultradźwiękami jest najbardziej skuteczne przy usuwaniu skutków porażeń obwodowego układu nerwowego, zaburzeń czucia nerwobólach oraz stanach zapalnych, zwłaszcza w przypadku nerwu trójdzielnego. Inne, wymienione tu na razie skrótowo, popularne zastosowania medyczne ultradźwięków to diagnostyka stanów nowotworowych, szczególnie tzw. guzów (tutaj duże znaczenie maja badania przeprowadzone przez prof. medycyny L. Filipczyńskiego i jego współpracowników), leczenie schorzeń skóry, stawów, rozmaite inhalacje (tu energia dźwięków spożytkowana jest celem wytworzenia aerozoli z leczniczymi substancjami, co ułatwia sam proces inhalacji i zmniejsza ryzyko tzw., nadciśnienia oddechowego), oraz badania ginekologiczne, zwłaszcza prenatalne (tzw. diagnostyka ciąży).

Oprócz tych oczywistych zasług, ultradźwięki są powszechnie wykorzystywane przez lekarzy do sterylizacji przyrządów i narzędzi chirurgicznych (np. skalpele); takie dokładne czyszczenie za pomocą fal o dużej energii jest tu o wiele bardziej bezpieczne i skuteczne niż tradycyjne mycie; jak również usuwanie skażeń w przypadku stwierdzenia podwyższonej radioaktywności danego obiektu, sprzętu laboratoryjnego czy przedmiotu chirurgicznego. Jeszcze inne, na pierwszy rzut oka niepozorne zastosowanie ultradźwięku to pomoc w przygotowywaniu tzw. preparatów histologicznych, czyli substancji organicznych poddawanych dalszemu badaniu przez lekarzy, jak np. fragmenty tkanek. Działa to na zasadzie preparowania specjalnego roztworu dla preparatu, który poprzez odpowiednie zabarwienie uskutecznia wizualizacje propagujących się fal akustycznych. Takie preparaty laboratoryjne będą dużo wyraźniejsze i umożliwią skuteczną analizę danego problemu.

Słyszy się czasem stwierdzenia o zagrożeniach płynąc z oddziaływania fal ultradźwiękowych z mózgiem. Jest na pewno prawdą, że tkanka nerwowa ulega nieodwracalnemu uszkodzeniu pod wpływem silnej dawki ultradźwięku. Jednak aby tak się stało, mózg musiałby znajdować się w polu ultradźwięków około minuty przy natężeniu fal sięgającym w przybliżeniu 80W/cm². Takie warunki w praktyce są rzadko realizowane. Nawet przy badaniach ultrasonografem natężenia ultradźwięków są zaledwie rzędu paru W/cm², i to na przeciągu czasu mniejszego od jednej sekundy. Ponadto, aby całkiem już uspokoić przeciwników tej metody leczenia, dowiedziono, że naświetlanie ultradźwiękami o natężeniu bezpiecznym po kilka lun kilkanaście razy, ale z odpowiednim odstępem czasowym nie pociąga za sobą żadnych efektów kumulacyjnych, w przeciwieństwie np. do zastosowania promieniowania jonizującego na organizm ludzki.

• Wykonywanie inhalacji pomocne przy chorobach płuc i w terapii oddechowej, przygotowywanie zawiesin i aerozoli, które wraz z substancjami leczniczymi można łatwo i bezpiecznie wprowadzić do wnętrza ustroju; urządzenia zwane nebulizatorami (mgielnikami, rozpylaczami),

• Ultrasonografia (w skrócie: USG). Jest to metoda badania narządów wewnętrznych opierająca się na omówionej już zasadzie badania odbicia i pochłaniania fal akustycznych w ciele ludzkim. USG oparta jest na wykorzystaniu zjawiska echa akustycznego, tu konkretnie ultradźwiękowego. Warto zwrócić uwagę, że jest to bierny sposób wykorzystania ultradźwięku w medycynie. Załóżmy, jak jest w istocie, że różniące się budową i gęstością tkanki wykazują rozmaitą oporność akustyczną i połączone z tym tłumienie fal ultradźwiękowych. Wielkości te zależą też zawsze od częstotliwości emitowanej fali. Bezpośrednim efektem tego prostego faktu jest możliwość uzyskania położeń tkanek miękkich w danym obszarze przy „naświetlaniu” ultradźwiękiem. Stosowane są tu częstotliwości fal z zakresu od ok. 1 do 20 MHz. W takiej sytuacji obserwować można rodzaj echa ultradźwiękowego, wzmocnionego przy przejściu fali przez granice tkanek o różnych właściwościach na oscyloskopie (przyrządzie służącym do badania i przedstawiania przebiegów falowych.) Dane wyświetlane są jako przebiegi i impulsy, lub w formie rozkładu tkanek i narządów. Oznacza to wszystko zatem, że dzięki metodzie ultrasonografii medycyna zyskała możliwość bezbolesnego i bezkrwawego wnikania w wewnętrzne narządy ciała człowieka, co z kolei pozwala nam bezpośrednio niemal obserwować zdrowe tkanki albo też patologie narządów, nerwów, mięśni, ścięgien i wiązadeł. Wiele z obserwowanych za pomocą USG części nie dadzą się obserwować nawet przy użyciu silnej dawki promieni Roentgena. Zresztą ultrasonografia w wielu sytuacjach jest dużo korzystniejsza niż analogiczne badania wykonane za pomocą prześwietlenia promieniami Roentgena. Nie tylko jest mniej szkodliwa, ale może dostarczyć bardzo ważne informacje w momencie, gdy metoda Roentgena nie działa już poprzez zbyt mały kontrast pomiędzy badaną częścią a jej najbliższym sąsiedztwem. Jedynymi obszarami ciała, których nie da się przebadać przez USG na skutek odbicia się fal, są miejsca w dużym stopniu wypełnione powietrzem, czyli tzw. jamy ciała, ale z kolei w takich sytuacjach można dobrze przebadać je metodą radiologiczną, tak że przy użyciu obu metod jednocześnie zawsze można dostać pełen obraz narządów.

• Znaczenie ultradźwięków w kardiologii. Istnieje nie inwazyjna, obrazowa metoda badania serca i reszty układu krwionośnego (żyły, tętnice, naczynia włosowate). Za pomocą specjalnego monitora połączonego z głowicą będącą emiterem fal - echokardiografu - otrzymuje się obraz będący rodzaj przetworzonego elektronicznie echa fal ultradźwiękowych propagujących się wewnątrz ciała pacjenta, i ulegających tam odbiciu i rozpraszaniu. Sygnały otrzymane tą droga można zapisywać na różnych nośnikach celem dalszych analiz lekarskich. Przy tym procesie, zwanym też często echokardiografią, wykorzystuje się głównie ultradźwięki częstotliwości od 1 do 10 MHz,

• Diagnostyka prenatalna, badanie płodu. Najlepiej i najbezpieczniej jest obecnie obserwować rozwijający się płód przy pomocy zjawisk ultradźwiękowych. Inne podobne metody wiążą się z dużym zagrożeniem dla życia dziecka lub są mniej dokładne i skuteczne. Inne mało ryzykowne badanie prenatalne przeprowadzić można wprawdzie przy pomocy wprowadzonego do ciała matki kontrastu, co często wykonywane jest we wczesnych stadiach rozwoju ciąży. Z kolei powszechna dawniej metoda radiologiczna, zwana też czasem rentgenologiczną, opiera się na prześwietleniu ciała dziecka wiązka promieniami Roentgena, przy wykształconym już systemie kostny, czyli ok. czwartego miesiąca ciąży. Wówczas szkielet jest dobrze widoczny na tle tkanek miękkich, co pozwala na wczesne wykrycie wad rozwojowych groźnych dla życia dziecka, ciąży mnogich czy podejrzeniu płodu martwego. Niestety, zabieg naświetlenia rentgenowskiego u kobiety ciężarnej może łatwo spowodować poważne uszkodzenie płodu, a nawet zmiany chromosomalne,

• Możliwość bezoperacyjnego badania oraz leczenia nerki. Wykorzystuje się tu przyrząd zwany nefroskopem, który wprowadzany jest do nerki poprzez kanał przezskórny, a którego zadaniem jest niszczenie i usuwanie pozostałości po kamieniach nerkowych kielichów lub miedniczki. Kamienie te rozbijane są przy wykorzystaniu energii fali ultradźwiękowej. Czasem także lekarze pomagają usunąć kamień, wprowadzając do miedniczki nerkowej małe kleszczyki, dzięki którym można łatwo pozbyć się kamieni pomniejszych,

• Niszczenie kamieni moczowych, leczenie kamicy moczowej. Przez cewkę do pęcherza wprowadza się w tym celu przyrząd zwany litotryptorem, ma on za zadanie rozbić kamienie za pomocą spójnej i odpowiedniej wiązki ultradźwięków albo fali elektrohydrauralitycznej. To na ogół nie wystarcza, zachodzi bowiem potrzeba usunięcia tak powstałych resztek po kamieniu - do ich ostatecznego usunięcia służy tzw. ewakuator, inaczej: gruszka Bigelowa. Zabieg ten, fachowo zwany litotrypsją, wykonywany bywa również w przypadkach kamieni nerkowych,

• Dentystyka: usuwania kamienia i osadów nazębnych,

• Leczenie tzw. zespołu bolesnego barku,

• Diagnostyka „podniebienia miękkiego” i innych podobnych anomalii,

• Leczenie astmy oraz nadciśnienia,

• Diagnostyka medyczna, np. pomiar procentowej ilości wapnia w kośćcu, pomocne przy wykrywaniu chorób kości,

• Pomoc w leczeniu nerwobólu nerwu trójdzielnego, działanie przeciwbólowe - tzw. ultrasonoterapia, metoda wykorzystująca ultradźwięki, pomagająca zmniejszyć ból, usunąć napięcie mięśniowe stany zapalne, a także rozszerzyć za bardzo zwężone naczynia układu krwionośnego oraz przyśpieszyć metabolizm (wchłanianie komórkowe),

• Leczenie przykurczu Dupuytrena, szczękościsku, bólów mięśniowych, wszelkiego typu nerwobóli, chorób układu nerwowego i rozmaitych urazów u sportowców (jak np. „łokieć tenisity”),

• Usuwanie zaćmy na oku - polega mniej więcej na rozdrobnieniu chorej części wiązką fal ultradźwiękowych, a następnie usunięciu pozostałości, jest to metoda dość bezpieczna (tzw. fakoemulsyfikacja),

• Leczenie uszkodzonych stawów, zwyrodnień stawów i reumatyzmu a także zwyrodnień rzepki kolanowej (tzw. chondromalacji), uszkodzonych lub naciągniętych ścięgien, ostry piętowych, choroby sudeckiej,

Zastosowania przemysłowe i techniczne fal ultradźwiękowych

• Ogół wykorzystania zjawisk typu echolokacja, czyli namierzanie przeszkód, przedmiotów oraz pewne orientowanie się w terenie za pomocą wysyłanych, odbijanych i ponownie absorbowanych fal ultradźwiękowych, wykorzystują je nie tylko ludzie, ale i wiele zwierząt, w szczególności nietoperze (namierzanie ofiar w ciemnościach, unikanie przeszkód) oraz delfiny (bardzo dobrze rozwinięty zmysł echolokacji.) Zdolność tą mają także psy i wiele gatunków ptaków oraz inne zwierzęta prowadzące nocny tryb życia lub tylko żerujące nocą,

• Człowiek wykorzystuje także mechanizm echolokacji celem namierzania kształtów otoczenia lub odległych przedmiotów, dobrym przykładem może być bp. Batymetria, czyli sondowanie zbiornika wodnego falami ultradźwiękowymi w celu uzyskania informacji o rozkładzie głębokości zbiornika, przy wykorzystaniu echosondy pracujące w sposób ciągły, sonda może być przymocowana do jednostki pływającej poruszającej się po wodzie, zadaniem echosondy jest emisja fal, które mają następnie odbić się od dna zbiornika w danym miejscu i powrócić do urządzenia, przy czym czas pomiędzy emisją a odbiorem sygnały jest odpowiednio proporcjonalny do dystansu pokonanego w tym czasie. Z kolei sonar (ang. Sound Navigation and Ranging) jest rodzajem hydrolokatora umożliwiającego namierzanie przeszkód podwodnych takich jak góry lodowe, wrogie jednostki podwodne, ławice ryb, wzniesienia dna morskiego itd. Metoda ultradźwiękowa pomiaru głębokości dna morskiego została po raz pierwszy zrealizowana w praktyce przez badacza mórz, Langevina, w roku 1918 i szybko upowszechniła się. Wykorzystanie w tym, celu ultradźwięków jest o tyle ważne i cenne, że fale te wysyłane mogą być wprost do dnia w formie spójnego wiązki (wąskiego pakietu falowego.) Analogiczna sytuacja nie jest możliwa dla fal radarowych, które teoretycznie mogłyby być użyte w tym samym celu, bowiem ulegają one silnej absorpcji, zwłaszcza w wodzie zasolonej,

• Zgrzewanie trwale i mocne materiałów które trudno się ze sobą łączą; dotyczy to głównie stopów metalicznych i niektórych sztucznych tworzyw. Łączenie takie polegać może np. na dobrym dociśnięciu do siebie części, które chcemy złączyć trwale, a następnie zastosowaniu odpowiedniej energii, która może być energią termiczną, chemiczną, elektryczną, mechaniczną, ale także energią niesiona przez fale ultradźwiękowe o niewielkiej długości i dużym natężeniu fali. Zgrzewanie takie realizowane jest zwłaszcza w branżach takich jak przemysł lotniczy, samochodowy, stoczniowy,

• Grzejniki ultradźwiękowe, stosowane w rozmaitych laboratoriach,

• Homogenizacja substancji, czyli produkcja jednolitej i trudnej do ponownego rozdzielenia mieszanki kilku pojedynczych składników, które nie mogłyby ulec takiemu zmieszaniu w innych warunkach, proces ten można jednak osiągnąć metodami takimi jak np.: szybkim miksowaniem, działaniem dużego ciśnienia, temperatury, sposobem udarowym, zastosowaniem substancji ułatwiających wzajemne mieszanie się składników (tzw. emulgatory) , a także właśnie przez oddziaływanie z silną wiązką ultradźwięków; główne zastosowania praktyczne ciał w ten sposób przetworzonych to wyrób pewnych produktów spożywczych, jak majonezy, kremy, masła, margaryny) oraz kosmetyków; inną kwestia jest zastosowanie medyczne, np. przy przygotowywaniu preparatów, lekarstw, ciał przeznaczonych do badań klinicznych pod kątem występowania bakterii itp.,

• Ogólnie: uzyskiwanie informacji o budowie części obiektów znajdujących się wewnątrz, gdy nie chcemy lub nie możemy bezpośrednio rozciąć badanego przedmiotu,

• Samochody - autoalarmy, pomocniki parkowania,

• Zastosowania kosmetyczne, np. odsysanie tkanki tłuszczowej, usuwanie cellulitisu oraz blizn i rozstępów pociążowych,

• Ultradźwiękowe odstraszacie owadów i gryzoni, np. myszy, kretów,

• Alarmy, czujniki włączające się przy stwierdzeniu obecności fal naddźwiękowych,

• Badanie jakości i własności fizycznych betonu poprzez emisje i odbicie od niego fal ultradźwiękowych, realizowane przy pomocy przyrządu zwanego betonoskopem,

• Urządzenia określające grubość inne właściwości danego materiału (materiałoznawstwo, hodowla zwierząt.) Także wykrywanie wad materiałów i urządzeń (tzw. defektoskopia, dotyczy głównie przedmiotów metalowych, polega na wysyłaniu fal a następnie badaniu fal odbitych i rozchodzących się w przedmiocie, wykorzystywane są m.in. zjawiska echo, rezonansu, drgań własnych i cienia. Pozwala to na wykrywanie minimalnych uszkodzeń także w przypadkach odlewów masywnych i o dużej grubości, które z racji owej grubości nie dadzą się swobodnie prześwietlać promieniami Roentgena,

• W hodowli: ultradźwiękowe testery ciężarności zwierząt oraz ich tzw. mięsności,

• Konstruowanie przetworników piezoelektrycznych,

• Prawo, detektywistyka, dania policyjne, np.: możliwość odczytu kształt linii papilarnych za pomocą specjalnych kamer ultradźwiękowych,

• Bezpieczna, bezstratna i precyzyjna obróbka materiałów kruchych i trudno obrabialnych, jak drewno, substancje włókniste, pewne minerały, bardzo twarde substancje (np. szkło). Służy tu często tzw. głowica ultradźwiękowa, złożona z przetwornika działającego na zasadzie magnetostrykcji i wywarzającego fale o odpowiedniej długości i energii,

• Obróbka tzw. erozyjna, oparta na usunięciu części, warstwy materiału lub obiektu przy wykorzystaniu efektu erozji; realizowana jest przy pomocy specjalnych urządzeń, tzw. drążarek, pozwala na niemal dowolne obrabianie ciał trudno kształtowalnych, nie skrawalnych lub źle skrawalnych. Drążarka jest przyrządem skrawającym lub obrabiającym, za jej pomocą można m.in. uzyskiwać niemal dowolne dziury i wgłębienia w przedmiotach stalowych i innych nadzwyczaj twardych materiałów. Używane są przy tym drążarki nie tylko ultradźwiękowe, ale i fotonowe, elektroiskrowe itd.,

• Efekt jarzenia się substancji, będąca pewnym rodzajem zjawiska ogólnego luminescencji. Objawia się świeceniem przy padających falach naddźwiękowych zachodzącej pod wpływem działania fal ultradźwiękowych,

• Wzornictwo Złotnictwo, jubilerstwo - grawerowanie wzorów za pomocą specjalnych urządzeń ultradźwiękowych,

• Spawanie, lutowanie, łącznie substancji trudno złączanych oraz możliwość dokładnej kontroli złącz i powierzchni styku,

• Budowa przetworników umożliwiających obserwacje przebiegów fal ultradźwiękowych na ekranie, przydatne w holografii,

• Określanie i poprawa akustyki pomieszczeń,

• Czujniki ruchu i wszelkiego rodzaju liczniki,

• W rolnictwie: ultradźwięki pomagają przyspieszyć metabolizm niektórych roślin,

• Otrzymywanie aerozoli i emulsji, wykorzystywanych także w medycynie, np., do wprowadzania leków do organizmu,

• Radiometria ultradźwiękowa,

• Łączenie substancji, np. celem uzyskania pożądanych stopów o danych charakterystykach,

• Kontrole, np. sprawdzanie palców za pomocą fal ultradźwiękowych,

• Oczyszczenie przedmiotów mikroskopowych lub precyzyjnych, płuczki, łaźnie, myjki ultradźwiękowe; myjki pozwalają ponadto usunąć zanieczyszczenia z trudno dostępnych miejsc. Odbywa się to dzięki malej długości fal ultradźwiękowych, które łatwo docierają do takich obszarów i dzięki swej dużej energii szybko odrywają bród i osady, następnie roztwór, w jakim zanurzony jest generator fal, wypłukuje zanieczyszczenia. Metody te są bezpiecznie, nie niszczą przedmiotów, nie powodują skutków obocznych takich jak korozja. Inne zastosowanie to oczyszczanie dymów,

• Obróbka udarowo - ścierna - użycie ziaren, np., piasku, proszki szlifierskiego, wzburzanych falami ultradźwiękowymi o dość dużych częstotliwościach, rzędu 25 kHz,

• Robotyka, konstruowanie robotów; dzięki detekcji rozchodzących się i odbijanych fal ultradźwiękowych robot może zorientować się w pomieszczeniu, wykrywać przeszkody. Gdy robot natrafia na np. ścianę włącza się specjalny mechanizm, powodujący ruch w przeciwną stronę. Jest to jednak dość prymitywne rozwiązanie, lepszym i obecnie częściej stosowanym jest zastosowanie fal odbijających się do przeszkód i ich odbiór przez specjalne urządzenia, np. diody podczerwone, odbiorniki naddźwięku,

• Konstrukcja odpylaczy - przyrządów umożliwiających usuwanie cząstek i drobin cieczy z gazów przemysłowych. Także usuwanie mgieł i zawiesin z lotnisk za pomocą piszczałek - syren ultradźwiękowych o dużej częstotliwości, powodujących kondensacje mgły przy powierzchni za pomocą fal naddźwiękowych,

• Nawigacja, wykrywanie przeszkód podwodnych, lotnictwo, pojazdy,

• Zapis informacji dźwiękowych i obrazowych, pomoc przy zapisie np. przy pomocy taśm video lub magnetofonowych, dyskach komputerowych - w tym przypadku zapis jest zapisem magnetycznym, polegającym w skrócie na generowania przez specjalną głowicę z elektromagnesem, przy użyciu zjawiska indukcji magnetycznej, pewnych wzorów na taśmie lub dysku; odbywa się to w taki sposób, by namagnesowanie fragmentu nośnika zawierającego aktualnie zapisywane dane było wprost proporcjonalne do wartości zapisywanego sygnału, przekształconego na impuls elektryczny; celem uzyskania ciągłości zapisu ma miejsce przesuwanie taśmy lub obrót dyskietki magnetycznej. Z kolei odczytywanie tak zapisanych informacji odbywa się poprzez wzbudzaniu w głowicy odczytu napięcia proporcjonalnego do lokalnego namagnesowania nośnika. Potrzebna jest przy tym także możliwość zapisu informacji pustej, obojętnej - i tu właśnie wykorzystuje się zwykle ultradźwięki, dokonując zapisu przy częstotliwości naddźwiękowej podczas kasowania nośnika. Historia: zapis magnetyczny dźwięku wynaleziono w roku 1898 (telegrafon, zapis na stalowym druciku), na pojawienie się w sprzedaży taśm magnetycznych należało jednak czekać aż do lat sześćdziesiątych XX wieku, gdy firma Philips opatentowała po raz pierwszy kasetę magnetofonową.

Bibliografia

1. Jerzy Massalski, Michalina Massalska , „Fizyka dla inżynierów”

2. Wikipedia i inne źródła internetowe

---