Ultradźwięki Ultradźwięki to fale sprężyste o częstotliwości od 16kHz (powyżej granicy słyszalności) do 10⁹Hz (górna granica jest umowna); fale o wyższych częstotliwościach nazywa się hiperdźwiękami. Mechanizm powstawania i rozchodzenia się ultradźwięków jest określony przez prawa wspólne dla wszystkich fal sprężystych. Oddziaływanie ultradźwięków z ośrodkiem, w którym się rozchodzą, silnie zależy od długości fali
(
=
, gdzie f- częstotliwość, v- prędkość fali w danym ośrodku; np. długość fali ultradźwiękowej w wodzie dla częstotliwości 16kHz wynosi ok. 0,1m, a dla częstotliwości 1GHz- 1,5
10^-9m, przy v=1500 m/s).Ze względu na zróżnicowanie efektów oddziaływania ultradźwięków z materią w zastosowaniach praktycznych stosuje się podział szerokiego zakresu ich częstotliwości na 3 podzakresy: małych częstotliwości (16-100kHz), średnich (100kHz-10MHz) i dużych (10MHz-1GHz). Ultradźwięki - dzięki temu, że są falami krótkimi - mogą być wytwarzane w formie wiązek, które łatwo wizualizuje się za pomocą światła. Wiązki takie można odpowiednio formować (np. ogniskować), przesyłać przez ośrodek na określone odległości i odbierać; wiązki te ulegają odbiciom i załamaniom na granicach różnych ośrodków, a także dyspersji i tłumieniu w wyniku absorpcji i rozproszenia w ośrodkach lepkich i niejednorodnych. Jedną z przyczyn dyspersji i tłumienia ultradźwięków są ich oddziaływania z cząsteczkową strukturą ośrodka, szczególnie w pewnych zakresach częstotliwości, w których występuje relaksacja akustyczna (polegająca na nieodwracalnym przekazywaniu energii fali ultradźwiękowej). Ultradźwięki mogą mieć duże natężenia (natężenie fali jest proporcjonalne do kwadratu częstotliwości) - od dziesiątków W/cm² do kW/cm²; działanie na materię takich ultradźwięków powoduje występowanie akustycznych zjawisk nieliniowych, np. wywołuje duże ciśnienie promieniowania i przepływ ośrodka (fontanna ultradźwiękowa); jest również konieczne do wytworzenia kawitacji ultradźwiękowej; może też prowadzić do nieodwracalnych procesów niszczących.

Wytwarzanie i odbieranie ultradźwięków Do wytwarzania i odbierania ultradźwięków stosuje się przetworniki ultradźwięków; są to nadajniki, które przetwarzają energię mechaniczną, hydrodynamiczną, termiczną, elektryczną, magnetyczną, optyczna na energię fal ultradźwiękowych, lub odbiorniki ultradźwięków, które przetwarzają energię pierwotną fal ultradźwiękowych na energię innego rodzaju, rejestrowaną np. jako sygnał elektryczny. Generatory mechaniczne ultradźwięków to drgające z odpowiednio dużymi częstotliwościami (do 50kHz) rezonansowe elementy mechaniczne lub ograniczone objętości płynów często pobudzane przepływem gazu lub cieczy, np. gwizdki, piszczałki i syreny; mechanicznymi odbiornikami ultradźwięków są radiometry oparte na zasadzie pomiaru akustycznego ciśnienia promieniowania. Termiczne metody generacji ultradźwięków polegają na periodycznym lub impulsowym lokalnym nagrzewaniu ośrodka, który ulega odkształceniom termosprężystym; odkształcenia te stają się źródłami fal sprężystych; lokalne nagrzania mogą być wywołane także metodą optyczną za pomocą padającej na ośrodek wiązki światła np. laserowego; termiczne odbiorniki ultradźwięków stanowią anemometry (cieplne sondy do lokalnych pomiarów zmian ciśnień) oraz termopary (termosondy do lokalnych pomiarów zmian temperatury). Często używane, szczególnie w zakresie małych częstości ultradźwięków (nie większych niż 200kHz) są przetworniki oparte na zjawisku magnetostrykcji. Najbardziej powszechne w zastosowaniach (dla częstotliwości większych niż 200kHz) są przetworniki oparte na zjawisku piezoelektryczności i elektrostrykcji; przetworniki konstruowane z wykorzystaniem tych zjawisk są odwracalne, czyli mogą przetwarzać energię w obu kierunkach - mogą więc być zarówno nadajnikami, jak i odbiornikami ultradźwięków. Zjawisko piezoelektryczności jest liniowe i nieparzyste - między deformacją mechaniczną powodującą ciśnienie akustyczne fali ultradźwiękowej a natężeniem pola elektrycznego nią wywołanym, a także w kierunku odwrotnym, zachodzi proporcjonalność; zmiana kierunku deformacji wywołuje zmianę znaku pola; przy zmianach okresowych częstotliwość zmian elektrycznych jest równa częstotliwości zmian deformacji i odwrotnie. Natomiast zjawisko elektrostrykcji jak i magnetostrykcji jest kwadratowe, a więc parzyste; zmiany nie zależą wtedy od kierunku i przy zmianach okresowych częstotliwość efektu zostaje podwojona (jednemu okresowi zmian deformacji odpowiadają 2 okresy zmian pola elektrycznego bądź magnetycznego) lub w efekcie odwrotnym - jednemu okresowi pola odpowiadają 2 okresy deformacji. Dla zastosowań ultradźwięków są to efekty niepożądane; dlatego kwadratowe zjawisko elektrostrykcji (podobnie zjawisko magnetostrykcji) sprowadza się do zjawiska liniowego pseudopiezoelektryczności przez dokonanie trwałej polaryzacji przetworników ultradźwięków stałym polem elektrycznym (lub magnetycznym) o wartości większej niż amplituda zmian wielkości przetwarzanej; taką polaryzację nadaje się elementom ferromagnetycznym używanym na przetworniki ultradźwięków przez namagnesowanie stałym polem magnetycznym (element zachowuje się jak liniowy przetwornik piezomagnetyczny); natomiast płytki ferroelektryczne przeznaczone na przetworniki ultradźwięków polaryzuje się w procesie technologicznym w fazie zastygania płynnej masy ceramicznej (roztopionych do temperatury około 1700⁰C) w warunkach przyłożonego pola elektrycznego. Płytka o stałej polaryzacji elektrycznej zachowuje się tak jak piezoelektryczna może być wykorzystywana jako przetwornik ultradźwiękowych fal podłużnych lub poprzecznych w zależności od tego, jak w stosunku do kierunku polaryzacji została wycięta (z kryształu piezoelektrycznego) lub wykonana (ze spolaryzowanej ceramiki ferroelektrycznej). Odpowiednio przygotowane płytki (obustronnie metalizowane w celu otrzymania elektrod) po przyłożeniu napięcia (w przypadku nadajnika) deformują się i generują falę ultradźwiękową do ośrodka przylegającego lub wytwarzają napięcie (w przypadku odbiornika) na elektrodach w wyniku działania fali ultradźwiękowej; amplituda drgań płytki jest proporcjonalna do amplitudy przyłożonego napięcia (w przypadku generacji ultradźwięków) lub ciśnienia akustycznego (w przypadku odbiornika); amplituda drgań jest największa w przypadku rezonansu mechanicznego płytki; takie warunki, w przypadku nadawczym, odpowiadają jej zasilaniu napięciem zmiennym o częstotliwości równej częstotliwości własnej płytki, a w przypadku odbiorczym największej czułości przetwornika (największe napięcie na elektrodach) wtedy, gdy częstotliwość padającej fali ultradźwiękowej jest równa częstotliwości własnej płytki. Najdogodniej w technice ultradźwiękowej używać płytek pracujących przy częstotliwości własnej podstawowej, dobierając grubość do wymaganej częstotliwości wytwarzanych lub odbieranych ultradźwięków; należy jednak zauważyć, że przy coraz większych częstotliwościach grubość płytek i ich wytrzymałość mechaniczna są coraz mniejsze; dlatego też w praktyce w zakresie średnich częstotliwości często wykorzystuje się wyższe harmoniczne do wytwarzania i odbioru ultradźwięków. Osobną dziedzinę ultradźwięków stanowią akustyczne fale powierzchniowe o dużych częstotliwościach GHz; mogą one być wytwarzane różnymi sposobami, najczęściej jednak na gładkiej powierzchni piezoelektryków za pomocą zmian pola elektrycznego w specjalnym, grzebieniowym układzie elektrod; położenie elektrod jest tak dobrane, że powstające na powierzchni piezoelektryka naprężenia odpowiadają kierunkom odpowiednich wartości modułów piezoelektrycznych, które decydują o wytworzeniu składowych dany rodzaj fali powierzchniowej, np. fali Rayleigha.

Ultradźwięki u zwierząt Układ słuchu u ludzi jest wrażliwy tylko na częstotliwości zawarte w przedziale od około 16 do 20000 herców. Przy częstotliwościach niższych lub wyższych powstają odpowiednio infradźwięki i ultradźwięki, których ludzie nie słyszą.

Psy Pogwizdywanie na psa wydaje się „pogwizdywaniem udawanym”. Człowiek dmucha, niczego nie słyszy, ale pies i tak reaguje. Dzieje się tak, ponieważ pogwizd wysyła ultradźwięki, a psy są wrażliwe właśnie na te fale.

Delfiny Głównym zmysłem delfinów jest słuch. Uszy delfinów są ledwie widoczne, gdyż małżowiny uszne zanikły podczas ewolucji tej grupy zwierząt. Uszy wewnętrzne jednak bardzo sprawnie odbierają dźwięki przenoszone przez wodę. Mają możliwość odbierania sygnałów stereofonicznych, dzięki czemu mogą określić kierunek, z którego dochodzi dźwięk. Ludzie znajdujący się w wodzie tego nie potrafią, gdyż fale dźwiękowe docierające do uszu, wywołują drgania kości czaszki, przenoszące się do obu uszu jednocześnie. Natomiast każde ucho wewnętrzne delfinów i morświnów jest specjalnie odizolowane od kości czaszki. To umożliwia zwierzęciu rejestrowanie opóźnienia pomiędzy dźwiękami dosięgającymi jednej i drugiej strony głowy - co pozwala określić kierunek, z którego dobiegł dźwięk. To jest bardzo ważna umiejętność, gdyż delfiny żyją w świecie dźwięków; nie tylko wytwarzanych przez inne zwierzęta, ale i przez siebie. Aby zorientować się w otoczeniu, posługują się echolokacją. Emitują stały strumień krótkich sygnałów dźwiękowych, odbijających się od obiektów stałych i powracających do delfinów jak echo. Czas opóźnienia pomiędzy emisją a powrotem sygnału określa odległość od danego obiektu; precyzyjny, stereofoniczny słuch delfinów umożliwia im orientację w wodzie. Sygnały dźwiękowe emitowane przez delfiny są serią trzasków i gwizdów - jednak tak krótkich i tak szybko wysyłanych, że przypominają raczej skrzypiące drzwi. Powstające dźwięki są skupiane przez zbiornik tłuszczowy na czole (tzw. melon), który działa na zasadzie soczewki i emitowane podczas wydmuchiwania powietrza przez nozdrza. Dźwięki wracają, odbite od danego obiektu i przechodzą do ucha środkowego przez kanał tłuszczowy w wydrążeniu szczęki dolnej. Dzięki instynktownemu analizowaniu odbitego echa, w mózgu delfinów tworzy się kompletny, dźwiękowy obraz otoczenia, co pozwala tym waleniom unikać zagrożenia i lokalizować potencjalne ofiary. Odpowiednie analizowanie takich informacji możliwe jest dzięki znacznej liczbie komórek mózgowych.

Nikt nie wie na pewno, dlaczego delfiny czasami wypływają na brzeg, gdzie giną. Jedna z teorii głosi, że ulega zaburzeniu zmysł echolokacji, co powoduje ich dezorientację.

Nietoperze Mimo, że zmysły powonienia i słuchu są u nietoperzy dobrze rozwinięte, to jednak najszerzej używanym do odnajdywania zdobyczy oraz najbardziej wyrafinowanym i zdumiewającym ze zmysłów, którymi są one obdarzone jest zmysł echolokacji. Zwierzę emituje przez nos i pyszczek serię dźwięków - większość w paśmie ultradźwiękowym. Ultradźwięki rozchodzą się koliście. Dźwięki te po odbiciu od lokalizowanego obiektu, ruchomego lub nie, wracają jako echo do nietoperza. Interpretując echo, zwierzę tworzy obraz swojego otoczenia, określając położenie, wielkość i gęstość otaczających je obiektów. Interpretacja ta potrafi być na tyle subtelna, że pewne gatunki nietoperzy są w stanie wykryć drut o średnicy mniejszej niż 1mm. Rybaki (Noctilionidae), polując na ryby, lokalizują je na podstawie fali dźwiękowej odbitej od drobnych zmarszczek na powierzchni wody wywołanych przez potencjalne ofiary.

Podkowistec wysyła impulsy nosem, a echo odbiera za pośrednictwem wielkich uszu. Poluje na ćmy w gęstym listowiu i potrafi odróżnić latającego owada od poruszającego się liścia.

Zastosowania ultradźwięków Chociaż człowiek nie może słyszeć ultradźwięków, nauczył się wykorzystywać ich właściwości w wielu dziedzinach. Zastosowania ultradźwięków dzieli się na bierne i czynne. W przypadku zastosowań biernych ultradźwięki wykorzystuje się do celów pomiarowych lub kontrolnych; używa się wówczas ultradźwięków o małym natężeniu, nie wywołujących żadnych zmian w strukturze badanych ośrodków; w tych zastosowaniach duże znaczenie mają ultradźwiękowe fale powierzchniowe, które wykorzystuje się w akustoelektronice jako ultradźwiękowe linie opóźniające, filtry dyspersyjne, modulatory, korelatory oraz splotery sygnałów impulsowych i innych. W przypadku zastosowań czynnych wykorzystuje się ultradźwięki o dużych natężeniach; wywołują one w ośrodkach określone, często nieodwracalne zmiany (np. kawitację) lub przyspieszają różne procesy fizyczno-chemiczne (np. koagulację aero- i hydrozoli, polegającą na strącaniu cząstek zawiesin w gazach i cieczach). Im większa jest częstotliwość jakiegoś ultradźwięku, tym mniejsze przedmioty mogą go odbijać. Istnieją szczególne kryształy, które - włączone do obwodu elektrycznego - wysyłają drgania o częstotliwości jednego miliarda herców.

Sonar Wzorując się na wykorzystywaniu ultradźwięków przez zwierzęta skonstruowano sonar pracujący po wodą, w którym stosowane są ultradźwięki w zakresie od 100kHz do 10MHz. Dźwięk rozchodzi się w wodzie z prędkością około 1500m/s, czyli 4 razy szybciej niż w powietrzu. Jest wysyłany przez przetwornik (działający na zasadzie głośnika) i odbierany przez hydrofony (podobne do mikrofonów). Kierunek, z którego przychodzi echo, określa położenie celu (namiar), a czas od emisji sygnału do jego powrotu pozwala na obliczenie zasięgu lub odległości. Zasięg równa się połowie prędkości dźwięku (w wodzie) mnożonej przez czas, w którym sygnał ultradźwiękowy osiągnie cel i wróci. Namiar i zasięg można wyświetlić na monitorze lub przetworzyć w komputerze. Sonar dokonuje też pomiarów dotyczących rozkładu temperatur, zasolenia wód, wykrywania zasobów rybnych i prędkości mas wodnych. Prostym zastosowaniem sonaru jest echosonda, dzięki której na podstawie czasu dojścia sygnału do dna morskiego i powrotu do statku można określić głębokość wody poniżej stępki. Zawodowi rybacy stosują takie urządzenia, działające na zasadzie sonaru, zwane ichtiolokatorami (echosondami rybackimi), do wykrywania ławic ryb. Jest to przykład echolokacji. Bardziej wyrafinowanym urządzeniem jest sonar boczny. Wysyła impulsowo wąską wiązkę ultradźwięków prostopadle do kursu statku. Docierające echa są przetwarzane przez komputer, który konstruuje obraz przedmiotu odbijającego sygnały.

Ultradźwiękowa diagnostyka Ultradźwiękowa diagnostyka to metoda wykorzystująca ultradźwięki w badaniach nieniszczących do wykrywania, charakteryzowania i wizualizacji wewnętrznych struktur ośrodków sprężystych bądź lepkosprężystych; diagnostyka ultradźwiękowa stosowana w medycynie służy do badania obiektów biologicznych i wykrywania zmian patologicznych w tkankach i narządach organizmów żywych. W diagnostyce ultradźwiękowej wykorzystuje się sygnały ultradźwiękowe, zarówno ciągłe, jak i impulsowe, różnych charakterystykach częstotliwościowo-czasowych, odpowiednio dobranych do sposobu wykorzystania i rodzaju badanego obiektu. Sygnał ultradźwiękowy wprowadza się do badanego ośrodka i obserwuje się (mierzy) sygnał odebrany po przejściu przez ten ośrodek; ulegają zmianom wielkości charakterystyczne dla danego ośrodka - prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej oraz jej tłumienie; pomiar i odpowiednia obróbka tych wielkości pozwalają określić lub zwizualizować rozkład wewnętrznych struktur badanego ośrodka. W diagnostyce ultradźwiękowej stosuje się zwykle metody oparte na zjawisku przepuszczania lub odbicia (metoda echa) sygnału ultradźwiękowego przez obiekt; w metodach tych można mierzyć czas przelotu i amplitudę sygnału o określonej częstotliwości, wyznaczając zmiany prędkości lub tłumienia albo przesunięcie dopplerowskie; to ostatnie jest spowodowane oddziaływaniem sygnału z ruchomym obiektem - wykorzystuje się je do wykrywania ruchomych struktur, np. obserwacji pracy mięśnia sercowego (ruchu ścian komór czy zastawek) czy dostarczania informacji o prędkościach przepływu krwi w naczyniach krwionośnych (lub informacje o przepływie cieczy czy gazu w rurociągach). W diagnostyce ultradźwiękowej wykorzystuje się fakt, że opór akustyczny, który jest równy iloczynowi gęstości i prędkości dźwięku różnych fragmentów ośrodka, np. różnych niejednorodności (wad, pęknięć itp.) czy różnych rodzajów tkanek (skóra, warstwa tłuszczu, nerka, wątroba), decyduje o współczynniku odbicia fali ultradźwiękowej od tych fragmentów; sygnały ultradźwiękowe odbite od granic elementów o różnych oporach akustycznych, rozłożonych w różnych miejscach obiektu, docierają do odbiornika w różnych czasach, a ich amplitudy są zależne od zdolności odbijającej tych elementów.

Ultrasonografia (USG) Ultrasonografia ma wiele zastosowań w medycynie. Jest to sposób obrazowania struktury i czynności narządów wewnętrznych z wykorzystaniem ultradźwięków. Informacje uzyskuje się na podstawie odbicia wiązki fal ultradźwiękowych (efekt echa) od różniących się właściwościami struktur tkankowych w penetrowanym obiekcie lub zmiany częstotliwości (efekt Dopplera) spowodowanej ruchem części narządu. Istnieją także metody transmisyjne, nie mają one jednak większego znaczenia w diagnostyce medycznej. Powstanie i rozwój ultrasonografii w medycynie były stymulowane osiągnięciami wojskowymi, w tym skonstruowaniem radarów i sonarów. Częstotliwości stosowane w obrazowaniu medycznym mieszczą się w zakresie od 0,5MHz (w badaniach głęboko położonych narządów jamy brzusznej) do 15MHz (w okulistyce i badaniach zmian znajdujących się tuż pod skórą, np. guzów sutka). Badane są również możliwości wykorzystania większych częstotliwości, aż do 70(100)MHz, które mogą znaleźć zastosowanie do wizualizacji mikroobiektów, np. struktury powierzchniowej tkanek. Główną trudność techniczną stanowi konstrukcja przetwornika drgań elektrycznych na mechaniczne i odwrotnie. Przetwornik ultradźwiękowy bowiem spełnia jednocześnie 2 funkcje: nadajnika i odbiornika sygnału. Przetwornik dla częstotliwości niższych, wykonany z ceramiki, może być dość masywny. Przetwornik generujący wyższe częstotliwości musi mieć znacznie mniejszą masę. W przypadku największych częstotliwości przetworniki maja postać cienkich folii. Ultrasonografia jest jedynym sposobem wizualizacji, który nie jest oparty na elektromagnetycznym oddziaływaniu czynnika penetrującego z ciałem człowieka. Podstawą obrazowania ultradźwiękowego są informacje o gęstości, sprężystości tkanek i ruchomości narządów (lub przepływu krwi), uzyskane na podstawie analizy odbicia lub zmiany częstotliwości wiązki fal ultradźwiękowych penetrujących ciało. Informacje te są przetwarzane na użyteczny diagnostycznie obraz prezentowany na kranie monitora. Obrazy ultradźwiękowe są z zasady tomograficzne, więc otrzymywanie przekroju obiektu nie wymaga procedur rekonstrukcji komputerowej. Uzyskiwane obrazy przedstawiają przekrój ciała lub narządu w płaszczyźnie przemieszczania wąskiej (do granicy możliwości) wiązki fal penetrującej obiekt. Na podstawie danych zawartych w obrazach dwuwymiarowych, podobnie jak w innych sposobach obrazowania, można komputerowo zrekonstruować obraz trójwymiarowy. Obrazy są uzyskiwane w czasie rzeczywistym, czyli natychmiast w trakcie badania. Obrazowanie ultradźwiękowe ma charakter dynamiczny, co oznacza, że oprócz struktury ciała może być równocześnie badana czynność ruchowa narządów wewnętrznych (np. serca), a także ruchy płodu w macicy. Dzięki postępowi technicznemu ostatnich lat, szczególnie szybko rozwija się ultradźwiękowa diagnostyka zabiegowa. Za pomocą specjalnych urządzeń można przeprowadzać badania w trakcie operacji chirurgicznych, przybliżając głowicę ultrasonografu bezpośrednio do odsłoniętych podczas zabiegu tkanek i narządów. Miniaturyzacja głowicy umożliwiła także wykonywanie badań endoskopowych, w tym żołądka, dwunastnicy, jelita grubego, pęcherza moczowego itp.

Metody echa W większości urządzeń ultrasonograficznych stosowanych w diagnostyce medyczne jest wykorzystywany efekt echa. Przetwornik piezoelektryczny emituje krótkotrwały, silnie tłumiony impuls drgań (o natężeniu akustycznym 1-10mW/cm²), który penetruje wnętrze ciała. Przechodząca przez ciało wiązka ultradźwięków ulega osłabieniu na skutek rozproszenia, odbicia i pochłonięcia przez tkanki leżące na jej drodze. Fale odbite od poszczególnych granic struktur tkankowych wracają do przetwornika piezoelektrycznego, który po wysłaniu impulsu przyjmuje rolę detektora. Skuteczność odbijania fal akustycznych przez powierzchnie płaszczyzn odgraniczających sąsiednie struktury tkankowe zależy od zmiany impedancji akustycznej występującej na danej granicy. Wartość impedancji akustycznej tkanki jest iloczynem gęstości tkanki i prędkości rozchodzenia się dźwięku w danej tkance. Różnice impedancji między poszczególnymi tkankami miękkimi są bardzo małe. Podobnie bardzo mała (kilka promili) jest wartość współczynnika odbicia fali, będącego funkcją różnicy impedancji akustycznej tkanek przed i za odbijającą granicą. Szczególna sytuacja występuje na granicy powietrze-tkanka, gdzie odbicie jest prawie całkowite, oraz na granicy tkanka miękka-kość, gdzie odbicie wynosi ok.50%. Aby poprawić transmisję fali ultradźwiękowej, między przetwornikiem a skórą badanego pacjenta umieszcza się żel eliminujący warstewkę powietrza. Ze względu na maskujące właściwości kości podczas badania tkanek miękkich, wyszukuje się okienka między kośćmi szkieletu w celu wprowadzenia wiązki ultradźwiękowej do wnętrza ciała, np. między żebrami podczas badania struktury serca. Metoda ultrasonograficzna nie jest praktycznie wykorzystywana do badań struktur mózgu (kość czaszki stanowi istotną barierę dla ultradźwięków). Przechodząca przez obiekt wiązka fal akustycznych generuje znaczną liczbę ech, które są odbierane w sekwencji czasowej, proporcjonalnej do odległości miejsca odbicia od przetwornika. Poszczególne echa są wyświetlane na monitorze w postaci pikseli, tworząc obraz złożony z linii. Wyróżnia się 3 sposoby prezentacji obrazu ultradźwiękowego uzyskiwanego metodą echa: A, B i M. Prezentacja typu A (nazywana tak ze względu na amplitudowy charakter modulacji, ang. amplitude) jest realizowana za pomocą nieruchomej, zwierającej przetwornik, głowicy umieszczonej na powierzchni ciała. Dostarcza informacji jednowymiarowych. Amplituda sygnałów echa jest przedstawiana jako funkcja odległości od przetwornika , czyli głębokości położenia obiektu odbijającego. Poruszające się wewnątrz ciała powierzchnie graniczne miedzy tkankami można rozpoznawać na podstawie przemieszczania się położenia na osi współrzędnej odległości (w przód i w tył) odpowiadających im amplitud echa. Prezentacja typu B (ang. brightness „jasność”) jest prezentacją dwuwymiarową. Sygnał echa jest przedstawiany na monitorze w postaci pikseli (świecących plamek) o jasności proporcjonalnej do jego amplitudy. Dwuwymiarowość obrazu jest uzyskiwana dzięki przesuwaniu głowicy z przetwornikiem po powierzchni ciała. W rezultacie otrzymuje się obraz przekroju ciała w płaszczyźnie wyznaczanej przez kierunek wiązki i kierunek ruchu głowicy. Ruch głowicy po powierzchni ciała w nowoczesnych rozwiązaniach jest zastępowany ruchem wahadłowym przetwornika znajdującego się wewnątrz głowicy. W ten sposób otrzymuje się dwuwymiarowy obraz sektora ciała. Aby uzyskać obraz kolejnego, przylegającego sektora, należy przesunąć lub przechylić głowicę. Głowice wyposażone w taki ruchomy przetwornik noszą nazwę sektorowych. Prezentacja typu M (ang. motion „ruch”) jest dokonywana w podobny sposób, jak prezentacja A, tzn. przy zachowaniu nieruchomości głowicy zawierającej przetwornik. Różnica polega na tym, że echa są przedstawiane jak w prezentacji B, czyli w postaci pikseli o zróżnicowanej jasności. Piksele kreślą linie na przesuwającym się papierze lub ekranie monitora. Na podstawie przesuwania się linii w górę i w dół można ocenić ruchomość badanych obiektów.

Metody dopplerowskie Źródłem informacji niezbędnych do utworzenia obrazu dopplerowskiego jest zmiana częstotliwości wiązki fal akustycznych odbitych od ruchomego obiektu. W szczególności dotyczy to obiektów (w tym także krwi), które mają składową ruchu w kierunku propagacji wiązki. Zgodnie z zasadą Dopplera, jeśli obiekt zbliża się do przetwornika, to częstotliwość fali obitej zwiększa się i odwrotnie, maleje, gdy obiekt się oddala. Szczególnie istotne znaczenie ma ten sposób wizualizacji w diagnostyce układu krążenia, obejmującej badanie czynności serca. Wizualizacja dopplerowska może być realizowana 2 metodami: metodą fali ciągłej i metodą impulsową. W metodzie fali funkcje nadawczo-odbiorcze przetwornika muszą być rozdzielone. Wiązka fal odbitych zawiera informacje o poruszających się obiektach leżących w całym obszarze penetracji, co powoduje, że np. pomiar wartości natężenia przepływu krwi w konkretnym naczyniu jest obarczony znacznym błędem. Zasadniczą wadą tej metody jest jednak to, że nie dostarcza ona danych o położeniu obiektu (odległości od przetwornika lub powierzchni ciała). Wady tej nie ma metoda impulsowa. W celu uzyskania informacji o badanym obiekcie, leżącym na danej głębokości, należy dokonać selekcji sygnałów zwrotnych. W tym celu stosuje się tzw. bramkę, otwierającą się tylko na te odbite impulsy (paczki fal odbitych), które wracają po czasie potrzebnym na przebycie drogi (odległości) od danego obiektu. Zmieniając chwilę otwarcia bramki, można penetrować struktury położone na różnych głębokościach od powierzchni ciała. Analizowane i przetwarzane na obraz są tylko te sygnały, które przychodzą we właściwym czasie. Oprócz informacji o rozkładzie prędkości, są przekazywane także informacje o dynamice przepływu krwi (w sercu i naczyniach). Rozwinięciem techniki dopplerowskiej w zakresie badania rozkładu prędkości przypływu krwi jest analiza przepływów w całym przekroju narządu lub ciała i przedstawienie obrazu ultradźwiękowego tego przekroju w postaci kodowanej kolorem (tzw. doppler kolorowy).

Ultrasonoterapia Ultrasonoterapia to metoda leczenia ultradźwiękami; najczęściej stosuje się ultradźwięki o natężeniu 0,05-1,0 W/cm² i częstotliwości 800, 1000, 2400kHz, których źródłem są generatory ultradźwięków; mechaniczne, cieplne i fizykochemiczne działanie ultradźwięków powoduje zwiększenie ukrwienia i lepsze odżywienie tkanek, działa przeciwbólowo i przeciwzapalnie; ultrasonoterapia jest stosowana w leczeniu zespołów bólowych, w reumatycznych i pourazowych chorobach narządów ruchu, w przypadku nadmiernego bliznowacenia, przykurczów tkankowych, leczeniu owrzodzeń troficznych, odleżyn; ultradźwięki wykorzystuje się także do wprowadzenia do tkanek przez skórę niektórych leków (fonoforeza).

Silnik ultradźwiękowy Silnik ultradźwiękowy jest precyzyjnym, miniaturowym urządzeniem do napędu mechanicznego, wykorzystujące do wytworzenia siły posuwistej (silniki ultradźwiękowe liniowe) lub momentu obrotowego (silniki ultradźwiękowe rotacyjne) odpowiednio generowane (za pomocą elementów piezoelektrycznych) mody drgań ultradźwiękowych. Wśród wielu możliwości konstrukcyjnych rozróżnia się silniki ultradźwiękowe: skokowo-pełzające, w których stosuje się 3 przetworniki piezoelektryczne, zestawione tak, aby w jednym cyklu, w odpowiednim następstwie czasowym ulegały wydłużeniu i kurczeniu się, powodując napęd elementu roboczego; mikropopychowe, w których wykorzystuje się eliptyczne ruchy powierzchniowe cząstek akustycznych statora (wywołane przez nałożenie na siebie drgań podłużnych i giętnych lub skrętnych, generowanych przez odpowiednio zestawione przetworniki piezoelektryczne) - mikroskopijne ruchy eliptyczne powierzchni statora są liniowo (np. za pomocą tarcia) przenoszone na ruch makroskopowy przesuwnika lub rotora; bezwładnościowo-posuwne, wykorzystujące wolno i szybko zmienną deformację masy elementu roboczego, wywołaną piezoelektrycznie i podtrzymywaną okresowo; rozróżnia się również silniki ultradźwiękowe wykorzystujące falę biegnącą po powierzchni statora (ruch posuwisty lub obrotowy jest wytworzony przez oddziaływanie fali z obiektem roboczym) oraz wykorzystujące zjawisko akustycznej lewitacji w akustycznym polu bliskim (ciśnienie promieniowania akustycznego unosi element roboczy ponad powierzchnią drgającą z częstotliwością ultradźwiękową). Silniki ultradźwiękowe wykorzystuje się jako serwomechanizmy w wielu urządzeniach precyzyjnych: aparatach fotograficznych i kamerach filmowych (do automatycznego ustawienia ostrości), zegarkach, gaźnikach samochodowych i innych.

Obróbka ultradźwiękowa Ultradźwiękowa obróbka to obróbka erozyjna ziarnami ściernymi zawieszonymi w cieczy i otrzymującymi energię od źródła drgań (powyżej 20kHz); obróbka ultradźwiękowa bezkierunkowa odbywa się w ośrodku składającym się z cieczy i ziaren ściernych, w którym wywołuje się drgania o częstotliwości ultradźwiękowej; jej celem jest polepszenie gładkości powierzchni elementów mechanizmów precyzyjnych; obróbka ultradźwiękowa kierunkowa opiera się na oddziaływaniu mieszaniny ściernej na wycinki powierzchni obrabianego przedmiotu, ściśle wyznaczone przez kształt narzędzia wykonującego drgania o częstotliwości ultradźwiękowej (i przekazującego drgania mieszaninie ściernej); w wyniku skrawania, kruszenia i ścierania materiału jest odwzorowywany kształt narzędzia; ruch drgający narzędzia uzyskuje się wykorzystując zjawisko magnetostrykcji; obróbkę ultradźwiękową stosuje się tylko do bardzo twardych i kruchych materiałów (hartowana stal, węgliki spiekane, diament, szkło, porcelana).

Oczyszczanie brudnych przedmiotów, likwidowanie kamieni, mieszanie barwników, homogenizacja mleka Wywoływane przez ultradźwięki silne wibracje są wykorzystywane w celu oczyszczania brudnych przedmiotów. Ciało zatapia się w wodzie i uruchamia generator ultradźwięków, który wprawiając w wibracje ciało sprawia, że „otrząsa się” ono z warstwy brudu. W przemyśle przydaje się to do usuwania śladów tłuszczu z przedmiotów przed pokrywaniem galwanicznym. Na tej samej zasadzie ultradźwięki służą do likwidowania bolesnych kamieni m. in. Nerkowych (litotrypsja). Wykorzystywane są również do równomiernego mieszania barwników oraz homogenizacji mleka, która polega na rozbijaniu cząstek tłuszczu.

Maszyny borujące W stomatologii stosuje się kontrolowane za pośrednictwem ultradźwięków maszyny borujące, które w trakcie borowania zębów wytwarzają minimalne tarcie.

Wykrywanie zanieczyszczeń wewnątrz metali Ultradźwięki mogą służyć do wykrywania zanieczyszczeń i defektów wewnątrz metali. Ultradźwiękowa echosonda przesuwana jest wzdłuż powierzchni badanego metalu. Ma ona w sobie generator ultradźwięków oraz ich odbiornik. Odbicia (echo) pochodzą głównie z powierzchni metalu, ale i wszelkie zanieczyszczenia wewnątrz odbijają fale ultradźwiękowe. Odbite fale rejestrowane są przez odbiornik i przedstawiane w formie obrazu na ekranie lub wydruku.

Pomiar grubości tłuszczu Rolnicy wykorzystują ultradźwięki do pomiaru grubości tłuszczu na zwierzętach hodowlanych.

---