Ultradźwięki i infradźwięki
1. Ultradźwięki i hiperdźwięk
Ultradźwięki oraz infradźwięki należą do ogólniejszej grypy mechanicznych fal sprężystych. Ultradźwiękami nazywane są fale z zakresu częstotliwości od 16 kHz do 10 GHz, czyli powyżej fal słyszalnych dla ucha ludzkiego. Fale wyższe niż 10 GHz noszą miano hiperdźwięków i są limitowane jedynie maksymalną częstotliwością zdefiniowaną w określonym ośrodku jako częstotliwość fali na tyle dużej, że może się jeszcze propagować w tym ośrodku. Podstawowa różnica pomiędzy oboma rodzajami fal jest następująca: rejestrowane ultradźwięki są obserwowane jako spójne wiązki falowe, podczas gdy hiperdźwięki to zjawisko nie koherentnych drgań falowych które wysyłane są w różnych kierunkach w obrębie ciała.
Istnieje bardzo wiele metod wytwarzania ultradźwięków. Wiele zwierząt opanowało tę umiejętność na drodze doboru naturalnego, należy tu wspomnieć przede wszystkim o psach, nietoperzach, ptakach i delfinach. Zwierzętom wysyłanie i analiza odbitych fal naddźwiękowych służy do lokalizacji przestrzennej i polowania, np. na owady w locie. Człowiek może wytwarzać ultradźwięki przy pomocy przetworników naddźwiękowych (układów przekształcających energię ośrodka, np. przepływającej cieczy lub gazu drgającego mechanicznie z częstotliwością bliską ultradźwiękowej, w dale akustyczne o tej właśnie częstotliwości.) Możliwy jest tez oczywiście proces odwrotny, to jest transformacja energii fal dźwiękowych w energię mechaniczną lub inną. Metody otrzymywania ultradźwięków na tej drodze dzielą się jeszcze na mechaniczne (przepływ powietrza w gwizdach, piszczałkach itp.), elektryczne (elektrostrykcja kryształów – emisja fal przy ściskaniu kryształu lub przywożeniu do jego ścian napięcia), magnetyczne (analogicznie – magnetostrykcja), optyczne (użycie promieni laserowych), wreszcie cieplne (emisja fal o określonej częstości na skutek ogrzewania materiału.) Możliwe jest (i dość pożądane z technicznego punktu widzenia) konstruowanie przetworników ultradźwiękowych dwukierunkowych – zdolnych do wykonania obu procesów zmiany jednej formy energii w drugą.
Najbardziej typowe własności fal z zakresu ultradźwięku i hiperdźwieku to niewielkie długości fali przy dużych częstościach. Obie te wielkości związane są ze sobą zresztą odwrotną proporcjonalnością. Dla typowych ultradźwięków długość fali równa jest w przybliżeniu kilka centymetrów, zależnie od ośrodka, w jakim zaburzenie to się propaguje. Dla hiperdźwieków długość fali jest często zbliżona nawet do długości fali światła widzialnego i liczona jest w nanometrach. Z takimi charakterystykami falowymi związane są specyficzne zastosowania fal naddźwiękowych. Zastosowania te dotyczą nauki, techniki oraz medycyny i zasadniczo dzielą się na czynne i bierne. Wykorzystanie obu tych zakresów to między innymi: ogniskowanie fal w pakiety falowe o znacznym stopniu kierunkowości, wizualizacja świetlna, holografia akustyczna.
Najważniejsze bierne sposoby wykorzystania fal ultradźwiękowych:
● Badanie struktury wewnętrznej obiektów. Możliwe jest dzięki zmianom w sposobie rozchodzenia się fal o małych długościach (załamanie, odbicie) w ośrodku. Im mniejsza jest długość użytej fali, tym teoretycznie wyższa dokładność badań oraz rozdzielczość.
● Ultrasonografia – jak powyżej, tyle że w zastosowaniach medycznych. Ultrasonografia polega na badaniu własności i zmian chorobowych w tkankach i narządach wewnętrznych dzięki odbiciu fal ultradźwiękowych od struktury wewnętrznej organizmu. Następnie fale odbite są analizowane przez lekarzy. Jest to szczególnie istotne w diagnostyce chorób serca i układu krwionośnego, nowotworów, zmian skórnych i podskórnych, w badaniu gałki ocznej.
● Hydrolokacja – przydatna w nawigacji, wykrywanie przeszkód podmorskich (np. skały, góry lodowe) dzięki wysyłaniu i odbiciu fal naddźwiękowych od otoczenia.
● Ogniskowanie, soczewkowanie, wizualizacja pól akustycznych – możliwe na skutek małych długości falowych ultradźwięków. Uzyskane tymi metodami obrazy mogą być rzutowane na ekran.
● Układy opóźniające w elektronice (opóźnienia wysyłanych fal naddźwiękowych są efektem stosunkowo niewielkiej prędkości fazowej ultradźwięku.
● Defektoskopia oraz detekcja niejednorodności ciał i materiałów, o ile wymiary tych niejednorodności są nie mniejsze niż długość użytej fali naddźwiękowej.
● Otrzymywanie informacji o wymiarach i kształtach obiektów oraz poziomów cieczy w zbiornikach sztucznych i naturalnych.
● Określanie różnych warunków i parametrów wewnętrznych ośrodka lub obiektu, takich jak cieśninie, gęstość, temperatura. Przykładem może być tu badania stopnia zanieczyszczeń lub procentowości domieszkowania dla danej substancji. Znajomość tych wielkości jest istotna w różnych procesach chemicznych i przemysłowych (np. polimeryzacja) oraz badaniu substancji polikrystalicznych i monokrystalicznych. Wszystkie takie badania odbywać się mogą dzięki podatności na drobne nawet zmiany prędkości propagowania się jak i wytłumiania fal ultradźwiękowych w kontakcie z ciałem, które stoi im na przeszkodzie.
W przypadku biernego zastosowania ultradźwięków nie można zapominać o bardzo ważnym aspekcie. Ultradźwięki, jak wszystkie fale, ulegają tłumieniu w ośrodku sprężystym. Wielkość tego tłumienia jest przy tym wprost proporcjonalna do zwiększania częstotliwości fali. Wynika z tego zatem, że na możliwe od wykorzystania częstotliwości nałożona jest pewna górna granica, określona jak powyżej. W praktyce optymalne działanie fal realizuje się przez stosowny do danego problemu kompromis pomiędzy wielkością tłumienia a wymaganą zdolnością rozdzielczą analizy.
Czynne użycie ultradźwięków związane jest zwykle z wprowadzaniem nieodwracalnych procesów i modyfikacji ciał i wymaga dość dużych natężeń fali. Inna cecha typowa dla takiego wykorzystania ruchu falowego to pojawiająca się często nieliniowa zależność efektu działania ultradźwięku od mocy użytej fali. Przykładami szczególnie dobrze to obrazującymi mogą być ciśnienie akustyczne lub kawitacja. Uzyskiwanie ultradźwięków u dużych natężeniach i energiach jest przy tym dość łatwe, bowiem falom naddźwiękowym odpowiadają ich duże częstotliwości, a te z kolei wiążą się z natężeniem zależnością kwadratową.
Najważniejsze czynne zastosowania ultradźwięków:
● Czyszczenie układów mikroskopowych i wszelkich małych przedmiotów, w przypadku których tradycyjne metody usuwania zanieczyszczeń zawodzą. Czynnikiem oczyszczającym jest oddziaływanie krótkich fal z zanieczyszczeniem bądź osadem,
● Uzyskiwanie obrazu wnętrz organizmów żywych, roślin i zwierząt, bez konieczności dokonywania operacji i niszczenia ich struktury,
● W medycynie: diagnostyka chorób, wykrywanie zmian nowotworowych, kardiologia i chirurgia naczyniowa, badania i leczenie systemu nerwowego, usuwanie kamienia nazębnego – bezpieczne i nieinwazyjne,
● Obrabianie materiałów kruchych lub z innych przyczyn trudnych do ukształtowania przy pomocy metod konwencjonalnych,
● Spajanie, łącznie, lutowanie trudno łączących się ciał i powierzchni za pomocą krótkich fal niosących duże energie,
● Rozpylanie rozmaitych aerozoli i zawiesin, przydatne w farmacji, medycynie, badaniach z zakresu biotechnologii,
● Badanie procesów molekularnych, zachodzących w rozmaitych ośrodkach poprzez obserwacje oddziaływania fali z ośrodkiem,
2. Infradźwięki
Infradźwięk jest to, według fizycznej definicji, falowe drganie ośrodka zachodzące przy częstotliwości z zakresu przyjętego jako 0,1 - 20 Hz. W praktyce infradźwięki są to fale o częstotliwościach niższych niż próg słyszalności ucha ludzkiego. Fale to propagują się głównie w gazach i cieczach. Zgodnie z definicją posiadają częstotliwości niskie w porównaniu z ultradźwiękiem oraz o wiele większe długości fal.
Obecnie mamy do czynienia z zarówno naturalnymi, jak i sztucznymi źródłami infradźwięków, przy czym te drugie są o wiele bardziej szkodliwe z punktu widzenia medycyny. Do naturalnych źródeł zalicza się falowanie oceanów i mórz, ruchy pływowe, podwodne prądy morskie, falowanie morza wzbudzonego jak i spokojnego (generuje ono infradźwięk o niskiej częstotliwości rzędu części dziesiętnych Hertza), ruch mas atmosferycznych, przemieszczenie się zagęszczeń lub chmur. Dość szczególny typ fal infradźwiękowych generowany jest w pobliży kaskad rzecznych i wodospadów. Infradźwięki powstają w tym przypadku jako skutek rezonansu zachodzącego pomiędzy podłożem skalnym a płaszczem wody. W przypadku naturalnych źródeł infradźwięku bardzo często obserwuje się sytuację, w której infradźwięk miesza się i częściowo pokrywa z widmem dźwięków słyszalnych (np. falowanie morza, wodospad.) Znaczne natężenia fal ultradźwiękowych powoduje tzw. piorun, czyli efekt akustyczny związany z wyładowaniem elektrycznym podczas burzy, oraz same cichsze grzmoty. W przypadku zbiorników wodnych fale powstające na ich powierzchni mogą być także odbijane od górnej atmosfery i przekazywane jako nowe infradźwięki. Wreszcie źródłem drgań może być silny wiatr.
Źródła sztuczne to przede wszystkim samoloty i helikoptery. Te ostatnie wytwarzają infradźwięk z maksimum posiadającym częstość równą w przybliżeniu ilości obrotu śmigieł w jednostce czasu. Fale o porównywalnym natężeniu generują wszystkie samoloty poruszające się z prędkością naddźwiękową. W rym przypadku bezpośredni emiterem infradźwięku jest powstała na skutek takich prędkości fala uderzeniowa związana z ruchem samolotu. Najniższe częstości powstają przy ruchu samolotów masywnych, pasażerskich - typu Concorde. Jeszcze inne procesy doprowadzające do powstania fali uderzeniowej i infradźwięku to eksplozje bomb atomowych i konwencjonalnych (na podstawie pomiaru rozkładu i natężenia fali infradźwiękowej rozchodzącej się po wybuchu termonuklearnym wnioskowano w badaniach tych procesów o sile wybuchu), start rakiety kosmicznej, wystrzeliwanie rakiet wojskowych, drgania fal infradźwiękowych za sprawa pracy silników typu Diesla na statkach i okrętach, infradźwięki emitowane przy przejeździe masywnego samochodu po jezdni, wywołane drganiami podłoża, przepływ gazu w przemyśle (np. przemysł hutniczy – dmuchawy wielkopiecowe), fale infradźwiękowe emitowane w pobliży kanałów wentylacyjnych, maszyny i narzędzia przemysłowe podczas pracy, szczególnie młoty pneumatyczne, nitownice, maszyny służące do wyburzania budynków, itp. Nie ulega obecnie już wątpliwości (wykazały to liczne badania), że praca takich urządzeń jest w stopniu znaczącym szkodliwa dla obsługujących je robotników.
Badanie negatywnego wpływu, jaki infradźwięki o dużym natężeniu mają na wszystkie organizmy żywe, jest obecnie dziedziną rozwijającą się, pełną nierozwiązanych zagadnień, a przy tym absolutnie niezbędną w nowoczesnym świecie, gdzie mamy cały czas do czynienia ze wzmożonym ruchem lotniczym, potęgującym się hałasem wielkich miast i innymi źródłami silnych infradźwięków.
Zarówno w przypadku zwierząt jak i człowieka fale te mają wpływ na organizm jako całość. Wpływ ten przejawia się między innymi generowaniem ruchów rezonansowych głowy, klatki piersiowej i narządów wewnętrznych. Może to doprowadzić w skrajnych przypadkach nawet do zapaści i chorób serca, a w przypadkach łagodniejszych powoduje trudności z oddychaniem, patologie układu pokarmowego, bóle głowy, oraz zaburzenia psychiczne i psychosomatyczne takie jak: nadmierna pobudliwość, nerwowość, zakłócenia widzenia i pracy narządów odpowiedzialnych za stan utrzymania równowagi i postawy pionowej.
Pod względem oddziaływania z organizmem człowieka fale infradźwiękowe dzieli się na następujące zakresy:
● < 120 dB – mało szkodliwe, drgania, zwłaszcza ich krotka obecność nie wpływa negatywnie na narządy wewnętrzne i system nerwowy, przy dłuższym działaniu skutki mogą być widoczne u osób wrażliwych na podobne bodźce,
● 120 – 140 dB – działanie takich fal powoduje na ogół zmęczenie, bóle głowy, ewentualnie zakłócenia procesów życiowych,
● 140 - 160 dB – Nawet przy krótkiej ekspozycji rzędu kilku minut występują najczęściej rozmaite zaburzenia, m.in. wymioty, nudności, ból głowy, trudność z utrzymaniem równowagi; przy dłuższym działaniu mogą mieć miejsce szkody nieodwracalne,
● > 170 dB – następuje przekrwienie płuc na skutek drgań rezonansowych, co często w przypadku zwierząt kończy się śmiercią.
W medycynie definiuje się tzw. granicę bólu oraz próg słyszalności fal infradźwiękowych (podobne testy można też reszta przeprowadzić dla zwykłych fal słyszalnych i dla ultradźwięków.) Dla infradźwięków dla pewnej krytycznej wartości częstotliwości określone granice zbliżają się do siebie.
AnaMarie83