ultradzwieki.docx

ULTRADŹWIĘKI I ICH ZASTOSOWANIE

Ultradźwięki są to fale mechaniczne występujące w ośrodkach gazowych, ciekłych i stałych o częstotliwościach większych od górnej granicy słyszalności ucha ludzkiego, czyli 20 kHz. Rozchodzeniu się ruchu falowego w ośrodku towarzyszy przenoszenie energii bez równoczesnego transportu substancji. Wiele gatunków zwierząt ma zdolność do wytwarzania i odbierania drgań o częstotliwości ultradźwiękowej na przykład nietoperze, delfiny. Za pomocą piszczałki ultradźwiękowej Galtona można przekazywać psom niesłyszalne dla ludzi sygnały.  Żadne z tych źródeł nie może być wykorzystane ani w diagnostyce, ani w terapii. Stosowane w medycynie musza charakteryzować się ściśle określonymi parametrami: częstotliwości, natężenia, długości fali. Do tworzenia drgań o dowolnie regulowanej częstotliwości wykorzystywane jest zjawisko piezoelektryczne. Takie materiały, jak kwarc, tytanian baru, cyrkonian ołowiu, tytanian ołowiu wykazują proste i odwrotne zjawisko piazoelektryczne.

Odziaływanie ultradźwięków z materią dzielimy na czynne i bierne w zależności od zastosowanego natężenia, które decyduje o ich biologicznym działaniu. Zastosowanie bierne - w odniesieniu do diagnostyki, a czynne do terapii i innych działań, które w sposób kontrolowany wykorzystują ich siłę.

Zastosowanie bierne ultradźwięków.

Rozchodzenie się fal akustycznych w danym ośrodku w ścisły sposób zależy od rodzaju i własności tego ośrodka. Jeżeli w ośrodku zachodzą zmiany, to momentalnie znajduje to odzwierciedlenie w charakterze rozchodzenia się fal akustycznych w obszarze, w którym zaszły zmiany. Fala akustyczna zostaje wtedy "zmuszona" do dopasowania swojej prędkości do nowych warunków w ośrodku, w szczególności do innych warunków tłumiących jej rozchodzenie się. Zjawisko to jest podstawą wykorzystywania ultradźwięków w wielu urządzeniach, badających niejednorodności występujące w polu akustycznym danej substancji. Przy takich procesach mała długość fali ultradźwięków oraz nie zbyt wysoka prędkość (w porównaniu np. z falami elektromagnetycznymi) ich rozchodzenia się w ośrodku, gwarantuje większą zdolność rozdzielczą oraz tworzenie układów soczewek stycznych, które doskonale ogniskują wiązkę fal ultradźwiękowych. Dzięki temu otrzymane wyniki badań są wiarygodne i poprawne. Na dodatek możliwe jest nawet przedstawianie zmian pola akustycznego danej materii w postaci wizualnych obrazów, przedstawianych na specjalnym ekranie. Prędkość fal ultradźwiękowych w różnych charakterystycznych ośrodkach, przedstawia się następująco: w powietrzu około 340m/s, w wodzie 1500 m/s, w tkance tłuszczowej 1440 m/s, w mięśniach 1580 m/s, a w kościach czaszki 3400 m/s. W medycynie zakres fal ultradźwiękowych o częstotliwościach rzędu od 1 do 15 MHZ jest stosowany w diagnostyce, głównie ginekologii i położnictwie, kardiologii, neurologii oraz okulistyce. Istotą diagnostyki ultradźwiękowej jest jej nieinwazyjność i brak skutków ubocznych, z równoczesnym bardzo dokładnym obrazem stanu zdrowia danego organu lub ich zespołu. Stosowanie ultradźwięków o wysokich częstotliwościach jest ograniczane przez odpowiadające im również coraz wyższe tłumienie rozchodzenia się fali. Dlatego też tzw. optymalne warunki wykorzystania ultradźwięków w danych urządzeniach, wybiera się najwyższą częstotliwość, przy której zarówno tłumienie jak i zdolność rozdzielcza odpowiadają wymogom czytelności i prawidłowości badań.

W takich dziedzinach jak: hydrolokacja, defektoskopia i diagnostyka medyczna defektów budowy niektórych narządów wewnętrznych, wykorzystuje się fale ultradźwiękowe impulsowe lub ciągłe, a na ich skuteczność wpływa dodatkowo fakt, że badane uszczerbki materii i jej niejednorodności mają wielkości porównywalne, albo i przekraczające długość fali. Ta zaleta ultradźwięków wpływa również na stosowanie ich do określania grubości materiałów lub tez poziomu cieczy w trudnodostępnych zbiornikach. Zależność prędkości rozchodzenia się fal ultradźwiękowych oraz stopnia ich tłumienia jako niezwykle czułego wskaźnika wszelkich zmian zachodzących w danym ośrodku (nawet temperatury i ciśnienia) ma ogromne znaczenie również w oznaczaniu zanieczyszczeń w spalinach przemysłowych, a także w takich procesach jak: polimeryzacja, depolimeryzacja, rozpuszczalność substancji, starzenie się materii, itp. Ultradźwięki są niezawodnym narzędziem również do sprawdzania właściwości mono- i polikryształów.

Zastosowanie czynne ultradźwięków.

Czynne zastosowania ultradźwięków zależą od stopnia ich natężenia oraz zaawansowania nieodwracalności zmian, które pod ich wpływem zachodzą w danym ośrodku. Nieodwracalność niektórych zastosowań ultradźwięków wynika głównie z własności procesów nieliniowych, które są przez nie wywoływane. Przede wszystkim tzw. kawitacja (miejscowe wytwarzanie próżni) oraz strumienie akustyczne. Zjawiska te zachodzą przy dużym natężeniu ultradźwięków, które wprost proporcjonalnie zależy od częstotliwości fali, a więc jest stosunkowo łatwe do otrzymania. Przykładem wykorzystania tych zjawisk jest np. mycie ultradźwiękowe materiałów zanieczyszczonych.

W medycynie do leczenia schorzeń (terapii) stosuje się ultradźwięki o częstotliwościach od 0,8 do 1,2 MHz. Jednak każde stosowanie ultradźwięków na organizmach żywych, musi być sprawdzone pod względem nieszkodliwości dla układu nerwowego, który jest na nie szczególnie uwrażliwiony. Dlatego też najczęściej stosuje się ultradźwięki w działaniach przeciwbólowych, przeciwzapalnych oraz stymulacji zaburzeń neurologicznych.

W przypadku, gdy długość ultradźwięków jest zbliżona do wymiarów badanych niejednorodności lub struktury ośrodka, obserwuje się, że rozprzestrzenianie się ultradźwięków zależy wyłącznie od własności ośrodka. Dzięki za wszystko temu możemy z dużą dokładnością badać różnego typu ośrodki, mierząc jedynie i porównując szybkość rozchodzenia się oraz tłumienia w nich ultradźwięków. Natomiast procesy, które zachodzą w strukturze ośrodka pod wpływem ultradźwięków mają wyraźny charakter kwantowy.

Wytwarzanie i wykorzystywanie ultradźwięków wymaga użycia specjalnych urządzeń nazywanych przetwornikami ultradźwięków. Gdy ściśle określony układ nieakustyczy generuje drgania odpowiadające częstotliwością ultradźwiękom, to energia drgań tego układu zostaje zamieniana na energię akustyczną. Taki układ nazywamy przetwornikiem nadawczym ultradźwięków lub po prostu ich generatorem. Natomiast tzw. przetworniki odbiorcze - odbiorniki ultradźwiękowe, odbierając energię akustyczną z fal ultradźwiękowych, przekształcają ja w odpowiedni rodzaj energii, którą pobiera się z tego przetwornika. Wyróżniamy wiele rodzajów generatorów ultradźwięków oraz ich odbiorników, np.: elektryczne, cieplne, optyczne, magnetyczne, itp. Przetworniki, które swobodnie mogą spełniać zarówno rolę generatora jak odbiornika nazywamy przetwornikami odwracalnymi.