Definicja pojęcia:

ultradźwięki

Ultradźwiękinaddźwięki – fale akustyczne (dźwiękowe) rozchodzące się w sprężystych ośrodkach materialnych (np. powietrzu, wodzieciałach stałych, tkankach zwierzęcych), charakteryzujące się częstotliwością przyjmującą wartości z zakresu od 16-20 kHz do 1 GHz, czyli przekraczającą granicę słyszalności ucha człowieka. Głównymi źródłami ultradźwięków w przyrodzie są szumy naturalne (np. szum morza, szum wiatru) i zwierzęta wykorzystujące je do orientacji w przestrzeni oraz poszukiwania i chwytania zdobyczy, czyli tzw. echolokacji (np. nietoperze, delfiny). Ultradźwięki można również wytwarzać sztucznie w generatorach ultradźwięków z wykorzystaniem drgań mechanicznych, zmiennego napięcia elektrycznego, zmiennego pola magnetycznego, lasera lub wysokiej temperatury. Otrzymane ultradźwięki mają zastosowanie w diagnostyce medycznej (ultrasonografia, USG), rehabilitacji medycznej (fizykoterapia), technice (np. sonary, czujniki ruchu, liczniki) oraz procesach przemysłowych (np. diagnostyka materiałowa, obróbka ultradźwiękowa, zgrzewanie ultradźwiękowe).

Źródła ultradźwięków


Ultradźwięki stanowią jeden z rodzajów fal akustycznych (fal dźwiękowych) rozchodzących się w sprężystych ośrodkach materialnych (np. powietrzu, wodzie, ciałach stałych, tkankach zwierzęcych), charakteryzujących się wysoką częstotliwością przekraczającą wartość 20 kHz. Głównymi źródłami ultradźwięków w przyrodzie są szumy naturalne, jak np. szum morskich fal, szum wiatru czy szum deszczu, oraz zwierzęta wykorzystujące ten zakres fal dźwiękowych do orientacji w przestrzeni bądź poszukiwania pożywienia (tzw. echolokacji, echoorientacji).

Zdolność wydawania i odbioru ultradźwięków wykazują następujące zwierzęta:
  • nietoperze (Chiroptera), m.in. liścionosowate (Phyllostomatidae), mroczkowate (Vespertilionidae), lironosowate (Megadermatidae), podkowcowate (Rhinolophidae),
  • płatkonosowate (Hipposideridae), rogonosowatych (Rhinonycteridae);
  • walenie (Cetacea), m.in. delfinowate (Delphinidae), iniowate (Inidae), suzowate (Platanistidae), morświnowate (Phocoenidae), kaszalotowate (Physeteridae), płetwalowate (Balaenopteridae), walowate (Balaenidae);
  • nieliczne ssaki owadożerne – tenrekowate (Tenrecidae) z rzędu afrosorkowców (Afrosoricida); almikowate (Solenodontidae) i niektóre gatunki ryjówkowatych (Soricidae) z rzędu owadożerów (Eulipotyphla);
  • nieliczne ptaki – salangany (Aerodramus) z rodziny jerzykowatych (Apodidae) w rzędzie krótkonogich (Apodiformes); tłuszczak (Steatornis caripensis) z rodziny tłuszczakowatych (Steatornithidae) w rzędzie tłuszczakowych (Steatornithiformes);
  • owady – motyle nocne z podrodziny niedźwiedziówkowatych (Arctiinae) w obrębie rodziny mrocznicowatych (Erebidae), zawisakowate (Sphingidae); niektóre gatunki motyli z rodziny wachlarzykowatych (Crambidae).

Ultradźwięki można również wytworzyć sztucznie w generatorach ultradźwiękowych za pomocą mechanicznych układów drgających (np. strun, płytek, piszczałek); zmiennego napięcia elektrycznego przyłożonego do ciała krystalicznego (np. kwarcu) (tzw. odwrotny efekt piezoelektryczny); zmiennego pola magnetycznego wywołującego zmianę długości rdzenia magnesu (tzw. magnetostrykcja); oddziaływania światła lasera na ciecze i ciała stałe (tzw. efekt fotoakustyczny) lub działania wysokiej temperatury na przewodniki z prądem.
Zakres częstotliwości fal dźwiękowych. Autor: Designua/shutterstock.com

Właściwości ultradźwięków

Fale ultradźwiękowe, określane również mianem fali naddźwiękowych, są zaburzeniami różnych wielkości mechanicznych (np. gęstości, ciśnienia, naprężenia) rozprzestrzeniającymi się w określonym sprężystym ośrodku materialnym (np. powietrzu, wodzie) pod wpływem drgań cząsteczek tego ośrodka wokół swego położenia równowagi. Rozprzestrzenianie się fali ultradźwiękowej (tzw. propagację) umożliwiają oddziaływania wszystkich sąsiadujących cząsteczek wzajemnie przekazujących sobie drgania wzdłuż danego ośrodka.

Charakterystyczne właściwości ultradźwięków:
  • wysoka częstotliwość fali przyjmująca wartości z zakresu od 16-20 kHz do 1 GHz, czyli przekraczająca górną granicę słyszalności ucha człowieka;
  • zdolność do rozprzestrzeniania się w różnych ośrodkach sprężystych (np. powietrzu, wodzie, ciałach stałych, płynach ustrojowych, tkankach ludzkich i zwierzęcych);
  • sposób rozprzestrzeniania się fali ultradźwiękowej zależny od rodzaju ośrodka – fale podłużne (np. powietrze, woda); fale podłużne i poprzeczne (np. ciała stałe);
  • niewielka długość fali (odwrotnie proporcjonalna do częstotliwości), wpływająca na szybkie tłumienie ultradźwięków w powietrzu i ich dobre rozchodzenie się w wodzie;
  • silne odbicie, czyli zmiana kierunku rozchodzenia się fali ultradźwiękowej na granicy dwóch ośrodków, związane z jej wysoką częstotliwością i niewielką długością fali;
  • możliwość otrzymywania spójnych wiązek (promieni) fali ultradźwiękowych o dużej częstotliwości i gęstości strumienia energii (tzw. ogniskowanie ultradźwięków);
  • natężenie ultradźwięku, czyli ilość energii przenoszonej przez fale ultradźwiękowe, rosnące wraz ze wzrostem częstotliwości fali (bądź skróceniem długości fali).

Ultradźwięki, wraz z infradźwiękami (poddźwiękami) o częstotliwości 1-20 Hz, są niesłyszalne dla człowieka, co odróżnia je od dźwięków o częstotliwości od 20 Hz do 20 kHz (dźwięków słyszalnych). właściwości ultradźwięków, jak zdolność do rozprzestrzeniania się w różnych ośrodkach i silny efekt odbicia, umożliwiają jednak zwierzętom orientację w środowisku oraz stanowią podstawę działania urządzeń diagnostycznych i technicznych (np. ultrasonografów, sonarów). Wiązki ultradźwięków o dużym natężeniu stosowane są w zabiegach leczniczych (np. skalingu, litotrypsji) i procesach przemysłowych (np. zgrzewaniu ultradźwiękowym).
Propagacja fali ultradźwiękowej w ośrodku. Autor: Fouad A. Saad/shutterstock.com

Biologiczne znaczenie ultradźwięków

Ultradźwięki wykorzystywane są przez zwierzęta do precyzyjnej orientacji w przestrzeni, efektywnego poszukiwania i zdobywania pożywienia bądź komunikacji międzyosobniczej. Zdolność ta, określana mianem echolokacji lub echoorientacji, polega na wydawaniu krótkich ultradźwięków o wysokiej częstotliwości (tzw. pisków), a następnie odbieraniu echa, czyli fal odbitych od różnych obiektów obecnych w otoczeniu (np. przeszkód, potencjalnej zdobyczy). Echolokacja występuje głównie u gatunków prowadzących nocny tryb życia (np. nietoperzy), waleni żerujących w mętnych wodach rzek (np. delfinów rzecznych) czy głębinach oceanów (np. kaszalotów), niewielkich owadożernych ssaków o słabym wzroku (ryjówek i tenreków), ptaków gniazdujących w głębokich jaskiniach (tłuszczaków i salangan) bądź motyli nocnych zakłócających ultradźwięki emitowane przez polujące nietoperze (np. niedźwiedziówek).

Echolokacja umożliwia nietoperzom orientację przestrzenną i sprawną nawigację podczas lotu i polowania na owady w ciemności. Ultradźwięki wytwarzane są w wyniku drgań strun głosowych w krtani i emitowane na zewnątrz przez pysk lub nozdrza. Echo rejestrowane jest przez bardzo duże uszy, umożliwiając dokładne określenie wielkości, kształtu i odległości od przeszkody lub przelatującej ćmy. Delfiny i inne gatunki waleni wykorzystują echolokację do orientacji i poszukiwania pożywienia (np. ławic ryb, planktonu). Ultradźwięki u tych ssaków wytwarzane są przez worki powietrzne położone za szczęką, a echo rejestrowane jest przez żuchwę przekazującą drgania do ucha wewnętrznego. Znacznie prostsze systemy echolokacji występują u ryjówek i tenreków oraz tłuszczaków i salangan, które wykorzystują emitowane ultradźwięki do orientacji lub unikania przeszkód obecnych w ich najbliższym otoczeniu.
Echolokacja wykorzystywana jest przez nietoperze do polowania na owady w ciemności. Autor: Pepermpron/shutterstock.com

Zastosowania ultradźwięków

Fale ultradźwiękowe wytwarzane w generatorach ultradźwiękowych mają szereg różnych  zastosowań w medycynie i weterynarii, rehabilitacji medycznej, kosmetyce, zootechnice, rolnictwie, inżynierii środowiska, wielu dziedzinach nauki (np. biologii, chemii, oceanografii, inżynierii procesowej), technice (np. elektronice, technice samochodowej, mechatronice), przemyśle (np. przemyśle tworzyw sztucznych, przemyśle maszynowym i narzędziowym).

Główne zastosowania ultradźwięków:
  • diagnostyka medyczna, np. ultrasonografia (USG) – metoda obrazowania narządów wewnętrznych w celu uzyskania informacji o ich budowie i ewentualnych zmianach patologicznych; wykorzystywana również do badania rozwoju płodu w macicy;
  • terapie lecznicze, np. usuwania kamieni nerkowych (litotrypsja); usuwanie kamienia nazębnego (skaling); leczenie głębokich i trudno gojących się ran, redukcja i spłycanie blizn, leczenie złamań zmęczeniowych kości (np. sonoterapia, fonoforeza);
  • rehabilitacja medyczna (fizykoterapia), np. zmniejszanie dolegliwości bólowych (np. przy złamaniach, skręceniach, urazach torebki stawowej, chorobie zwyrodnieniowej stawów); łagodzenie stanów zapalnych mięśni i stawów (np. sonoterapia);
  • zabieg kosmetyczne, np. oczyszczanie i regeneracja skóry (peeling kawitacyjny, masaż ultradźwiękowy, tzw. sonoforeza); usuwanie nadmiernej ilości podskórnej tkanki tłuszczowej i redukcja cellulitu (liposukcja ultradźwiękowa);
  • oczyszczanie narzędzi medycznych (np. dentystycznych, chirurgicznych), sprzętu laboratoryjnego, elementów optycznych (np. soczewek), części przemysłowych, biżuterii (np. myjki ultradźwiękowe, łaźnie ultradźwiękowe);
  • nawigacja morska, lokalizacja i pomiar odległości do obiektów zanurzonych w wodzie, wykrywanie przeszkód (np. gór lodowych), mapowanie dna morskiego, obserwacja ssaków morskich, lokalizacja ławic ryb (sonar);
  • urządzenia wykorzystywane do mierzenia odległości (np. czujniki ultradźwiękowe, dalmierze ultradźwiękowe); pomiaru prędkości przepływu wody w instalacjach wodociągowych (np. przepływomierze ultradźwiękowe);
  • badania nieniszczące, np. badanie właściwości materiałów i połączeń (diagnostyka materiałowa); wykrywanie wad materiałów i urządzeń metalowych (defektoskopia ultradźwiękowa); badania grubości materiałów;
  • procesy przemysłowe, np. obróbka ultradźwiękowa stopów metali i niemetali, stopów magnetycznych, ceramiki; zgrzewanie ultradźwiękowe tworzyw sztucznych; kontrola przebiegu reakcji chemicznych (sonochemia); uzdatnianie wody pitnej;
  • rolnictwo, np. produkcja środków ochrony roślin, zwalczanie szkodników roślin uprawnych, dokładne oczyszczanie nasion (np. nasion bawełny) i zielonych części roślin (np. liści herbaty), przyspieszanie rozwoju nasion warzyw (np. pomidorów).

Fale ultradźwiękowe są również powszechnie stosowane w gospodarstwach domowych, czego przykładem są myjki ultradźwiękowe wykorzystywane do czyszczenia okularów, szkieł kontaktowych, sztućców i biżuterii; ultradźwiękowe nawilżacze powietrza wykorzystywane do nawilżania powietrza w pomieszczeniach mieszkalnych i użytkowych; ultradźwiękowe pralki wibracyjne służące do czyszczenia ubrań i tekstyliów domowych (np. ręczników).
Badanie ultrasonograficzne nerki. Autor: Damaratskaya Alena/shutterstock.com

Bibliografia

  1. Biologia Campbella; “Jane B. Reece, Lisa E. Urry, Michael L. Cain, Steven A. Wasserman, Peter V. Minorsky, Robert B. Jackson”; Dom Wydawniczy Rebis, Poznań 2020.;
  2. Encyklopedia biologiczna T. III, XI; “Zdzisława Otałęga (red. nacz.) ”; Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków 1998-2000.;
  3. Paul A. Tipler, Ralph Llewellyn; “Modern Physics”; W. H. Freeman 2012.;
  4. Paul A. Tipler, Gene P. Mosca ; “Physics for Scientists and Engineers. Vol. 1 – Mechanics, Oscillations and Waves, Thermodynamics ”; Macmillan Education 2007. ;
  5. Jiři Gaisler, Jan Zejda; “Ssaki świata”; Wydawnictwo Muza, Warszawa, 1997.;
  6. Wykłady z fizyki, tom 2. Elektryczność i magnetyzm, fale, optyka; “Igor W. Sawieliew”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2013.;
Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów
Szukaj
Oceń stronę
Ocena: 4.4
Wybór wg alfabetu:
a b c ć d e f g h i j k l ł m n o q p r s ś t u v w x y z ż ź