Ultradźwięki to niesłyszalne dla człowieka, bardzo krótkie fale dźwiękowe, o dużej częstotliwości, a więc i znacznie większej energii niż te, które słyszymy. Ultradźwięki dość swobodnie rozchodzą się nie tylko w powietrzu, lecz także w wodzie, skałach, w naszych ciałach i w innych ośrodkach materialnych. Ta właściwość została wykorzystana do budowy różnych bardzo pożytecznych narzędzi, głównie diagnostycznych, ale także narzędzi roboczych.
Podstawowa część narzędzia ultradźwiękowego – generator
Czytając na internetowej stronie firmy Instytut Tele- I Radiotechniczny z Warszawy informację o zgrzewarkach ultradźwiękowych postanowiliśmy nieco więcej napisać o wykorzystywaniu ultradźwięków przez ludzi. Jak w wielu innych wypadkach, także i wykorzystując ultradźwięki dla swoich celów, człowiek naśladuje przyrodę. Ten rodzaj fali dźwiękowej potrafią wygenerować przy użyciu swojego aparatu głosowego niektóre zwierzęta, m.in. nietoperze, delfiny i inne walenie, co pozwala im posługiwać się echolokacją do namierzania zdobyczy i badania otoczenia. Człowiek nie mając takich umiejętności, konstruuje sobie sztuczne generatory ultradźwięków, stosując kilka różnych metod:
- mechaniczna
- elektryczna
- magnetyczna
- optyczna
- cieplna
Najprostszą metodą jest ta pierwsza, gdyż wykorzystuje ona zwykły przepływ cieczy lub gazu, a przykładem urządzeń budowanych tym sposobem mogą być zwykłe gwizdki i piszczałki, które wytwarzając wysokie dźwięki, niesłyszalne przez ludzi, służą do wydawania komend psom. Wedle pozostałych metod buduje się znacznie bardziej skomplikowane generatory, które następnie montuje się już w urządzeniach stricte użytkowych. Niezależnie od budowy generatora zawsze chodzi o to samo: wytworzone przezeń ultradźwięki mają przekazać swoją energię do określonego ośrodka materialnego i wprawić go w drgania, które posłużą do zbadania tegoż ośrodka lub jego zmodyfikowania, a niekiedy celowego zniszczenia.
Zastosowania generatorów ultradźwięków
Najpewniej każdy miał okazję doznać niezbyt przyjemnego uczucia, słuchając bardzo głośnych i wysokich dźwięków. Jest to efekt uderzenia fali dźwiękowej w bębenki uszu i dowód na to, że niesie ona z sobą energię, która może wykonać jakąś pracę. Zważywszy na to, że fale ultradźwiękowe mają znacznie wyższą energię niż zwykłe, słyszalne dla człowieka dźwięki, mogą one z większą siłą penetrować ośrodek, przez który przebiegają. To właśnie ta cecha tych fal sprawia, że człowiek wykorzystuje się je w wielu, bardzo licznych dziedzinach swojego życia. Niżej wymieniamy niektóre z tych zastosowań.
- Ultrasonografia. To powszechna bezinwazyjna metoda badania miękkich tkanek organizmu, najczęściej stosowana do diagnostyki narządów wewnętrznych w jamie brzusznej.
- Wiertła ultradźwiękowe. Stosowane w stomatologii do bezbolesnego plombowania zębów.
- Ultrasonoterapia. Wykorzystywana do zwalczania bólu, zmniejszania napięcia mięśni, rozszerzania naczyń krwionośnych, hamowania procesów zapalnych, leczenia choroby zwyrodnieniowej stawów i nerwobólów.
- Kruszenie kamieni fizjologicznych. Rozbijanie kamieni nerkowych i w woreczku żółciowym.
- Walka z nowotworami. W określonych przypadkach wiązka ultradźwiękowa niszczy precyzyjnie tkankę nowotworową bez uszkadzania tkanek zdrowych.
- Nawigacja. Wszystkie większe okręty wojenne i statki handlowe lub pasażerskie wyposażone są w stacje hydroakustyczne umożliwiające żeglugę we mgle. Ultradźwięków używa się także do wykrywania przeszkód, np. gór lodowych lub łodzi podwodnych.
- Badania akustyczne sal koncertowych. Takie badania przeprowadzają architekci, obserwując rozchodzenie się fal w modelach różnych projektowanych pomieszczeń.
- Spajanie i lutowanie. Stosowane do łączenia trudno łączących się metali bez ich roztapiania.
- Obróbka materiałów twardych. Ultradźwięki o dużych natężeniach stosowane są do plastycznej obróbki bardzo twardych i kruchych materiałów, takich np. jak stopy tytanu, czy półprzewodniki z germanu lub krzemu.
- Diagnostyka materiałowa. Wiązka ultradźwiękowa wykrywa ewentualne niedoskonałości strukturalne materiałów.
Przedstawiona wyżej lista nie wyczerpuje oczywiście wszystkich zastosowań głowic ultradźwiękowych, ponieważ są to urządzenia wysoce uniwersalne, a dzięki twórczej inwencji ludzi powstają na ich bazie co jakiś czas nowe urządzenia.
