Było o infradźwiękach, więc teraz idziemy w górę, może nie na szczyt, ale… Ponad 20 kiloherców ponad poziom morza próg słyszalności Twego pięknego ucha, bo o ultradźwiękach rzecz będzie. Infradźwięków nie słyszałeś, ultradźwięków też pewnie nie usłyszysz, jednak nie wszystek stracone. Zawsze możesz o nich poczytać. Ultradźwięki poznać czas.

Czym są ultradźwięki?

Ultradźwięki to takie stworzenia, które drgają zbyt mocno, zbyt szybko i zbyt dużo, by usłyszał je przeciętny człowiek. W sumie to nie stworzenia, a fale dźwiękowe, ale tak mi się napisało. #BoMogę

Słowniki wszelkiej maści opisują ultradźwięki w sposób następujący…

dźwięki o wysokiej częstotliwości, niesłyszalne przez ludzi

Fale dźwiękowe wysokich częstotliwości uznawane są za niesłyszalne przez człowieka. Według większości źródeł ultradźwięki to dźwięki o częstotliwościach powyżej 20 kHz (kiloherców). Jednocześnie dwadzieścia tysięcy herców jest określane jako granica słyszalności ludzkiego ucha, choć często możemy tylko pomarzyć o tym, by usłyszeć dźwięki (nawet!) o dużo niższych częstotliwościach, rzędu 16 kHz.

Czy wszystkie dźwięki powyżej 20 kHz możemy określić mianem „ultradźwięków”? No nie do końca. Z matematycznego punktu widzenia nie ma liczby, która jest „największa z największych”. #nieskończoność Im dalej w las tym bardziej zmieniają się właściwości różnego rodzaju fal, również tych dźwiękowych. Za górną granicę ultradźwięków przyjmuje się częstotliwość 1 GHz (jednego gigaherca), czyli 1000 MHz. Co jest wyżej? O tym nieco później.

Oczywiście – podobnie jak w przypadku infradźwięków – ultradźwięki nie zostały odkryte i wyszczególnione spośród setek drgań kluczy wiolinowych i innych cudów natury, tylko po to, by naukowcy mieli co badać, a uczniowie mieli materiał „do nauki na jutrzejszą niezapowiedzianą kartkóweczkę”. Ba! Mimo, że sami ich nie słyszymy to śmiało wykorzystujemy je każdego dnia. Słyszą je natomiast zwierzęta, potrafią je też wytwarzać, co chyba Cię wcale nie dziwi. Psy, nietoperze czy delfiny (pssst! płetwale błękitne też korzystały z dźwięków, infradźwięków).

Spotkałem się też z określeniem „naddźwęki”, ale słowo „ultradźwęki” brzmi jakoś tak lepiej.

Ultradźwięki – właściwości

W punktach lepiej się przyswaja. To w punktach będzie.

  • ultradźwięki są falami akustycznymi z przedziału częstotliwości od 20 kHz do 1 GHz (umownie)
  • dolna granica częstotliwości ultradźwięków uznawana jest za granicę słyszalności ludzkiego ucha
  • mają niewielką długość fali (im wyższa częstotliwość, tym mniejsza długość fali)
  • ich długość zależy od ośrodka (środowiska) w jakim się rozchodzą
  • fala ultradźwiękowa jest ponad czterokrotnie dłuższa w wodzie, niż w powietrzu
  • człowiek ich nie słyszy, inne zwierzęta słyszą (np. delfiny)
  • jak wszystkie dźwięki, ultradźwięki są falami mechanicznymi i sprężystymi

Dodasz coś od siebie?

Ultradźwięki wokół nas

Krótko mówiąc – ciemność, echolokacja, nietoperze i taka sytuacja.

Echolokacja

O patrz nietoperz leci!

Echolokacja jest wykorzystywana przez zwierzęta (obecnie również przez ludzi, ale o tym zaraz…) do określania położenia przeszkód, obiektów, innych zwierząt, etc. Można powiedzieć, że pozwala ona „widzieć dźwiękiem”, a właściwie – ultradźwiękiem.

echolokacja = echo + lokacja

Masz zatem do czynienia z systemem lokalizacji (orientacji w terenie, obrazowania akustycznego, albo „widzenia dźwiękiem”) wykorzystującym znane od wieków zjawisko echa.

Druga część układanki to lokacja. Jak już wcześniej wspomniałem echolokacja służy m.in. określaniu położenia. Teraz już wiesz, że wykorzystuje do tego po prostu zjawisko odbicia fali akustycznej od przeszkody. W ten sposób radzą sobie w całkowitych ciemnościach właśnie nietoperze.

Najprościej rzecz ujmując – nietoperz w swej niewielkich rozmiarów główce zdołał zmieścić „radar ultradźwiękowy”. Emituje on dźwięki wysokich częstotliwości we wszystkie strony, po czym odbiera je ponownie (odbite od innych obiektów, przeszkód terenowych), uzyskując w ten sposób informacje o ukształtowaniu terenu. Dźwięki te zazwyczaj mają częstotliwości rzędu kilkudziesięciu kiloherców. Tylko na jakiej podstawie nietoperz może stworzyć sobie mapę terenu? Dźwięk odbija się i wraca, i… Co z tego? Jedyną zmienną może być czas powrotu sygnału, tak? Otóż ów zmyślne ssaki wykorzystują zmiany częstotliwości wysyłanych i odbitych sygnałów echolokacyjnych – innymi słowy „zjawisko Dopplera”.

No dobra, wiesz już jak mniej więcej wygląda echolokacja u nietoperzy. Czy to wszystko? No niby tak. Pomyśl jednak co się dzieje, jeśli nietoperzy jest dużo, a wszystkie korzystają z tego samego mechanizmu „obrazowania terenu”. Jeśli wszystkie wysyłają jakieś ultradźwięki to jakim cudem orientują się, które mają je interesować, a które wyemitowali inni pobratymcy? Upraszczając – to tak, jakby nagle setka sieci bezprzewodowych zaczęła nadawać na jednym kanale (tej samej częstotliwości) w promieniu stu metrów. Taki misz-masz by się zrobił, nieprawdaż? To jest dobre pytanie. Ogólnie nietoperze wykształciły pewien mechanizm. Jeśli w którymś momencie wykryją, że dotarł do nich sygnał wysłany przez innego osobnika, odpowiednio przestrajają swój „radar”.

Na koniec nietoperzowego wywodu warto wspomnieć, że niektóre z nietoperzy wykształciły z goła inny mechanizm wspomagający ich mroczną działalność. Po prostu – świetnie widzą w ciemności. Ot, cała zagadka.

Pomiar odległości, czyli dalmierz ultradźwiękowy

Przed chwilą mówiliśmy (właściwie to ja pisałem, a Ty czytałeś) o echolokacji. W podobny sposób ultradźwięki można wykorzystać do pomiaru odległości. Znając długość fali, znamy też jej prędkość, a jeśli znamy prędkość to… Możemy stwierdzić jaką drogę przebyła, o ile odbije się od jakiegoś obiektu. Żeby nie było – tę odległość trzeba podzielić na pół, bo fala poleciała sobie i wróciła. Dwukrotnie przebyłą tę samą drogę. Voilà! Właśnie objaśniłem Ci zasadę działania dalmierza ultradźwiękowego, albo po prostu ultradźwiękowego miernika odległości.

Z pewnością niejeden zainteresowany się znajdzie, więc postaram się niebawem zamieścić na łamach bloga przepis na ultradźwiękowy dalmierz domowej roboty. Nic trudnego. Wystarczą chęci, kilka elementów i gotowe. Przydadzą się przede wszystkim: ultradźwiękowy czujnik odległości HC-SR04, mikrokontroler i wyświetlacz.

Coming soon!

Ultradźwęki w medycynie i nie tylko

Medyczne zastosowania ultradźwięków to szeroki i ciekawy temat, postaram Ci się go przybliżyć, ale nie ukrywam, że nie jestem lekarzem z wieloletnim doświadczeniem, by móc tu udzielać jakichś praktycznych rad. Ba, w ogóle nie jestem lekarzem, więc traktuj ten akapit jako taką blogowo-popularnonaukową zajawkę tematu.

Fizykoterapia

Nasz organizm, poddawany działaniu ultradźwięków, nie pozostaje na nie obojętny. Najbardziej podatne na ultradźwięki są tkanki nerwowe, nieco mniej mięśniowe, a na najniższym stopniu dźwiękochłonnego podium plasują się tkanki tłuszczowe. Swoisty masaż tkanek, jak i lepsze hm… dotlenienie to jedne z efektów działania fal akustycznych wysokich częstotliwości. Co mogą dać nam ultradźwięki?

  • uśmierzyć ból
  • pomóc rozluźnić mięśnie
  • przyspieszyć leczenie procesów zapalnych
  • leczyć reumatyzm

Ciekawostką jest, że świetnym przewodnikiem ultradźwięków jest woda, którą wykorzystuje się uzupełniająco właśnie we wspomnianych przez chwilą zabiegach mających pomóc chorym na reumatyzm.

USG, czyli „jak sama nazwa wskazuje”

USG, czyli ultrasonografia, albo ultrasonograf. Tu wykorzystujemy ultradźwięki do obrazowania (cześć nietoperzu!), konkretniej do obrazowania tkanek, nieinwazyjnego ich badania. Z dużą dokładnością, która dochodzi do dziesiątych części milimetra! Tak małe zmiany (albo i jeszcze mniejsze, kto wie) jesteśmy w stanie dzięki USG wykryć.

Sama metoda ultrasonografii ma swe początki w… Metalach. Tak właśnie. W zamierzchłych czasach dinozaurów naukowcy próbowali opracować metodę skutecznego wykrywania wad w metalach. Same USG trafiły do szpitali w drugiej połowie XX wieku.

Ultrasonograf w uproszczeniu – jak się pewnie domyślasz – składa się z odbiornika i nadajnika ultradźwięków. Nadajnik, zwany również ładnie emiterem, wysyła falę akustyczną. Fala sobie leci, odbija się od naszych tkanek i wraca sobie do odbiornika. Czy nie przypomina Ci to echolokacji u nietoperzy? W ten sposób uzyskuje się obraz – w dużym uproszczeniu. Wykorzystuje się szeroki zakres częstotliwości. Od kilku megaherców dla badań mózgu, nerek czy serca do ponad dwudziestu megaherców w przypadku badań skórnych. Jak się pewnie domyślasz im głębiej chcemy „wejść” tym niższą częstotliwość stosujemy.

Litotrypsja, piękne słowo

Takież cudne słowo znalazłem przeglądając sterty materiałów (online, jak i offline), do których dotarłem przygotowując wpis. Litotrypsja to nic innego jak zabieg pozwalający na skruszeniu kamieni nerkowych przy pomocy ultradźwięków, rzecz jasna. Po skruszeniu kamienie mogą łatwiej przedostać się dalej, przez moczowód, by wreszcie opuścić na dobre nasz organizm.

Fakoemulsyfikacja, czyli kwiat słowotwórstwa

Jak się zapewne domyślasz (he he) fakoemulsyfikacja, zwana też phacoemulsificatio cataractae, jest po prostu metodą (mikro)chirurgicznego usuwania zaćmy. Oczywiście wykorzystujemy tu ultradźwięki. Zaćma jest chorobą narządu wzroku. Jej skutkiem jest zmętnienie soczewki oka, a nawet ślepota. Fakoemulsyfikacja polega właśnie na usunięciu chorej części soczewki. Oczywiście nie jest tak, że po zabiegu zostajemy z dziurą w oku! Chirurg uzupełnia ubytki (implantuje) sztuczną soczewkę. Sztuczna soczewka zaburza nam możliwość tzw. „akomodacji”, więc po zabiegu konieczne jest noszenie soczewek kontaktowych, albo tradycyjnych okularów.

Nie wspomniałem o tym, skąd się biorą tutaj ultradźwięki. Przecież lekarz nie generuje ich „z palca”. Otóż używa się tu przyrządu o wdzięcznej nazwie – fakoemulsyfikator. Rozdrabnia on zmętniałą soczewkę ultradźwiękami.

Wreszcie… po prostu higiena

Co by nie mówić higiena związek z medycyną ma. Ultradźwięki z higieną też. Myjesz zęby? Nie? Szkoda, ale Twoja sprawa. To właśnie zdrowiu zębów mogą pomóc ultradźwięki. To, co niesłyszalne, może pomóc usunąć to, co niewidoczne (z naszego zacnego uzębienia). Mowa o ultradźwiękowych szczoteczkach do zębów. Taka szczoteczka wyposażona jest w emiter fal akustycznych wysokich częstotliwości, rzędu megaherców. To dużo czy mało? Załóżmy, że szczoteczka pracuje sobie na 2 MHz, czyli dwóch milionach herców. Czym jest jeden herc? Można powiedzieć, że oznacza jeden ruch, jedno drganie w ciągu sekundy. No.

Podobno tego typu szczoteczki czyszczą lepiej, niż zwykłe. Prawda czy może marketing? Trudno powiedzieć, sam nie korzystałem z tego typu rozwiązań, ale jeśli Ty drogi czytelniku masz wyrobione zdanie na ten temat to chętnie poczytamy (daj komentarz!). Jeśli ktoś do higieny jamy ustnej podchodzi po macoszemu, a jednocześnie jest fanem wszelkiego rodzaju nowinek, to z pewnością mycie zębów przy pomocy ultradźwięków będzie o wiele lepszym rozwiązaniem, niż nie mycie ich wcale.

Hiperdźwięki, czyli „widzę szczyt!”

Jeśli ultradźwięki to dźwięki #ponadskalę to co powiedzieć o hiperdźwiękach? Są to fale akustyczne o częstotliwościach znacznie przekraczających górną granicę słyszalności ludzkiego ucha. Różnie w trawie piszczy o nich, bo można przeczytać, iż są to dźwięki zaczynające się od częstotliwości 100 MHz, albo 1 GHz, albo nawet 10 GHz. Powiedzmy, że z trojga złego dwie skrajne pozycje i uznamy, że hiperdźwięki zaczynają się od 1 GHz. To sporo. Wyobraź sobie, że emitujesz swym aparatem gębowym drgania o częstotliwości 1 000 000 000 Hz (miliarda herców), albo jeszcze szybsze.

Ze względu na swoje właściwości (bardzo mała długość fali) hiperdźwięki mogą rozchodzić się jedynie w kryształach. Trudno je uzyskać w domowych warunkach, choć nie takie cuda świat widział. Jeśli ktoś chciałby jednak podjąć się karkołomnego zadania emisji hiperdźwięków w domowym zaciszu to zainteresuje go z pewnością tzw. generator Bommela-Dransfielda.

…i w sumie mało mi o nich wiadomo, ale jeśli ktoś ma informacje na ten temat i zechce się podzielić nimi w komentarzach to będę dźwięczny. Pozostali czytelnicy z pewnością też.

Hałas ultradźwiękowy, hałas wysokoczęstotliwościowy

Hałas kojarzymy z czymś nieprzyjemnym, uciążliwym, a może i nawet groźnym. Jaki hałas jest każdy widzi. Właściwie to słyszy. Albo i nie, bo przecież nie słyszymy ultradźwięków. Możemy jednak odczuwać negatywne skutki ich oddziaływania na nasz organizm.

Mówi się, że hałas ultradźwiękowy zaczyna się w okolicach 10 kHz a kończy gdzieś przy 40 kHz. Tak mówią mądre pisma. Moim zdaniem – w praktyce – trudno to jednoznacznie określić. No, ale tak się przyjęło. Już poziomy hałasu ultradźwiękowego rzędu 80-100 dB mogą być dla nas groźne. Na co dzień zapewne nie mamy z nimi do czynienia, chyba że pracujemy w przemyśle. Wszelkiego rodzaju myjki ultradźwiękowe, zgrzewarki i inne urządzenia wykorzystujące właściwości fal akustycznych wysokich częstotliwości mogą mieć zły wpływ na nasze samopoczucie. Oczywiście przy dłuższej ekspozycji.

O hałasie (ultradźwiękowym, infradźwiękowym, jakimkolwiek) pojawi się też osobny wpis – link będzie tutaj.

Na koniec wysokim tonem…

…taka tam piosenka. Dziwna. Albo i nie.

Materiały, z jakich miałem okazję korzystać pisząc dla Ciebie (i do których warto zajrzeć z czystej ciekawości, bo ciekawość to pierwszy krok do Nagrody Nobla).

  1. Krótka notka o echolokacji
  2. Sygnał echolokacyjny u nietoperzy (Świat Nauki)
  3. Zastosowanie ultradźwięków w fizykoterapii

Cześć!