Ultradźwięki wywołują ciekawe efekty fizyczne i fizjologiczne: tak np. ciecze, które nie mieszają się z sobą, poddane działaniom ultradźwięków tworzą w ciągu kilku minut emulsję (np. woda i rtęć ). Termometru zanurzonego w oleju, w którym rozchodzą się fale ultradźwiękowe, nie można dotknąć ręką, ponieważ doznaje się oparzenia pod działaniem ultradźwięków, mimo że termometr wskazuje niską temperaturę. Ultradźwięki zabijają drobnoustroje i niektóre prostsze zwierzęta, np. żaby, ryby. Warto tu przypomnieć pewną ciekawostkę przyrody: nietoperze reagują na częstotliwości do 100 kHz, a ponadto korzystają z ultradźwięków w celu określenia położenia przeszkody. Wysyłają one impulsy ultradźwiękowe o częstotliwości 35 do 70 kHz i czasie trwania rzędu $\frac{1}{100}s$, a następnie nasłuchują impulsów odbitych od przeszkody. Z opóźnienia czasowego (podobnie jak przy zastosowaniu radaru) nietoperze oceniają położenie przeszkody. Studiowanie podobnych „aparatur” w przyrodzie żywej celem wykorzystania w technice jest przedmiotem nowej nauki – bioniki.

- Częstotliwość fal (f) jest stała dla danego generatora i nie zmienia się przy przechodzeniu fal przez różne ośrodki.
- W diagnostyce stosuje się fale o częstotliwościach 1 do 15 MHz, a w terapii od 0,8 MHz do 1,2 MHz.
- Prędkość fal ultradźwiękowych jest różna w różnych ośrodkach: w powietrzu wynosi ~ 340 $\frac{m}{s}$, a w wodzie 1500 $\frac{m}{s}$, w kościach czaszki 3400 $\frac{m}{s}$, w tkance tłuszczowej 1440 $\frac{m}{s}$, w mięśniach 1580 $\frac{m}{s}$.
- Długość fali ultradźwiękowej zależy od częstotliwości i prędkości rozchodzenia się fali $\lambda =\frac{v}{f}$.
- Natężenie fali maleje wraz z odległością od źródła, i to tym szybciej im wyższa jest częstotliwość, a więc krótsza jest długość fali.

Ultradźwięki

Drugi

VIII. Ruch drgający i fale. Uczeń:

8) rozróżnia dźwięki słyszalne, ultradźwięki i infradźwięki; wymienia przykłady ich źródeł i zastosowań.

45 minut

Przedstawienie własności ultradźwięków.

1. Zdefiniowanie ultradźwięków.

2. Prezentacja własności i parametrów ultradźwięków.

3. Zastosowane ultradźwięków w przemyśle i medycynie.

Uczeń:

- potrafi zdefiniować ultradźwięki oraz wskazać ich własności,

- przedstawia zastosowanie ultradźwięków w przemyśle i medycynie.

1. Dyskusja przedstawiająca nowe wiadomości.

2. Dyskusja rozwijająca się w toku wspólnego rozwiązywania problemu przez klasę lub grupę.

1. Praca w grupach nad uzyskiwaniem odpowiedzi na zadawane pytania.

2. Współpraca z nauczycielem podczas rozwiązywania powstałych problemów.

Proszę przygotuj odpowiedzi na następujące pytania:

1. Co to jest fala dźwiękowa?
2. Wymień cechy dźwięku?
3. Co to jest zakres słyszalności?

Co to są ultradźwięki?

Ultradźwięki – są to fale dźwiękowe, których częstotliwość jest zbyt wysoka, aby mógł je usłyszeć człowiek. Górną granicą słyszalnych częstotliwości, czyli dolną granicę ultradźwięków, jest częstotliwość 20 kHz, ale i tak dla wielu osób granica ta jest jeszcze niższa.

Czy zwierzęta słyszą ultradźwięki?

Niektóre zwierzęta słyszą ultradźwięki, a niektóre je nawet emitują i wykorzystują jako echolokacja. Psy, myszy oraz szczury słyszą do około 40 kHz. Ultradźwięki natomiast wykorzystują delfiny i nietoperze. Jest to echolokacja.

W jaki sposób można wytwarzać ultradźwięki?

Wytwarzanie ultradźwięków odbywa się zazwyczaj za pomocą zmiennego napięcia. Pobudzenia to płytki kwarcu do drgań rezonansowych.

Przedstaw podstawowe parametry związane z ultradźwiękami.

Własności i parametry ultradźwięków:

- Częstotliwość fal ultradźwiękowych jest stała dla danego generatora oraz nie zmienia się po wniknięciu do innego ośrodka.
- W diagnostyce medycznej stosuje się fale o częstotliwościach od 1 do 15 MHz, a w terapii natomiast od 0,8 MHz do 1,2 MHz.
- Ultradźwięki rozchodzą się z różnymi prędkościami w różnych ośrodkach: np. w powietrzu wynosi ~ 340 $\frac{m}{s}$, a w wodzie 1500 $\frac{m}{s}$, ale w kościach czaszki 3400 $\frac{m}{s}$, w tkance tłuszczowej natomiast około 1440 $\frac{m}{s}$, a w mięśniach 1580 $\frac{m}{s}$.
- Długość fali ultradźwiękowej jest uzalezniona od częstotliwości i prędkości rozchodzenia się fali $\lambda =\frac{v}{f}$.
- Natężenie fali maleje wraz z odległością od źródła, i to tym szybciej im wyższa jest częstotliwość, a więc krótsza jest długość fali.

Przedstaw podstawowe własności ultradźwięków.

Właściwości ultradźwięków:

- Ultradźwięki są szybko tłumione w powietrzu. Uwarunkowane jest to małą długością fali, natomiast bardzo dobrze rozchodzą się w wodzie.
- Ultradźwięki doznają silnego odbicia na granicy dwóch ośrodków.
- Stosunkowo łatwo i precyzyjnie pozwalają się ogniskować oraz skupiać, tworząc w ten sposób cienką wiązkę.
- Ultradźwięki o dużym natężeniu niszczą lub nagrzewają przedmioty, przez które przenikają.

Zastosowanie ultradźwięków.
Ultradźwięki znalazły liczne zastosowania w różnych dziedzinach życia.

[Slideshow]

Opisz w skrócie działanie USG.

Chyba najbardziej znanym przykładem wykorzystania ultradźwięków w medycynie jest ultrasonografia (USG). Ultradźwięki ulegają odbiciu na granicy dwóch ośrodków, jeżeli ośrodki te różnią się gęstością i prędkością rozchodzenia się. Organy w ciele człowieka charakteryzują się różnymi gęstościami. W związku z tym  różne prędkości rozchodzenia się ultradźwięków. Z tego powodu fale ultradźwiękowe odbiją się  od granicy ośrodków i są rejestrowane przez sondę ultrasonograficzną. Częściowo fala przenika w głąb prześwietlanego organu i znowu następuje częściowe odbicie od kolejnej granicy dwóch ośrodków. Ponownie kolejne odbite impulsy są rejestrowane. Powstaje obraz wewnętrznej budowy ciała człowieka.

Powstaje pytanie, do czego służy żel, którym smarujemy powierzchnię skóry podczas badania USG. W powietrzu fala rozchodzi się z  inną prędkością niż w skórze. W związku z tym powstawałoby bardzo silne odbicie od powierzchni skóry. Natomiast prędkość rozchodzenia się ultradźwięków w żelu jest zbliżona do prędkości rozchodzenia się w skórze. Zjawisko odbicia fali na granicy dwóch ośrodków, żel i skóra, jest pomijalnie małe. Fala bez strat może wejść w głąb organizmu ludzkiego.

Jakie efekty fizyczne i fizjologiczne powodują ultradźwięki.

Ultradźwięki mogą wywoływać interesujące efekty fizyczne i fizjologiczne. Ciecze, niemieszające  się ze sobą, pod wpływem ultradźwięków tworzą w bardzo szybko emulsję (np. woda i rtęć). Termometr zanurzony np. w oleju, w którym rozchodzą się ultradźwięki, jest bardzo gorący wskutek działania ultradźwięków. Mimo to termometr wskazuje niską temperaturę. Ultradźwięki bardzo skutecznie niszczą drobnoustroje oraz zabijają niektóre mniejsze zwierzęta, np. żaby oraz rybki. Jak już wszyscy wiemy, nietoperze reagują na wysokie częstotliwości (100 kHz), oraz wykorzystają z ultradźwięki w celu lokalizacji położenia przeszkody. Wysyłają one krótkie impulsy ultradźwiękowe (o częstotliwości 35 do 70 kHz). Czas trwania takich impulsów jest rzędu $\frac{1}{100}s$, a następnie odbierają impulsy odbite od przeszkody. Opóźnienie czasowe związane z odbiorem impulsów, pozwala nietoperzom ocenić położenie przeszkody. Analizowanie takich i podobnych przypadków w przyrodzie, jest przedmiotem nowej nauki – bioniki.

Ultradźwięki – są to fale dźwiękowe, których częstotliwość jest zbyt wysoka, aby mógł je usłyszeć człowiek. Górną granicą słyszalnych częstotliwości, czyli dolną granicę ultradźwięków, jest częstotliwość 20 kHz, ale i tak dla wielu osób granica ta jest jeszcze niższa. Niektóre zwierzęta słyszą ultradźwięki, a niektóre je nawet emitują i wykorzystują jako echolokacje. Psy, myszy oraz szczury słyszą do  około 40 kHz. Ultradźwięki natomiast wykorzystują delfiny i nietoperze. Jest to echolokacja.

Ultradźwięki, z powodu małej długości fali pozwalają na uzyskanie bardzo dokładnych obrazów wybranych przedmiotów. Urządzenie, pozwalające obserwować głębiny morskie, nazywa się sonarem. Sonary są wykorzystywane w okrętach zwykłych oraz podwodnych.

Ultradźwięki znalazły szerokie zastosowanie w medycynie. Za pomocą ultrasonografu można uzyskać obraz narządów wewnętrznych.